一种高强度高塑韧性连续膨胀管的制备方法 技术领域 本发明涉及一种高强度 ( 屈服强度达到 485 ～ 760Mpa) 高塑韧性 ( 管直径发生 10-30％的塑性形变、 冲击韧性≥ 40J) 连续膨胀管的制备方法。
背景技术 随着石油勘探开发的深度和广度不断提高， 勘探开发的难度日益增大， 井况复杂 程度越来越大。当钻井作业需要通过更深的过压地层， 通过枯竭地层或易坍塌易漏失地层 时， 现有的技术采用不同直径的钻头钻进， 并以不同直径的套管层层封固完成。井越深， 套 管层次越多， 要求最初的一开井眼直径越大 ； 反之， 如果一开直径一定， 则最终的井眼直径 将会更小， 有可能钻不到目的层或者即便钻至目的层， 完井眼小， 满足不了开采及后续修 井、 增产等作业的要求。于是， 出现了膨胀管技术。膨胀管技术是石油完井和修井工程中一 项新兴技术。 其方法是将套管下入井内预定位置， 通过中间管输送泥浆液， 注满套管外侧的 间隙空间， 然后下部扩充锥受液体压力的推动， 自下而上地扩径膨胀套管 ； 使套管直径发生 10-30％的塑性形变。膨胀管技术还可以应用于修复油井套管。以往对于长距离存在孔洞、 裂纹、 错断缺陷的套管无法修复， 而采用膨胀管解决大段套管腐蚀问题十分有效。 利用膨胀 管悬挂和封隔， 密封效果好、 作业简单、 成本低廉、 使用寿命长。 膨胀管技术是很有发展前景 的重大技术变革。
当前膨胀管技术存在的一个重要技术问题是 ： 下井套管之间采用特殊螺纹连接， 特殊螺纹加工困难， 施工装配较为繁琐。一般来说单根膨胀管的长度仅有 10 米左右， 满足 不了现场技术要求。因此， 需要将多个单根膨胀管用焊接方式或用螺纹方式连接在一起下 井， 又带来了新的技术难题 ： 连接部位的强度偏低， 且更为重要的是连接部位的漏失问题解 决起来非常困难。因此， 亟需提出一种新的综合性解决方案。
发明内容 本发明目的是提供的一种高强度高塑韧性 ( 屈服强度达到 485 ～ 760Mpa， 管直径 发生 10-30％的塑性形变、 冲击韧性≥ 40J) 连续膨胀管的化学成分及制造工艺， 克服普通 膨胀管施工时需要焊接或螺纹连接的不足， 以及施工后存在的连接部位强度低和漏失技术 难题， 确保膨胀后较高的强度和良好的塑韧性， 使用方便， 安全可靠。
本发明所述的一种高强度高塑韧性连续膨胀管， 采用直缝电阻焊 (ERW) 制管技术 制造的可膨胀的连续管， 由于其管体本身为连续管， 而连续膨胀管中间没有丝扣， 没有焊接 焊缝， 克服普通可膨胀管普遍存在的连接部位的强度低和漏失技术难题。由于连续膨胀管 的长度很长， 为适应连续膨胀管的加工制造、 运输以及膨胀管井下膨胀施工后的强度塑性 和韧性要求， 本发明在连续膨胀管的构思下， 通过改变连续膨胀管合金材料成分和相应的 制造工艺， 保障连续膨胀管技术的实现。
本发明采用的技术方案是 ：
1) 管材料的化学成分按质量百分比 ：
C： 0.03 ～ 0.12 ％ ； Si ： 0.17 ～ 0.40 ％ ； Mn ： 0.80 ～ 1.90 ％ ； P： ≤ 0.010 ％ ； S： ≤ 0.005 ％ ； Cr ： 0 ～ 1.0 ％ ； Mo ： 0.10 ～ 0.50 ％ ； Ni ： 0 ～ 0.30 ％ ； V： 0 ～ 0.05 ％ ； Ti ： 0～ 0.03％ ； Cu ： 0 ～ 0.30％ ； Nb ： 0.01 ～ 0.06％ ； Fe ： 余量 ；
2) 管的制造工艺 ：
(1) 制备热轧板卷 ： 将步骤 1) 材料各组分经氧吹转炉熔炼， 炉外精炼， 真空脱气， 连铸成厚度约为 250mm 的厚板坯， 然后加热至约 1200℃， 在 1000 ～ 1100℃时进行粗轧， 在 700 ～ 950℃时进行精轧， 轧后冷却速度 15 ～ 30℃ /s， 卷取温度 500 ～ 600℃， 制成厚度为 6 ～ 15mm 的热轧板卷 ；
(2) 板卷纵剪和对焊 ： 将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成 380 ～ 710mm 的钢带， 为减少偏析对后续制管焊接的影响， 应避免从板卷宽度 1/2 处纵剪， 为满足钢带和连续膨 胀管长度要求， 需将钢带对焊起来， 将板头、 板尾加工成 45°， 采用埋弧自动焊或 CO2 气体保 护焊焊接方式通过 45°斜焊方式使钢带连接起来 ；
