石油天然氣鑽採用j55級膨脹管材成分設計及製備方法
2023-09-25 19:30:35
專利名稱：石油天然氣鑽採用j55級膨脹管材成分設計及製備方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料領域，涉及石油套管，特別是一種石油天然氣鑽採用J55級膨脹管材成分設計及製備方法。
背景技術：
在石油天然氣勘探開發中，鑽井工程是直接了解地下地質情況、發掘和開採油氣田廣為應用的最有效手段。常規鑽井是將固定尺寸的套管下入井中，從井口向下層層套入，每一層套管的尺寸由上至下是逐漸縮小的。這種鑽井的方式對於深井而言將導致兩種結果若固定井口套管直徑，有可能因為套管(井眼)尺寸限制而不能達到目的層，進而不能進行深井的井下作業；反之，若不固定進口套管直接，則鑽進越深，套管的層數就越多，這樣將導致井口直徑很大。為此，人們發展了膨脹管技術，它是近年來發展起來的一種新型的頗具應用前景的石油鑽採技術，為解決鑽井、固井、補井等問題提供了新的有效途徑，既能解決井眼變徑問題，又能大量節約作業成本，被認為是21世紀石油鑽採行業的核心技術之一(馬宏偉，黃勇.膨脹管技術現狀分析[J].科技創新導報.2010,17:69-71.)。所謂膨脹管技術是利用金屬材料的彈塑性特徵，以冷加工成型的方式，採用膨脹錐頭以液壓或機械擠壓的方法在井下將鑽井管柱徑向膨脹，使其內、外徑擴大，實現使用同一尺寸的套管代替現行的多層套管，以提高應對多個複雜地層的深井鑽採能力。從經濟角度分析可知，使用可膨脹套管技術可以縮減上部井眼尺寸，優化鑽具組合，提高機械鑽速，節省井口設備、鑽井液、循環時間、水泥、鑽頭和平臺費用(彭在美，趙旭，竇樹柏，等.國內外可膨脹套管技術的發展概況[J].焊管.2010,33 (6):5-9.)。據統計，該技術可以降低·44 %的鑽井液用量、42 %的水泥用量、38 %的套管用量和59 %的鑽屑生成量。在海上鑽井和建井中可節省33%-48%的建井費用(楊傳勇.國外可膨脹套管技術的發展及應用[J].石油機械，2006,34 (10) :74-76.)。自1990年初,Royal Dutch Shell公司最先提出膨脹管技術的概念,並於1993年在挪威的海牙(Hague)進行了第一次概念性試驗(利用一種用於汽車防撞區的材料，採用焊接方式實現了內徑膨脹率22% -24%)。膨脹管技術經歷了概念性研究、探索性研究和應用研究等三個研究過程(孟慶昆，謝正凱，馮來，王輝，王玉明.可膨脹套管技術概述[J].鑽採工藝，2003,26 (4):67-68.)。尤其是最近幾年，膨脹管技術呈現爆炸式大發展，該技術將廣泛應用於油氣井鑽採、地質勘探、老井加深、修井以及堵水井工程中。目前，國外有多家石油技術服務公司可以提供鑽井膨脹管技術服務，其中億萬奇環球工藝技術公司(EnventureTechnology Venture, 1998年12月由殼牌公司和哈裡伯頓公司合資成立)、威德福公司(Weatherford)以及俄羅斯軸靼(TatNIPIneft)石油設計院處於領跑地位。可膨脹管技術的概念是2000年引入國內的，但直到2001年才引起鑽井界的足夠重視。目前國內多家公司和科研機構在跟蹤國外發展現狀的同時，也在從事膨脹管技術的研究，但僅限於理論及實驗室的研究(張海東.膨脹管技術的現狀及未來[J].特種油氣藏，2007，14 (1):3-6.)。隨著膨脹管技術在國外的成功應用，證明其在石油鑽採也的關鍵地位，同時，也意味著國內將有著大量的需求。然而，膨脹管技術的最關鍵要素之一，是可膨脹管材的成分設計及熱處理工藝。可膨脹式套管材料性能要求延伸率高且易於膨脹變形，膨脹變形後機械性能基本達到普通套管水平，能符合API 5CT 8th或者有關標準的規定。同時，材料的價格要和普通套管屬同一數量級(孟慶昆，謝正凱，馮來，王輝，王玉明.可膨脹套管技術概述[J].鑽採 工藝，2003，26(4):67-68.)。國內外目前開發的高性能鋼中添加了大量的Cr、Ni、Zr等貴重金屬元素，導致成本較高，不利於可膨脹技術推廣應用。因此，降低膨脹管的成本、簡化製造工藝、提高擴徑性能和增加產品膨脹後的力學穩定性對該技術的推廣應用至關重要。
發明內容
