油井可膨胀套管用钢及其制造方法.pdf

油井可膨胀套管用钢及其制造方法，应用于制备石油天然气工业油油井可膨胀套管，油井可膨胀套管用钢合金材料各组分的质量百分比为：C：0.08～0.2％；Mn：1～2％；Si：0.15～0.35％；Al：0.02～0.06％；P≤0.01％；S≤0.005％；N≤0.008％；Ca：0.001～0.005％；余量为Fe。制备油井可膨胀套管的方法：制备热轧板卷；用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管；焊后焊缝正火；最后，截成焊接钢管，在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。效果是：具有优良的膨胀变形能力、强度、韧性等综合性能，焊缝无缺陷且与母材性能均匀一致。

1.  一种油井可膨胀套管用钢，其特征是：
油井可膨胀套管用钢合金材料各组分的质量百分比为：C：0.08～0.2％；Mn：1～2％；Si：0.15～0.35％；Al：0.02～0.06％；P≤0.01％；S≤0.005％；N≤0.008％；Ca：0.001～0.005％；余量为Fe；控制Mn与S i用量比，Mn∶Si在4～15∶1之间。

2.  根据权利要求1所述的油井可膨胀套管用钢，其特征是：合金材料中含有质量百分比的Nb：0.03～0.08％；Ti：0.02～0.06％；V：0.03～0.08％中的一种或两种以上的合金元素，并含有质量百分比的Cu：0.15～0.35％；Mo：0.18～0.38％；Ni：0.18～0.35％；Cr：0.20～0.45％；Re：0.03～0.05％中的一种或两种以上的合金元素。

3.  根据权利要求1或2所述的油井可膨胀套管用钢，其特征是：利用油井可膨胀套管用钢制备油井可膨胀套管的方法是：
首先，制备热轧板卷：将上述油井可膨胀套管用钢材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，再经过连铸成约250mm后的厚板坯，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15～30℃/s，卷取温度520～600℃，制成厚度为7～20mm的热轧板卷；
其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管：板边采用铣边方法，控制带钢宽度和两个板边铣加工成相互平行；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1.5～3.5mm，开口角控制在3～8°，进行焊接，焊接速度为15～25m/min；焊接成厚度为7～20mm的直缝钢管；
焊后焊缝在900～1000℃条件下正火，控制正火水的开始温度在300～400℃；或采用热张力减径方法进行处理；或进行900～1000℃的一次性整体正火；
最后，将焊接钢管截成长度10～12m的管段，在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。