(3) 用钢带生产直缝电阻焊接钢管 ： 板边采用铣边方法， 精确控制带钢宽度和板 边垂直度 ； 采用排辊成型方法控制板边波形 ； 控制焊缝的挤压量在 1.6 ～ 3.2mm， 开口角 θ 控制在 4 ～ 8°， 焊接速度 v 为 15 ～ 25m/min， 开口角 θ 与焊接速度 v 的乘积在 100 ～ 150m/min·度之间 ； 焊接成厚度为 5 ～ 15mm 的直缝电阻焊钢管 ； (4) 焊后焊缝在 930 ～ 960℃条件下正火， 控制正火后水冷的开始温度在 350 ～ 400℃， 以获得具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织 ； 或进行 900 ～ 950℃的一次 整体正火。
连续膨胀管的主要技术指标 ： 最低屈服强度达到 485 ～ 760MPa， 最低抗拉强度达 到 555 ～ 800MPa， 最低延伸率 25 ～ 35％， 最低 Charpy 冲击功 40J， 最高硬度 HRC22 ～ HRC30。
连续膨胀管的外径范围为 114.3 ～ 219.1mm， 壁厚范围为 6 ～ 15mm。
连续膨胀管的长度范围为 100m ～ 1000m。可以缠绕到适当的芯轴上， 以便运输和 使用。
可以根据井下作业地层厚度、 施工需要， 截取适当的长度。
发明效果
本发明所述的一种高强度高塑韧性连续膨胀管的化学成分及制造工艺， 连续膨胀 管其管体本身是连续的， 克服了普通膨胀管施工时需要焊接或螺纹连接的不足， 以及施工 后存在的连接部位强度低和漏失技术难题， 确保了膨胀后较高的强度和良好的塑韧性 ； 并 且长度可根据现场需要截取， 方便可靠。 本发明的连续膨胀管可应用于钻井、 完井、 采油、 修 井等作业中， 既能解决井眼变径问题， 又能节约大量作业成本。
具体实施方式
实施例 1 ：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数 ：
C： 0.05％； Si ： 0.21％； Mn ： 1.85％； P： 0.007％； S： 0.004％； Mo ： 0.15％； Nb ： 0.03％； Ti ： 0.02％ ； Fe ： 余量。
连续膨胀管的制造 ：
首先， 制备热轧板卷 ： 将上述材料 ( 各组分 ) 经氧吹转炉熔炼， 炉外精炼， 真空脱气， 连铸成厚度约为 250mm 的厚板坯， 然后加热至约 1200℃， 在 1000 ～ 1100℃时进行粗轧， 在 750 ～ 950℃时进行精轧， 轧后冷却速度 15 ～ 20℃ /s， 卷取温度 550 ～ 600℃， 制成综合 性能优良的厚度为 6.35mm 的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊 ： 将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成 380mm 的钢带， 为减少偏 析对后续制管焊接的影响， 应避免从板卷宽度 1/2 处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度 要求， 需将钢带对焊起来， 将板头、 板尾加工成 45°， 采用埋弧自动焊或 CO2 气体保护焊焊接 方式通过 45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管 ： 板边采用铣边方法， 精确控制带钢宽度和板边垂 直度 ； 采用排辊成型方法控制板边波形 ； 调整焊接电流、 电压参数 ； 控制焊缝的挤压量在 1.6 ～ 2.2mm， 开口角 θ 控制在 6°， 进行焊接， 焊接速度 v 为 19 ～ 21m/min ； 焊接成厚度为 6.35mm、 外径为 114.3mm 的直缝电阻焊钢管。
焊 后 焊 缝 在 930 ～ 960 ℃ 条 件 下 正 火， 控 制 正 火 后 水 冷 的 开 始 温 度 在 350 ～ 400℃， 以获得具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织。
连续膨胀管的主要技术指标 ： 最低屈服强度达到 485MPa， 最低抗拉强度达到 555MPa， 最低延伸率 35％， 最低 Charpy 冲击功 40J， 最高硬度 HRC22。
实施例 2 ：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数 ：
C： 0.08％； Si ： 0.31％； Mn ： 1.55％； P： 0.009％； S： 0.003％； Mo ： 0.18％； Ni ： 0.19％； V： 0.05％ ； Ti ： 0.03％ ； Cu ： 0.16％ ； Nb ： 0.04％ ； Fe ： 余量。
