专利名称：具有优良的可变机械性能的盘管以及通过连续热处理生产这种管的方法
技术领域：
本发明的几种实施方案都涉及盘管及热处理盘管的方法。所述实施方案还涉及沿着所述盘管的长度方向具有特定或可变性能的盘管。
背景技术：
盘管是卷曲在卷轴上的长度连续的管，随后当执行作业比如在井眼中使用时，该管将被展开。盘管可以由各种钢制成，比如不锈钢或碳钢。盘管的外径比如在约I英于至约5英于之间，壁厚在约0. 080英于至约O. 300英于之间，长度可达约50，000英尺。例如，通常的长度是约15，000英尺，但是长度可以在约10，000英尺到约40，000之间。盘管可以这样生产，连接平金属条以得到长度连续的平金属，该平金属可以送入制管厂的成形及焊接生产线(例如，ERW，激光或其它)，在此生产线上，平金属条沿其长度被焊接以得到长度连续的管子，在管子退出焊接生产线后，被卷曲在卷轴上。在一些情况下，连接在一起的金属条具有不同厚度，在这种状况下得到的盘管被称为“有锥度的盘管”，由于得到的管子的壁厚是变化的，该连续管具有变化的内径。生产盘管的另一方案是，它包括对外径不等于最终外径的管子进行连续热轧(比如，US6527056B2公开了一种生产盘管管柱的方法，其中在管柱的部分长度上外径是连续变化或几乎是连续变化的，W02006/078768公开了一种方法，其中退出制管厂的管子引入到锻造工艺中，在该工艺下盘管的外径减少了蓄意过大的盘管外径，而成为额定外径或目标外径，而EP0788850描述了一种钢管减径装置的例子，前述每个专利中描述这样的管子的所有内容通过引用在此并入本申请)。前述这些方法能够得到具有稳定性能的盘管，因为所述管子是用同一材料连续经过同一工艺进行生产的。因此，生产得到的管子的最终设计(比如尺寸和特性)是使用时管子需具备的所有条件的折中。
发明内容
本发明的盘管具有沿长度方向的改善性能和变化性能。在一些实施方案中，盘管可以通过连续动态的热处理工艺(CDHT)进行生产。在性能不恒定的意义上讲，得到的新产品是“复合”管，产生具有独特和最优性能的复合盘管(例如，连续长度的管子，其能够被卷曲到卷轴上，用于运输和展开用途)。连续长度的复合盘管的生产可以这样实施，即通过引导事先生产的这样的产品卷轴进入连续动态的热处理生产线，以产生新的材料微观结构。所述热处理是连续的，是因为管子移动，经过相继的加热工艺和冷却工艺，它是动态的，因为它能够进行修正，以对盘管的不同管节部分作出恒定变化的热处理。连续盘管可以由更短的平金属条制成，这些金属条首尾相连，形成管子形式，并被缝焊，从而得到用于本发明所述工艺的起始盘管。所述起始盘管之后被导入CDHT工艺。CDHT改变微观结构，于是改善管体、纵向焊缝以及连接平金属条的焊缝之间的性能以及使不均匀的性能达到最小化。
所述热处理变量能够连续调整，以产生不同的机械性能，抗腐蚀性能和/或沿盘管长度方向的微观结构。得到的复合盘管可以具有局部的性能增加或可选择的性能，以允许在更深的深度下工作，局部增加的刚性以使纵向弯曲最小，期望在暴露给更高浓度的腐蚀环境的区域内局部增大抗腐蚀性，或在特定位置具有性能变动的任意修正设计。性能的这种变化会导致锥度的最小化或减小，改善疲劳寿命、保持更长距离的内径恒定、使条与条之间的不必要焊缝最少、减少重量、改进检测能力、管子容积和容量等。具体地，通过使管子的平均壁厚小于带有锥度的管子的壁厚，能够降低重量，原因是带锥度的管子在一定区域内增加壁厚，比如井顶位置的管节部分。带锥度的管子的外径(OD)通常保持恒定，而管子的内径(ID)发生改变以改变壁厚。例如，管节部分的壁厚的增大能够降低管节部分的ID。因此，没有锥度的管子的ID基本在整个管子上都是一样的。由于具有基本恒定的ID，沿管子整个长度的ID能够进行检测。例如，为了检测ID，可以使用漂浮球。然而，所述漂浮球只能用于检测带锥度的管子的最小ID。另外，流过带锥度的管子的流体流速(例如容积)受管子的最小ID的限制。因此，通过在管子的某些管节部分中不缩小ID而增加壁厚，也能够增加管子的容积和容量。在一些实施方案中，提供一种处理管子的方法。所述方法可以包括提供管子的卷轴，从卷轴展开管子，对展开管子进行热处理以提供沿着展开管子的长度方向的变化性能，以及在热处理之后卷曲管子。