一种完井用抗细菌腐蚀连续管及其制造方法与流程

技术领域：

本发明涉及石油天然气管材技术领域，特别涉及一种完井用抗细菌腐蚀连续管及其制造方法。

背景技术：
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在油气的开发过程中，向地下钻出井管并下入套管后，需进行完井操作。一般用常规油管进行完井，将单根长度10米左右的普通低碳无缝钢管，采用螺纹接头连接至所需长度。而常规油管完井作业效率低，需要将每根油管进行螺纹与接箍连接，作业人员多，施工时间长。同时，单井螺纹接头较多，在螺纹连接部位，易发生泄漏及缝隙腐蚀，影响气井产率。

中国专利cn108999597a公开的“一种用于气举生产的中心完井管柱及气举施工方法”，采用了连续管及其配套工具进行完井。中国专利cn105945517b公开的“一种连续速度管柱及其制造方法”，采用连续管替代常规油管，用作速度管柱，达到提高气井排液能力，解决气井积液问题。采用连续管替代常规油管进行完井或用作速度管柱，其优势在于连续管单根长度达上千米，无需螺纹连接，下井速度快，后期起出方便，在不动井下管柱的情况下，可完成多项井下作业，如实现通井、洗井、射孔、完井联作。随着连续管产品国产化以及连续管作业技术的发展，采用连续管替代常规油管进行完井或用作速度管柱的技术推广应用较快。

无论是常规油管还是连续管，用于完井时将下入井内长期服役，井内管材除了受到常规的电化学腐蚀，微生物引起的管材腐蚀问题也日益突出。能够对金属产生腐蚀的微生物是多种多样的，其中腐蚀性最强的微生物是细菌，细菌腐蚀常以局部快速点蚀穿孔为主要特征，其发生、发展具有不可预见性，导致的管材失效从几周到几年不等。油气井针对细菌腐蚀主要防治措施有添加缓蚀剂和杀菌剂、材料表面涂料/涂层处理、阴极保护、使用抗菌材料等，并逐渐重视相关研究。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种完井用抗细菌腐蚀连续管及其制造方法，通过添加足量的铜和进行抗菌热处理，使管材基体中均匀、弥散地分布着铜的析出相(ε-cu)，在连续管服役过程中管材表面溶出的铜离子与细菌接触，破坏细菌细胞壁和细胞膜，使胞内蛋白质露出从而导致细菌死亡，有效解决了管材在井下长期服役过程中的细菌腐蚀问题，保障了管材长期服役的安全性及气井长期的产率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种完井用抗细菌腐蚀连续管，所述抗细菌腐蚀连续管专用板材的化学成分按质量百分数为：c：0.02-0.06％；si：0.15-0.30％；mn：0.4-0.8％；p：≤0.01％；s：≤0.005％；cu：1.0-3.0％；cr：0.4-0.6％；ni：0.1-0.25％；mo：0.2-0.5％；ti：0.01-0.04％；nb：0.02-0.06％，re：≤0.02％，其余为fe及不可避免的杂质。

上述合金成分的选择依据为：

1、铜(cu)的设计范围：1.0-3.0％。其原因：研究表明各种金属及其合金或非金属材料耐微生物腐蚀剂的敏感性不同，金属离子都具有不同程度的抗菌能力，实际使用时银离子的抗菌性能最好，其次是铜离子和锌离子。从其冶炼工艺考虑，可以添加银、铜和锌等具有抗菌特性的金属元素，就能从材料自身的角度上解决细菌问题。综合考虑连续管的经济性及生产工艺，选择添加铜作为抗菌元素。该方法在炼钢过程中有意地加入比传统含铜钢更多的铜元素并在制备的过程中采取特殊的热处理工艺使钢基体由内到外均匀、弥散地分布着铜的析出相(ε-cu)。其杀菌机理是：ε-cu析出相在表面附着的液体中容易游离出铜离子与细菌接触，破坏其细胞壁和细胞膜，使得胞内蛋白质露出而导致细菌死亡，使其通过材料表面铜离子的持续溶出而拥有良好抗菌能力。

2、碳(c)、硅(si)、锰(mn)的设计范围：c：0.02-0.06％；si：0.15-0.30％；mn：0.4-0.8％。其原因：由于更多铜元素的加入，为保证板材后续制管过程中的焊接性能，将板材c当量控制在≤0.60。碳当量技术参考经验公式:c当量＝[c+mn/6+(cr+mo+v)/5+(ni+cu)/15]×100％，式中：c、mn、cr、mo、v、ni、cu为钢中该元素含量。碳(c)、硅(si)、锰(mn)能够提高钢的强度，本发明采用低碳、低锰成分设计，有利于控制板材的c当量，为后续连续管高质量、连续稳定焊接提供有力保障；同时，能够实现减少板材带状组织，从而提高管材的抗应力腐蚀性能。

3、铬(cr)、镍(ni)、钼(mo)的设计范围：cr：0.4-0.6％；ni：0.1-0.25％；mo：0.2-0.5％。其原因：由于连续管将在井内长期服役，需要管材具备一定的耐蚀性能，设计加入一定量改善耐腐蚀性能的元素：铬(cr)、镍(ni)、钼(mo)，以提高管材耐均匀腐蚀、抗氧化腐蚀、抗点蚀性能。

