專利名稱：油井可膨脹套管用鋼及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及石油天然氣工業(yè)油氣井用實體可膨脹套管用鋼及其制造方法。用所提 供的材料和工藝制造的可膨脹套管具有良好的綜合性能，可以滿足油氣井完井或油氣井套
管修復需要。
背景技術：
目前，實體膨脹套管SET (Solid Expandable Tubular)技術是以實現(xiàn)“節(jié)省”井眼 尺寸為目的，在井眼中將套管柱徑向膨脹至所要求的直徑尺寸的一種鉆井、完井和修井新 技術。應用該技術可以使得下入的套管層數(shù)增加，給深井、復雜地質條件的鉆井和井身結構 帶來“革命性”的影響和重大技術經(jīng)濟效益。它可以將井眼變“瘦”顯著降級開發(fā)成本。它 將“單一井徑”成為可能。實體膨脹套管技術目前由少數(shù)幾個公司所壟斷，主要包括威德福公司、貝克石油 工具公司、TIW公司、億萬奇公司、哈里伯頓公司等，其中應用該技術最成熟的是億萬奇公 司。許多關鍵技術，如實體膨脹管用鋼、膨脹套管連接技術、作業(yè)工具以及其他配套技術等 屬于商業(yè)保密，將該技術引進國內成本較高。實體膨脹管用鋼及其制造技術是影響實體膨 脹套管技術推廣應用的幾個關鍵技術之一。為了保證膨脹施工的順利實施，膨脹管應具有優(yōu)良的膨脹性能并且要求材料在膨 脹之后仍具有良好的韌性和強度。同時應兼顧膨脹管連接螺紋的抗粘扣性能。傳統(tǒng)的低碳 或超低碳可膨脹管材料強度較低、螺紋連接部位易于粘扣，從而影響可膨脹套管的密封性。 再者，可膨脹套管一般均采用電阻焊接方法生產(chǎn)，焊縫缺陷的存在對其性能影響很大；同時 焊縫與母材性能的均勻性是保證其變形協(xié)調性的關鍵。本發(fā)明就是基于上述背景，提出了 一種兼顧可膨脹性能(塑性)、螺紋抗粘扣性能、焊縫無缺陷、母材與焊縫性能均一的可膨 脹套管及其制造方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種油井可膨脹套管用鋼，針對傳統(tǒng)的低碳或超低碳可膨 脹管材料強度較低、螺紋連接部位易于粘扣，從而影響可膨脹套管的密封性的不足；提出一 種油井可膨脹套管的制造方法，生產(chǎn)出具有優(yōu)良的可膨脹性能、膨脹之后具有良好的強度 和韌性、同時應兼顧連接螺紋的抗粘扣性能，焊縫無缺陷、焊縫與母材性能均勻的油井可膨
脹套管。本發(fā)明采用的技術方案是油井可膨脹套管用鋼合金材料的(各組分)質量百分 比如下C:0.08 0.2%;Mn:l 2%;Si 0. 15 0·35%;Α1 :0· 02 0. 06%;Ρ 彡 0. 01 %； S 彡 0. 005% ；N 彡 0. 008% ；Ca 0. 001 0. 005% ；余量為 Fe。同時，控制 Μη/Si 4 15。 還可含有質量百分比的 Nb 0. 03 ~ 0. 08% ；Ti 0. 02 ~ 0. 06% ；V 0. 03 0. 08% 中的一 種或兩種以上的合金元素；還可以含有質量百分比0. 15 0. 35%的Cu，0. 18 0. 38%的Μο,Ο. 18 0. 35% 的 Ni，0. 20 0. 45% 的 Cr，0. 03 0. 05% 的 Re (稀土)合金元素。適當 的碳含量主要是為了兼顧材料的強度、塑性、韌性以及螺紋的抗粘扣性能；Mn作為主要的 合金元素來提高鋼的淬透性并產(chǎn)生固溶強化；微量Nb、Ti、V用以細化晶粒并產(chǎn)生沉淀強化 作用；少量Cu、Mo、Ni、Cr多元合金化的優(yōu)勢是可以避免單一元素有可能產(chǎn)生的不利影響； 加入Re元素主要是起到凈化、夾雜物變質和變形并細化、改善偏析、固溶強化等作用；控制 Mn與Si的用量比，主要是要降低電阻焊接過程中焊縫補可避免的氧化物的熔點使其易于 排出。