连续膨胀管的制造 ：
首先， 制备热轧板卷 ： 将上述材料 ( 各组分 ) 经氧吹转炉熔炼， 炉外精炼， 真空脱 气， 连铸成厚度约为 250mm 的厚板坯， 然后加热至约 1200℃， 在 1000 ～ 1100℃时进行粗轧， 在 730 ～ 950℃时进行精轧， 轧后冷却速度 20 ～ 30℃ /s， 卷取温度 550 ～ 600℃， 制成综合 性能优良的厚度为 7.52mm 的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊 ： 将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成 420mm 的钢带， 为减少偏 析对后续制管焊接的影响， 应避免从板卷宽度 1/2 处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度 要求， 需将钢带对焊起来， 将板头、 板尾加工成 45°， 采用埋弧自动焊或 CO2 气体保护焊焊接 方式通过 45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管 ： 板边采用铣边方法， 精确控制带钢宽度和板边垂 直度 ； 采用排辊成型方法控制板边波形 ； 调整焊接电流、 电压参数 ； 控制焊缝的挤压量在 1.7 ～ 2.3mm， 开口角 θ 控制在 6°， 进行焊接， 焊接速度 v 为 19 ～ 21m/min ； 焊接成厚度为 7.52mm、 外径为 127mm 的直缝电阻焊钢管。
焊 后 焊 缝 在 930 ～ 960 ℃ 条 件 下 正 火， 控 制 正 火 后 水 冷 的 开 始 温 度 在 350 ～ 400℃， 以获得具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织。
连续膨胀管的主要技术指标 ： 最低屈服强度达到 555MPa， 最低抗拉强度达到 620MPa， 最低延伸率 30％， 最低 Charpy 冲击功 40J， 最高硬度 HRC22。
实施例 3 ：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数 ：
C： 0.10％； Si ： 0.23％； Mn ： 1.40％； P： 0.008％； S： 0.003％； Cr ： 0.30％； Mo ： 0.21％；Ni ： 0.25％ ； Ti ： 0.03％ ； Cu ： 0.20％ ； Nb ： 0.04％ ； Fe ： 余量。
连续膨胀管的制造 ：
首先， 制备热轧板卷 ： 将上述材料 ( 各组分 ) 经氧吹转炉熔炼， 炉外精炼， 真空脱 气， 连铸成厚度约为 250mm 的厚板坯， 然后加热至约 1200℃， 在 1000 ～ 1100℃时进行粗轧， 在 700 ～ 950℃时进行精轧， 轧后冷却速度 20 ～ 30℃ /s， 卷取温度 500 ～ 550℃， 制成综合 性能优良的厚度为 7.72mm 的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊 ： 将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成 460mm 的钢带， 为减少偏 析对后续制管焊接的影响， 应避免从板卷宽度 1/2 处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度 要求， 需将钢带对焊起来， 将板头、 板尾加工成 45°， 采用埋弧自动焊或 CO2 气体保护焊焊接 方式通过 45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管 ： 板边采用铣边方法， 精确控制带钢宽度和板边垂 直度 ； 采用排辊成型方法控制板边波形 ； 调整焊接电流、 电压参数 ； 控制焊缝的挤压量在 1.8 ～ 2.5mm， 开口角 θ 控制在 7°， 进行焊接， 焊接速度 v 为 18 ～ 20m/min ； 焊接成厚度为 7.72mm、 外径为 139.7mm 的直缝电阻焊钢管。
焊后进行 900 ～ 950℃的一次整体加热淬火， 600 ～ 650℃回火。 连续膨胀管的主要技术指标 ： 最低屈服强度达到 620MPa， 最低抗拉强度达到 670MPa， 最低延伸率 30％， 最低 Charpy 冲击功 40J， 最高硬度 HRC23。