变化的性能可包括机械性能。温度、保温时间、加热速率、冷却速率中至少一个能够在展开管子的热处理过程中进行改变，以得到沿着展开管子的长度的变化性能。在一些实施方案中，用两个或更多个热处理对管子进行热处理(如，两个淬火回火步骤)。管子在整个长度上可以具有基本恒定的壁厚。与传统的没有变化性能的管子相比，由于沿着管子的长度具有变化的性能，管子在壁厚上可以基本没有变化，以保持特定用途下具有足够的性能。在一些实施方案中，提供一种盘管。所述盘管包括具有第一组性能的管子的第一实质部分，和具有第二组性能的管子的第二实质部分，从而第一组性能的至少一个性能不同于第二组性能的至少一个性能。例如，由于基本相同的钢成分以及基本相同的热处理工序，在第一组性能的至少一个性能与第二组性能的至少一个性能之间的差异会大于至少一个性能的通常变化。所述第一组性能和第二组性能的至少一个性能包括屈服强度、拉伸强度、疲劳寿命、抗腐蚀性、晶粒度或硬度。例如，管子的第一实质部分可以包括第一屈服强度，管子的第二实质部分可以具有不同于(例如小于或者大于)第一屈服强度的第二屈服强度。由于沿着管子的长度的变化性能，与传统的没有变化性能的管子相比，管子的壁厚可以基本没有变化，以保持特定用途下具有足够的性能。管子在整个管子上可以具有基本恒定的壁厚。此外，管子可以具有在整个管子上的基本均匀的成分。管子可以包括焊接在一起的多个管节部分，所述多个管节部分的管节部分之一的至少一部分包括第一实质部分，同管节部分的至少另一部分包括第二实质部分。在一些实施方案中，提供一种用于井内的盘管。该盘管可以包括连续长度的管子，该管子包括钢材料，所述钢材料沿着管子的整个长度具有基本均匀的成分。管子具有至少一个第一部分和至少一个第二部分，该第一部分构造位于井顶位置，第二部分相对于第一部分位于朝向井底的位置。管子的第一部 分具有第一屈服强度，管子的第二部分具有第二屈服强度，第一屈服强度不同于(如大于或小于)第二屈服强度。在一些实施方案中，第一部分的屈服强度大于IOOksi或约为lOOksi，第二部分的屈服强度小于90ksi或约为90ksi。在其它实施方案中，管子还包括具有第三屈服强度的管子的第三部分，该第三屈服强度介于第一和第二屈服强度之间，所述第三部分位于第一和第二部分之间。然而，所述CDHT使得任何长度的管子能够得到数个性能的组合(例如YS)。所述管子的长度可以在10000英尺和40000英尺之间(或约10000英尺至约40000英尺之间)。管子的第一部分的长度可以是在1000英尺(或约1000英尺)与4000英尺(或约4000英尺)之间。此外，管子可以具有多个焊接在一起的管节部分，每个管节部分具有至少1500英尺(或约1500英尺)的长度。每个管节部分的长度与用以形成管子的偏移焊缝之间的距离相关。在管子成形之后，管节部分可以被焊接在一起或者平金属条被焊接在一起，之后成形为管子。所述管子可以具有基本恒定的壁厚。例如，第一部分具有第一壁厚，第二部分具有第二壁厚，第二壁厚与第一壁厚可以基本相同。第一部分具有第一内径，第二部分具有第二内径，第二内径与第一内径可以基本相同。在一些实施方案中，管子的外径在I英寸至5英寸之间(或约I英寸至约5英寸之间)。管子的壁厚在O. 080英寸至O. 300英寸之间(或在约O. 080英寸至约O. 300英寸之间)。在其它实施方案中，管子沿其整个长度可以具有基本恒定的壁厚。管子沿着整个长度可以具有基本恒定的内径。在一些实施方案中，管子可以没有锥度，而在其它实施方案中，管子具有至少一个锥度。
图I是绕在卷轴上的盘管的示例。图2是用来将管子卷曲在卷轴上以及从卷轴上展开管子的钻塔(钻探机)的示例。图3是连续动态热处理工艺的示意图。图4是使用连续动态热处理的方法的实施方案的流程图。图5是洛氏硬度(HRC)与回火周期的最大温度的函数关系图，回火周期包括分别以40°C /秒和1°C /秒进行加热和冷却。图6涉及三种盘管的必要机械性能与深度之间的函数关系图，该三种盘管是无锥度的IlOksi管、四锥度(four tapered)的90ksi管和六锥度的80ksi管，所述深度从井面(O英尺)到井底(22，500英尺)；以及，图中虚线表示没有锥度的复合管的实施方案的机械特性。
