專利名稱：一種油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種石油天然氣工業實體膨脹管用鋼及其制造方法。用所提供的成分和工藝制造的實體膨脹管適合于油氣井套損補貼修復，膨脹前后的強度與韌性優良。
背景技術：
隨著我國油氣開發進一步深入，許多已經開發了一段時間的油氣井由于腐蝕介質和地層水帶來的持續不斷的腐蝕與沖刷，套損問題日益嚴重，據有關資料表明，在我國某些油田的套損比例高達40%以上，常規更換套管的方法成本高而且效率低，采用實體膨脹管補貼修復的方法可以極大的降低成本，提高修復效率。實體膨脹套管SET (Solid Expandable Tubular)技術是以實現“節省”井眼尺寸為目的，在井眼中將套管柱徑向膨脹至所要求的直徑尺寸的一種鉆井、完井和修井新技術。 膨脹管技術的開發和應用必將使我國的鉆井完井水平顯著提高，并使我國的鉆井完井競爭力進一步提高，具有極大的經濟效益和社會效益，被認為是“21世紀石油鉆采行業的最富革命性的技術”。膨脹管技術在全世界發展應用非常迅速，國際上的膨脹管技術現已在油井產層防沙、易坍塌地層防塌、漏失地層堵漏等井下復雜地層的封固和套損修復等幾個應用領域成功實施應用。目前該技術掌握最全面、運用最成熟的是威德福公司。許多關鍵技術，特別是實體膨脹管用鋼一直屬于國外公司的高度商業保密，將該技術引進國內成本較高，是影響實體膨脹套管技術發展和推廣應用的幾個關鍵技術之一。為了保證膨脹補貼作業的順利實施和補貼修復后套管仍具有合格的力學性能和耐蝕性能，膨脹管用鋼應具有優良的膨脹變形能力，即材料要具有較高的均勻延伸率，均勻延伸率越大，膨脹管的可膨脹性越好；同時要求材料在膨脹之后仍具有良好的韌性和強度， 同時應兼顧膨脹管連接螺紋的抗粘扣性能。再者，可膨脹套管一般均采用電阻焊方式生產，焊縫缺陷的存在對其焊縫的性能影響較大，容易形成膨脹過程及膨脹后使用性能的“軟肋”，因此要通過成分設計和制造工藝的優化，減少膨脹管用鋼中的夾雜物，細化晶粒、改善偏析，提高材料可焊性和焊縫與母材性能的均勻性。由于用實體膨脹管修復的損壞套管有相當的比例是由于腐蝕造成的失效，因此要求套損補貼用實體膨脹管還應具有一定的耐蝕性，滿足油田生產運行的穩定進行，減少二次失效。
發明內容
本發明的目的是提供一種油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼及其制造方法，通過成分設計、熱加工及熱處理，使該鋼材的最終組織為等軸狀細小的鐵素體和珠光體，從而制備具有優良的可膨脹性能，膨脹之后具有良好的強度和韌性，焊縫質量和性能優良、母材和焊縫組織性能均勻、具有一定耐蝕性的套損補貼用實體膨脹管。為實現上述目的，本發明的技術解決措施如下一種油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼，其各組分的重量百分比為
C 0. 02-0. 15 % ；Mn :1. 0-2. 2% ；Si :0. 15-0. 40% ； P 彡 0. 01% ；S 彡 0. 005% ； Mo 0. 10-0. 45% ；Zr 0. 01-0. 14% ；Cu 0. 02-0. 35% ； Re (稀土 元素)0. 1-0. 18% ;A1 0. 005-0. 03% ；Ca 0. 001-0. 005% ；N ( 0. 0005% ；余量為 Fe。作為優選，一種油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼還包括以下重量百分比的組分 Nb 0. 02-0. 15% ；Ti 0. 01-0. 08% ；Cr 0. 12-0. 65% ； Ni :0. 05-0. 12% ；V 0. 001-0. 03% 中的
