一種高擴徑性能的j55鋼級erw膨脹管的製備方法

2023-04-24 10:19:06

專利名稱：一種高擴徑性能的j55鋼級erw膨脹管的製備方法
一種高擴徑性能的J55鋼級ERW膨脹管的製備方法技術領域
本發明屬於金屬材料領域，涉及石油套管，特別是一種油田開採用J55鋼級ERW膨脹管所採用的合金設計和熱處理工藝。
背景技術：
膨脹管技術是近些年發展起來的一項非常有前景的石油鑽採技術，它為解決鑽井、固井、補井等問題提供了新的有效途徑。所謂膨脹管的膨脹原理，從工藝角度上講，就是利用金屬的彈塑性特徵，通過膨脹心軸在膨脹管內從上到下或從下到上的作軸向移動， 以強行擠壓的方式使套管在塑性區發生永久的塑性變形，使膨脹管直徑膨脹7-30%。膨脹管技術可以減小鑽孔尺寸，優化井身結構；同時膨脹推壓擠實泥漿基礎，提高油井使用壽命；另外，可用於修補長井段，克服了以往加固技術距離的限制，並能擴大修復通徑，還可繼續使用原有工具，擴大油井產量；簡化尾管懸掛工藝、效果穩定、密封良好等，被稱為石油鑽採技術的一次革命，引起人們高度重視(劉文西，陳玉茹，劉潔.油田完井用膨脹管裝置 [P],中國2005101223；35，2006)。
美國億萬奇公司(Enventure Technology Venture，由殼牌公司和哈裡伯頓公司合資成立)處於該技術的領先地位，他們已對膨脹管技術進行了較深入的研究，可以生產外徑339. 73mm到107. 95mm(均為膨脹前尺寸)的系列實體膨脹管，膨脹率最高達到16% ^M (內白勺( [2]Mack. R. D, Terry. Μ, Lev. R. How in situ expansion affects casing and tubing properties [J]· World Oil, 1999, 220(7): 69-71; [3] Rune. G, Randy. M. R. Deep reservoir targets using solid expandable tubular [C]· SPE77612, 2000; [4]Andrei. F, Robert. M. S. Expandable tubular solutions [C], SPE56500, 2000)。國內對膨脹管技術的研究起步較晚，1999年才開始對膨脹管技術進行研究，其中天津大學的劉文西做了較多的工作，其就膨脹管的完井，補井和擴徑裝置等方面已申請了幾項專利。
鋼鐵材料的強度與塑性和韌性通常表現為互為消長的關係，強度高的常常塑性和韌性就低，而變形能力方面也不盡如人意。國內外的高性能膨脹管材料，它在保證材料強度的前提下，又顯著提高了延伸率，但是在成分中加入了較多的合金元素，成本較高，這影響到膨脹管在石油鑽採中的長距離應用。目前為止，國際上1000米以上或全井膨脹管的應用案例不足10%。因此，降低膨脹管成本、簡化膨脹管制造工藝、提高擴徑性能和增加產品膨脹後的力學穩定性是擴大膨脹管應用範圍的關鍵問題。
ERW焊管(electric resistance welding，即高頻直縫電阻焊管)是利用高頻電流的集膚效應和臨近效應將鋼板邊緣迅速加熱，進行擠壓成型的焊接管道生產技術。電阻焊管具有生產效率高、製造成本低、尺寸精度高、使用效果好等優點，這些優點是無縫鋼管無法比擬的([5]王榮.J55鋼直縫焊油井套管溝槽腐蝕性能研究[J].中國腐蝕與防護學報， 2004, 24(6): 360-363; [6]李鶴林.油井管發展動向及若干熱點問題(上)[J].鋼管，2005, 34(6): 1-6; [7]介升旗，劉永平.國內ERW焊管發展現狀及其質量控制[J].焊管，2006，29(6): 74-79)。但是ERW焊管在焊接時經歷了組織粗化、鋼板心部組織按照流變方向擠出以及快速加熱與冷卻等熱力過程，這會造成母材和焊縫區的微觀組織差異，從而使焊管整體的性能不均勻。歷5鋼級是美國API 5CT標準中一個重要的石油套管鋼級，在我國的石油鑽採領域中用量較大，因此需要格外關注J55鋼級ERW膨脹管的生產成本和擴徑性能。發明內容
本發明的目的在於提出一種高擴徑性能的J55鋼級ERW膨脹管的製備方法，通過合理的合金設計獲得較低生產成本的J55鋼級膨脹管用鋼並焊接制管，然後通過熱處理工藝使得歷5鋼級ERW膨脹管實現基本的無縫化，並使得其具有較高的整體變形能力以及保證膨脹後力學性能均符合API或有關標準的規定。從而使J55鋼級膨脹管在強行擴徑的方式下，發生較大的塑性變形，實現擴大管徑，降低鑽採成本和增加油井產量目的。
實現本發明的具體方法是，冶煉熱軋合金成分以質量百分數計為C: 0. 20 0· 30%、Μη :0· 50 2· 00%,Si :0· 20 0· 80%、Fe餘量的鋼板，並焊接制管。將J55鋼級膨脹管產品加熱至100(Tll5(rC並保溫30飛0分鐘後空冷至室溫；然後再加熱至產品ka點以上 5(T10(TC並保溫30 60分鐘後空冷至室溫；最後將產品在70(T750°C的兩相區保溫30 60 分鐘，使其滿足美國石油學會套管和油管規範對歷5鋼級的性能要求(即API Spec 5CT的標準，屈服強度達到379 552MPa的範圍，抗拉強度最小值達到517MPa以上的要求)。
本發明兼顧了膨脹管的成本和性能兩個矛盾方面的問題，利用ERW焊管替代無縫鋼管，克服已有的技術不足，其製備方法簡單，ERW膨脹管實用、經濟。本發明中的製備方法獲得的邗5鋼級ERW膨脹管適用於內陸鑽井，深井和各類海洋井的施工，由於具有較好的綜合效益，必將部分的取代普通的無縫石油套管和膨脹管，具有非常廣泛的應用前景。
本方法的特點在於通過恰當的成分設計和熱處理工藝消除母材和焊縫區的微觀組織差異，實現管體各處性能基本一致，並得到分布均勻長大的鐵素體，其含量較多，已接近此條件下的臨界值，同時該方法也利於消除材料的帶狀組織，使組織細化，消除一些缺陷 (如空位等)，提高均勻延伸率，從而使J55鋼級ERW膨脹管具有較高的整體擴徑性能。