具体实施例方式本发明涉及沿其长度具有可变性能的盘管及生产这种盘管的方法。在一些实施例中，可以使用连续动态热处理工艺(CDHT)来生产沿其长度具有可变性能的盘管。所述热处理是连续的，原因是管子移动经过接续发生的加热和冷却处理，热处理是动态的，原因是它可以进行修正，以对盘管的不同部分进行不断变化的热处理。为了沿盘管的长度得到不同的机械性能，可以连续地调整热处理变量。处理后的复合盘管至少具有管子的第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一组性能，第二部分具有第二组性能，从而第一组性能的至少一个性能不同于第二组性能的至少一个性能。在许多情形下，盘管会被挂在井内，因此盘管应足够坚固，从而能够支撑相关轴向负荷；在其它情形下，盘管会在井内被推拉，当取出时，盘管要抵抗井内的 摩擦力被拉出。在这些状况下，盘管在井顶处的材料会承受最大的轴向负荷。另外，对于较深的井，盘管上部分的壁厚会加大，以承受轴向负荷(不论是悬挂还是推拉)。人们已经使用带锥度的管子以允许只增加盘管上部分的壁厚，从而减小盘管的总重。人们还使用具有更高机械性能的不同复合材料，来增加抗轴向负荷的性能，但是这些材料通常很贵，难以加工并具有较低的抗腐蚀性能。在其它情况下，盘管被在井内推动，这可能就有增加刚性的需求；此外为了使盘管的刚性达到最大，管子的特定规格可能需要提高机械性能。对于其它情况，井的一些区域处于不同的温度和腐蚀性环境，所以要求盘管要能够抵抗腐蚀环境。通过降低其它材料特性比如机械性能，能够增强抗腐蚀性，增强抗腐蚀性与增加轴向抗力和刚性的目标相反。盘管被服务公司使用，服务公司会在一个地方提供服务，之后将盘管取出，重新卷曲，并把它移动到另一地方。图I表示在卷轴14上的盘管12的示意图，图2表示能够将盘管12卷曲在卷轴14以及从卷轴上展开盘管并将管子12送进井内的钻塔10。管子的性能和疲劳寿命涉及在每个服务操作中与管子的卷曲和展开相关的低循环疲劳。疲劳寿命通常会在平金属的原始连接区域降低。此外，疲劳寿命还受到焊接工艺的机械性能和操作条件的影响。此处所述的是一种产品，其中通过特定的加工后，得到的盘管被称为“复合”管，目的是盘管的每一部分都具有最佳的性能。由此，沿着管子的长度设计管子的性能，在合适的位置得到需要的性能，从而增加整体的疲劳寿命，增强抗腐蚀性，使重量最小。特定的工艺(例如⑶HT)是利用了这样的事实，即材料特性会在适当的热处理后发生改变。因为在连续的热处理工艺中，热处理基本是温度与时间的组合，所以温度和速度(包括加热速率和冷却速率)能够动态地进行改变，以实质上调整被处理的管子的每一部分的最终性能。该工艺的另一优点是，因为最终性能受最终温度和时间周期的影响，如果在处理过程中发生问题，盘管的性能可以进行修正(比如，修补)，所以如果发生严重但可逆的损坏，可以使用热处理来重新整修已经用过的盘管，或者使用热处理来改变已经生产出的盘管的性能。这种类型的处理使得服务公司为既定的操作参数指定最佳盘管，而不论盘管将要工作的井的数量如何。如果修正后的盘管不能找到更多的井来服役，它就是过时的(例如，盘管不具有有效应用的性能)，这时它的性能应当进行改变，只要对盘管没有不可逆的损坏。由此，本发明的工艺(例如CDHT)能够产生可充当新产品的独特产品(比如盘管)、用于操作的新工艺以及新的服务。比如，修理旧的盘管或改变性能，所述独特的产品能够开辟新“服务”的可能性。在些实施例中，处理管子的方法包括提供管子的卷轴，从卷轴上展开管子，对展开的管子进行热处理以提供沿着展开管的长度的变化性能，以及在热处理后将管子卷曲。图3是说明一个实施例的示意图。管子12从第一卷轴14a展开，在展开之后，管子12经过由箱子20表示的⑶HT处理，然后在第二卷轴14b上重新卷曲。
