专利名称：一种油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢及其制造方法
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裸眼完井及地层封堵作业，膨胀前后的强度与韧性优良。
背景技术：
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。 膨胀管技术主要应用于封堵钻井过程中的复杂地层、膨胀式尾管悬挂器和油井受损套管修复等领域及钻井、完井及采油、修井等作业过程，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。
为了保证裸眼完井及地层封堵作业的顺利实施和膨胀后套管仍具有合格的力学性能，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勻延伸率，均勻延伸率越大，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，具有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勻性。
由于在实体膨胀管裸眼完井及封堵的地层中有地层水和一定腐蚀介质的存在，因此要求裸眼完井用实体膨胀管还应具有一定的耐蚀性，满足膨胀管作业后的安全可靠性。发明内容
本发明的目的是提供一种油气井裸眼完井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细小的回火索氏体+少量上贝氏体，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勻、具有一定耐蚀性的裸眼完井用实体膨胀管。
为实现上述目的，本发明的技术解决措施如下一种油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢，其各组分的重量百分比为C 0. 15-0. 28% ；Mn 0. 2-2. 0% ；Si 0. 05-0. 25% ；P 彡 0. 015% ；S 彡 0. 005% ； Mo 0. 35-0. 80% ；Zr :0. 10-0. 35% ；Cu :0. 20-0. 5% ；Re (稀土元素)0. 15-0. 40% ；Ni :0. 2-0. 55% ；Ca 0. 001-0. 005% ； N < 0. 0005% ；余量为 Fe。
作为优选，一种油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢还包括以下重量百分比的组分 Cr 0. 3-0. 45% ； Nb 0. 005-0. 03% ； Ti 0. 01-0. 08% ；V 0. 001-0. 03% ；Al 0. 005-0. 03% 中的一种或两种以上的合金元素。
作为优选，一种油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢其各组分的重量百分比为C 0. 19-0. 28% ；Si 0. 14-0. 25% ；Mn 0. 9-2. 0% ；P 彡 0. 015% ；S 彡 0. 005% ；Mo 0. 39-0. 80% ；Zr 0. 16-0. 35% ；Cu 0. 31-0. 5% ；Re:0. 19-0. 32% ；Ni 0. 34-0. 55% ；V 0. 0067-0. 03% ；Ca 0. 002-0. 005%, Cr :0. 31-0. 45% ；Ti :0. 026-0. 048% ；N ( 0. 0005%, Fe 余里ο
一种制造油气井裸眼完井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裸眼完井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 12000C，进行2-3个小时的均勻化退火；温度降至1050-1100°C进行粗轧，温度在800_950°C 进行精轧，精轧后冷却，冷却速度为15-30°C /s ；然后卷取，卷取温度500-650°C，制成厚度为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 ^0mm-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；控制焊缝的挤压量在 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880-950°C进行一次性整体淬火，然后在600-720°C下回火，保温时间 1-3个小时；d)将处理好的钢管截成长度10-1 !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。
本发明的实体膨胀管用钢具有较高的强度和优良的韧性，并且在底层封堵或裸眼完井作业之后仍然具有较高的强度和一定的韧性，焊缝组织细小，性能均勻，无焊缝缺陷， 具有优良的可膨胀性能和耐蚀性能，满足油气田底层封堵及裸眼完井作业对膨胀管材料的性能要求。
在成分设计上，综合考虑材料强度、韧性和可焊性的合理匹配，采用低中碳钢，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^ 元素主要是为了形成^ 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&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M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ττ元素的有效含量的降低，从而会影响ττ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。
本发明有益效果在于本发明制备的油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢具有回火索氏体组织+少量贝氏体，钢制纯净，晶粒细小，焊缝无夹杂物、冷焊、错边等缺陷，母材和焊缝组织性能均勻，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 总延伸率彡40%，均勻延伸率彡25%，屈服强度彡460，抗拉强度彡580MPa，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> 70J ；经过15-2 的径向塑性变形后，总延伸率彡20%，均勻延伸率彡10%，屈服强度彡550MPa，抗拉强度彡600MPa，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> 50J。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-离子环境中的平均年腐蚀速率< 0. 025mm/yo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 本发明油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢合金材料的重量百分比C 0. 22% ；Si 0. 17% ；Mn 1. 15% ；P 0. 01% ；S 0. 0037% ； Mo 0. 36% ；Zr 0. 16% ；Cu 0.43% ；Re:0. 19% ； Ni :0. 50% ； V :0. 004% ；Ca 0. 002—0. 005%, Cr :0. 32% ；Ti :0. 026% ； N 彡 0. 0005%, Fe 余量。
