專利名稱：一種高強(qiáng)度抗擠毀石油套管管柱及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油套管管柱及其制造方法，尤其涉及一種抗擠毀的石油套管管柱及其制造方法。
背景技術(shù)：
中原油田有著特殊的地質(zhì)條件，多數(shù)油井需穿過鹽巖層、泥巖層、鹽膏層，地應(yīng)力高達(dá)120MPa，因此對于輸送石油的石油套管的抗外擠毀能力要求很高，需要不低于 168MPa。另外，由于鹽層井段很不穩(wěn)定，具有塑性蠕動性，對鉆井施工和完井后的套管都有很大的危害。一般而言，石油套管所受外擠力和最大應(yīng)力隨鹽層厚度、深度的增大而增大。 鹽膏層溶解造成井眼擴(kuò)大，形成溶洞，套管形成壓桿支撐上覆巖層壓力，同時鹽膏層流動、 滑移、坍塌使套管受非均勻載荷增加，受力狀況惡化，套管所受外擠力將會超過套管本身所能承受的最大承載能力，從而不可避免地導(dǎo)致套管損壞變形，研究表明，鹽層蠕動擠損是中原油田套管損壞的主要原因。對于如何提高中原油田油層套管抗鹽層的擠壓能力，
公開日為2003年1月15 日，公開號為CN1391022，名稱為“特殊連接結(jié)構(gòu)超高強(qiáng)度抗擠毀石油套管及其生產(chǎn)方法” 的中國專利，公開了一種特殊連接結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度抗擠毀石油套管，該技術(shù)方案所涉及的 Φ 152. 4X16.9規(guī)格的ΤΡ130ΤΤ厚壁套管，可以有效地解決鹽層段套管的損壞問題。由于該專利沒有對石油套管的合金成分以及組織因素進(jìn)行控制，因此只能通過增加外徑與壁厚的手段來滿足油田對套管超高抗擠毀的性能要求。在其它條件不變的情況下，增加套管的壁厚確實(shí)是提高套管壓潰強(qiáng)度的最有效的方法之一。然而，厚壁套管的使用存在如下問題(1)由于厚壁套管只應(yīng)用于鹽膏層段，上下需要與API標(biāo)準(zhǔn)的Φ139. 7mm規(guī)格的套管連接，因此需要采用變扣特殊短節(jié)過渡。這種短節(jié)外徑178mm左右，與井眼之間的間隙較小，施工難度大；(2)由于厚壁套管剛性高，對造斜點(diǎn)的選擇必須慎重，否則可能直接導(dǎo)致下井困難；(3)目前所應(yīng)用的開發(fā)井大部分是定向井，井斜角較大，從而增大了特殊套管下井遇阻的可能性，為此，厚壁套管在下井時每根都需要安裝套管扶正器。為了降低外徑壁厚，增大套管的撓度，提高生產(chǎn)效率，縮減生產(chǎn)成本，便于東濮地區(qū)鹽膏層、泥巖層等復(fù)雜地質(zhì)應(yīng)力條件井況的作業(yè)，發(fā)明新型的高鋼級抗擠套管迫在眉睫。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度抗擠毀石油套管管柱，其不僅能夠達(dá)到對石油套管抗擠毀能力不低于168MPa的要求，而且降低了其套管外徑接近API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格套管，與上下管串可以直接連接，而不需要采用變扣特殊短節(jié)進(jìn)行過渡使，因而得下套管施工更便捷、 更安全。一般而言，套管的抗擠毀性能主要取決于材質(zhì)的屈服強(qiáng)度、楊氏模量、本構(gòu)關(guān)系；取決于套管的殘余應(yīng)力、套管徑厚比、尺寸精度，例如套管的不圓度、套管壁厚偏差等；取決于試驗(yàn)時的測試模式、試樣的長徑比、加載速度等諸多因素。然而除了上述因素，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)可以通過織構(gòu)設(shè)計(jì)與套管的成分設(shè)計(jì)來提高套管的抗擠性能。因此，在滿足油田需求的前提下，發(fā)明人發(fā)明了接近API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的薄壁管替代現(xiàn)有厚壁管，該薄壁管強(qiáng)度高，屈服強(qiáng)度在150鋼級以上。根據(jù)本發(fā)明的上述目的和發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提出一種高強(qiáng)度抗擠毀石油套管管柱，所述管柱的化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為C 0. 24-0. 30% ；Mn 0. 9-1. 3% ；Si 0. 25-0. 50% ；Cr 0. 9-1. 3% ；Mo 0. 6-0. 8% ； V 0. 06-0. 10 % ；Al 0. 01-0. 03 % ；Nb 0. 02-0. 05 % ；Zr 0-0. 03 % ;Ti < 0. 03 % ；B < 0. 004% ；P < 0. 015% ；S < 0. 010% ；Ca :0. 001-0. 