在一定实施例中，变化的性能包括机械性能。例如，所述机械性能可以包括屈服强度、极限抗拉强度、弹性模量、韧度、断裂韧性、硬度、晶粒度、疲劳寿命、疲劳强度。许多机械性能彼此相关，比如断裂韧性、硬度、疲劳寿命和疲劳强度都涉及拉伸性能。所述可变化的性能可以包括抗腐蚀性。抗腐蚀性可以包括抗硫化物应力断裂性能(SSC)。硫化氢(H2S)在液体(例如H2O)中溶解，通过PH值和H2S在溶液中的量可以测量腐蚀环境。通常，压力越高，H2S在溶液中的量越大。温度也可以发生作用。因此，在井内的位置越深，就会经受更高的压力和更高的H2S浓度。由此，就需沿着管子的长度朝着管子井底方向的部分增强管子的抗腐蚀性。比如，通常大约井的底部75%具有最不利的腐蚀环境。因此，在一些实施例中，管子长度的底部75%比管子长度的顶部25%具有较低的机械性能和更高的抗腐蚀性。通常，抗腐蚀性与机械性能有关。比如，国际标准NACE MR0175/IS0155156号附录A(A. 2. 2. 3钻管)“石油天然气工业一油气作业中于含H2S环境下使用的材料”，该标准的内容通过引用在此整体并入，该标准表明抗腐蚀性与机械性能直接相关。特别地，附录A列出了一些材料，基于现场实验和/或实验室试验，在规定的冶金学、环境学和机械条件下，这些材料具有在H2S环境下抗SSC的合格性能。附录A表明，环境的恶劣程度从区域I至区域3增加(增加了 H2S分压和/或ph降低)，极限屈服强度(YS)的推荐值减小。例如，恶劣程度低的区域1，YS < 130ksi (HRC < 30)，恶劣程度中等的区域2，YS < IlOksi (HRC< 27)，恶劣程度很高的区域3 (HRC < 26或者HRC < 25. 4时最大API5CT等级是T95)，在所有区域下合适的推荐材料是Cr-Mo淬火回火钢。表I对比了用于盘管的标准钢产品和进行淬火回火处理后的钢，所述标准钢具有铁素体和珠光体微观结构以及变化的晶粒度。由于微观结构的一致性，所述淬火回火钢的抗腐蚀性优于标准产品。80ksi到IlOksi盘管的抗腐蚀性例如按照ISO 15156降低。表I :
等级80 等级90110抗腐蚀性
(YS 85 ksi) (YS 95 ksi) ^Γ )(因微观结构)
标准产_铁素体+珠光体+贝氏体__低
g 品—晶粒尺寸(GS) 80 > GS 90 > GS 110(不均匀的微观结构)
I 淬火回回火马氏体$^η7；η^
I 火处理碳尺寸(CS) 80 > CS 90 > CS 110
的位错密度 80 <90 <110___
抗腐蚀性 φ^
(因YS)I ^ 中低_在热处理过程中，在淬火回火处理下，微观结构将从铁素体和珠光体转变为回火马氏体。由淬火回火工艺得到的微观结构被NACE推荐为抗SSC的高强度钢管。此外，由于回火导致碳晶粒细化，从而增加了韧性。由于珠光体或甚至贝氏体组织的消除，局部硬度变动减少，而所述变动会导致类似辊轧材料中出现的偏析。局部增强的硬度对于抗腐蚀性是不利的。此外由于管子各部分之间的焊缝减少，疲劳寿命也可以增加，通过热处理增强了焊缝区域的微观结构，和/或机械性能的降低。各种钢成分可以用在此处所述的方法中。此外，各种钢成分可以用在淬火回火工艺中。钢成分可以包括比如碳-镁、铬、钥、硼和钛、或其组合。钢成分可以例如根据线速度、水温和压力、产品厚度等进行选择。作为举例，钢成分包括
铬轴承钢盘管包括O. 23-0. 28wt % (或大约O. 23至大约O. 28wt % )碳，I. 20-1. 60wt. % (或大约 I. 20 至大约 I. 60wt. % )镁，O. 15—0. 35wt. % (或大约 O. 15至大约 O. 35wt. % )硅，O. 015O. 070wt. % (或大约 O. 015 至大约 O. 070wt. % )铝，少于 O. 020wt. % (或大约 O. 020wt. % )磷，少于 O. 005wt. % (或大约 O. 005wt.)硫，和
0.15—0. 35wt. % (大约 O. 15 至大约 O. 35wt. % )铬;碳-镁钢盘管包括O. 25-0. 29wt % (或大约O. 25至大约O. 29wt % )碳，
1.30-1. 45wt. % (或大约 I. 30 至大约 I. 45wt. % )镁，O. 15—0. 35wt. % (或大约 O. 15 至大约 O. 35wt. % )硅，O. 015O. 050wt. % (或大约 O. 015 至大约 O. 050wt. % )铝，少于
