专利名称：一种高强度抗挤毁石油套管管柱及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种石油套管管柱及其制造方法，尤其涉及一种抗挤毁的石油套管管柱及其制造方法。
背景技术：
中原油田有着特殊的地质条件，多数油井需穿过盐岩层、泥岩层、盐膏层，地应力高达120MPa，因此对于输送石油的石油套管的抗外挤毁能力要求很高，需要不低于 168MPa。另外，由于盐层井段很不稳定，具有塑性蠕动性，对钻井施工和完井后的套管都有很大的危害。一般而言，石油套管所受外挤力和最大应力随盐层厚度、深度的增大而增大。 盐膏层溶解造成井眼扩大，形成溶洞，套管形成压杆支撑上覆岩层压力，同时盐膏层流动、 滑移、坍塌使套管受非均勻载荷增加，受力状况恶化，套管所受外挤力将会超过套管本身所能承受的最大承载能力，从而不可避免地导致套管损坏变形，研究表明，盐层蠕动挤损是中原油田套管损坏的主要原因。对于如何提高中原油田油层套管抗盐层的挤压能力，
公开日为2003年1月15 日，公开号为CN1391022，名称为“特殊连接结构超高强度抗挤毁石油套管及其生产方法” 的中国专利，公开了一种特殊连接结构的超高强度抗挤毁石油套管，该技术方案所涉及的 Φ 152. 4X16.9规格的ΤΡ130ΤΤ厚壁套管，可以有效地解决盐层段套管的损坏问题。由于该专利没有对石油套管的合金成分以及组织因素进行控制，因此只能通过增加外径与壁厚的手段来满足油田对套管超高抗挤毁的性能要求。在其它条件不变的情况下，增加套管的壁厚确实是提高套管压溃强度的最有效的方法之一。然而，厚壁套管的使用存在如下问题(1)由于厚壁套管只应用于盐膏层段，上下需要与API标准的Φ139. 7mm规格的套管连接，因此需要采用变扣特殊短节过渡。这种短节外径178mm左右，与井眼之间的间隙较小，施工难度大；(2)由于厚壁套管刚性高，对造斜点的选择必须慎重，否则可能直接导致下井困难；(3)目前所应用的开发井大部分是定向井，井斜角较大，从而增大了特殊套管下井遇阻的可能性，为此，厚壁套管在下井时每根都需要安装套管扶正器。为了降低外径壁厚，增大套管的挠度，提高生产效率，缩减生产成本，便于东濮地区盐膏层、泥岩层等复杂地质应力条件井况的作业，发明新型的高钢级抗挤套管迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度抗挤毁石油套管管柱，其不仅能够达到对石油套管抗挤毁能力不低于168MPa的要求，而且降低了其套管外径接近API标准规格套管，与上下管串可以直接连接，而不需要采用变扣特殊短节进行过渡使，因而得下套管施工更便捷、 更安全。一般而言，套管的抗挤毁性能主要取决于材质的屈服强度、杨氏模量、本构关系；取决于套管的残余应力、套管径厚比、尺寸精度，例如套管的不圆度、套管壁厚偏差等；取决于试验时的测试模式、试样的长径比、加载速度等诸多因素。然而除了上述因素，发明人还发现可以通过织构设计与套管的成分设计来提高套管的抗挤性能。因此，在满足油田需求的前提下，发明人发明了接近API标准规格的薄壁管替代现有厚壁管，该薄壁管强度高，屈服强度在150钢级以上。根据本发明的上述目的和发明构思，本发明提出一种高强度抗挤毁石油套管管柱，所述管柱的化学元素质量百分配比为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% ；余量为 Fe 和不可避免的杂质； 且满足Ca/S > 1 ；所述管柱的外径尺寸为Φ 141. 3mm Φ 142. 7mm ；所述管柱的壁厚为10. 7mm 12. 9mm。优选地，所述管柱的扣形为长圆螺纹。上述各化学元素的成分设计原理如下C 本发明中，为了减轻套管管柱水淬开裂的敏感性，C元素含量不宜大于0. 34%, 但是C元素含量太低将有损材料的强度，因此控制C元素含量0. 24-0. 30wt%。Mn:溶于铁素体起强化作用，用来提高钢的淬透性，但含量太高时偏析严重，有损套管管柱的抗挤性能，因此Mn元素含量设计为0. 9-1. 3wt %。Si 固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时要损失钢的塑性和韧性，因此控制 Si元素含量为0. 