專利名稱：一種經(jīng)濟型膨脹管用無縫油井管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于低合金鋼技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種膨脹管用無縫鋼管及其制造方 法，該膨脹管用無縫鋼管適于在油井和氣井內(nèi)進行徑向膨脹而達到所需要的井眼直徑的 目的，且無縫鋼管擴徑后具有優(yōu)良的機械性能。
背景技術(shù)：
膨脹管技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項實用技術(shù)，它通過一種機械膨脹裝置，靠液 體壓力推進，在膨脹錐體或心軸推進的過程中使井下管件經(jīng)過塑性變形達到擴大管徑的 目的。膨脹管分為實體膨脹管和割縫膨脹管兩大類。實體膨脹管主要用于封堵漏失層 和高壓水層；封隔破裂帶；修補損壞套管和封堵已射孔套管；取代常規(guī)尾管懸掛器和尾 管懸掛器封隔器，以便保持井眼尺寸；替代常規(guī)的套管。割縫膨脹管主要用于封隔破碎 帶和膨脹防砂網(wǎng)，作為一種新的完井手段，提高油井產(chǎn)量。在鉆井中，如果從開鉆到完鉆全部采用膨脹管技術(shù)，則可實現(xiàn)開鉆井眼直徑與 完鉆井眼直徑基本一致，減少套管同心管柱的層數(shù)，使石油公司在降低鉆井成本和開發(fā) 成本的同時增加油井產(chǎn)量，據(jù)計算，實體膨脹管技術(shù)在降低鉆井成本方面大約可以將鉆 機場地縮小75%、將鉆井液減少20%、將鉆屑量減少50%、將固井水泥減少50%。因 此，這是鉆井技術(shù)的一次重大革命。膨脹管鉆井技術(shù)的關(guān)鍵要素之一是開發(fā)相應(yīng)的膨脹管用鋼，因為膨脹管在井眼 中被徑向膨脹(發(fā)生大塑性變形)，之后還要在嚴酷的井下環(huán)境中服役(承受較大的外擠 力、內(nèi)壓力，有時還有腐蝕介質(zhì)的侵蝕)；膨脹管應(yīng)有足夠的塑性變形能力，膨脹后， 其力學性能、尺寸精度等應(yīng)符合API或有關(guān)標準的規(guī)定，將經(jīng)濟性、實用性、優(yōu)異的使 用性能和服役性能四者兼顧是開發(fā)膨脹管用鋼的難點，也是其成為制約膨脹管鉆井技術(shù) 發(fā)展的瓶頸之一的重要原因。例如，申請?zhí)枮镻CT/JP2006/312080的日本專利，只指出 了其發(fā)明的油井管擴管后沖擊性能優(yōu)良，沒有提及對鋼管膨脹變形性能至關(guān)重要的均勻 延伸率、屈強比等性能；而申請?zhí)枮?00410019863.X的中國專利，對擴管后的油井管的 沖擊性能只字未提；而專利號為7225868的美國專利、申請?zhí)枮?1790874的美國專利， 沒有提及鋼管膨脹變形均勻延伸率、屈強比情況，也沒有對油井管擴管后的沖擊性能做 任何介紹。而申請?zhí)枮镻CT/JP2008/054747的日本專利、申請?zhí)枮?00610112983.3的中 國專利、專利號為6851455的美國專利均以高合金材料為膨脹管的原料，原料的合金成 本和制造成本較高，原料的制造工藝在鋼廠實施的難度很大，也失去了膨脹管鉆井技術(shù) 節(jié)約成本的初衷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可膨脹性能優(yōu)良的經(jīng)濟型膨脹管用油井管及其制造 工藝，使膨脹擴管后油井管的力學性能和使用性能達到API J55鋼級水平，為石油公司采 用膨脹管技術(shù)鉆采石油、天然氣提供所需的無縫鋼管。在設(shè)計過程中兼顧了鋼管的可制造性、可膨脹擴管的性能、擴管后力學性能及制造成本幾個方面。