0.020wt. % (或大约 O. 020wt. % )磷，少于 O. 005wt. % (或大约 O. 005wt.)硫；硼-钛钢盘管包括O. 23-0. 27wt % (或大约O. 23至大约O. 27wt % )碳，
1.30-1. 50wt. % (或大约 I. 30 至大约 I. 50wt. % )镁，O. 15—0. 35wt. % (或大约 O. 15至大约 O. 35wt. % )硅，O. 015O. 070wt. % (或大约 O. 015 至大约 O. 070wt. % )铝，少于 O. 020wt. % (或大约 O. 020wt. % )磷，少于 O. 005wt. % (或大约 O. 005wt.)硫，O. 010—0. 025wt. % (或大约 O. 010 至大约 O. 025wt. % )钛，O. 0010—0. 0025wt. % (或大约 O. 0010 至大约 O. 0025wt. % )硼，少于 O. 0080wt. % (或大约 O. 0080wt. % )氮和 Ti 与N的比大于3. 4 (或大约3. 4);和马氏体不锈钢盘管包括O. 12wt% (或大约O. 12wt% )碳，O. 19wt. % (或大约O. 19wt. % )镁,0. 24wt. % (或大约 O. 24wt. % )娃，11. 9wt. % (或大约 11. 9wt. % )络，O. 15wt. % (或大约 O. 15wt. % )钶，O. 027wt. % (或大约 O. 027wt. % )钥，少于 O. 020wt. %(或大约 O. 020wt. % )磷,少于 O. 005wt. % (或大约 O. 005wt.)硫。钥可以添加到上述钢成分中，一些钢成分可以组合为B-Ti-Cr，以改进淬火性。在下面的实施例中例子I描述的是铬轴承钢。在些实施例中，为了得到沿盘管长度方向的可变性能，在对展开盘管进行热处理的过程中，至少温度、保温时间、加热速率和冷却速率之一可以进行改变。在一些实施例中，作为沿管子的长度具有可变性能的结果，管子的壁厚基本没有变化，与传统的没有可变性能的管子相比，能够保持特定场合具有足够的性能。所述管子甚至沿整个管子具有基本恒定的壁厚(比如管子没有锥度)。用于形成管子的管节部分的平金属条比如可在1500英尺至3000英尺之间(或大约1500英尺和大约3000英尺)。具有更薄厚度的平金属条可以长于具有更大厚度的平金属条。然而，如果需要壁厚有额外的变化，平金属条可以更短，以允许壁厚上的额外变化。因此，如果针对壁厚的每个变化所需的平金属条的长度短于平金属条的最大可能长度，那么就需要额外的焊接接头。如前所述，额外的焊接接头会减少疲劳寿命。因此，如此处所述，通过使壁厚的变化数量达到最小，能够减少焊接接头的数量。例如，每个管节部分能够具有最大化的长度。在一些实施例中，管子没有少于1500英寸长的管节部分。在其它实施例中，沿管子的整个长度，管节部分的平均长度大于2500英尺。在其它实施例中，管节部分的平均长度大于有锥度变化的管子的长度。在一些实施例中，盘管的起始部分在工艺的一端被展开，之后，管子移动，连续经历热处理工艺，并在另一端再次被卷曲。卷轴装置可设计成卷轴速度可迅速变化，它们能够 移动以追随盘管运动，从而改变每单位时间内管子的纵向单元的卷曲或展开速度，甚至更快速(飞速卷曲)。CDHT本身可以包括一系列加热和冷却装置，这些装置能够容易地改变材料的加热和冷却速率。在一个实施例中，材料被动态地淬火和回火，图4表示该方法200的流程示意图。方法200可以包括淬火步骤、中间步骤和回火步骤。在步骤模块202中，起始材料的盘管被展开。在步骤模块204中，管子移动，经过加热单元，之后，在步骤模块206中，用室外水淬火。加热单元能够调整功率，以当管子的外径和壁厚变化时，补偿变化的质量流，保持生产率稳定。当回火周期调节时，如果线速度被改变，它也可以调整功率，保持淬火温度恒定，但是最终性能不同。在步骤模块208中，管子进行干燥。回火步骤可以包括加热单元和保温单位。例如，在步骤模块210中，可以对管子进行回火处理，在步骤模块212中，可以对管子进行冷却。保温单元的支架可以被打开并通风，于是它们能够快速地改变保温的总长(例如时间)，同时，它们可能快速地改变保温温度。