裸眼完井用实体膨胀管的制造方法将上述裸眼完井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°C，保温2个小时， 温度降至1100°C进行粗轧，温度在920°C时进行精轧，精轧后喷水冷却，冷却速度为15 200C /s ；然后卷取，卷取温度550°C，制成综合性能优良的厚度为7. 72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7. 5mm，开口角控制在 3°，焊接速度为20-22m/min，焊接成管径139. 7mm，厚度为7. 72mm的直缝钢管。
焊接后管体加热到940°C进行一次性整体淬火，然后在680°C下回火，保温时间1.5小时，然后采用热张力减径，通过高温扩散和形变热处理，使管体和焊缝成分均勻，达到 “无缝化”效果，材料晶粒细化，管体和焊缝的金相组织均为晶粒细小的回火索氏体+少量上贝氏体，管体晶粒度为11级，焊缝处晶粒度为10级。
将处理好的钢管截成长度Ilm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41%，均勻延伸率25%，屈服强度535MPa，抗拉强度665MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能94J (5mm冲击试样换算值)，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能81J (5mm冲击试样换算值)；经过20%的径向塑性变形后，总延伸率22. 5%，均勻延伸率 10%，屈服强度560MPa，抗拉强度650MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能91J (5mm冲击试样换算值)，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能84J (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5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计算得出平均年腐蚀速率为0. 0244mm/yo
表1腐蚀试验条件u I O ft, υ y π. ‘ · =I M PHCO Ca:" flll| 1 UUg 15Mr" {nig h叫叫叫棚 <mg I； ling 1)| M >Η&:)丨 K. ZIOOOO ..............................i...................................I..............................................:n I，5 稱SOO200 I 55000 I 3 5OOW | CaCI56实施例2 本发明油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢合金材料的质量百分比 C 0. 19% ；Si 0. 20% ；Mn :0. 90% ；P :0. 009% ；S :0. 0029% ； Mo :0. 53% ；Zr :0. 25% ；Re 0. 32% ；Cu 0. 31% ；Ni 0. 51% ；Nb 0. 006% ；Cr 0. 44% ；V 0. 0067% ；Ca 0. 002-0. 005%, N 彡 0. 0005%, Ti 0. 03% ；Al :0. 011% ；Fe 余量。
裸眼完井用实体膨胀管的制造方法将上述裸眼完井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°C，保温2. 5个小时， 温度降至1080°C -1100°C进行粗轧，温度在900°C时进行精轧，精轧后喷水冷却，冷却速度为20-22°C /s ；然后卷取，卷取温度550°C，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563mm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8mm，开口角控制在 3°，焊接速度为20. 5m/min，焊接成管径177. 8mm，厚度为9. 19mm的直缝钢管。
焊接后管体加热到在920°C进行一次性整体淬火，然后在700°C下回火，保温时间 2小时，然后采用热张力减径，通过高温扩散和形变热处理，使管体和焊缝成分均勻，达到 “无缝化”效果，材料晶粒细化，管体和焊缝的金相组织均为晶粒细小的回火索氏体+少量上贝氏体，管体晶粒度为10级，焊缝处晶粒度为10级。
将处理好的钢管截成长度Ilm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42%，均勻延伸率26. 5%，屈服强度570MPa，抗拉强度645MPa， 管体横向全尺寸夏比V型冲击能123J (7. 5mm冲击试样换算值)，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能103J(7. 5mm冲击试样换算值);经过20%的径向塑性变形后，总延伸率27%，均勻延伸率12. 5%，屈服强度585MPa，抗拉强度670MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能113J(7. 5mm 冲击试样换算值)，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能90J (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5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计算得出平均年腐蚀速率为0. 0197mm/yo