一種或兩種以上的合金元素。作為優選，一種油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼其各組分的重量百分比為
C 0. 05-0. 15% ；Si 0. 17-0. 35% ；Mn 1. 10-1. 70% ；P 彡 0. 01% ；S 彡 0. 005% ； Cr 0. 12-0. 45% ；Mo 0. 12-0. 39% ；Zr 0. 047-0. 125% ； Cu 0. 11-0. 32% ；Re 0. 11-0. 17% ； Ti 0. 023-0. 04% ；Ni 0.098-0. 11% ；Al 0. 007-0. 018% ；V 0. 0049-0. 011% ；Ca 0. 002-0. 005% ；N ( 0. 0005% ； Fe 余量。一種制造油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼的方法，包括以下步驟
a)制備熱軋板卷將所述油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼材料各組分經氧吹轉爐熔煉、Ca處理，爐外精煉和真空脫氣，再經過連鑄成厚度為250mm的厚板坯；然后再加熱至 1200 V，進行2小時的均化退火，在溫度降至1000-1100 V時進行粗軋，溫度在750-950 V進行精軋，精軋后冷卻，冷卻速度為15-30°C /s ；然后卷取，卷取溫度500-620°C，制成綜合性能優良的厚度為6-15mm的熱軋板卷；
b)用熱軋板卷生產直縫電阻焊鋼管將制備好的熱軋板卷通過縱剪機剪成 ^0mm-768mm寬的鋼帶，板邊采用銑邊工藝，控制板帶寬度和將兩個板邊銑加工成相互平行；采用排棍成型方法控制板邊波形，調整焊接電流、電壓參數；控制焊縫的擠壓量為 50%-100%板厚，開口角控制在2-3°，焊接速度為15-25m/min，焊接成厚度為6-15mm的直縫鋼管；
c)焊后管體在930-980°C進行一次性整體正火，然后在550-680°C下回火；
d)將處理好的鋼管截成長度10-1 !的管段，在每根鋼管的兩端，用數控機床加工API 標準螺紋或者特殊螺紋。本發明有益效果在于本發明制備的油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼具有等軸狀細小的鐵素體和珠光體組織，鋼制純凈，晶粒度在10級以上，焊縫無夾雜物、冷焊、錯邊等缺陷，母材和焊縫組織性能均勻，整個鋼管具有優良的可膨脹性能，膨脹之后具有良好的強度和韌性總延伸率彡35%，均勻延伸率彡20%，屈服強度彡550，抗拉強度彡660MPa，管體橫向全尺寸夏比V型沖擊能彡80J，焊縫橫向全尺寸夏比V型沖擊能彡60J ；經過10-15% 的徑向塑性變形后，總延伸率彡20%，均勻延伸率彡10%，屈服強度彡600MPa，抗拉強度彡680MPa,管體橫向全尺寸夏比V型沖擊能彡60J,焊縫橫向全尺寸夏比V型沖擊能彡40J。 該鋼管管端加工的優質螺紋接頭采用API標準方法上卸扣3次不發生粘扣現象。本發明制備的油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼在給定的含Cl-離子環境中的年腐蝕速率< 0. 025mm/yo本發明的實體膨脹管用鋼在組分設計上，綜合考慮材料強度、韌性和可焊性的合理匹配，采用中低碳錳鋼，加入適量的碳主要是為了使材料獲得一定的強度和螺紋的抗粘扣性能，但過高的碳含量會對材料的塑性有影響，降低材料的膨脹變形能力；Mn元素主要是提高鋼的淬透性并產生固溶強化，同時設計合理的Mn和Si含量可以控制材料焊接過程中產生的氧化物的熔點，配合后面的制備工藝是這些氧化物更容易排出，減少焊縫缺陷；為了改善鋼中夾雜物形狀以提高塑性，改善材料膨脹性能，采用Ca處理工藝；微量的Nb、Ti、 V元素的添加形成碳化物產生沉淀強化并細化晶粒，；嚴格控制N元素的含量0005%, 可控制鋼的應變時效性能，使材料在膨脹作業后仍具有良好的韌性；加入Re可以起到夾雜物變質、改善偏析，進一步細化晶粒和凈化鋼體的作用。