在保温流程的出口处，放置不同的气冷装置，以将管子冷却到不再有进一步冶金变化的卷曲温度。对温度和速率的控制使得能够估计成品盘管的精确性能，这相对于某些传统的盘管是有优势的，因为对于传统的盘管，只能在卷轴的末端实施检测并测量性能。对于某些传统盘管，在热轧卷供应机处的热轧以及在电阻焊(ERW)成形过程中的冷成形工艺用不太精确的模式估计机械性能。在步骤模块214中，管子被卷曲到卷轴上。得到的盘管可以具有各种构造。在一些实施例中，盘管包括具有第一组性能的管的第一实质部分，和具有第二组性能的管的第二实质部分，从而第一组性能的至少一个性能不同于第二组性能的至少一个性能。此外，盘管可以具有多于两个实质部分的部分。例如，盘管可以包括具有第三组性能的管的第三实质部分，于是第三组性能的至少一个性能不同于第一组性能的至少一个性能以及不同于第二组性能的至少一个性能。此处所述的实质部分可以是具有足够尺寸(例如长度)的部分，以能够对该部分的至少一个性能进行测量。在一些实施例中，盘管的至少一个性能连续变化(例如，在无数个部分的附近)。在一些实施例中，管子的第一实质部分具有1000英尺至4000英尺之间的第一长度(或约1000英尺至约4000英尺之间)，管子的第二实质部分具有至少4000英尺(或至少约4000英尺)的第二长度。第一和第二实质部分也可以为其它各种长度。在一些实施例中，第一和第二组性能的至少一个性能包括屈服强度、极限拉伸强度、疲劳寿命、疲劳强度、晶粒尺寸、抗腐蚀性、弹性模量、硬度或者本文所述的任何其它性能。此外，机械性能(如屈服强度)的变化能够导致盘管重量的变化。在一些实施例中，作为沿管子的长度具有可变性能的结果，管子的壁厚基本没有变化，与传统的没有可变性能的管子相比，能够保持特定场合具有足够的性能。所述管子甚至沿整个管子具有基本恒定的壁厚。在一些实施例中，管子具有整体基本均匀的成分。例如，管子为焊接在一起的管节部分组成，这些管节部分在成分上没有重大差异(例如，管节的成分基本类似)。所述管节部分或者为(I)看起来焊接在一起的管节部分，因为他们由平条焊接、成形为管并纵向焊接而成，或者为(2)即在管子成形并纵向焊接在一起之后焊接在一起的管节部分。
实施例下述实施例用于证明本发明的⑶HT及由此得到的盘管的各个实施例的益处。例如，如下所述，盘管被热处理以得到整体特性均匀的盘管。这些实施例只是示意性地描述，不应理解为对本发明实施方案的范围的限制。实施例I作为例子，要淬火和回火的钢包括足够的碳、镁，并可以包括铬或钥或硼与钛的组合，并且在不同温度下进行淬火和回火。各种其它的钢成分比如前面所述的，也可以以类似的方法进行淬火和回火。在下面的实施例中，盘管由下述成分组成，即大约O. 23至大约O. 28wt %的碳，大约I. 20至大约I. 60wt. %的镁，大约O. 15至大约O. 35wt. %的娃，大约O. 015至大约O. 070wt. %的铝，少于大约O. 020wt. %的磷，少于大约O. 005wt.的硫，和大约O. 15至大约O. 35wt. %的铬。每种元素的数量是由钢成分的总重决定的。实验室的模拟实验和工地实验用来测量与淬火和回火周期相应的材料性能。长度的选择必须保证均匀的温度(每个状况下都大于40英尺，在工地实验时材料连续移动经过加热及冷却单元，在实验室模拟情况时，材料是静态的。)通过感应加热以40°C /秒加热到最高温度，然后以1°C /秒的速度在空气下冷却，材料经受不同最高温度的回火循环(见图5，表示以材料的洛氏硬度C标准(HRC)测量的硬度的变动与最高温度之间的函数关系)。图5的Tl是参照温度(该实施例下大约1050° F)，其得到约27. 5HRC的硬度。该参照温度及其得到的硬度根据钢的成分不同会有不同。这些特定周期在最高温度下不具有保温时间(例如，材料不在最高温度下保持任何有效时间)，但是可以采用处于较低温度并保持更长时间的等同周期。材料事先进行水淬，得到同样的起始硬度水平和主要由马氏体组成(大于体积的80% )的微观结构。通过采用这些回火周期，最终性能(如屈服强度)可被控制在80至140ksi之间，得到不同的成品。如图5硬度与温度的函数关系图的斜率所示，如果使最高温度变动超过700C (例如，图5的带阴影线的三角形)，则产生硬度变动的四个点(拉伸强度大约Ilksi的变化)。