本發明旨在提出一種低成本高擴徑性及良好的焊接性能的J55級膨脹管材的成分設計及製備方法，通過合理的成分設計及熱處理工藝獲得低生產成本的J55級膨脹管材用鋼。鋼材經冶煉並熱軋軋製成板材，然後將鋼板重新加熱到奧氏體化溫度進行均勻化處理後淬火，又加熱到兩相區淬火(或退火)，最後進行高溫回火，獲得具有高均勻延伸率且其他力學性能均符合API或有關標準規定的膨脹管材用鋼。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，達到擴大管徑，降低鑽採成本和增加油井產量目的。本發明的技術方案是石油天然氣鑽採用J55級膨脹管材成分設計，該管材的化學成分重量百分數如下
C 0. 06 O. 25%,Mn 1. 5 3. 5%, Si 0. 3 I. 5 %，S ·.( O. 01%,P ·.( O. 015%,Ni 0. 3 I. 5%，餘量為Fe和不可避免的雜質。進一步，該管材的化學成分重量百分數如下C 0. 08 O. 15%，Si :0. 4 I. 0%，Mn
I.8 2. 5%, S彡O. 005%, P S O. 015%, Ni :0. 3 I. 0%，其餘為Fe和不可避免的雜質。本發明的另一目的是提供上述石油天然氣鑽採用J55級膨脹管材的製備工藝 步驟I :根據所設計的化學成分進行冶煉並熱軋軋製成板材；
步驟2 :將上述熱軋板材重新加熱至奧氏體化溫度Ara以上5(T10(TC的T1,並保溫3(Γ60分鐘的h時間後淬火，獲得馬氏體或貝氏體板條組織；
步驟3 :將上述淬火後的鋼板再加熱至鋼板的Aa以上、Ac3以下的兩相區之間的某一溫度T2保溫15飛O分鐘的t2時間，使之部分奧氏體化而形成有C和Mn元素富集的逆轉奧氏體組織，然後淬火或者空冷至室溫，獲得亞溫鐵素體、馬氏體或貝氏體組織；
步驟4 :最後將經上述兩相區處理後的鋼板加熱至其初始成分均勻時對應的步驟3所述的Aa以下3(T80°C之間的某一溫度T3保溫15飛O分鐘的t3時間，使之達到步驟3中形成的富集了 C和Mn元素的逆轉組織的Am以上，，使這部分組織中進一步的富集C和Mn元素，最後空冷至室溫，獲得亞溫鐵素體、馬氏體或貝氏體、回火馬氏體或貝氏體及含量不低於3%的殘餘奧氏體的多相組織的膨脹管材，其屈服強度達到379 552MPa，抗拉強度最小值達到517MPa以上，均勻延伸率不低於15%，斷後延伸率不低於30%，-40°C半厚V型缺口夏比衝擊功達到30J以上。按照本發明，對所述膨脹管材進行淬火處理的淬火介質是水、油或者不同濃度(2°/Γ Ο%)的聚乙烯醇水溶液。本發明中涉及的Am溫度是指經過臨界退火生成的合金元素富集了的逆轉組織後，鋼中bcc相開始轉變為fee相的溫度，此溫度低於成分均勻時的Aa溫度。本發明中涉及兩次兩相區處理，第一次兩相區處理的溫度區間為鋼板初始成分且均勻分布時對應的Aa Ara之間的溫度區間，第二次兩相區處理的溫度區間為第一步兩相區處理後生成的合金元素富集了的逆轉組織的新的以上(此溫度一般低於成分均勻時的Aa溫度30 80°C )，成分均勻時的Aa以下。本發明中涉及的淬火過程中鋼板平均冷速在10°C /s以上，淬火介質可以是水、油或其他液體介質。本發明中，利用反覆熱處理，使板材獲得復相組織，且各組織之間的合金元素，主要是C和Mn元素，進行重新分配，降低逆轉組織的Ms點，從而穩定逆轉奧氏體獲得一定量殘餘奧氏體，殘餘奧氏體體積含量一般高於3%。本發明的特點在於通過合理的成分設計和熱處理工藝，獲得含有一定量殘餘奧氏體的多相組織的鋼，一方面利用多相組織中軟硬相的搭配實現強度和塑性的結合，另一方面利用鋼中的殘餘奧氏體組織在冷變形過程中發生相變誘發塑形(TRIP)效應，進一步獲得高延伸率的鋼板，以實現後期的膨脹管擴徑的性能要求。同時，考慮到膨脹管的焊接性 能，採用低碳成分設計，且合金成分與熱處理工藝簡單，生產成本低，易於大批量生產。
圖I是本發明中生產膨脹管材用的熱處理工藝溫度-時間關係示意圖。Ti=AC3+50 IOOdC，T2= (Acl+10°C ) AC3，T3= Acir AC1， χ=15 60min，t2=15 60min，t3=15 60min ；Aclr是雙相區退火處理後鋼的Aa值下降所對應的新的bcc相向fee相轉變的臨界溫度；tp t2、t3是根據鋼材到達相應的保溫溫度後開始計時的時間。圖2是發明實施例I所生產的J55鋼級多相高均勻延伸膨脹管材用鋼的金相組織圖片不意圖。圖3是發明實施例I所生產的J55鋼級多相高均勻延伸膨脹管材用鋼中的殘餘奧氏體X射線衍射結果示意 圖4是發明實施例2所生產的J55鋼級多相高均勻延伸膨脹管材用鋼的金相顯微組織圖片不意圖。圖5是發明實施例2所生產的J55鋼級多相高均勻延伸膨脹管材用鋼中的殘餘奧氏體X射線衍射結果示意圖。圖6是發明實施例3所生產的J55鋼級多相高均勻延伸膨脹管材用鋼的金相顯微組織圖片示意圖。