表2;腐蚀试验条件实施例3 本发明油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢合金材料的质量百分比 C 0. 24% ；Si 0. 14% ；Mn 1. 31% ；P 0. 010% ；S 0. 0041% ； Mo 0. 39% ；Zr 0. 21% ； Re 0. 3% ；Cu 0. 37% ；Ni 0. 34% ；Nb 0. 009% ；Cr 0. 31% ；V 0. 006% ；Ca 0. 002-0. 005%, N 彡 0. 0005%, Ti 0. 048% ；Al :0. 010% ；Fe 余量。
裸眼完井用实体膨胀管的制造方法将上述裸眼完井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°C，保温2个小时，温度降至1050°C -1080°C进行粗轧，温度在900°C时进行精轧，精轧后喷水冷却，冷却速度为 20-220C /s ；然后卷取，卷取温度500°C，制成综合性能优良的厚度为8mm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449mm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6-6. 5mm，开口角控制在2. 5-3°，焊接速度为20m/min，焊接成管径139. 7mm，厚度为8mm的直缝钢管。
焊接后管体加热到在950°C进行一次性整体淬火，然后在650°C下回火，保温时间 2小时，然后采用热张力减径，通过高温扩散和形变热处理，使管体和焊缝成分均勻，达到 “无缝化”效果，管体和焊缝的金相组织均为晶粒细小的回火索氏体+少量粒状贝氏体，管体晶粒度为11级，焊缝处晶粒度为10. 5级。
将处理好的钢管截成长度Ilm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. 5%，均勻延伸率28%，屈服强度505MPa，抗拉强度620MPa， 管体横向全尺寸夏比V型冲击能81J (5mm冲击试样换算值)，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能77J (5mm冲击试样换算值)；经过20%的径向塑性变形后，总延伸率24%，均勻延伸率 13%，屈服强度560MPa，抗拉强度630MPa，管体横向全尺寸夏比V型冲击能80J (5mm冲击试样换算值)，焊缝横向全尺寸夏比V型冲击能69J (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5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. 0239mm/yo
表3腐蚀试验条
权利要求
1.一种油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢，其特征在于其各组分的重量百分比为C 0. 15-0. 28% ；Mn 0. 2-2. 0% ；Si 0. 05-0. 25% ；P 彡 0. 015% ；S 彡 0. 005% ； Mo 0. 35-0. 80% ；Zr 0. 10-0. 35% ；Cu 0. 20-0. 5% ；Re (稀土元素)0· 15-0. 40% ；Ni :0. 2-0. 55% ； Ca 0. 001-0. 005% ； N 彡 0. 0005% ；余量为 Fe。
2.根据权利要求1所述的一种油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢，其特征在于还包括以下重量百分比的组分 Cr 0. 3-0. 45% ； Nb :0. 005-0. 03% ； Ti :0. 01-0. 08% ；V 0. 001-0. 03% ；Al 0. 005-0. 03%中的一种或两种以上的合金元素。
3.根据权利要求2所述的一种油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢，其特征在于其各组分的重量百分比为C 0. 19-0. 28% ；Si 0. 14-0. 25% ；Mn 0. 9-2. 0% ；P 彡 0. 015% ；S 彡 0. 005% ；Mo 0. 39-0. 80% ；Zr 0. 16-0. 35% ；Cu 0. 31-0. 5% ；Re:0. 19-0. 32% ；Ni 0. 34-0. 55% ；V 0. 0067-0. 03% ；Ca 0. 002-0. 005%, Cr :0. 31-0. 45% ；Ti :0. 026-0. 048% ；N ( 0. 0005%, Fe 余里ο
4.一种制造如权利要求1或2或3所述的油气井裸眼完井用实体膨胀管用钢的方法， 其特征在于包括以下步骤a)制备热轧板卷将所述油气井裸眼完井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 12000C，进行2-3个小时的均勻化退火；温度降至1050-1100°C进行粗轧，温度在800_950°C 进行精轧，精轧后冷却，冷却速度为15_30°C /s ；然后卷取，卷取温度500-650°C，制成厚度为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 ^0mm-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；控制焊缝的挤压量在 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880-950°C进行一次性整体淬火，然后在600-720°C下回火，保温时间 1-3个小时；d)将处理好的钢管截成长度10-1 !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。
全文摘要
本发明公开了一种油气井裸眼完井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C0.15-0.28%；Mn0.2-2.0%；Si0.05-0.25%；P≤0.015%；S≤0.005%；Mo0.35-0.80%；Zr0.10-0.35%；Cu0.20-0.5%；Re(稀土元素)0.15-0.40%；Ni:0.2-0.55%；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，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。
文档编号C21D8/02GK102505093SQ201110419469
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者上官丰收, 刘强, 杨伟芳, 沈淦荣, 白强, 闫凯, 陈文豪, 顾苏民 申请人:浙江金洲管道工业有限公司, 西安三环科技开发总公司