4、钛(ti)、铌(nb)的设计范围：ti：0.01-0.04％；nb：0.02-0.06％。其原因：由于连续管在生产、服役过程中要经过多次弯曲，对管材的韧性要求较高，设计加入强碳、氮化合物形成元素：钛(ti)、铌(nb)，在均热和再加热过程中均可阻止奥氏体晶粒长大，在奥氏体化时形成细晶组织和细小碳化物，细化奥氏体晶粒，提高管材的强韧性，显著改善热影响区的韧性。

5、稀土元素(re)的设计范围：re：≤0.02％。其原因：稀土元素(re)具有广谱抗菌性能，在材料表面的稀土离子能够对革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌表现出抗菌性，且制备含稀土元素抗菌钢不需进行抗菌热处理。同时，稀土元素能有效去除氧、硫、磷、氢、氮等气体，以及改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善钢的各种性能。设计稀土元素re为镧(la)、铈(ce)及铕(eu)的混合稀土金属，按重量占比分别为：la30％，ce40％，eu30％。

6、磷(p)、硫(s)的设计范围：p：≤0.01％；s：≤0.005％。磷(p)、硫(s)是极为有害的元素，对于连续管产品更应严格控制，综合考虑制造成本及服役环境，提出本发明设计范围。

上述一种完井用抗细菌腐蚀连续管的制造方法，包括的步骤有：

步骤1：卷板制备：将铁水作为主原料进行预脱硫处理，使钢水的成分质量百分数达到上述要求即可出钢，铸成100-200mm厚度的板坯，通过热机械控制轧制工艺，经粗轧、精轧，轧成宽度1000-1200mm，厚度3.18-6.35mm的热轧板，在550-650℃进行卷板卷取；

步骤2：抗菌热处理：抗菌热处理具体工艺：将卷板加热至800-900℃固溶，保温20-40min后空冷，空冷后加热到450-650℃，保温1-2h等温时效后空冷，最后经过酸洗、检测后，经张力卷曲机卷曲成卷板供制管使用；

步骤3：卷板纵剪和对焊接长：将制备好的卷板按照连续管规格要求，通过纵剪机组分成宽度120～280mm的钢带；将前后两条钢带的端头加工成40-50°后进行拼接，对接钢带长度根据所需连续管长度而定，焊接方法采用搅拌摩擦焊或等离子填丝焊进行斜焊缝焊接；焊后对焊缝进行步骤2的抗菌热处理；

步骤4：钢带制管：采用排辊成型方法控制钢带成型；采用高频感应焊接方法焊接管坯；调整焊接参数，提高焊接热输入，焊缝挤压量：1.5-2.8mm，焊接速度：20-28m/min，整个焊接过程采用纯度≥99.7％的氮气作为保护气体，在连续气体保护下进行焊接，以保证高频焊直焊缝的高质量；用刮刀对焊缝内、外毛刺进行去除，焊接成管径为φ38.1-φ88.9mm，壁厚为3.18-6.35mm的直缝去内毛刺连续管；

步骤5：焊缝及管体去应力处理：采用感应加热对焊缝及全管体进行热处理，焊缝迅速加热到880-940℃，以15-25℃/s的冷却速度冷却到350-400℃进行水冷；将管体迅速加热到450-650℃，随后以10-20℃/s的冷却速度冷却到250-350℃进行水冷；最后在连续卷取机上进行卷曲，得到所需长度的完井用抗细菌腐蚀连续管产品。

上述抗细菌腐蚀连续管：屈服强度380-620mpa，抗拉强度448-689mpa，延伸率≥22％，最高硬度22hrc，长度为100-7000m。

本发明的有益效果在于：

1、本发明在炼钢过程添加比传统含铜钢更多的铜元素，利用具有抗菌特性的金属元素铜，实现从材料自身的角度上解决细菌问题，解决了管材在井下长期服役过程中的细菌腐蚀问题。为保证卷板良好的抗菌性，不仅要添加足量的铜，还必须进行抗菌热处理。在热处理过程中，本发明先经固溶处理使铜充分固溶在材料基体中，随后在时效过程中，铜元素以铜离子的形式均匀弥散地析出，这样材料表面的铜离子可以促进铜离子溶出，铜离子与细菌发生反应并进一步杀灭细菌。

2、本发明通过合金成分和制造工艺设计，制造出的连续管经金相分析：管材组织均匀，基体和表面都均匀、弥散地分布着富铜的ε-cu析出相。经耐电化学腐蚀性能测试，与常规油井管性能相当，具体性能测试结果为：

抗氢致开裂(hic)性能：按照nacetm0284-2011标准，进行抗氢致开裂试验。96小时h2s饱和a溶液浸泡试验后，试样表面均无氢鼓泡，剖面金相观察所有试样均无裂纹。