油井可膨胀套管用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及石油天然气工业油气井用实体可膨胀套管用钢及其制造方法。用所提供的材料和工艺制造的可膨胀套管具有良好的综合性能，可以满足油气井完井或油气井套管修复需要。
背景技术
目前，实体膨胀套管SET(Solid Expandable Tubular)技术是以实现“节省”井眼尺寸为目的，在井眼中将套管柱径向膨胀至所要求的直径尺寸的一种钻井、完井和修井新技术。应用该技术可以使得下入的套管层数增加，给深井、复杂地质条件的钻井和井身结构带来“革命性”的影响和重大技术经济效益。它可以将井眼变“瘦”显著降级开发成本。它将“单一井径”成为可能。
实体膨胀套管技术目前由少数几个公司所垄断，主要包括威德福公司、贝克石油工具公司、TIW公司、亿万奇公司、哈里伯顿公司等，其中应用该技术最成熟的是亿万奇公司。许多关键技术，如：实体膨胀管用钢、膨胀套管连接技术、作业工具以及其他配套技术等属于商业保密，将该技术引进国内成本较高。实体膨胀管用钢及其制造技术是影响实体膨胀套管技术推广应用的几个关键技术之一。
为了保证膨胀施工的顺利实施，膨胀管应具有优良的膨胀性能并且要求材料在膨胀之后仍具有良好的韧性和强度。同时应兼顾膨胀管连接螺纹的抗粘扣性能。传统的低碳或超低碳可膨胀管材料强度较低、螺纹连接部位易于粘扣，从而影响可膨胀套管的密封性。再者，可膨胀套管一般均采用电阻焊接方法生产，焊缝缺陷的存在对其性能影响很大；同时焊缝与母材性能的均匀性是保证其变形协调性的关键。本发明就是基于上述背景，提出了一种兼顾可膨胀性能(塑性)、螺纹抗粘扣性能、焊缝无缺陷、母材与焊缝性能均一的可膨胀套管及其制造方法。
发明内容
本发明的目的是：提供一种油井可膨胀套管用钢，针对传统的低碳或超低碳可膨胀管材料强度较低、螺纹连接部位易于粘扣，从而影响可膨胀套管的密封性的不足；提出一种油井可膨胀套管的制造方法，生产出具有优良的可膨胀性能、膨胀之后具有良好的强度和韧性、同时应兼顾连接螺纹的抗粘扣性能，焊缝无缺陷、焊缝与母材性能均匀的油井可膨胀套管。
本发明采用的技术方案是：油井可膨胀套管用钢合金材料的(各组分)质量百分比如下：
C：0.08～0.2％；Mn：1～2％；Si：0.15～0.35％；Al：0.02～0.06％；P≤0.01％；S≤0.005％；N≤0.008％；Ca：0.001～0.005％；余量为Fe。同时，控制Mn/Si：4～15。还可含有质量百分比的Nb：0.03～0.08％；Ti：0.02～0.06％；V：0.03～0.08％中的一种或两种以上的合金元素；还可以含有质量百分比0.15～0.35％的Cu，0.18～0.38％的Mo，0.18～0.35％的Ni，0.20～0.45％的Cr，0.03～0.05％的Re(稀土)合金元素。适当的碳含量主要是为了兼顾材料的强度、塑性、韧性以及螺纹的抗粘扣性能；Mn作为主要的合金元素来提高钢的淬透性并产生固溶强化；微量Nb、Ti、V用以细化晶粒并产生沉淀强化作用；少量Cu、Mo、Ni、Cr多元合金化的优势是可以避免单一元素有可能产生的不利影响；加入Re元素主要是起到净化、夹杂物变质和变形并细化、改善偏析、固溶强化等作用；控制Mn与Si的用量比，主要是要降低电阻焊接过程中焊缝补可避免的氧化物的熔点使其易于排出。
油井可膨胀套管的制造方法：
首先，制备热轧板卷：将上述油井可膨胀套管用钢材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，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15～30℃/s，卷取温度520～600℃，制成综合性能优良的厚度为7～20mm的热轧板卷。
其次，用热轧板卷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两个板边铣加工成相互平行；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1.5～3.5mm，开口角控制在3～8°，进行焊接，焊接速度为15～25m/min；焊接成厚度为7～20mm mm的直缝钢管。
焊后焊缝在900～1000℃条件下正火，控制正火水的开始温度在300～400℃，以获得具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织；或采用热张力减径，通过高温扩散和形变热处理，使钢管的成分均匀，甚至于达到“无缝化”，材料晶粒细化；或进行900～1000℃的一次性整体正火。
最后，将焊接钢管截成长度10～12m的管段。在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。
本发明的有益效果：本发明制备的油井可膨胀套管，具备以下性能特点：
油井可膨胀套管管壁材料具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织，晶粒细小，钢质纯净；具有优良的膨胀变形能力、强度、韧性等综合性能，焊缝无缺陷且与母材性能均匀一致：延伸率≥35％，屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥690Mpa，横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能≥60J；在经过10～20％的塑性变形后延伸率≥20％，屈服强度≥560MPa，抗拉强度≥690Mpa，Charpy冲击能≥30J，即强度达到80ksi钢级水平且具有良好的塑性和韧性。避免了普通膨胀管材料变形后易于开裂及塑性和韧性水平低的缺陷，保障了长期使用的安全。
用该材料加工的优质螺纹接头具有良好的抗粘扣性能，避免了普通膨胀管材料螺纹连接部位易于粘扣的缺陷，从而保证使用过程中管内油气不发生泄漏。
具体实施方式
实施例1：
本发明油井可膨胀套管用钢合金材料的质量百分比：C：0.15％，Mn：1.65％，Si：0.27％，Al：0.03％，P：0.008％，S：0.003％，N：0.007％，Ca：0.003％，Nb：0.06％，Ti：0.03％，Mo：0.26％，Re：0.036，其余为Fe。Mn∶Si：为6.1∶1。