实施例 4 ：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数 ：
C： 0.11％； Si ： 0.26％； Mn ： 0.80％； P： 0.010％； S： 0.004％； Cr ： 0.65％； Mo ： 0.29％； Ni ： 0.27％ ； Nb ： 0.05％ ； Ti ： 0.02％ ； Cu ： 0.22％ ； Fe ： 余量。
连续膨胀管的制造 ：
首先， 制备热轧板卷 ： 将上述材料 ( 各组分 ) 经氧吹转炉熔炼， 炉外精炼， 真空脱 气， 连铸成厚度约为 250mm 的厚板坯， 然后加热至约 1200℃， 在 1000 ～ 1100℃时进行粗轧， 在 700 ～ 950℃时进行精轧， 轧后冷却速度 20 ～ 30℃ /s， 卷取温度 500 ～ 550℃， 制成综合 性能优良的厚度为 10.36mm 的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊 ： 将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成 580mm 的钢带， 为减少偏 析对后续制管焊接的影响， 应避免从板卷宽度 1/2 处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度 要求， 需将钢带对焊起来， 将板头、 板尾加工成 45°， 采用埋弧自动焊或 C02 气体保护焊焊接 方式通过 45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管 ： 板边采用铣边方法， 精确控制带钢宽度和板边垂 直度 ； 采用排辊成型方法控制板边波形 ； 调整焊接电流、 电压参数 ； 控制焊缝的挤压量在 1.8 ～ 2.5mm， 开口角 θ 控制在 8°， 进行焊接， 焊接速度 v 为 18 ～ 20m/min ； 焊接成厚度为 10.36mm、 外径为 177.8mm 的直缝电阻焊钢管。
焊后进行 900 ～ 950℃的一次整体加热淬火， 600 ～ 650℃回火。
连续膨胀管的主要技术指标 ： 最低屈服强度达到 690MPa， 最低抗拉强度达到 760MPa， 最低延伸率 28％， 最低 Charpy 冲击功 40J， 最高硬度 HRC26。
实施例 5 ：
连续膨胀管材料的化学成分质量百分数 ：
C： 0.12％； Si ： 0.28％； Mn ： 0.98％； P： 0.008％； S： 0.005％； Cr ： 0.93％； Mo ： 0.44％； Ni ： 0.23％ ； Ti ： 0.03％ ； Cu ： 0.19％ ； Nb ： 0.06％ ； Fe ： 余量。
连续膨胀管的制造 ：
首先， 制备热轧板卷 ： 将上述材料 ( 各组分 ) 经氧吹转炉熔炼， 炉外精炼， 真空脱 气， 连铸成厚度约为 250mm 的厚板坯， 然后加热至约 1200℃， 在 1000 ～ 1100℃时进行粗轧， 在 700 ～ 950℃时进行精轧， 轧后冷却速度 20 ～ 30℃ /s， 卷取温度 500 ～ 550℃， 制成综合 性能优良的厚度为 14.15mm 的热轧板卷。
板卷纵剪和对焊 ： 将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成 710mm 的钢带， 为减少偏 析对后续制管焊接的影响， 应避免从板卷宽度 1/2 处纵剪。为满足钢带和连续膨胀管长度 要求， 需将钢带对焊起来， 将板头、 板尾加工成 45°， 采用埋弧自动焊或 CO2 气体保护焊焊接 方式通过 45°斜焊方式使钢带连接起来。
用钢带生产直缝电阻焊接钢管 ： 板边采用铣边方法， 精确控制带钢宽度和板边垂 直度 ； 采用排辊成型方法控制板边波形 ； 调整焊接电流、 电压参数 ； 控制焊缝的挤压量在 2.0 ～ 3.0mm， 开口角 θ 控制在 8°， 进行焊接， 焊接速度 v 为 18 ～ 20m/min ； 焊接成厚度为 14.15mm、 外径为 219.1mm 的直缝电阻焊钢管。 焊后进行 900 ～ 950℃的一次整体加热淬火， 680 ～ 630℃回火。
连续膨胀管的主要技术指标 ： 最低屈服强度达到 760MPa， 最低抗拉强度达到 800MPa， 最低延伸率 25％， 最低 Charpy 冲击功 40J， 最高硬度 HRC28。
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