在提高膨脹管鋼耐蝕性方面，當Re元素含量小于0. 01%時，對耐腐蝕性能改善不大，隨著膨脹管鋼材中Re元素的增加，鋼的抗氧化性和耐蝕性改善效果越好；加入ττ元素主要是為了形成ττ氧化物晶粒來吸附氮化物和碳化物，具有較好的腐蝕阻抗，提高膨脹管的耐腐蝕性能，同時ττ元素可以抑制奧氏體晶粒長大，控制夾雜物形態以提高橫向沖擊性能，改善焊接性能；Cu的加入也可以改善鋼的耐腐蝕性能，但對材料的熱加工有不利影響， 需加入一定量的M進行改善，同時配合Mo、Cr等元素的添加起到少量多元復合合金化的作用。由于鋼中硫化物的形成導致ττ元素的有效含量的降低，從而會影響ττ的氧化物的形成，進而降低膨脹管鋼材的耐腐蝕性能，因此本發明中S元素的質量百分比必須控制在0. 005%以下，同時，嚴格控制P、S元素含量可減少夾雜物的數量，有利于改善鋼的綜合性能。本發明的實體膨脹管用鋼具有較高的強度和優良的韌性，并且在膨脹補貼修復之后仍然具有較高的強度和一定的韌性，焊縫組織細小，性能均勻，無焊縫缺陷，具有優良的可膨脹性能和綜合性能，滿足油氣田套損修復對膨脹管材料的性能要求。
具體實施例方式以下所述僅為本發明的較佳實施例，并非對本發明的范圍進行限定。實施例1 本發明油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼合金材料的重量百分比
C 0. 08% ；Si 0. 35% ；Mn 1. 50% ；P 0. 0089% ；S 0. 0016% ； Cr 0. 12% ；Mo 0. 22% ； Zr 0. 047% ； Cu 0. 11% ；Re 0. 11% ；Ti 0. 023% ；Ni 0. 098% ；Al 0. 007% ；V 0. 011% ；Ca 0. 002-0. 005% ；N ( 0. 0005% ； Fe 余量。套損補貼用實體膨脹管的制造方法
將上述套損補貼用實體膨脹管用鋼合金材料經氧吹轉爐熔煉、Ca處理，爐外精煉和真空脫氣后，經過連鑄成厚度為250mm的厚板坯；然后再加熱至約1200°C，溫度降至 1000-1100°C進行粗軋，溫度在910°C時進行精軋，精軋后噴水冷卻，冷卻速度為18-20°C / s ；然后卷取，卷取溫度580°C，制成綜合性能優良的厚度為9. 19mm的熱軋板卷。用熱軋板卷生產直縫電阻焊鋼管將制備好的熱軋板卷通過縱剪機剪成445mm寬的鋼帶，板邊采用銑邊工藝，控制板帶寬度和將兩個板邊銑加工成相互平行；采用排棍成型方法控制板邊波形，調整焊接電流、電壓參數；控制焊縫的擠壓量在6mm，開口角控制在 2. 3°，焊接速度為20m/min，焊接成管徑139. 7mm，厚度為9. 19mm的直縫鋼管。焊接后管體在930°C進行一次性整體正火，然后在600°C下回火，金相組織為軸狀細小鐵素體和少量珠光體，晶粒度為10級，焊縫處晶粒度為11. 6級。將處理好的鋼管截成長度Ilm的管段，在每根鋼管的兩端，用數控機床加工API標
5準螺紋或者特殊螺紋。性能特點總延伸率36%，均勻延伸率24%，屈服強度615MPa，抗拉強度710MPa，管體橫向全尺寸夏比V型沖擊能IllJ (7. 5mm沖擊試樣換算值)，焊縫橫向全尺寸夏比V型沖擊能92J (7. 5mm沖擊試樣換算值)；經過15%的徑向塑性變形后，總延伸率22%，均勻延伸率11%，屈服強度655MPa，抗拉強度730MPa，管體橫向全尺寸夏比V型沖擊能108J (7. 5mm 沖擊試樣換算值)，焊縫橫向全尺寸夏比V型沖擊能75J (7. 5mm沖擊試樣換算值)。該鋼管管端加工的優質螺紋接頭采用API標準方法上卸扣3次不發生粘扣現象。將本實施例膨脹管鋼材制成試樣，在下表1環境條件中進行高溫高壓腐蝕試驗， 動態轉速為300轉/分，試驗時間96小時，試驗后按照標準NACE RP0775-2005計算得出年腐蝕速率為0. 0229mm/yo表1腐蝕試驗條件
