專利名稱：一種高擴(kuò)徑性能的j55鋼級erw膨脹管的制備方法
一種高擴(kuò)徑性能的J55鋼級ERW膨脹管的制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及石油套管，特別是一種油田開采用J55鋼級ERW膨脹管所采用的合金設(shè)計(jì)和熱處理工藝。
背景技術(shù)：
膨脹管技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)非常有前景的石油鉆采技術(shù)，它為解決鉆井、固井、補(bǔ)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征，通過膨脹心軸在膨脹管內(nèi)從上到下或從下到上的作軸向移動(dòng)， 以強(qiáng)行擠壓的方式使套管在塑性區(qū)發(fā)生永久的塑性變形，使膨脹管直徑膨脹7-30%。膨脹管技術(shù)可以減小鉆孔尺寸，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)；同時(shí)膨脹推壓擠實(shí)泥漿基礎(chǔ)，提高油井使用壽命；另外，可用于修補(bǔ)長井段，克服了以往加固技術(shù)距離的限制，并能擴(kuò)大修復(fù)通徑，還可繼續(xù)使用原有工具，擴(kuò)大油井產(chǎn)量；簡化尾管懸掛工藝、效果穩(wěn)定、密封良好等，被稱為石油鉆采技術(shù)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，由殼牌公司和哈里伯頓公司合資成立)處于該技術(shù)的領(lǐng)先地位，他們已對膨脹管技術(shù)進(jìn)行了較深入的研究，可以生產(chǎn)外徑339. 73mm到107. 95mm(均為膨脹前尺寸)的系列實(shí)體膨脹管，膨脹率最高達(dá)到16% ^M (內(nèi)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(nèi)對膨脹管技術(shù)的研究起步較晚，1999年才開始對膨脹管技術(shù)進(jìn)行研究，其中天津大學(xué)的劉文西做了較多的工作，其就膨脹管的完井，補(bǔ)井和擴(kuò)徑裝置等方面已申請了幾項(xiàng)專利。
鋼鐵材料的強(qiáng)度與塑性和韌性通常表現(xiàn)為互為消長的關(guān)系，強(qiáng)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(nèi)外的高性能膨脹管材料，它在保證材料強(qiáng)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鉆采中的長距離應(yīng)用。目前為止，國際上1000米以上或全井膨脹管的應(yīng)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(kuò)徑性能和增加產(chǎn)品膨脹后的力學(xué)穩(wěn)定性是擴(kuò)大膨脹管應(yīng)用范圍的關(guān)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(yīng)和臨近效應(yīng)將鋼板邊緣迅速加熱，進(jìn)行擠壓成型的焊接管道生產(chǎn)技術(shù)。電阻焊管具有生產(chǎn)效率高、制造成本低、尺寸精度高、使用效果好等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)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(hù)學(xué)報(bào)， 2004, 24(6): 360-363; [6]李鶴林.油井管發(fā)展動(dòng)向及若干熱點(diǎn)問題(上)[J].鋼管，2005, 34(6): 1-6; [7]介升旗，劉永平.國內(nèi)ERW焊管發(fā)展現(xiàn)狀及其質(zhì)量控制[J].焊管，2006，29(6): 74-79)。但是ERW焊管在焊接時(shí)經(jīng)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(huì)造成母材和焊縫區(qū)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(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)重要的石油套管鋼級，在我國的石油鉆采領(lǐng)域中用量較大，因此需要格外關(guān)注J55鋼級ERW膨脹管的生產(chǎn)成本和擴(kuò)徑性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種高擴(kuò)徑性能的J55鋼級ERW膨脹管的制備方法，通過合理的合金設(shè)計(jì)獲得較低生產(chǎn)成本的J55鋼級膨脹管用鋼并焊接制管，然后通過熱處理工藝使得歷5鋼級ERW膨脹管實(shí)現(xiàn)基本的無縫化，并使得其具有較高的整體變形能力以及保證膨脹后力學(xué)性能均符合API或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。從而使J55鋼級膨脹管在強(qiáng)行擴(kuò)徑的方式下，發(fā)生較大的塑性變形，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大管徑，降低鉆采成本和增加油井產(chǎn)量目的。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體方法是，冶煉熱軋合金成分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)為C: 0. 20 0· 30%、Μη :0· 50 2· 00%,Si :0· 20 0· 80%、Fe余量的鋼板，并焊接制管。將J55鋼級膨脹管產(chǎn)品加熱至100(Tll5(rC并保溫30飛0分鐘后空冷至室溫；然后再加熱至產(chǎn)品ka點(diǎn)以上 5(T10(TC并保溫30 60分鐘后空冷至室溫；最后將產(chǎn)品在70(T750°C的兩相區(qū)保溫30 60 分鐘，使其滿足美國石油學(xué)會(huì)套管和油管規(guī)范對歷5鋼級的性能要求(即API Spec 5CT的標(biāo)準(zhǔn)，屈服強(qiáng)度達(dá)到379 552MPa的范圍，抗拉強(qiáng)度最小值達(dá)到517MPa以上的要求)。