擴徑性能的重要指標包括一加工硬化指數(η)和厚向異性指數(r)以及預應變後的性能。圖1為實施例1和實施例2的J55鋼級膨脹管熱處理後的應力-應變對數曲線 (即In δ-In ε曲線)，其中斜率即為η值。
圖2(a)為母材的微觀組織、圖2(b)為焊縫區的微觀組織。
圖3 (a)為母材的微觀組織、圖3 (b)為焊縫區的微觀組織.具體實施方式
下面將對本發明實施例中的的技術方案進行描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明中很小的一部分，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例1將合金成分如表1所示的歷5鋼級ERW膨脹管加熱至1150°C並保溫30分鐘後空冷至室溫；然後再加熱至歷5鋼級膨脹管Ara點以上50°C (890°C )並保溫60分鐘後空冷至室溫；最後將鋼板在700°C的兩相區保溫60分鐘。從圖1可知，所得J55鋼級ERW膨脹管在熱處理後η值較大；通過公式(1)計算r值為1.4 ([8]吳詩.衝壓工藝學[M].西安西北工業大學出版社，1987，5-6)；從表2可知，母材和焊縫區的均勻延伸率均達到16%以上，且力學性能比較接近，滿足API Spec 5CT標準對J55鋼級的性能要求；在13%的預應變後，母材的抗拉強度為571MPa，屈服強度為514MPa，焊縫區的抗拉強度為585MPa，屈服強度為520 MPa ；從圖2中可以看出，母材和焊縫區的微觀組織差異得到消弱，基本趨於一致。
r = eb/et= [In (b/b0) ] / [In (t/t0)]公式(1) ε b_寬度方向的應變；ε t_厚度方向的應變； b0和b為變形前後工作部分的寬度； t0和t為變形前後工作部分的厚度。
表1 實施例1的J55鋼級ERW膨脹管的成分(質量分數)
權利要求
1. 一種高擴徑性能的J55鋼級ERW膨脹管的製備方法，其特徵在於通過合理的合金設計獲得較低生產成本的歷5鋼級膨脹管用鋼並焊接制管，來替代無縫鋼管，將J55鋼級膨脹管加熱至100(Tll5(rC並保溫3(Γ60分鐘後空冷至室溫；然後再加熱至J55鋼級膨脹管用鋼Ac3點以上5(T100°C並保溫3(Γ60分鐘後空冷至室溫；最後將鋼板在70(T750°C的兩相區保溫30飛0分鐘；所述歷5鋼級膨脹管的合金成分以質量百分數計為C :0. 2(Γ0. 30%、Mn :0. 50 2. 00%、 Si :0. 2(Γ0. 80%、Fe餘量，熱處理後，基本消除母材和焊縫區的微觀組織差異，實現管體各處性能基本一致，從而使歷5鋼級ERW膨脹管具有較高的整體擴徑性能，其力學性能性能能滿足於內陸鑽井，深井和各類海洋井方面對歷5鋼級膨脹管的要求。
全文摘要
一種高擴徑性能的J55鋼級ERW膨脹管的製備方法，屬於金屬材料領域。其特徵在於通過合理的合金設計獲得較低生產成本的J55鋼級膨脹管用鋼並焊接制管，來替代無縫鋼管，將J55鋼級膨脹管加熱至1000~1150℃並保溫30~60分鐘後空冷至室溫；然後再加熱至J55鋼級膨脹管用鋼AC3點以上50~100℃並保溫30~60分鐘後空冷至室溫；最後將鋼板在700~750℃的兩相區保溫30~60分鐘；消除母材和焊縫區的微觀組織差異，實現管體各處性能基本一致，得到分布均勻長大的鐵素體，其含量較多，已接近此條件下的臨界值，同時該方法也利於消除材料的帶狀組織，使組織細化，消除一些缺陷(如空位等)，並提高均勻延伸率，從而使J55鋼級ERW膨脹管具有較高的整體擴徑性能。本發明製備方法簡單，ERW膨脹管實用、經濟。
文檔編號E21B17/01GK102534166SQ20121000984
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者任勇強, 尚成嘉, 湯忖江, 謝振家, 賀飛 申請人:北京科技大學