'2 Pc ο: I'' MPaCr I HCO3. IiiiS Ii nigli................................ Ca--(mg Il他- ClHgIlSOJ-ι rag. 11insgTi$Ivi ρΗ飫 I 1 (.<21OOOO I 211 i"5 ODOSOO220055 κ)0350000CaCl 5.6
實施例2 本發明油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼合金材料的重量百分比
C 0. 15% ；Si 0. 17% ；Mn 1. 10% ；P 0. 008% ；S 0. 0047% ；Cr 0. 24% ；Mo 0. 12% ； Zr 0. 103% ；Cu 0. 26% ；Re 0. 15% ；Ti 0. 04% ；Nb 0. 15% ；Al 0. 018% ； V 0. 0049% ；Ca 0. 002-0. 005%, N 彡 0. 0005% ；Fe 余量。套損補貼用實體膨脹管的制造方法
將上述套損補貼用實體膨脹管用鋼合金材料經氧吹轉爐熔煉、Ca處理，爐外精煉和真空脫氣后，經過連鑄成厚度為250mm的厚板坯；然后再加熱至約1200°C，溫度降至 1000-1100°C進行粗軋，溫度在950°C時進行精軋，精軋后噴水冷卻，冷卻速度為22-25°C / s ；然后卷取，卷取溫度550°C，制成綜合性能優良的厚度為7. 72mm的熱軋板卷。用熱軋板卷生產直縫電阻焊鋼管將制備好的熱軋板卷通過縱剪機剪成362mm寬的鋼帶，板邊采用銑邊工藝，控制板帶寬度和將兩個板邊銑加工成相互平行；采用排棍成型方法控制板邊波形，調整焊接電流、電壓參數；控制焊縫的擠壓量在7. 7mm，開口角控制在 3°，焊接速度為20m/min，焊接成管徑114. 3mm，厚度為7. 72mm的直縫鋼管。焊接后管體在1000°C進行一次性整體正火，然后在580°C下回火，金相組織為軸狀細小鐵素體和少量珠光體，晶粒度為11級，焊縫處晶粒度為11. 6級。將處理好的鋼管截成長度Ilm的管段，在每根鋼管的兩端，用數控機床加工API標準螺紋或者特殊螺紋。性能特點總延伸率38%，均勻延伸率25%，屈服強度645MPa，抗拉強度755MPa，管體橫向全尺寸夏比V型沖擊能84J(5mm沖擊試樣換算值)，焊縫橫向全尺寸夏比V型沖擊能 75J (5mm沖擊試樣換算值);經過15%的徑向塑性變形后，總延伸率23%，均勻延伸率11. 5%， 屈服強度675MPa，抗拉強度770MPa，管體橫向全尺寸夏比V型沖擊能82J (5mm沖擊試樣換算值)，焊縫橫向全尺寸夏比V型沖擊能71J (5mm沖擊試樣換算值)。該鋼管管端加工的優質螺紋接頭采用API標準方法上卸扣3次不發生粘扣現象。將本實施例膨脹管鋼材制成試樣，在下表2環境條件中進行高溫高壓腐蝕試驗，動態轉速為300轉/分，試驗時間96小時，試驗后按照標準NACE RP0775-2005計算得出年腐蝕速率為0. 0206mm/yo
表2 ;腐蝕試驗條件
權利要求
1.一種油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼，其特征在于其各組分的重量百分比為C 0. 02-0. 15 % ；Mn :1. 0-2. 2% ；Si :0. 15-0. 40% ； P 彡 0. 01% ；S 彡 0. 005% ； Mo 0. 10-0. 45% ；Zr 0. 01-0. 14% ；Cu 0. 02-0. 35% ； Re (稀土 元素)0. 1-0. 18% ;A1 0. 005-0. 03% ；Ca 0. 001-0. 005% ；N ( 0. 0005% ；余量為 Fe。