本發(fā)明兼顧了膨脹管的成本和性能兩個(gè)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(shù)不足，其制備方法簡單，ERW膨脹管實(shí)用、經(jīng)濟(jì)。本發(fā)明中的制備方法獲得的邗5鋼級ERW膨脹管適用于內(nèi)陸鉆井，深井和各類海洋井的施工，由于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(yīng)用前景。
本方法的特點(diǎn)在于通過恰當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計(jì)和熱處理工藝消除母材和焊縫區(qū)的微觀組織差異，實(shí)現(xiàn)管體各處性能基本一致，并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(shí)該方法也利于消除材料的帶狀組織，使組織細(xì)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(kuò)徑性能。


擴(kuò)徑性能的重要指標(biāo)包括一加工硬化指數(shù)(η)和厚向異性指數(shù)(r)以及預(yù)應(yīng)變后的性能。圖1為實(shí)施例1和實(shí)施例2的J55鋼級膨脹管熱處理后的應(yīng)力-應(yīng)變對數(shù)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(qū)的微觀組織。
圖3 (a)為母材的微觀組織、圖3 (b)為焊縫區(qū)的微觀組織.具體實(shí)施方式
下面將對本發(fā)明實(shí)施例中的的技術(shù)方案進(jìn)行描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明中很小的一部分，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
實(shí)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并保溫30分鐘后空冷至室溫；然后再加熱至歷5鋼級膨脹管Ara點(diǎn)以上50°C (890°C )并保溫60分鐘后空冷至室溫；最后將鋼板在700°C的兩相區(qū)保溫60分鐘。從圖1可知，所得J55鋼級ERW膨脹管在熱處理后η值較大；通過公式(1)計(jì)算r值為1.4 ([8]吳詩.沖壓工藝學(xué)[M].西安西北工業(yè)大學(xué)出版社，1987，5-6)；從表2可知，母材和焊縫區(qū)的均勻延伸率均達(dá)到16%以上，且力學(xué)性能比較接近，滿足API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)對J55鋼級的性能要求；在13%的預(yù)應(yīng)變后，母材的抗拉強(qiáng)度為571MPa，屈服強(qiáng)度為514MPa，焊縫區(qū)的抗拉強(qiáng)度為585MPa，屈服強(qiáng)度為520 MPa ；從圖2中可以看出，母材和焊縫區(qū)的微觀組織差異得到消弱，基本趨于一致。
r = eb/et= [In (b/b0) ] / [In (t/t0)]公式(1) ε b_寬度方向的應(yīng)變；ε t_厚度方向的應(yīng)變； b0和b為變形前后工作部分的寬度； t0和t為變形前后工作部分的厚度。
表1 實(shí)施例1的J55鋼級ERW膨脹管的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
權(quán)利要求
1. 一種高擴(kuò)徑性能的J55鋼級ERW膨脹管的制備方法，其特征在于通過合理的合金設(shè)計(jì)獲得較低生產(chǎn)成本的歷5鋼級膨脹管用鋼并焊接制管，來替代無縫鋼管，將J55鋼級膨脹管加熱至100(Tll5(rC并保溫3(Γ60分鐘后空冷至室溫；然后再加熱至J55鋼級膨脹管用鋼Ac3點(diǎn)以上5(T100°C并保溫3(Γ60分鐘后空冷至室溫；最后將鋼板在70(T750°C的兩相區(qū)保溫30飛0分鐘；所述歷5鋼級膨脹管的合金成分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)為C :0. 2(Γ0. 30%、Mn :0. 50 2. 00%、 Si :0. 2(Γ0. 80%、Fe余量，熱處理后，基本消除母材和焊縫區(qū)的微觀組織差異，實(shí)現(xiàn)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(kuò)徑性能，其力學(xué)性能性能能滿足于內(nèi)陸鉆井，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(kuò)徑性能的J55鋼級ERW膨脹管的制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。其特征在于通過合理的合金設(shè)計(jì)獲得較低生產(chǎn)成本的J55鋼級膨脹管用鋼并焊接制管，來替代無縫鋼管，將J55鋼級膨脹管加熱至1000~1150℃并保溫30~60分鐘后空冷至室溫；然后再加熱至J55鋼級膨脹管用鋼AC3點(diǎn)以上50~100℃并保溫30~60分鐘后空冷至室溫；最后將鋼板在700~750℃的兩相區(qū)保溫30~60分鐘；消除母材和焊縫區(qū)的微觀組織差異，實(shí)現(xiàn)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(shí)該方法也利于消除材料的帶狀組織，使組織細(xì)化，消除一些缺陷(如空位等)，并提高均勻延伸率，從而使J55鋼級ERW膨脹管具有較高的整體擴(kuò)徑性能。本發(fā)明制備方法簡單，ERW膨脹管實(shí)用、經(jīng)濟(jì)。
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(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者任勇強(qiáng), 尚成嘉, 湯忖江, 謝振家, 賀飛 申請人:北京科技大學(xué)