具體實施例方式下面將對本發明實施例中的的技術方案進行清楚、完整的描述，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I採用合金元素含量為表I所示的J55級膨脹管材熱軋鋼板，將其放入爐溫為Ara以上IOO0C (T1=QOO0C)的箱式電阻爐中保溫&為30分鐘後水淬至室溫，然後又放如爐溫為Aci Ara之間的T2 (7400C)的箱式電阻爐中保溫t2為30分鐘後空冷至室溫，最後放入爐溫為Aa, Aa之間的T3 (650°C)的箱式電阻爐中保溫t3為30分鐘後空冷至室溫。獲得如表2所示力學性能的J55級膨脹管材用鋼。從表2可知，膨脹管材鋼板的均勻延伸率均達到20%以上，且屈服強度為492MPa，抗拉強度為651MPa，-40°C半厚V型缺口夏比衝擊功達到46. 9J，滿足API Spec 5CT標準對J55鋼級的性能要求。
權利要求
1.石油天然氣鑽採用J55級膨脹管材，其特徵在於，該管材的化學成分重量百分數如下 C 0. 06 O. 25%,Mn 1. 5 3. 5%, Si 0. 3 I. 5 %，S ·.( O. 01%,P :彡 O. 015%,Ni 0. 3 I. 5%，其餘為Fe和不可避免的雜質。
2.根據權利要求I所述的一種石油天然氣鑽採用J55級膨脹管材，其特徵在於，該管材的化學成分重量百分數如下C 0. 08 O. 15%, Mn :1. 8 2. 5%, Si :0. 4 I. 0%, S :彡O. 005%,P :彡O. 015%, Ni :0. 3 I. 0%，其餘為Fe和不可避免的雜質。
3.根據權利要求I或2所述的石油天然氣鑽採用J55級膨脹管材的製備工藝，其特徵在於， 步驟I :根據所設計的化學成分進行冶煉並熱軋軋製成板材； 步驟2 :將上述熱軋板材重新加熱至奧氏體化溫度Ara以上5(T10(TC的T1,並保溫3(Γ60分鐘的h時間後淬火，獲得馬氏體或貝氏體板條組織； 步驟3 :將上述淬火後的鋼板再加熱至鋼板的Aa以上、Ac3以下的兩相區之間的某一溫度T2保溫15飛O分鐘的t2時間，使之部分奧氏體化而形成有C和Mn元素富集的逆轉奧氏體組織，然後淬火或者空冷至室溫，獲得亞溫鐵素體、馬氏體或貝氏體組織； 步驟4:最後將經上述兩相區處理後的鋼板加熱至Aa以下3(T80°C (60(T70(TC)之間的某一溫度T3保溫15飛O分鐘的t3時間，使之達到步驟3中形成的富集了 C和Mn元素的逆轉組織的Acir以上，鋼板初始成分對應的步驟3所述的Aa以下，使這部分組織中進一步的富集C和Mn元素，最後空冷至室溫，獲得亞溫鐵素體、馬氏體或貝氏體、回火馬氏體或貝氏體及含量不低於3%的殘餘奧氏體的多相組織的膨脹管材，其屈服強度達到379 552MPa，抗拉強度最小值達到517MPa以上，均勻延伸率不低於15%，斷後延伸率不低於30%，-40°C半厚V型缺口夏比衝擊功達到30J以上。
全文摘要
本發明石油天然氣鑽採用J55級膨脹管材成分設計及製備方法，其化學成分質量百分比為，C0.06~0.15、Mn1.5~2.5、Si0.3~1.5、Ni0.3~1.5%、其餘為Fe和不可避免的雜質。通過冶煉、軋制獲得合金板，將鋼板加熱至AC3以上50～100℃保溫使之完全奧氏體化後淬火，然後在兩相區保溫使之部分奧氏體化後形成逆轉組織後空冷或者淬火，在600～700℃的高溫回火，獲得多相組織的膨脹管材，該管材屈服強度達到450MPa以上，抗拉強度達到600MPa以上，均勻延伸率不低於15%，斷後延伸率不低於30%，-40℃半厚V型缺口夏比衝擊功達到30J以上。且工藝簡單，成本低廉，實用性強。
文檔編號C21D9/00GK102912220SQ20121042271
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者尚成嘉, 謝振家, 任勇強, 王學敏, 張宏偉 申請人:北京科技大學