006% ；余量為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)； 且滿足Ca/S > 1 ；所述管柱的外徑尺寸為Φ 141. 3mm Φ 142. 7mm ；所述管柱的壁厚為10. 7mm 12. 9mm。優(yōu)選地，所述管柱的扣形為長圓螺紋。上述各化學(xué)元素的成分設(shè)計(jì)原理如下C 本發(fā)明中，為了減輕套管管柱水淬開裂的敏感性，C元素含量不宜大于0. 34%, 但是C元素含量太低將有損材料的強(qiáng)度，因此控制C元素含量0. 24-0. 30wt%。Mn:溶于鐵素體起強(qiáng)化作用，用來提高鋼的淬透性，但含量太高時偏析嚴(yán)重，有損套管管柱的抗擠性能，因此Mn元素含量設(shè)計(jì)為0. 9-1. 3wt %。Si 固溶于鐵素體以提高鋼的屈服強(qiáng)度，但同時要損失鋼的塑性和韌性，因此控制 Si元素含量為0. 25-0. 5wt%0Cr 是一種強(qiáng)烈提高淬透性的元素，同時是強(qiáng)碳化物形成元素，回火時析出碳化物可以提高鋼的強(qiáng)度，有利于延緩套管管柱的壓潰失穩(wěn)過程，但含量過高時會析出粗大的 M23C6碳化物，因此控制Cr元素含量為0. 9-1. 3wt%。Mo 提高淬透性元素，強(qiáng)碳化物形成元素，可以有效的提高鋼的回火穩(wěn)定性，回火時析出碳化物提高鋼的強(qiáng)度，有利于延緩壓潰失穩(wěn)過程，含量過高時析出大顆粒的Mo2C，因此控制Mo元素含量為0. 6-0. 8wt %。V =V的碳氮化物在鐵素體中細(xì)小彌散析出，可以在回火的過程中進(jìn)一步達(dá)到析出強(qiáng)化的效果，可以有效地釘扎位錯的運(yùn)動，阻礙滑移系的開動，延緩壓潰失穩(wěn)的過程。宜采用含量 0. 06-0. IOwt % OAl 形成AlN可以細(xì)化奧氏體晶粒，有利于延緩壓潰失穩(wěn)過程。宜采用含量 0. 01-0. 03wt%。Nb:套管管柱熱軋時可以推遲奧氏體再結(jié)晶，而達(dá)到細(xì)化晶粒的同時改變再結(jié)晶與相變織構(gòu)類型與強(qiáng)弱，在隨后的冷卻及熱軋過程中，Nb (C, N)粒子彌散析出，又能起到析出強(qiáng)化的作用。在再加熱過程中，可以阻礙奧氏體晶粒長大，有利于提高抗擠性能。宜采用含量 0. 02-0. 05wt%oTi 強(qiáng)碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC在均熱和再加熱過程中均可以阻止奧氏體晶粒長大，細(xì)化奧氏體晶粒的同時改變再結(jié)晶與相變織構(gòu)類型與強(qiáng)弱，有利于提高抗擠性能；若含量太高，易形成粗大的TiN。按重量百分比，宜采用含量0-0. 03。
B 傳統(tǒng)提高合金淬透性元素，可以和N生成BN，若含量過高，沿晶界析出硼化物， 降低材料的韌性以及抗硫化氫性能，宜采用含量0-0. 004wt%o。Zr 強(qiáng)碳氮化物形成元素，可以有效的凈化鋼液，提高材料的韌性，有利于提高抗擠性能，宜采用含量0-0. 03wt%o。Ca 可以凈化鋼液，促使MnS球化，提高材料的抗擠性能，但含量過高時易形成粗大的非金屬夾雜物，故控制Ca元素含量為0. 001-0. 006wt%，同時Ca、S元素含量的比值 Ca/S > 1。本發(fā)明所述的套管管柱的通過合理設(shè)計(jì)化學(xué)元素組分，使得其管徑和壁厚均較現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格石油套管管柱小，其可以替代厚壁管，同時該套管管柱仍可使用Φ139. 7mm 規(guī)格接箍，從而在相同的井眼空間下使得套管外環(huán)形空間增大，有利于提高下井作業(yè)效率與施工質(zhì)量。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了上述高強(qiáng)度抗擠毀石油套管管柱的制造方法，包括下列步驟(1)將鋼水進(jìn)行爐外精煉和真空脫氣后連鑄成圓坯；(2)將圓坯均熱后穿孔；(3)進(jìn)行軋管，軋后空冷并進(jìn)行鋸切，控制套管管柱組織全部為貝氏體組織，或者控制套管管柱組織為鐵素體+珠光體+貝氏體組織；(4)將套管管柱進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理淬火溫度為880 930°C，保溫時間為30 60min， 然后水淬，590 650°C進(jìn)行高溫回火，保溫時間為30 80min ；(5)將套管管柱進(jìn)行熱定徑和熱矯直，控制熱定徑溫度為570 640°C，熱矯直溫度500 550°C，控制套管管柱的不圓度小于0. 4%，壁厚不均率小于12%。本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)方案，使其較之現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1.降低了套管管柱的外徑，使其接近常規(guī)套管外徑，因此下套管施工更安全，可以實(shí)現(xiàn)與上下管串的直接連接；2.