2.根據權利要求1所述的一種油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼，其特征在于 還包括以下重量百分比的組分 Nb 0. 02-0. 15% ；Ti :0. 01-0. 08% ；Cr :0. 12-0. 65% ； Ni :0. 05-0. 12% ；V 0. 001-0. 03%中的一種或兩種以上的合金元素。
3.根據權利要求2所述的一種油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼，其特征在于其各組分的重量百分比為C 0. 05-0. 15% ；Si 0. 17-0. 35% ；Mn 1. 10-1. 70% ；P 彡 0. 01% ；S 彡 0. 005% ； Cr 0. 12-0. 45% ；Mo 0. 12-0. 39% ；Zr 0. 047-0. 125% ； Cu 0. 11-0. 32% ；Re 0. 11-0. 17% ； Ti 0. 023-0. 04% ；Ni 0. 098-0. 11% ；Al 0. 007-0. 018% ；V 0. 0049-0. 011% ；Ca 0. 002-0. 005% ；N ( 0. 0005% ； Fe 余量。
4.一種制造如權利要求1或2或3所述的油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼的方法， 其特征在于包括以下步驟a)制備熱軋板卷將所述油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼材料各組分經氧吹轉爐熔煉、Ca處理，爐外精煉和真空脫氣，再經過連鑄成厚度為250mm的厚板坯；然后再加熱至 1200 V，進行2小時的均化退火，在溫度降至1000-1100 V時進行粗軋，溫度在750-950 V進行精軋，精軋后冷卻，冷卻速度為15-30°C /s ；然后卷取，卷取溫度500-620°C，制成綜合性能優良的厚度為6-15mm的熱軋板卷；b)用熱軋板卷生產直縫電阻焊鋼管將制備好的熱軋板卷通過縱剪機剪成 ^0mm-768mm寬的鋼帶，板邊采用銑邊工藝，控制板帶寬度和將兩個板邊銑加工成相互平行；采用排棍成型方法控制板邊波形，調整焊接電流、電壓參數；控制焊縫的擠壓量為 50%-100%板厚，開口角控制在2-3°，焊接速度為15-25m/min，焊接成厚度為6-15mm的直縫鋼管；c)焊后管體在930-980°C進行一次性整體正火，然后在550-680°C下回火；d)將處理好的鋼管截成長度10-1 !的管段，在每根鋼管的兩端，用數控機床加工API 標準螺紋或者特殊螺紋。
全文摘要
本發明公開了一種油氣井套損補貼用實體膨脹管用鋼及其制造方法，實體膨脹管用鋼各組分的重量百分比為C0.02-0.15%；Mn1.0-2.2%；Si0.15-0.40%；P≤0.01%；S≤0.005%；Mo0.10-0.45%；Zr0.01-0.14%；Cu0.02-0.35%；Re(稀土元素)0.1-0.18%；Al0.005-0.03%；Ca0.001-0.005%；N≤0.0005%；余量為Fe。實體膨脹管用鋼的制造方法包括以下步驟，制備熱軋板卷；用熱軋板卷生產直縫電阻焊鋼管；焊后管體熱處理；切割成段。本發明的實體膨脹管用鋼具有較高的強度和優良的韌性、可膨脹性能和耐蝕性能。
文檔編號C21D8/10GK102418039SQ20111041947
公開日2012年4月18日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者上官豐收, 劉強, 楊偉芳, 沈淦榮, 白強, 閆凱, 陳文豪, 顧蘇民 申請人:浙江金洲管道工業有限公司, 西安三環科技開發總公司