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種經(jīng)濟型膨脹管用無縫油井管，在低合金鋼范 疇內(nèi)進行成分設(shè)計，其化學成分的重量百分比為C0.08%-0.18%、SiO.2% -0.5%, Mn 0.6% -1.7%, P<0.012%, S<0.005%, V0.04% -0.15%, Ti0.01% -0.03%,其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)，其中雜質(zhì)元素含量為Sn < 0.001%、As 0.001%, Sb < 0.001%, Pb < 0.001%, Bi < 0.001%,
τ < 0.003%, H < 0.0002%, N < 0.004%。主要化學成分的作用C是保證低合金鋼平衡組織狀態(tài)下的強度所必須的元素，為得到目標的強度， 所需要的下限為0.08%。但同時為保證鋼管的塑、韌性，C含量又不能過多，所以將上 限設(shè)定為0.18%。Si的加入既可以提高鋼材的強度，又能起到脫氧作用。但是，為保證鋼材有較 好的韌性，規(guī)定Si的上限為0.5%。
Mn—方面是作為脫氧元素加入的，另一方面是作為合金元素加入的，對于鐵素 體為基體的低合金鋼，Mn起固溶強化作用，在增加強度的同時對延伸性能影響較小，但 Mn含量過高易產(chǎn)生過熱傾向，對塑、韌性均不利，本發(fā)明將Mn的加入量控制在0.6% 1.7%。V作為強碳、氮化物形成元素，通常在鋼中以碳化物、氮化物和碳氮化物等形 式存在，起到固N、固C的作用，避免或減輕鋼管膨脹變形時產(chǎn)生裂紋或癤子等缺陷。 在熱處理過程中，一部分V溶解再析出，起析出強化作用，另一部分V以氮化物和碳氮 化物的形式釘扎晶界，限制熱處理后晶粒的長大，起細晶作用。V含量過低，其作用不 明顯，V含量過高，對塑、韌性不利，因此，規(guī)定V的加入量為0.04% 0.15%。Ti的加入可以起到改善連鑄坯質(zhì)量的作用，同時Ti有固N和固C的作用，氮化 鈦和碳氮化鈦在熱處理過程中可以起到很強的細晶作用，限制鐵素體過分長大。但過高 的Ti會促進大顆粒TiN的形成，因此規(guī)定Ti的加入量為0.01% 0.03%。一種經(jīng)濟型膨脹管用無縫油井管的制造方法，主要包括“鐵水預處理一轉(zhuǎn)爐冶 煉一爐外精練(LF+VD/RH)—方坯連鑄一連軋圓管坯一軋管(管坯加熱+穿孔+PQF連軋 +微張減)—冷卻一矯直一探傷一熱處理[兩相區(qū)處理+控冷]—噴字標識一涂油一包裝 入庫”工序制造。熱軋后的油井管的壁厚范圍7 15mm，外徑范圍114.3 177.8mm， 其壁厚不均勻率小于5%、外徑不均勻率小于2%，以保證膨脹管對膨脹前鋼管外型尺寸 的要求，這里的壁厚不均勻率是指油井管最大壁厚與最小壁厚之差再除以平均壁厚所得 的百分比，這里的外徑不均勻率是指鋼管最大外徑與最小外徑之差再除以平均外徑所得 的百分比。而對鋼管性能起決定作用的工藝是熱處理工藝。膨脹管用油井管的熱處理工藝可以這樣實現(xiàn)熱軋后的無縫管進行不完全 退火，將加熱爐的溫度控制在750-800°C，使鋼管的溫度處于Acl(710-720°C )以上 30-40°C至Ac3(830-840°C )以下30_40°C的鐵素體+奧氏體兩相區(qū)范圍內(nèi)，以lmm/min 的透熱速度計算，使不同壁厚的經(jīng)過熱軋的油井管達到爐溫，再對其保溫10 60min， 之后控制油井管以不大于0.2°C/s的速度冷卻。