适用于油井盐膏层套管.pdf

本发明提供一种适用于油井盐膏层套管，其成份的重量％为C：0.26％～0.31％、Si：0.25％～0.35％、Mn：0.80％～1.00％、P≤0.015％、S≤0.010％，Cr：0.90％～1.00％，Mo：0.40％～0.50％，V：0.07％～0.10％，余量为Fe和不可去除的痕量元素；其力学性能达到：屈服强度：在896MPa～1034MPa之间，抗拉强度：≥1000MPa，冲击韧性指标：夏比冲击功≥42J(0℃±3，10×10×55mm，横向试样)，延伸率：≥16％；壁厚精度：达到±10％，外径

1.一种适用于油井盐膏层套管，其成份的重量％为C：0.26％～0.31％、
Si：0.25％～0.35％、Mn：0.80％～1.00％、P≤0.015％、S≤0.010％，Cr：0.90％～
1.00％，Mo：0.40％～0.50％，V：0.07％～0.10％，余量为Fe和不可去除的痕
量元素；
其力学性能达到：
屈服强度：在896MPa～1034MPa之间，抗拉强度：≥1000MPa，冲击韧
性指标：夏比冲击功≥42J(0℃±3℃，10×10×55mm，横向试样)，延伸率：≥16％；
壁厚精度：达到±10％，外径/壁厚比：达到9～14，抗挤毁强度指标超出
API 5C3理论值40％以上；钢管结构为无缝光管。

适用于油井盐膏层套管

技术领域

本发明涉及一种套管的生产，特别是一种适用于油井盐膏层套管。

背景技术

目前，在石油钻井行业中，经常遇到盐膏层、岩盐层地层，下入普通
套管后由于其壁厚较薄，外径/壁厚之比非常大，一般比值可能超过16，或
者应用在射孔井段普通套管，由于射孔引起原套管管体抗挤毁能力下降，
导致套管的抗挤毁强度指标常常虽已达到行业标准要求(API理论值)，但实
际上抵抗不了地层压力，造成下入的套管管体挤毁，或者下入后寿命不长，
导致整井报废或者达不到投资预期，造成严重的经济损失。例如中原油田
属复杂的断块油气田，由于受盐层“塑性流动”和地应力等诸多因素的影
响，套管损坏十分严重。井况的恶化不仅破坏了注采井网，影响了增产增
注措施的实施，而且还造成了储量和产量损失，事故井修复成本非常沉重。

早在本世纪三十年代末期，API便开始组织研究套管的抗挤问题。直
至今日，人们已从高抗挤套管的生产和使用的不同角度，系统研究了套管
压溃失效机理、影响因素、标准规范以及高抗挤套管的生产制度等。得出
以下因素影响套管的抗挤毁强度：轴向应力、L/D、屈服强度、残余应力、
金相组织、矫直工艺、D/t比值、套管圆度、壁厚等。

近年来，在井况恶化的预防与事故井的治理方面，尽管作了大量的工
作，如抓钻井源头，提高套管钢级，开展套损机理研究，强化油气水井的
日常管理，采用新工艺、新技术进行油水井大修等，实现了“一降两持平”
的目标，但由于井筒先天不足和开发中后期地层应力场发生巨大变化，套
管损坏严重，井况恶化的势头还没有从根本上得到遏制，事故井仍以每年
将近200口的速度发生。

在盐岩层井况中，存在非均匀载荷，对实际套管的挤毁机理已经非普通
API抗挤毁理论所能解释，而且这这些影响套管抗挤毁强度的影响因素中，
考虑到经济性因素，径厚比成为重中之重。

这类管材制造中，由于轧机的能力普遍受限，钢管行业的通常做法是
提高管体的力学性能来提高管体抗挤毁强度指标。但这样造成钢管的合金
成本和原料成本比较高，此法并不科学，况且高合金含量时冶炼和轧制工
艺难度较高。如何更大的提高抗挤毁强度，成为了解决问题的关键点。因
此，急于开发应用盐岩层套管，能从根本上解决盐岩层、盐膏层、泥盐层、
射孔段套管损坏问题、延长油气水井使用寿命。

发明内容

针对现有技术中结构上的不足，本发明提供一种适用于油井盐膏层套
管，以利于降低无缝钢管产品的成本，提高套管的抗挤毁强度等性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种适用于油井盐膏
层套管，其成份的重量％为C：0.26％～0.31％、Si：0.25％～0.35％、Mn：0.80％～
1.00％、P≤0.015％、S≤0.010％，Cr：0.90％～1.00％，Mo：0.40％～0.50％，V：
0.07％～0.10％，余量为Fe和不可去除的痕量元素；

其力学性能达到：

屈服强度：在896MPa～1034MPa之间，抗拉强度：≥1000MPa，冲击韧
性指标：夏比冲击功≥42J(0℃±3℃，10×10×55mm，横向试样)，延伸率：≥16％；
壁厚精度：达到±10％，外径/壁厚比：达到9～14，抗挤毁强度指标超出
API 5C3理论值40％以上；钢管结构为无缝光管。

本发明的效果是使用适用于油井盐膏层套管，根据API给出的套管抗
挤公式以及其它相关研究资料给出的影响抗挤毁强度的计算公式，该套管
的挤毁抗力P与材质屈服强度YP成正比，与D/t的比值成相反的变化趋
势，与管体残余应力成相反的变化等等。目前，人们普遍认为，套管的抗
挤性能主要取决于材质的屈服强度σy、残余应力σr、金相组织、D/t比
值、钢管圆度μ、壁厚偏差ε等因素。根据金属学原理，当套管材质(化
学成分)确定后，提高非连续屈服的工艺措施，如淬火、回火、热处理或
温矫工艺等，均会对提高屈服极限有益。只有当套管在线淬火全截面得到
90％以上的马氏体，回火后非马氏体转变产物小于10％，方可得到较高的屈
服强度。

当非均匀载荷Pu与PO相比可以忽略不计(近似均匀载荷)时，套管
的抗挤毁强度基本不下降；而当非均匀载荷Pu与PO相比较大时，套管的
抗挤毁强度有明显降低，有些情况下可能下降到原来的1/3甚至1/5。但是，
在非均匀载荷环境下，厚壁管达9～14，具有明显优势，它能够承受更大的
不均匀载荷。

具体实施方式

结合实施例对本发明的适用于油井盐膏层套管结构加以说明。

本发明的适用于油井盐膏层套管的重要不同之处在于：普通石油套管
壁厚较薄，容易生产，本设计的套管壁厚＞15mm，外径与壁厚之比大于9小
于13，达到9～12，并同时通过合金成分设计保证管体均匀淬透，达到设
计的力学性能，最终保证工程应用指标高抗挤毁强度。

本发明的适用于油井盐膏层套管，其成份的重量％为C：0.26％～0.31％、
Si：0.25％～0.35％、Mn：0.80％～1.00％、P≤0.015％、S≤0.010％，Cr：0.90％～
1.00％，Mo：0.40％～0.50％，V：0.07％～0.10％，余量为Fe和不可去除的痕
量元素；

其力学性能达到：

屈服强度：在896MPa～1034MPa之间，抗拉强度：≥1000MPa，冲击韧
性指标：夏比冲击功≥42J(0℃±3℃，10×10×55mm，横向试样)，延伸率：≥16％；
壁厚精度：达到±10％，外径/壁厚比：达到9～14，抗挤毁强度指标超出
API 5C3理论值40％以上；钢管结构为无缝光管。

制作本发明的适用于油井盐膏层套管的生产方法，包括以下步骤：

①炼钢

采用夹杂物元素含量低的优质废钢，运用150吨/90吨超高功率电弧炉
进行冶炼，通过向钢水中加入高活性度的石灰造泡沫渣，充分吸附钢水中
的有害元素P、S等；使用偏心炉底出钢，再采用纯净钢技术，即钢包炉精
炼、真空脱气及夹杂物控制技术，即包芯丝喂丝处理，进行炉外精炼。严
格控制钢水化学成分，通过造泡沫白渣工艺，提纯钢水成分，并适当(可选)
通过向钢水中喂入Si-Ca丝改变夹杂物形态，采用Ca处理工艺，使长条状
的MnS夹杂转变成Ca的球形复合夹杂物；然后进行真空脱气，确保高真空
时间不小于10分钟，使钢水中的气体充分去除，最大限度地降低钢中气泡
夹杂。最后进行连铸铸成钢坯，严格控制钢水过热度、拉坯速度和冷却水
量。具体为：

a.纯净钢技术

90/150吨超高功率电弧炉(EAF)偏心炉底出钢，减少温降和钢水二次
氧化；留钢留渣，氧化渣难流入钢包。

泡沫渣冶炼，钢包炉(LF)，采用CaO-Al₂O₃高碱度渣，加CaC₂粒还原
气氛强，包底吹氩气搅拌，埋弧加热，具有良好的脱氧、脱硫效果，减少
夹杂物。

提高精炼炉初渣碱度，调整渣料配比，提高炉渣吸附夹杂物能力。真空
处理炉(VD)高真空度70Pa以下，包底吹氩保持10分钟以上，使钢中的
氢含量脱到2ppm以下，而且氧、氮含量低，硫含量低，夹杂物上浮，使钢
水洁净度提高。

通过炼钢精炼工位精确控制钢水化学成分：

b.夹杂物控制技术

包芯丝喂丝处理(FW)：通过向钢水喂入Si-Ca丝改变夹杂物形态，使
长条状的MnS夹杂转变成Ca的球形复合夹杂物，从而改善钢的韧性、降低
各向异性，从本质上提高钢的韧性和耐低温韧性。

下表是轧制后按ASTM E45 A法夹杂物评级的结果实例：

表2夹杂物评级实例

管体冲击韧性直接影响了该成品套管在承受射孔作业载荷作用后管体
的安全性，同时由于长条状硫化物夹杂物对冲击韧性存在明显的影响，所以
本产品对S的含量要求很高，这通过后期Si-Ca丝的喂入来解决，同时通过
喂入Al丝来控制脆性的Al₂O₃夹杂物。

c.连铸技术

连铸(CCM)采用带有Ar气密封的保护套管，中包覆盖剂，浸入式水
口和结晶器保护渣的保护浇铸先进技术，使钢水和空气完全隔离，防止钢
水在浇铸过程中的二次氧化。

2轧管

在环形炉中将管坯加热，使用穿孔机穿孔，采用独特的精轧技术，严格
控制轧制精度，通过先进的ASSEL轧机轧制，再通过定径机精确定径，在
冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后，将制出的钢管经过无损探伤和精整。
具体为：

a.精轧技术

环型管坯加热炉的炉温采用计算机自动控制，精确控制管坯温度，保证
管坯轧成管子后性能的稳定和尺寸精度。

精轧成品孔型设计并采用ASSEL确保管子外径及壁厚精度。

根据成品管体规格，一般193.68mm及以下外径的钢管采用210mm铸坯，
再根据外径和壁厚综合确定轧制孔型。

b.工艺控制

环形炉加热温度为1260℃，并且保证管坯温度均匀。

穿管机轧出的毛管壁厚偏差应在±10％以内，为轧制荒管和成品管创造
了良好的前提条件。

定径机组保证钢管的外径和壁厚精度，钢管的外径偏差为0～1.0％D。
矫直机组保证热轧钢管弯曲度指标小于1.5mm/m。通径控制按照API5CT要
求执行。

除此普通钢管尺寸精度外，此类钢管还要控制管体外径椭圆度o≤
0.6％，壁厚不均度e≤14％，这两个参数的计算方法为：

o = D max - D min D avg × 100 - - - ( 1 ) ]]>

e = t max - t min t avg × 100 - - - ( 2 ) ]]>

其中，外径和壁厚的最大、最小值均为实际测量的数据，平均值取其算术
平均值。

3钢管热处理和加工

钢管在淬火加热炉中加热到890℃以上，保温时间依据壁厚而定，一般
不低于30分钟，不超过45分钟；使用工业循环清水淬火，淬火时保证淬
火液在钢管内表面均匀旋转内喷；然后在回火加热炉中加热到640℃～650
℃，进行高温回火，回火时间也依据壁厚而定：一般不低于45分钟，最长
1个小时左右；回火冷却方式：空冷。采用独特的消除残余应力技术，即采
用高温矫直技术，矫直温度范围在500～600℃；通过无损探伤，最后进行
喷标、定尺、涂漆，制成成品钢管。

回火完成后根据管端的外径尺寸精度，如果不满足前文的要求，选择
采用热定径技术，要求外径按内控标准，圆度：≤0.60％。

a.热处理技术

热处理生产线通过精确控制淬火炉和回火炉温度对套管进行调质处理
以保证钢管的性能。同时，产品管体上最终组织为回火索氏体，保证其具有
优良的力学性能。

热处理工艺参数：890℃以上水淬火+640℃高温回火。由于管体壁厚
较厚，淬火时保证淬火介质在钢管内表面均匀旋转内喷，外表面足量循环
水外淋，为保证热处理效果，淬火介质流量按照设计最大给出。

b.消除残余应力技术

采用高温定径和高温矫直的工艺技术，不但保证了钢管的外径及圆度
的精度，而且是控制其低残余应力的关键。这一过程是靠高温回火后快速
出炉的办法来实现，管体的高V含量促使其回火的温度可以较高，这保证
钢管出回火炉后进入矫直机的温度比较高。

尽量保证热矫直温度500～550℃，如热矫直低于500℃则考虑去应力
退火，去应力退火温度500℃。

超声波探伤：探伤前，用样管离线校验三次，在线校验三次。人工缺
陷代号N5。

其力学性能达到：屈服强度在896MPa～1034MPa之间，抗拉强度
≥1000MPa，冲击韧性指标：夏比冲击功≥42J(0℃±3℃，10×10×55mm，横向试
样)，延伸率≥16％；壁厚精度达到±10％，外径/壁厚比达到9～14，抗挤毁
强度指标超出API理论值40％以上。钢管结构为无缝光管。

实施例1：按上述设计和工艺要求生产的一种该产品为：钢级130ksi，
规格为Φ152.4×16.90mm，在冶炼浇铸过程中采取措施如下：

配料采用优质废钢加HBI的方案，确保钢中铜及“五害”元素的低含量；

EAF强化脱磷，LF严格按目标值控制成分，按要求严格控制温度；

VD保证足够的真空度和真空处理时间，确保脱气效果；

连铸控制较低的中包过热度；

轧管的技术关键是要获得高抗挤毁套管所需的良好表面质量及严格的
尺寸公差.因此，在轧制过程中采取如下措施：

采用210mm规格管坯轧制，管坯长度最长3800mm，出炉温度1260
℃在炉时间140min以上穿孔毛管尺寸Φ225×22mm，Assel机组轧管荒
管尺寸Φ220×18mm

管体壁厚公差范围：-10％～+10％，实际内部控制公差-8％～+8％；定径
后壁厚控制正公差；尽量保证外径圆度≤0.50％；

加强高压水除鳞及钢管内外表面保护，保证钢管内外表面质量；

为保证外径公差及圆度，采用新的成品精轧孔型；

生产高抗挤毁套管的关键，除轧管轧制高精度的外径、壁厚、圆度、
及壁厚均匀度的管体外，尤其要严格控制管加工热处理线的工艺。

为了保证成品套管具有较高的屈服强度(高出目标强度100MPa)和抗压
溃能力(高出API标准值40％以上)，在套管的热处理加工过程中采取了如下
措施：

尽量降低钢管内应力；选择合理的回火温度650±10℃，提高套管的屈
服强度(高出目标强度100MPa)；合理控制热矫直温度500℃以上，降低

钢管表面残余应力；采用合理的定径压下量，并配合合理的热矫直压
下量0.5mm～0.8mm，使管体残余应力最低；避免进行冷矫直；调整小冷床节
奏，加快小冷床节拍，使套管温度降低尽量小。

采用的热处理工艺为：

淬火温度：890℃，保温时间40分钟；回火温度：640℃，回火时间也
45分钟；回火冷却方式：空冷；热矫直：加快小冷床节奏，使钢管进矫直
机之前温度降低最小，保证热矫直温度≥500℃。

经过全面的实验和检验，该套管的各项指标均达到了设计要求。套管
的主要化学成分、强度见下表。

表1化学成分

表2机械性能

实物评价结果表明：

(1)抗挤毁强度：不低于167.2MPa；

(2)抗粘扣性能：四上四卸不粘扣；

(3)螺纹的抗滑脱性能：螺纹连接(包括变螺纹连接)的抗滑脱强度
均超过管体的断裂强度；

(4)壁厚：平均值17.4mm，壁厚不均度约为10％；

(5)外径：平均153.2mm，椭圆度约为0.5％；

(6)残余应力测试结果为：小于150MPa，平均131.2MPa；

实施实例2：

以钢级120ksi，规格为Φ193.7×17.14mm产品为例，在生产过程中采
取技术如下：

1)纯净钢生产技术

采用CaO-Al₂O₃高碱度渣；加CaC₂粒增强还原气氛，强化脱氧、脱硫
效果；包底吹Ar气搅拌，使钢成分均匀；偏心炉底出钢，减少夹杂物；减
少温降和钢水二次氧化；留钢留渣操作，使氧化渣难流入钢包。

钢水采用真空处理(VD)，包底吹氩保持10分钟以上，使钢中的氢、
氧、氮含量低，硫含量低，夹杂物少，钢水洁净度高，以保证钢材质均匀，
韧性高。

包芯丝喂丝处理(FW)，通过向钢水喂入Si-Ca丝改变夹杂物形态，
从而改善钢的韧性、各向异性性能。

2)轧制技术

采用210mm规格管坯轧制，管坯长度最长3800出炉温度1260℃在
炉时间140min以上穿孔毛管尺寸Φ225×22mm，Assel轧管荒管尺寸Φ220
×18mm

管体壁厚公差范围：-10％～+10％，实际内部控制公差-8％～+8％；定径
后壁厚控制正公差；

尽量保证外径圆度≤0.50％；

加强高压水除鳞及钢管内外表面保护，保证钢管内外表面质量；

3)钢管热处理技术

为使该套管达到高抗挤毁强度、高韧性、低残余应力、高圆度之目的，
采取了高温890℃水基淬火液淬火、高温660℃回火、高温650℃以上热定
径、高温500℃以上热矫直，避免进行冷矫直的工艺措施等。通过采取特殊
的高温淬火介质，保证了套管在线淬火全截面得到90％以上的马氏体，回
火后非马氏体转变产物小于10％，同时淬火变形小。这是获得高屈服强度
和高韧性套管的技术关键所在。

4)材料试验；

①拉伸试验结果

②金相检验结果

冲击试验结果：冲击功平均值99J，达到保证值50J的近2倍

③实物评价结果：

(1)抗挤强度试验；

(带接箍)的管体挤毁值为：148.3MPa(21502psi)

(不带接箍)的管体挤毁值为：138.1MPa(20022psi)

(2)抗粘扣性能：四上四卸不粘扣；

(3)螺纹的抗滑脱性能：螺纹连接(包括变螺纹连接)的抗滑脱强度
均超过管体的断裂强度；

(4)壁厚：平均值17.9mm，壁厚不均度约为11％；

(5)外径：平均194.6mm，椭圆度约为0.4％；

(6)残余应力测试结果为：小于170MPa，平均145.3MPa。