油井可膨脹套管的制造方法首先，制備熱軋板卷將上述油井可膨脹套管用鋼材料(各組分)經(jīng)氧吹轉爐熔 煉，連鑄成厚度約為250mm的厚板坯，然后加熱至約1200°C，在1000 1100°C時進行粗軋， 在730 950°C時進行精軋，軋后冷卻速度15 30°C /s，卷取溫度520 600°C，制成綜合 性能優(yōu)良的厚度為7 20mm的熱軋板卷。其次，用熱軋板卷生產(chǎn)直縫電阻焊接鋼管板邊采用銑邊方法，精確控制帶鋼寬度 和兩個板邊銑加工成相互平行；采用排輥成型方法控制板邊波形；調整焊接電流、電壓參 數(shù)；控制焊縫的擠壓量在1. 5 3. 5mm,開口角控制在3 8°，進行焊接，焊接速度為15 25m/min ；焊接成厚度為7 20mm mm的直縫鋼管。焊后焊縫在900 1000°C條件下正火，控制正火水的開始溫度在300 400°C， 以獲得具有細小鐵素體和少量珠光體的理想雙相組織；或采用熱張力減徑，通過高溫擴散 和形變熱處理，使鋼管的成分均勻，甚至于達到“無縫化”，材料晶粒細化；或進行900 1000°C的一次性整體正火。最后，將焊接鋼管截成長度10 12m的管段。在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機 床加工API標準螺紋或特殊螺紋。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明制備的油井可膨脹套管，具備以下性能特點油井可膨脹套管管壁材料具有細小鐵素體和少量珠光體的理想雙相組織，晶粒細 小，鋼質純凈；具有優(yōu)良的膨脹變形能力、強度、韌性等綜合性能，焊縫無缺陷且與母材性能 均勻一致延伸率彡35%，屈服強度彡450MPa，抗拉強度彡690Mpa，橫向全尺寸V型缺口 Charpy沖擊能彡60J ；在經(jīng)過10 20%的塑性變形后延伸率彡20%，屈服強度彡560MPa, 抗拉強度> 690Mpa, Charpy沖擊能> 30J,即強度達到80ksi鋼級水平且具有良好的塑性 和韌性。避免了普通膨脹管材料變形后易于開裂及塑性和韌性水平低的缺陷，保障了長期 使用的安全。用該材料加工的優(yōu)質螺紋接頭具有良好的抗粘扣性能，避免了普通膨脹管材料螺 紋連接部位易于粘扣的缺陷，從而保證使用過程中管內油氣不發(fā)生泄漏。
具體實施例方式實施例1 本發(fā)明油井可膨脹套管用鋼合金材料的質量百分比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，其余為 Fe。Mn Si 為 6. 1 1。油井可膨脹套管的制造
首先，制備熱軋板卷將上述油井可膨脹套管用鋼材料(各組分)經(jīng)氧吹轉爐熔 煉，連鑄成約250mm厚的板坯，加熱至約1200°C，在溫度1050 1100°C時進行粗軋，在溫度 900°C時進行精軋，軋后噴水冷卻，冷卻速度15 20°C /s，卷取溫度580°C，制成厚度約為 IOmm的熱軋板卷。其次，用熱軋板卷生產(chǎn)直縫電阻焊接鋼管，板邊采用銑邊方法，控制帶鋼寬度約 540mm，兩個板邊銑加工成相互平行；采用排輥成型方法控制板邊波形；調整焊接電流、電 壓參數(shù)；控制焊縫的擠壓量2 3mm，開口角控制為6°，焊接速度18 22m/min ；焊接成管 徑170mm、壁厚為約IOmm的直縫鋼管。焊后焊縫在930 980°C條件下正火，控制正火水開始溫度在350 380°C，以獲 得具有細小鐵素體和少量珠光體的理想雙相組織。