拉伸强度与硬度有关，这种关系的讨论例如可参见Prentice Hall 1998年第4版H. Pollack著的《材料科学与冶金学》第96页表3 ;表明22. 8HRC等同于118ksi，26. 6HRC等同于129ksi。3. 8HRC的硬度差对应拉伸强度的IIksi。某些其它淬火回火钢也具有类似的关系。这种温度变化要比回火炉的控制能力大得多，该实施例说明，可在管子的任一点控制拉伸强度具有小于Ilksi的变化。对于没有经过热处理的标准产品，沿着热轧卷的长度的机械性能的变动可以为llksi，而且最高可达15ksi，于是标准产品的机械性能可以沿着管子的长度变化，但是该变化是不可控的。另外，对于标准产品，这些性能随着形成的管子的直径不同而不同；而对于⑶HT管这些性能能够保持化学恒定。如图所示，在热处理工艺的动态控制下得到的复合管可以具有精确选择的性能，所述性能在管子的每一部分以可控的方式发生变化。对于该工艺中使用的材料的校正曲线允许通过记录温度在管子的每个点控制精确的性能。在其它成分的管子上作的类似试验能够用以产生校正曲线，该曲线随后被用以得到⑶HT工艺的工艺参数，从而生产出沿着管子的长度具有选择性能的盘管。另外，可以使用回火模式来选择处理条件，通过改变比如时间 和温度这样的參数，这些条件能够产生沿管的长度的选择性能。例如，1945年的美国矿业 学院学报第223-249页Hollomon等著的“回火钢的时间-温度关系” 一文描述了典型的回 火模式方法。Hollomon描述了，对井淬火材料进行回火处理后得到的最終硬度(马氏体的 百分比很高)是时间-温度方程式的函数，而时间-温度方程式随着钢的类型不同而不同。 在时间和温度的任意组合的回火之后以及产生一些实验性数据之后，这种模式能够用来计 算材料的最終硬度。在用实验性数据修正所述模式之后，能够产生回火エ艺的校正曲线。为了动态改变所述性能，使用感应加热、空气冷却或改变保温时间能够使温度快 速上升或者快速降低(如果回火周期利用温度和保温时间，不只是如图5所示的那样仅利 用温度)。该エ艺能够用来产生具有可变性能的独特盘管产品，如下面的实施例所示的那 样，为了使其用途最优，所述性能能够发生改变。与热轧的微观结构相比，热处理后的微观 结构能够更加精细和均一，这能够改善腐蚀性能和疲劳性能。热处理还能释放材料在成形 过程(例如，热轧和管子成形)产生的内部应力。实施例2 在某些场合，还需要盘管在高达22500尺于深的井内工作。管子的最小壁厚可以 是0. 134”，管子的OD可以是2. 00”。材料还可以在含H2S的环境中具有良好的性能和疲劳 寿命。如果管子被设计成承受轴向负荷、没有锥度变化而且具有70%的安全系数，则材 料具有至少IlOksi的特定最小屈服强度(SMYS)0. 70xSMYS = A (面积)x L (长度)x 密度 /A = Lx 密度SMYS = L x密度/0. 70 = 22，500 英尺x (0. 283 磅 /英寸 3) x (12英寸 /英尺)/0. 70SMYS = 110, OOOpsi所述密度值估算为铁的密度，大约0. 283磅/英寸3。这表明，如果管子的屈服强 度被设计为llOksi，则在井顶处的横截面将能够承受盘管的重量。如果同样的盘管由SMYS 为90或SOksi的材料制成，则有可能需要在盘管的上部长度作出锥度，以增强阻カ面积 “A”(例如，与更靠近井底的盘管部分相比，盘管更靠近井面的部分的壁厚増加。)图6表示 从井底(22500英尺)到井面(0英尺)对于110，90和SOksi的盘管所需要的机械性能的 完整线(见图6的实线)。如图6所示，通过实施壁厚的变化(例如锥度)(壁厚通常局限 于由轧钢机产生的数个标准厚度)，得到的带锥度的盘管可以由110，90或SOksi的材料制 成(当整个盘管只由一种类型的材料制造时)。如果复合盘管具有随着如图6的虚线所示进行改变的性能，由于所示性能改变而 改善了盘管的整体性能，如下面表II所示，则能够进行井内作业。在表II内就相关疲劳寿 命和泵压(就复合管计算的)的估算是由用于预测服役寿命的模式和目前标准模式决定 的。例如，如图6所示，管子在大约4000英尺的深度具有的屈服强度可以为至少llOksi，在 大约6500英尺的深度具有的屈服強度为至少90ksi，在大于约6500英尺的深度，屈服強度 为至少80ksi。表II:^实施例锥度焊接内部焊相对I相对I相对I ssc抗I成本变化接头瘤是否重量泵压疲劳力数量清除寿命