減小了套管管柱的壁厚，使得測井曲線VDL更能真實(shí)地反映套管外水泥環(huán)的封固質(zhì)量；3.降低了套管管柱的單位米重，在保證了套管質(zhì)量的同時，使得套管的使用成本降低了至少5%，能夠帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。4.本發(fā)明所述的套管管柱的屈服強(qiáng)度可以達(dá)到1034 1206MPa，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1103MPa ；延伸率可以達(dá)到11% ；全尺寸零度沖擊性能達(dá)到52J以上；抗擠性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的168MPa。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1-5本發(fā)明實(shí)施例1-5所述的高強(qiáng)度抗擠毀石油套管管柱采用下述方法制得，其中套管管柱的化學(xué)元素質(zhì)量百分配比如表1所示，各實(shí)施例中的套管管柱的尺寸如表2所示表1實(shí)施例1-5與對比例1-4中各化學(xué)元素質(zhì)量百分配比(wt% )(表1中“實(shí)”表示“實(shí)施例”，“對”表示“對比例”)
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度抗擠毀石油套管管柱，其特征在于，其化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為C 0. 24 0. 30% ；Mn :0. 9 1. 3% ；Si :0. 25 0. 50% ；Cr :0. 9 1. 3% ；Mo :0. 6 0. 8 % ;V :0. 06 0. 10 % ；Al 0. 01 0. 03 % ；Nb 0. 02 0. 05 % ；Zr 0 0. 03 % ；B < 0. 004% ；Ti < 0. 03% ；P < 0. 015% ；S < 0. 010% ；Ca :0. 001 0. 006% ；余量為 Fe 和其他不可避免的雜質(zhì)；且滿足Ca/S > 1 ；所述管柱的外徑尺寸為Φ 141. 3mm Φ 142. 7mm ；所述管柱的壁厚為10. 7mm 12. 9mm。
2.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度抗擠毀石油套管管柱，其特征在于所述管柱的扣形為長圓螺紋。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高強(qiáng)度抗擠毀石油套管管柱的制造方法，其特征在于，包括下列步驟(1)將鋼水進(jìn)行爐外精煉和真空脫氣后連鑄成圓坯；(2)將圓坯均熱后穿孔；(3)進(jìn)行軋管，軋后空冷并進(jìn)行鋸切，控制套管管柱組織全部為貝氏體組織，或者控制套管管柱組織為鐵素體+珠光體+貝氏體組織；(4)將套管管柱進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理淬火溫度為880 930°C，保溫時間為30 60min，然后水淬，590 650°C進(jìn)行高溫回火，保溫時間為30 80min ；(5)將套管管柱進(jìn)行熱定徑和熱矯直，控制熱定徑溫度為570 640°C，熱矯直溫度 500 550°C，控制套管管柱的不圓度小于0. 4%，壁厚不均率小于12%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)度抗擠毀石油套管管柱，所述管柱的化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為C0.24-0.30％；Mn0.9-1.3％；Si0.25-0.50％；Cr0.9-1.3％；Mo0.6-0.8％V0.06-0.10％；Al0.01-0.03％；Nb0.02-0.05％；Zr0-0.03％；B＜0.004％；Ti＜0.03％；P＜0.015％；S＜0.010％；Ca0.001-0.006％；余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)；且滿足Ca/S＞1；所述管柱的外徑尺寸為φ141.3mm～φ142.7mm；所述管柱的壁厚為10.7mm～12.9mm。相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了所述套管管柱的制造方法。
文檔編號B21B19/04GK102296239SQ201010216630
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者丁維軍, 孫元寧, 曹澤甫, 田青超, 董曉明, 謝慧華 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司