超深井用超高强度高韧性石油套管开发.pdf

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1、世界金属导报/2010年/1月/26日/第018版金属制品超深井用超高强度高韧性石油套管开发严泽生孙徕博张传友王青峰引言超高强度套管是超深井建井和固井的关键支撑材料，服役的地质环境恶劣，需要承受地壳内部压力系数高达2.7的超高地层压力，外挤载荷和轴向载荷极高，套管的损伤失效问题严重。而套管的损伤失效又极易导致井眼失稳、储层损伤、严重的掉井甚至毁井事故，造成重大经济损失。为了确保超深井的运行安全，对超深井用套管的综合力学性能、使用性能和寿命，特别是对强韧性匹配提出了极高的要求。国外早在20世纪60

2、年代，便相继开始了相关技术产品的研制开发。如V&M开发了横向CVN冲击功≥40J(-20℃)的中碳Cr-Mo-V系VM140-155钢级套管，JFE开发了韧性与强度匹配良好的Cr-Mo-Nb系140～170钢级套管，住友开发了横向CVN冲击功≥20J(-46℃)的SM140C～155G钢级套管。国内近几年也开发了类似套管，如宝钢的BG140、BG150，西姆莱斯的WSP140、WSP150，天津钢管集团股份有限公司的TP140V、TP155V等，填补了国内高端产品的空白，缩短了与国外的技术差距。

3、但是与国外同类产品相比，依然存在CVN冲击功偏低的问题。鉴于目前我国石油基础工业对超高强度套管有明确而迫切的需求，但国内相关产品还不能完全满足使用要求。本文围绕超深井用高性能套管的研制，开展了超高强度套管综合强韧化技术的研究。将该技术运用于生产，已开发了Rt≥1034MPa、横向CVN冲击功≥100J(0℃)、抗挤强度≥80MPa、管体内屈服性能符合API规范的超高强度套管。1套管技术参数设计套管的技术参数一般包括强度、塑韧性、抗挤强度、内外径规格和螺纹连接等。为满足超深井操作对套管承载的要求，

4、超高强度套管的屈服强度(Rt)应≥1000MPa、达到1034～1172MPa，拉抗强度(RRm)应满足≥1120MPa。对超高强度钢来说，为满足一定塑性变形功的要求，材料需要具有相当的塑性。由于该类套管的组织一般为回火马氏体，塑性变形功在冲击总功应占较大部分，据此将材料的塑性指标设计为延伸率A≥16%。套管承受的环境外挤力取决于地层的流变特性，其中蠕变式流动引起的非均匀载荷(点载荷)超过套管的屈服强度，使管体因塑性变形而失效，是套管损害的重要原因。为此，根据超深井操作环境，对套管的抗挤强度也提

5、出了相应要求。当套管材料的强度选定以后，套管的抗挤强度取决于规格。本文研制的套管，屈服强度达到1000MPa以上，套管的规格为0244.48×15.11mm，相应的抗挤强度应≥80MPa。螺纹扣型采用偏梯扣，TP-CQ或TP-G2。2套管综合强韧化技术的研究2.1套管材料的合金设计在传统中碳CrMoV调质钢的基础上，套管材料的合金化设计(wt%)采取了适当降C、低Si、高Cr、中Mo和微V的钢种。其目的，一是在确保钢的淬透性的前提下，尽量减小碳含量和碳当量，以避免损害钢的塑、韧性；二是有利于通过

6、最终的调质热处理，形成超细化回火马氏体基体上分布一定数量和尺度纳米级沉淀粒子这一强韧性兼备的微观组织。2.2纯净钢冶炼和连铸工艺超高强度钢的塑韧性对净洁度敏感，针对钢中S、P、[O]、[N]、[H]和夹杂物等有害因素，提出了严格的控制要求。相应的措施包括:配料采用预处理铁水+低P、S优质废钢；在高真空度和充足脱气时间下进行VD处理；精炼补铝使钢水充分脱氧和固氮；精炼加入合金和充分脱氧后，第1页共4页适当喂入SiCa丝进行夹杂物变性处理，且使Ca/S达到0.65以上；吹氩搅拌，镇静时间不小于5mi

7、n，且控制流量，确保不吹开渣面；为减少铸坯中心缩孔、缩小柱状晶区，采用低过热度浇铸，配以△T-Vg工艺曲线的拉速下限值，以利于铸坯中的夹杂物上浮等。采用上述综合措施后，使钢中的P≦0.010、S≦0.005，五种元素Pb+Sn+As+Sb+Bi≦170ppm，[O]+[N]≦120ppm，钢中非金属夹杂物应控制在表1所示的水平。2.3兼顾动态再结晶和高尺寸精度的轧管工艺在穿管和连轧时，控制轧制比、变形温度和速率等参数，使铸态组织发生充分动态再结晶，以细化形变奥氏体晶粒、消除形变剪切带，对最终组织

8、的细化和均匀化、螺旋状损伤的防止有利。另外，选用适当的孔型组合，以控制轧制偏差，对提高套管尺寸精度和抗挤强度均有利。为此，开发了兼顾动态再结晶和高尺寸精度的轧管工艺。在采用Gleeble研究套管材料热变形动态再结晶(DR)行为及适当选配孔型的基础上，制订的具体轧管工艺包括:采用规格为310mm的圆坯，控制4.5≤轧制比≤7.5时；控制铸坯加热温度不超过1250℃，穿管温度1200～1250℃，连轧温度1100～1200℃，脱管温度1100℃，张力减径温度870～950℃，各变形阶段应变速率不超过