权利要求
1.一种处理管子的方法，所述方法包括 提供管子的卷轴； 从卷轴上将管子展开； 对展开的管子进行热处理，以提供沿着展开管子的长度的方向的变化性能；和 在热处理后卷曲管子。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述变化的性能包括机械性能。
3.如权利要求I所述的方法，其中温度、保温时间、加热速率和冷却速率中的至少一个在展开管子的热处理过程中发生改变，以沿着展开管子的长度方向提供变化的性能。
4.如权利要求I所述的方法，其中所述管子在整个管子上具有基本恒定的壁厚。
5.一种盘管包括 管子的具有第一组性能的第一实质部分；和 具有第二组性能的管子的第二实质部分，从而第一组性能的至少一个性能不同于第二组性能的至少一个性能。
6.如权利要求5所述的盘管，其中第一和第二组性能的至少一个性能包括屈服强度、拉伸强度、疲劳寿命、晶粒度、抗腐蚀性或硬度。
7.如权利要求5所述的盘管，其中所述管子具有在整个管子上的基本恒定的壁厚。
8.如权利要求5所述的盘管，其中所述管子具有在整个管子上的基本均匀的成分。
9.如权利要求5所述的盘管，其中管子的第一实质部分具有第一屈服强度。管子的第二实质部分具有不同于第一屈服强度的第二屈服强度。
10.如权利要求5所述的盘管，还包括多个焊接在一起的管节部分，其中所述多个管节部分中的一个管节部分的至少一部分具有第一实质部分，该同一管节部分的至少另一部分具有第二实质部分。
11.一种用于井内的盘管，包括 沿着管子的整个长度，管子的连续长度包括具有基本均匀成分的钢材料，其中管子具有其结构位于井顶的至少第一部分，和相对于第一部分位于朝向井底的至少第二部分；和 其中管子的第一部分具有第一屈服强度，管子的第二部分具有第二屈服强度，第一屈服强度不同于第二屈服强度。
12.如权利要求11所述的盘管，其中管子还包括管子的第三部分，该第三部分具有位于第一和第二屈服强度之间的第三屈服强度，所述第三部分位于第一部分和第二部分之间。
13.如权利要求11所述的盘管，其中管子具有焊接在一起的多个管节部分，每个管节部分具有长度至少约1500英尺。
14.如权利要求11所述的盘管，其中所述第一部分具有第一内径，第二部分具有和第一内径基本相同的第二内径。
15.如权利要求11所述的盘管，其中所述第一部分具有第一壁厚，第二部分具有与第一壁厚基本相同的第二壁厚。
16.如权利要求11所述的盘管，其中所述管子具有长度在约10000至约40000之间。
17.如权利要求11所述的盘管，其中所述第一部分的屈服强度大于约lOOksi，第二部分的屈服强度少于约90ksi。
18.如权利要求11所述的盘管，其中所述管子具有沿管子整个长度基本恒定的壁厚。
19.如权利要求11所述的盘管，其中所述管子的外径在约I英寸至约5英寸之间。
20.如权利要求11所述的盘管,其中所述管子的壁厚在约O.080英于至约O. 300英寸之间。
21.如权利要求11所述的盘管，其中所述管子具有沿着管子整个长度的基本恒定的内径。
22.如权利要求11所述的盘管，其中所述管子没有锥度。
23.如权利要求11所述的盘管，其中所述管子具有至少一个锥度。
全文摘要
本发明涉及沿长度方向具有改善的性能和变化的性能的盘管，通过连续动态的热处理工艺(CDHT)生产所述盘管。盘管可以从卷轴上展开、经过CDHT处理并卷曲到卷轴上。CDHT工艺可以生产“复合”管，于是沿管子的长度方向的管子的性能可以有所选择地改变。例如，管子的性能能够沿着管子的长度方向有选择地修正，用于使用管子的特定用途。
文档编号E21B17/20GK102618709SQ20121002083
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月30日 优先权日2011年1月25日
发明者B·A·瑞彻特, J·迈特, M·瓦尔德斯 申请人:特纳瑞斯盘管有限公司