最后，焊接鋼管截成長度約為Ilm的管段。在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床加 工API標準螺紋或特殊螺紋。性能特點延伸率36%，屈服強度486MPa，抗拉強度714Mpa，橫向全尺寸V型缺口 Charpy沖擊能IllJ ；在經(jīng)過15%的塑性變形后延伸率22%，屈服強度581MPa，抗拉強度 ^ 718Mpa, Charpy沖擊能56J。用該材料加工的優(yōu)質螺紋接頭采用API標準方法上卸扣3 次不發(fā)生粘扣。實施例2 油井可膨脹套管用鋼合金材料的質量百分比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 為 8. 28 1。油井可膨脹套管的制造首先，制備熱軋板卷將上述油井可膨脹套管用鋼材料(各組分)經(jīng)氧吹轉爐熔 煉，再經(jīng)過連鑄成約250_厚的板坯，加熱至約1200°C，在溫度1080 1100°C時進行粗 車L，780 950°C時進行精軋，軋后噴水冷卻，冷卻速度15 20°C /s，卷取溫度520 600°C， 制成厚度約為12. 7mm的熱軋板卷。其次，用熱軋板卷生產(chǎn)直縫電阻焊接鋼管，板邊采用銑邊方法，控制帶鋼寬度約為 758mm，兩個板邊銑加工成相互平行；采用排輥成型方法控制板邊波形；調整焊接電流、電 壓等工藝參數(shù)；控制焊縫的擠壓量2 2. 5mm，開口角控制在6°，焊接速度18 22m/min ； 焊接成管徑約為240mm、壁厚為12. 7mm的直縫鋼管。然后采用熱張力減徑工藝，加熱溫度1100 1200°C，通過高溫擴散和形變熱處 理，使鋼管的成分均勻，甚至于達到“無縫化”，材料晶粒細化。隨后再加熱至950°C 士 15°C 整體正火(加熱保溫1小時空冷)。最后，焊接鋼管截成長度約12m長的管段。在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床加 工API標準螺紋或特殊螺紋。性能特點延伸率42%，屈服強度495MPa，抗拉強度727Mpa，橫向全尺寸V型缺口 Charpy沖擊能146J ；在經(jīng)過15%的塑性變形后延伸率26%，屈服強度593MPa，抗拉強度 ^ 729Mpa, Charpy沖擊能63J。用該材料加工的優(yōu)質螺紋接頭采用API標準方法上卸扣3 次不發(fā)生粘扣。實施例3
本發(fā)明油井可膨脹套管用鋼合金材料的質量百分比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，其余為 Fe。Mn Si 為 6.7 1。油井可膨脹套管的制造首先，制備熱軋板卷將上述油井可膨脹套管用鋼材料(各組分)經(jīng)氧吹轉爐熔 煉，連鑄成約250mm厚的板坯，加熱至約1200°C，在溫度1000 1100°C時進行粗軋，在溫度 770 940°C時進行精軋，軋后噴水冷卻，冷卻速度18 23°C /s，卷取溫度540 590°C，制 成厚度約為14. 3mm的熱軋板卷。其次，用熱軋板卷生產(chǎn)直縫電阻焊接鋼管，板邊采用銑邊方法，控制帶鋼寬度約為 538mm，兩個板邊銑加工成相互平行；控制板邊波形，采用排輥成型方法；調整焊接電流、電 壓等工藝參數(shù)；控制焊縫的擠壓量2. 5 3mm，開口角控制為7°，焊接速度19 23m/min ； 焊接成管徑約為170mm、壁厚為14. 3mm的直縫鋼管。焊后焊縫950 980°C正火，控制水冷開始溫度在380 400°C，以獲得具有細小 鐵素體和少量珠光體的理想雙相組織。最后，焊接鋼管截成長度約為IOm長的管段。在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床 加工API標準螺紋或特殊螺紋。性能特點延伸率39%，屈服強度490MPa，抗拉強度731Mpa，橫向全尺寸V型缺口 Charpy沖擊能132J ；在經(jīng)過15%的塑性變形后延伸率25%，屈服強度586MPa，抗拉強度 ^ 736Mpa, Charpy沖擊能76J。用該材料加工的優(yōu)質螺紋接頭采用API標準方法上卸扣3 次不發(fā)生粘扣。