為達到本發(fā)明目的，推薦的控制鋼管冷 卻的最佳方式有兩種，第一種方式，熱軋鋼管在熱處理爐內(nèi)以750-800°C鐵素體+奧氏體 組織狀態(tài)保溫10 60min后隨爐冷卻至300 500°C出爐，空冷至室溫，最終無縫鋼管組織為鐵素體+粒狀珠光體或粒狀滲碳體，并存在VC、VCN、TiCN、TiVCN等第二相 粒子；第二種方式，鋼管以750-800°C鐵素體+奧氏體兩相區(qū)范圍內(nèi)在第一熱處理爐保溫 10 60min后出爐，并迅速進入爐溫為500°C 常溫的第二熱處理爐中，要點是使其以不 大于0.2°C /s的速度冷卻至500°C 常溫溫度范圍，其組織狀態(tài)為鐵素體+粒狀珠光體或 粒狀滲碳體以及VC、VCN、TiCN、TiVCN第二相粒子，此時鋼管可出爐空冷至室溫。 無縫鋼管在第一熱處理爐或第二熱處理爐中保溫后隨爐冷卻至室溫，仍可達到本發(fā)明的 目的，但比較而言，顯然推薦的兩種實施方式在生產(chǎn)操作時更符合實際。經(jīng)過熱處理后的油井管具有的性能特征是1.最小屈服 強度RtO.5或RpO.2達到280 390Mpa ；2.抗拉強度指標Rm達到510 590MPa ；3.最大屈強比不大于0.7 ；4.最小均勻延伸率Agt不小于10%，最小斷后延伸率A不小于28% ；5.全尺寸試樣最小0°C沖擊功不低于100J ；6.最小形變強化指數(shù)η值不低于0.19 ；7.應(yīng)力-應(yīng)變曲線是形式為無明顯屈服平臺的連續(xù)型曲線。經(jīng)過熱處理后的油井管具有的組織特征是1.組織由最大尺寸不超過25 μ m的等軸鐵素體+最大尺寸不超過5 μ m的粒狀滲 碳體+最大尺寸不超過40nm的VCN、VC粒子+最大尺寸不超過IOOnm的TiCN、TiVCN
粒子；2.組織中的F所占比例至少為60%，粒狀滲碳體所占比例至少為10% ；3.組織中的粒狀滲碳體均分布于鐵素體晶界附近位置；4.組織中第二相粒子彌散分布于鐵素體基體之上。油井管經(jīng)過10% 20%的擴徑率膨脹后的性能特征1.最小屈服強度RtO.5達到390 540Mpa ；2.抗拉強度指標Rm達到550 640MPa ；3.斷后延伸率A不低于15% ；4.全尺寸試樣最小0°C沖擊功不低于80J。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果1.該膨脹管用油井管的較高的均勻延伸率、較高的形變強化指數(shù)和較低的屈強 比，使該油井管可以在較小的膨脹驅(qū)動力下達到10% 20%的擴管變形，擴管后的油井 管缺陷傾向性小。而申請?zhí)枮镻CT/JP2006/312080的日本專利、專利號為7225868的美 國專利、申請?zhí)枮?1790874的美國專利，申請?zhí)枮?00410019863.X的中國專利，均沒有 說明對其所述鋼管的膨脹變形性能起決定作用的均勻延伸率、屈強比和形變強化指數(shù)的 情況，看不出其所述鋼管的均勻塑性變形的能力；2.該膨脹管用油井管擴管后的沖擊性能優(yōu)異，完全滿足API標準對各鋼級油井管 沖擊性能的要求。與專利號為7225868的美國專利、申請?zhí)枮?1790874的美國專利、申 請?zhí)枮?00410019863.X的中國專利相比，本發(fā)明油井管明顯具有沖擊性能方面的優(yōu)勢；3.該膨脹管用油井管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為無明顯屈服平臺的連續(xù)型曲線，擴管后 的回彈小。
4.該膨脹管用油井管采用低合金熱軋無縫管為原料，通過在鋼廠易于實現(xiàn)的熱 處理工藝制成成品，該油井管成本大大低于申請?zhí)枮镻CT/JP2008/054747的日本專利、 申請?zhí)枮?00610112983.3的中國專利和專利號為6851455的美國專利所使用的高合金材 料，且制造工藝易于實現(xiàn)，適合批量的工業(yè)生產(chǎn)，因此，具有廣闊的應(yīng)用前景。