抗应力腐蚀开裂(scc)性能：按照nacetm0177-2005标准，进行抗硫化氢应力腐蚀开裂试验。采用标准尺寸试样，应力加载为名义屈服强度80％，经过720小时h2s饱和溶液(a溶液)浸泡，试样不出现断裂。

3、本发明的连续管钢级范围为ct55-ct90，管材强度可以满足7000米井深的服役要求，适用于绝大部分油气井。本发明连续管强度适中，管材硬度低、带状组织及夹杂物控制较好，使管材具有良好的抗hic/scc性能。同时，本发明与常规连续管相比，仅添加更多的铜元素，并控制其他合金元素，其制造成本无增加，适合替代常规油管及速度管柱用于在油气井中长期服役，解决管材在井下长期服役过程中的细菌腐蚀问题，有效保障了管材长期服役的安全性及气井长期的产率，该发明市场前景广阔。

附图说明：

图1为抗细菌腐蚀连续管母材的光镜(om)照片。

图2为抗细菌腐蚀连续管母材的透射电镜(tem)照片。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

以制造ct70钢级完井用抗细菌腐蚀连续管为例。

1、卷板制备：

板材的化学成分按质量百分数为：c：0.04％；si：0.20％；mn：0.5％；p：0.006％；s：0.004％；cu：2.0％；cr：0.5％；ni：0.20％；mo：0.3％；ti：0.015％；nb：0.03％；re：0.015％，其余为fe及不可避免的杂质。

将铁水作为主原料进行预脱硫处理，使钢水的成分质量百分数达到上述要求即可出钢，铸成150mm厚度的板坯，通过热机械控制轧制工艺(tmpc)，经粗轧、精轧，轧成宽度1120mm，厚度4.44mm厚度的热轧板，在550-650℃进行卷板卷取。

2、抗菌热处理：

为保证卷板良好的抗菌性，将卷板加热至880℃固溶保温25min后空冷，随后加热到500℃保温1h进行等温时效热处理，最后空冷。经过酸洗、检测后，经张力卷曲机卷曲成卷板供制管使用。

3、卷板纵剪和对焊接长：

将制备好的卷板按照连续管规格要求，通过纵剪机组剪成158.6mm的钢带。在对接时，将前后两条钢带的端头加工成45°后进行拼接，选择含cu量约1.5％，强度略低于卷板的专用气保焊丝，采用等离子填丝焊进行斜焊缝焊接。焊后对焊缝进行抗菌热处理，将斜焊缝位置加热至880℃固溶保温20min后空冷，随后加热到500℃保温1h进行等温时效热处理，最后空冷。对接7条钢带，目标生产出3200m连续管产品。

焊后对焊缝进行抗菌热处理的目的是保证焊缝位置铜元素以铜离子的形式均匀弥散地析出，使焊缝和母材组织均匀的同时，提高了焊缝的强韧性。

4、钢带制管：

采用排辊成型、高频感应焊接、纯度≥99.7％的氮气保护，调整焊接参数、焊缝挤压量2.2mm，焊接速度25m/min，用刮刀去除焊缝内、外毛刺，焊接成φ50.8×4.44mm去内毛刺连续管。焊缝及管体去应力处理

5、焊缝及管体去应力处理：

通过感应加热对焊缝及全管体进行热处理，焊缝迅速加热到900℃，以20℃/s的冷却速度冷却到380℃后水冷；将管体迅速加热到500℃，以16℃/s的冷却速度冷却到300℃进行水冷。

对焊缝及管体去应力处理的目的是降低制管过程中焊缝及管体残余应力，提高管材强韧性，获得综合性能良好的连续管产品。

6、卷曲及检测：

通过卷取机将所生产的连续管缠绕到大芯径的生产卷筒上；将连续管重绕在运输卷筒上，并进行无损检测、静水压检测，得到所需3200mct70钢级φ50.8×4.44mm抗细菌腐蚀连续管产品。

制备的ct70钢级完井用抗细菌腐蚀连续管的主要力学性能测试结果如表1所示，图1所示为抗细菌腐蚀连续管母材的光镜(om)照片，图2所示为抗细菌腐蚀连续管母材的透射电镜(tem)照片，耐蚀性能如表2、表3和表4所示，其中表2为高温高压釜腐蚀速率测试结果，表3为hic敏感性测试结果，表4为scc敏感性测试结果。

检测结果表明：管材主要性能满足api标准；母材的光镜(om)及透射电镜(tem)照片可以看出：基体均匀、弥散地分布着富铜的析出相(ε-cu)，为管材后续释放出铜离子实现良好抗菌能力提供了保障。经高温高压釜腐蚀速率测试结果看出：本发明连续管耐蚀性能优于常规油管；hic、scc敏感性测试结果表明：本发明连续管对氢致开裂不敏感，且抗硫化氢应力腐蚀性能良好。

综合上述试验结果，本发明的连续管适合替代常规油管及速度管柱，用于在油气井中长期服役，解决管材在井下长期服役过程中的细菌腐蚀问题。

表1主要力学性能测试结果

表2高温高压釜腐蚀速率测试结果

表3hic敏感性测试结果

表4scc敏感性测试结果