權利要求
一種油井可膨脹套管用鋼，其特征是油井可膨脹套管用鋼合金材料各組分的質量百分比為C0.08～0.2％；Mn1～2％；Si0.15～0.35％；Al0.02～0.06％；P≤0.01％；S≤0.005％；N≤0.008％；Ca0.001～0.005％；余量為Fe；控制Mn與S i用量比，Mn∶Si在4～15∶1之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的油井可膨脹套管用鋼，其特征是合金材料中含有質量百分 比的 Nb 0. 03 ~ 0. 08% ；Ti 0. 02 ~ 0. 06% ；V 0. 03 0. 08 % 中的一種或兩種以上的合 金元素，并含有質量百分比的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%中的一種或兩種以上的合金元素。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的油井可膨脹套管用鋼，其特征是利用油井可膨脹套管 用鋼制備油井可膨脹套管的方法是首先，制備熱軋板卷將上述油井可膨脹套管用鋼材料(各組分)經(jīng)氧吹轉爐熔煉，再 經(jīng)過連鑄成約250mm后的厚板坯，然后加熱至約1200°C，在1000 1100°C時進行粗軋，在 730 950°C時進行精軋，軋后冷卻速度15 30°C /s，卷取溫度520 600°C，制成厚度為 7 20mm的熱軋板卷；其次，用熱軋板卷生產(chǎn)直縫電阻焊接鋼管板邊采用銑邊方法，控制帶鋼寬度和兩個板 邊銑加工成相互平行；采用排輥成型方法控制板邊波形；調整焊接電流、電壓參數(shù)；控制焊 縫的擠壓量在1. 5 3. 5mm，開口角控制在3 8°，進行焊接，焊接速度為15 25m/min ； 焊接成厚度為7 20mm的直縫鋼管；焊后焊縫在900 1000°C條件下正火，控制正火水的開始溫度在300 400°C;或采用 熱張力減徑方法進行處理；或進行900 1000°C的一次性整體正火；最后，將焊接鋼管截成長度10 12m的管段，在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床加工 API標準螺紋或特殊螺紋。
全文摘要
油井可膨脹套管用鋼及其制造方法，應用于制備石油天然氣工業(yè)油油井可膨脹套管，油井可膨脹套管用鋼合金材料各組分的質量百分比為C0.08～0.2％；Mn1～2％；Si0.15～0.35％；Al0.02～0.06％；P≤0.01％；S≤0.005％；N≤0.008％；Ca0.001～0.005％；余量為Fe。制備油井可膨脹套管的方法制備熱軋板卷；用熱軋板卷生產(chǎn)直縫電阻焊接鋼管；焊后焊縫正火；最后，截成焊接鋼管，在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床加工API標準螺紋或特殊螺紋。效果是具有優(yōu)良的膨脹變形能力、強度、韌性等綜合性能，焊縫無缺陷且與母材性能均勻一致。
文檔編號B23K11/34GK101812631SQ20101014456
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權日2010年4月9日
發(fā)明者上官豐收, 馮耀榮, 劉強, 劉永剛, 楊龍 申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所