油井可膨胀套管的制造：
首先，制备热轧板卷：将上述油井可膨胀套管用钢材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，连铸成约250mm厚的板坯，加热至约1200℃，在温度1050～1100℃时进行粗轧，在温度900℃时进行精轧，轧后喷水冷却，冷却速度15～20℃/s，卷取温度580℃，制成厚度约为10mm的热轧板卷。
其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管，板边采用铣边方法，控制带钢宽度约540mm，两个板边铣加工成相互平行；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2～3mm，开口角控制为6°，焊接速度18～22m/min；焊接成管径170mm、壁厚为约10mm的直缝钢管。
焊后焊缝在930～980℃条件下正火，控制正火水开始温度在350～380℃，以获得具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织。
最后，焊接钢管截成长度约为11m的管段。在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。
性能特点：延伸率36％，屈服强度486MPa，抗拉强度714Mpa，横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能111J；在经过15％的塑性变形后延伸率22％，屈服强度581MPa，抗拉强度≥718Mpa，Charpy冲击能56J。用该材料加工的优质螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣。
实施例2：
油井可膨胀套管用钢合金材料的质量百分比：C：0.09％，Mn：1.74％，Si：0.21％，Al：0.04％，P：0.007％，S：0.004％，N：0.007％，Ca：0.002％，Nb：0.05％，Ti：0.03％，Cr：0.33％，Re：0.045，其余Fe。Mn∶Si为8.28∶1。
油井可膨胀套管的制造：
首先，制备热轧板卷：将上述油井可膨胀套管用钢材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，再经过连铸成约250mmm厚的板坯，加热至约1200℃，在温度1080～1100℃时进行粗轧，780～950℃时进行精轧，轧后喷水冷却，冷却速度15～20℃/s，卷取温度520～600℃，制成厚度约为12.7mm的热轧板卷。
其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管，板边采用铣边方法，控制带钢宽度约为758mm，两个板边铣加工成相互平行；采用排辊成型方法控制板边波形；调整焊接电流、电压等工艺参数；控制焊缝的挤压量2～2.5mm，开口角控制在6°，焊接速度18～22m/min；焊接成管径约为240mm、壁厚为12.7mm的直缝钢管。
然后采用热张力减径工艺，加热温度1100～1200℃，通过高温扩散和形变热处理，使钢管的成分均匀，甚至于达到“无缝化”，材料晶粒细化。随后再加热至950℃±15℃整体正火(加热保温1小时空冷)。
最后，焊接钢管截成长度约12m长的管段。在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。
性能特点：延伸率42％，屈服强度495MPa，抗拉强度727Mpa，横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能146J；在经过15％的塑性变形后延伸率26％，屈服强度593MPa，抗拉强度≥729Mpa，Charpy冲击能63J。用该材料加工的优质螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣。
实施例3：
本发明油井可膨胀套管用钢合金材料的质量百分比：C：0.12％，Mn：1.61％，Si：0.24％，Al：0.04％，P：0.009％，S：0.004％，N：0.007％，Ca：0.004％，Nb：0.07％，V：0.05％，Ti：0.04％，Ni：0.24％，Cu：0.17％，Re：0.032，其余为Fe。Mn∶Si为6.7∶1。
油井可膨胀套管的制造：
首先，制备热轧板卷：将上述油井可膨胀套管用钢材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，连铸成约250mm厚的板坯，加热至约1200℃，在温度1000～1100℃时进行粗轧，在温度770～940℃时进行精轧，轧后喷水冷却，冷却速度18～23℃/s，卷取温度540～590℃，制成厚度约为14.3mm的热轧板卷。
其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管，板边采用铣边方法，控制带钢宽度约为538mm，两个板边铣加工成相互平行；控制板边波形，采用排辊成型方法；调整焊接电流、电压等工艺参数；控制焊缝的挤压量2.5～3mm，开口角控制为7°，焊接速度19～23m/min；焊接成管径约为170mm、壁厚为14.3mm的直缝钢管。
焊后焊缝950～980℃正火，控制水冷开始温度在380～400℃，以获得具有细小铁素体和少量珠光体的理想双相组织。
最后，焊接钢管截成长度约为10m长的管段。在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。
性能特点：延伸率39％，屈服强度490MPa，抗拉强度731Mpa，横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能132J；在经过15％的塑性变形后延伸率25％，屈服强度586MPa，抗拉强度≥736Mpa，Charpy冲击能76J。用该材料加工的优质螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣。