一种油气井套损补贴用实体膨胀管用钢及其制造方法

摘要

本发明公开了一种油气井套损补贴用实体膨胀管用钢及其制造方法，实体膨胀管用钢各组分的重量百分比为：C：0.02-0.15%；Mn：1.0-2.2%；Si：0.15-0.40%；P≤0.01%；S≤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%；Al：0.005-0.03%；Ca0.001-0.005%；N≤0.0005%；余量为Fe。实体膨胀管用钢的制造方法包括以下步骤，制备热轧板卷；用热轧板卷生产直缝电阻焊钢管；焊后管体热处理；切割成段。本发明的实体膨胀管用钢具有较高的强度和优良的韧性、可膨胀性能和耐蚀性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油天然气工业实体膨胀管用钢及其制造方法。用所提供的成分和工艺制造的实体膨胀管适合于油气井套损补贴修复，膨胀前后的强度与韧性优良。

背景技术

随着我国油气开发进一步深入，许多已经开发了一段时间的油气井由于腐蚀介质和地层水带来的持续不断的腐蚀与冲刷，套损问题日益严重，据有关资料表明，在我国某些油田的套损比例高达40%以上，常规更换套管的方法成本高而且效率低，采用实体膨胀管补贴修复的方法可以极大的降低成本，提高修复效率。

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。膨胀管技术的开发和应用必将使我国的钻井完井水平显著提高，并使我国的钻井完井竞争力进一步提高，具有极大的经济效益和社会效益，被认为是“21世纪石油钻采行业的最富革命性的技术”。

膨胀管技术在全世界发展应用非常迅速，国际上的膨胀管技术现已在油井产层防沙、易坍塌地层防塌、漏失地层堵漏等井下复杂地层的封固和套损修复等几个应用领域成功实施应用。目前该技术掌握最全面、运用最成熟的是威德福公司。许多关键技术，特别是实体膨胀管用钢一直属于国外公司的高度商业保密，将该技术引进国内成本较高，是影响实体膨胀套管技术发展和推广应用的几个关键技术之一。

为了保证膨胀补贴作业的顺利实施和补贴修复后套管仍具有合格的力学性能和耐蚀性能，膨胀管用钢应具有优良的膨胀变形能力，即材料要具有较高的均匀延伸率，均匀延伸率越大，膨胀管的可膨胀性越好；同时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。再者，可膨胀套管一般均采用电阻焊方式生产，焊缝缺陷的存在对其焊缝的性能影响较大，容易形成膨胀过程及膨胀后使用性能的“软肋”，因此要通过成分设计和制造工艺的优化，减少膨胀管用钢中的夹杂物，细化晶粒、改善偏析，提高材料可焊性和焊缝与母材性能的均匀性。

由于用实体膨胀管修复的损坏套管有相当的比例是由于腐蚀造成的失效，因此要求套损补贴用实体膨胀管还应具有一定的耐蚀性，满足油田生产运行的稳定进行，减少二次失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种油气井套损补贴用实体膨胀管用钢及其制造方法，通过成分设计、热加工及热处理，使该钢材的最终组织为等轴状细小的铁素体和珠光体，从而制备具有优良的可膨胀性能，膨胀之后具有良好的强度和韧性，焊缝质量和性能优良、母材和焊缝组织性能均匀、具有一定耐蚀性的套损补贴用实体膨胀管。

为实现上述目的，本发明的技术解决措施如下：一种油气井套损补贴用实体膨胀管用钢，其各组分的重量百分比为：

C：0.02-0.15 %；Mn：1.0-2.2%；Si：0.15-0.40%； P≤0.01%；S≤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%；Al：0.005-0.03%；Ca 0.001-0.005%；N≤0.0005%；余量为Fe。

作为优选，一种油气井套损补贴用实体膨胀管用钢还包括以下重量百分比的组分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%中的一种或两种以上的合金元素。

作为优选，一种油气井套损补贴用实体膨胀管用钢其各组分的重量百分比为：

C： 0.05-0.15%；Si：0.17-0.35%；Mn：1.10-1.70%；P≤0.01%；S≤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。

一种制造油气井套损补贴用实体膨胀管用钢的方法，包括以下步骤：

a）制备热轧板卷：将所述油气井套损补贴用实体膨胀管用钢材料各组分经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，再经过连铸成厚度为250mm的厚板坯；然后再加热至1200℃，进行2小时的均化退火，在温度降至1000-1100℃时进行粗轧，温度在750-950℃进行精轧，精轧后冷却，冷却速度为15-30℃/s；然后卷取，卷取温度500-620℃，制成综合性能优良的厚度为6-15mm的热轧板卷；

b）用热轧板卷生产直缝电阻焊钢管：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成280mm-768mm宽的钢带，板边采用铣边工艺，控制板带宽度和将两个板边铣加工成相互平行；采用排棍成型方法控制板边波形，调整焊接电流、电压参数；控制焊缝的挤压量为50%-100%板厚，开口角控制在2-3°，焊接速度为15-25m/min，焊接成厚度为6-15mm的直缝钢管；

c）焊后管体在930-980℃进行一次性整体正火，然后在550-680℃下回火；

d）将处理好的钢管截成长度10-12m的管段，在每根钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或者特殊螺纹。

本发明有益效果在于：本发明制备的油气井套损补贴用实体膨胀管用钢具有等轴状细小的铁素体和珠光体组织，钢制纯净，晶粒度在10级以上，焊缝无夹杂物、冷焊、错边等缺陷，母材和焊缝组织性能均匀，整个钢管具有优良的可膨胀性能，膨胀之后具有良好的强度和韧性：总延伸率≥35%，均匀延伸率≥20%，屈服强度≥550，抗拉强度≥660MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能≥80J，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能≥60J；经过10-15%的径向塑性变形后，总延伸率≥20%，均匀延伸率≥10%，屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥680MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能≥60J，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能≥40J。该钢管管端加工的优质螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣现象。

本发明制备的油气井套损补贴用实体膨胀管用钢在给定的含Cl-离子环境中的年腐蚀速率≤0.025mm/y。

本发明的实体膨胀管用钢在组分设计上，综合考虑材料强度、韧性和可焊性的合理匹配，采用中低碳锰钢，加入适量的碳主要是为了使材料获得一定的强度和螺纹的抗粘扣性能，但过高的碳含量会对材料的塑性有影响，降低材料的膨胀变形能力；Mn元素主要是提高钢的淬透性并产生固溶强化，同时设计合理的Mn和Si含量可以控制材料焊接过程中产生的氧化物的熔点，配合后面的制备工艺是这些氧化物更容易排出，减少焊缝缺陷；为了改善钢中夹杂物形状以提高塑性，改善材料膨胀性能，采用Ca处理工艺；微量的Nb、Ti、V元素的添加形成碳化物产生沉淀强化并细化晶粒，；严格控制N元素的含量N≤0.0005%，可控制钢的应变时效性能，使材料在膨胀作业后仍具有良好的韧性；加入Re可以起到夹杂物变质、改善偏析，进一步细化晶粒和净化钢体的作用。

在提高膨胀管钢耐蚀性方面，当Re元素含量小于0.01%时，对耐腐蚀性能改善不大，随着膨胀管钢材中Re元素的增加，钢的抗氧化性和耐蚀性改善效果越好；加入Zr元素主要是为了形成Zr氧化物晶粒来吸附氮化物和碳化物，具有较好的腐蚀阻抗，提高膨胀管的耐腐蚀性能，同时Zr元素可以抑制奥氏体晶粒长大，控制夹杂物形态以提高横向冲击性能，改善焊接性能；Cu的加入也可以改善钢的耐腐蚀性能，但对材料的热加工有不利影响，需加入一定量的Ni进行改善，同时配合Mo、Cr等元素的添加起到少量多元复合合金化的作用。

由于钢中硫化物的形成导致Zr元素的有效含量的降低，从而会影响Zr的氧化物的形成，进而降低膨胀管钢材的耐腐蚀性能，因此本发明中S元素的质量百分比必须控制在0.005%以下，同时，严格控制P、S元素含量可减少夹杂物的数量，有利于改善钢的综合性能。

本发明的实体膨胀管用钢具有较高的强度和优良的韧性，并且在膨胀补贴修复之后仍然具有较高的强度和一定的韧性，焊缝组织细小，性能均匀，无焊缝缺陷，具有优良的可膨胀性能和综合性能，满足油气田套损修复对膨胀管材料的性能要求。

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的范围进行限定。

实施例1：本发明油气井套损补贴用实体膨胀管用钢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。

套损补贴用实体膨胀管的制造方法：

将上述套损补贴用实体膨胀管用钢合金材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气后，经过连铸成厚度为250mm的厚板坯；然后再加热至约1200℃，温度降至1000-1100℃进行粗轧，温度在910℃时进行精轧，精轧后喷水冷却，冷却速度为18-20℃/s；然后卷取，卷取温度580℃，制成综合性能优良的厚度为9.19mm的热轧板卷。

用热轧板卷生产直缝电阻焊钢管：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成445mm宽的钢带，板边采用铣边工艺，控制板带宽度和将两个板边铣加工成相互平行；采用排棍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6mm，开口角控制在2.3°，焊接速度为20m/min，焊接成管径139.7mm，厚度为9.19mm的直缝钢管。

焊接后管体在930℃进行一次性整体正火，然后在600℃下回火，金相组织为轴状细小铁素体和少量珠光体，晶粒度为10级，焊缝处晶粒度为11.6级。

将处理好的钢管截成长度11m的管段，在每根钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或者特殊螺纹。

性能特点：总延伸率36%，均匀延伸率24%，屈服强度615MPa，抗拉强度710MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能111J（7.5mm冲击试样换算值），焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能92J（7.5mm冲击试样换算值）；经过15%的径向塑性变形后，总延伸率22%，均匀延伸率11%，屈服强度655MPa，抗拉强度730MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能108J（7.5mm冲击试样换算值），焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能75J（7.5mm冲击试样换算值）。该钢管管端加工的优质螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣现象。

将本实施例膨胀管钢材制成试样，在下表1环境条件中进行高温高压腐蚀试验，动态转速为300转/分，试验时间96小时，试验后按照标准NACE RP0775-2005计算得出年腐蚀速率为0.0229mm/y。

表1  腐蚀试验条件

实施例2：本发明油气井套损补贴用实体膨胀管用钢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≤0.0005%；Fe：余量。

套损补贴用实体膨胀管的制造方法：

将上述套损补贴用实体膨胀管用钢合金材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气后，经过连铸成厚度为250mm的厚板坯；然后再加热至约1200℃，温度降至1000-1100℃进行粗轧，温度在950℃时进行精轧，精轧后喷水冷却，冷却速度为22-25℃/s；然后卷取，卷取温度550℃，制成综合性能优良的厚度为7.72mm的热轧板卷。

用热轧板卷生产直缝电阻焊钢管：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成362mm宽的钢带，板边采用铣边工艺，控制板带宽度和将两个板边铣加工成相互平行；采用排棍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7.7mm，开口角控制在3°，焊接速度为20m/min，焊接成管径114.3mm，厚度为7.72mm的直缝钢管。

焊接后管体在1000℃进行一次性整体正火，然后在580℃下回火，金相组织为轴状细小铁素体和少量珠光体，晶粒度为11级，焊缝处晶粒度为11.6级。

将处理好的钢管截成长度11m的管段，在每根钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或者特殊螺纹。

性能特点：总延伸率38%，均匀延伸率25%，屈服强度645MPa，抗拉强度755MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能84J（5mm冲击试样换算值），焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能75J（5mm冲击试样换算值）；经过15%的径向塑性变形后，总延伸率23%，均匀延伸率11.5%，屈服强度675MPa，抗拉强度770MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能82J（5mm冲击试样换算值），焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能71J（5mm冲击试样换算值）。该钢管管端加工的优质螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣现象。

将本实施例膨胀管钢材制成试样，在下表2环境条件中进行高温高压腐蚀试验，动态转速为300转/分，试验时间96小时，试验后按照标准NACE RP0775-2005计算得出年腐蚀速率为0.0206mm/y。

表2；腐蚀试验条件

实施例3：

本发明油气井套损补贴用实体膨胀管用钢合金材料的重量百分比：

C：0.11%；Si：0.29%；Mn：1.60%；P：0.0097%；S：0.0039%；Cr：0.44%；Mo：0.12%；Zr：0.081%；Cu：0.32%；Re：0.14%；Ti：0.03%；Nb：0.12%；Ni:0.107%；Al：0.009%； V：0.0079%；Ca 0.001-0.005%，N≤0.0005%；Fe：余量。

套损补贴用实体膨胀管的制造方法：

将上述套损补贴用实体膨胀管用钢合金材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气后，经过连铸成厚度为250mm的厚板坯；然后再加热至约1200℃，温度降至1000～1100℃进行粗轧，温度在950℃时进行精轧，精轧后喷水冷却，冷却速度为22~25℃/s；然后卷取，卷取温度600℃，制成综合性能优良的厚度为11.1mm的热轧板卷。

用热轧板卷生产直缝电阻焊钢管：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成455mm宽的钢带，板边采用铣边工艺，控制板带宽度和将两个板边铣加工成相互平行；采用排棍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11mm，开口角控制在2.5°，焊接速度为20m/min，焊接成管径139.7mm，厚度为11.1mm的直缝钢管。

焊接后管体在980℃进行一次性整体正火，然后在630℃下回火，金相组织为轴状细小铁素体和少量珠光体，晶粒度为11.6级，焊缝处晶粒度为11.6级。

将处理好的钢管截成长度11m的管段，在每根钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或者特殊螺纹。

性能特点：总延伸率40.5%，均匀延伸率29%，屈服强度595MPa，抗拉强度685MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能122J，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能105J；经过15%的径向塑性变形后，总延伸率29.5%，均匀延伸率15%，屈服强度630MPa，抗拉强度715MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能117J，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能106J。该钢管管端加工的优质螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣现象。

将本实施例膨胀管钢材制成试样，在下表3环境条件中进行高温高压腐蚀试验，动态转速为300转/分，试验时间96小时，试验后按照标准NACE RP0775-2005计算得出平均年腐蚀速率为0.0191mm/y。

表3 腐蚀试验条件

实施例4：

本发明油气井套损补贴用实体膨胀管用钢合金材料的重量百分比：

C：0.05%；Si：0.21%；Mn：1.70%；P：0.008%；S：0.0023%；Cr：0.45%；Mo：0.39%；Zr：0.125%；Cu：0.30%；Re：0.17%；Ti：0.026%；Nb：0.098%；Ni:0.11%；Al：0.018%； V：0.0049%；Ca 0.002-0.005%，N≤0.0005%；Fe：余量。

套损补贴用实体膨胀管的制造方法：

将上述套损补贴用实体膨胀管用钢合金材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气后，经过连铸成厚度为250mm的厚板坯；然后再加热至约1200℃，温度降至1050~1100℃进行粗轧，温度在930℃时进行精轧，精轧后喷水冷却，冷却速度为25~30℃/s；然后卷取，卷取温度620℃，制成综合性能优良的厚度为7.72mm的热轧板卷。

用热轧板卷生产直缝电阻焊钢管：将制备好的热轧板卷通过纵剪机剪成574mm宽的钢带，板边采用铣边工艺，控制板带宽度和将两个板边铣加工成相互平行；采用排棍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7.8mm，开口角控制在2.5°，焊接速度为21~22m/min，焊接成管径177.9mm，厚度为7.72mm的直缝钢管。

焊接后管体在930℃进行一次性整体正火，然后在680℃下回火，金相组织为轴状细小铁素体和少量珠光体，晶粒度为12级，焊缝处晶粒度为11.6级。

将处理好的钢管截成长度11m的管段，在每根钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或者特殊螺纹。

性能特点：总延伸率44%，均匀延伸率28%，屈服强度590MPa，抗拉强度675MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能95J（5mm冲击试样换算值），焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能89J（5mm冲击试样换算值）；经过15%的径向塑性变形后，总延伸率27%，均匀延伸率11.5%，屈服强度635MPa，抗拉强度705MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能90J（7.5mm冲击试样换算值），焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能83J（7.5mm冲击试样换算值）。该钢管管端加工的优质螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣现象。

将本实施例膨胀管钢材制成试样，在下表4环境条件中进行高温高压腐蚀试验，动态转速为300转/分，试验时间96小时，试验后按照标准NACE RP0775-2005计算得出平均年腐蚀速率为0.0238mm/y。

表4 腐蚀试验条件