具體實施例方式經(jīng)過鐵水預處理一轉(zhuǎn)爐冶煉一爐外精練(LF+VD/RH)—方坯連鑄一連軋圓管坯 —軋管(管坯加熱+穿孔+PQF/MPM連軋+微張減)一冷卻的無縫鋼管生產(chǎn)工藝，依次 得到表 1 中成分的 Φ133Χ15ιηιη、Φ 177.8X9.19mm、Φ 139.7X7.72mm 熱軋無縫鋼管， 其最大外徑不均勻率為0.53%，其最大壁厚不均勻率為2.99%。表1熱軋無縫鋼管的化學成分
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)濟型膨脹管用無縫油井管，其特征在于鋼管化學成分的重量百分比為 C 0.08 %-0.18 %、 Si 0.2%-0.5%、Mn 0.6%-1.7%、P<0.012 S < 0.005 %, V 0.04% -0.15%, Ti 0.01% -0.03%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)濟型膨脹管用無縫油井管，其特征在于雜質(zhì)中的有害元素 含量為 Sn < 0.001%、As 0.001%, Sb < 0.001%, Pb < 0.001%, Bi < 0.001%,
τ < 0.003%, H < 0.0002%, N < 0.004%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)濟型膨脹管用無縫油井管，其特征在于鋼管組織為鐵素體 +粒狀珠光體或粒狀滲碳體，并存在VC、VCN、TiCN、TiVCN第二相粒子。
4.一種用于權(quán)利要求1 3任意一項所述的經(jīng)濟型膨脹管用無縫油井管的制造方 法，主要包括鐵水預處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精練、方坯連鑄、連軋圓管坯、軋管、冷 卻、矯直、探傷、熱處理，其特征在于熱處理工藝包括將熱處理爐的溫度控制在 750-800°C,使鋼管的溫度處于Acl以上30_40°C至Ac3以下30_40°C的鐵素體+奧氏體 兩相區(qū)范圍內(nèi)，以lmm/min的透熱速度，使不同壁厚的經(jīng)過熱軋的油井管達到爐溫，再 對其保溫10 60min，之后控制油井管以不大于0.2°C /s的速度冷卻至500°C以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的經(jīng)濟型膨脹管用無縫油井管的制造方法，其特征在于熱軋后 的油井管壁厚不均勻率小于5%、外徑不均勻率小于2%。
全文摘要
本發(fā)明提供一種經(jīng)濟型膨脹管用無縫油井管及其制造方法，油井管化學成分的重量百分比為C 0.08％-0.18％、Si 0.2％-0.5％、Mn 0.6％-1.7％、P≤0.012％、S≤0.005％、V 0.04％-0.15％、Ti 0.01％-0.03％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。其制造方法為熱軋后的無縫管進行不完全退火，將加熱爐的溫度控制在750-800℃，使鋼管的溫度處于Ac1以上30-40℃至Ac3以下30-40℃的鐵素體+奧氏體兩相區(qū)范圍內(nèi)，以1mm/min的透熱速度計算，使不同壁厚的經(jīng)過熱軋的油井管達到爐溫，再對其保溫10～60min，之后控制油井管以不大于0.2℃/s的速度冷卻。兼顧了鋼管的可制造性、可膨脹擴管的性能、擴管后力學性能及制造成本。
文檔編號C22C38/14GK102022086SQ20091018746
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者俞平, 徐詠梅, 王楓, 王長順, 解德剛, 趙波, 邸軍, 陳克東 申請人:鞍鋼股份有限公司