25-0. 5wt%0Cr 是一种强烈提高淬透性的元素，同时是强碳化物形成元素，回火时析出碳化物可以提高钢的强度，有利于延缓套管管柱的压溃失稳过程，但含量过高时会析出粗大的 M23C6碳化物，因此控制Cr元素含量为0. 9-1. 3wt%。Mo 提高淬透性元素，强碳化物形成元素，可以有效的提高钢的回火稳定性，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于延缓压溃失稳过程，含量过高时析出大颗粒的Mo2C，因此控制Mo元素含量为0. 6-0. 8wt %。V =V的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，可以在回火的过程中进一步达到析出强化的效果，可以有效地钉扎位错的运动，阻碍滑移系的开动，延缓压溃失稳的过程。宜采用含量 0. 06-0. IOwt % OAl 形成AlN可以细化奥氏体晶粒，有利于延缓压溃失稳过程。宜采用含量 0. 01-0. 03wt%。Nb:套管管柱热轧时可以推迟奥氏体再结晶，而达到细化晶粒的同时改变再结晶与相变织构类型与强弱，在随后的冷却及热轧过程中，Nb (C, N)粒子弥散析出，又能起到析出强化的作用。在再加热过程中，可以阻碍奥氏体晶粒长大，有利于提高抗挤性能。宜采用含量 0. 02-0. 05wt%oTi 强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC在均热和再加热过程中均可以阻止奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒的同时改变再结晶与相变织构类型与强弱，有利于提高抗挤性能；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 传统提高合金淬透性元素，可以和N生成BN，若含量过高，沿晶界析出硼化物， 降低材料的韧性以及抗硫化氢性能，宜采用含量0-0. 004wt%o。Zr 强碳氮化物形成元素，可以有效的净化钢液，提高材料的韧性，有利于提高抗挤性能，宜采用含量0-0. 03wt%o。Ca 可以净化钢液，促使MnS球化，提高材料的抗挤性能，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物，故控制Ca元素含量为0. 001-0. 006wt%，同时Ca、S元素含量的比值 Ca/S > 1。本发明所述的套管管柱的通过合理设计化学元素组分，使得其管径和壁厚均较现有的标准规格石油套管管柱小，其可以替代厚壁管，同时该套管管柱仍可使用Φ139. 7mm 规格接箍，从而在相同的井眼空间下使得套管外环形空间增大，有利于提高下井作业效率与施工质量。相应地，本发明还提供了上述高强度抗挤毁石油套管管柱的制造方法，包括下列步骤(1)将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；(2)将圆坯均热后穿孔；(3)进行轧管，轧后空冷并进行锯切，控制套管管柱组织全部为贝氏体组织，或者控制套管管柱组织为铁素体+珠光体+贝氏体组织；(4)将套管管柱进行调质处理淬火温度为880 930°C，保温时间为30 60min， 然后水淬，590 650°C进行高温回火，保温时间为30 80min ；(5)将套管管柱进行热定径和热矫直，控制热定径温度为570 640°C，热矫直温度500 550°C，控制套管管柱的不圆度小于0. 4%，壁厚不均率小于12%。本发明由于采用了上述技术方案，使其较之现有技术，具有以下优点和积极效果1.降低了套管管柱的外径，使其接近常规套管外径，因此下套管施工更安全，可以实现与上下管串的直接连接；2.减小了套管管柱的壁厚，使得测井曲线VDL更能真实地反映套管外水泥环的封固质量；3.降低了套管管柱的单位米重，在保证了套管质量的同时，使得套管的使用成本降低了至少5%，能够带来显著的经济效益。4.本发明所述的套管管柱的屈服强度可以达到1034 1206MPa，抗拉强度可以达到1103MPa ；延伸率可以达到11% ；全尺寸零度冲击性能达到52J以上；抗挤性能达到标准要求的168MPa。
具体实施例方式实施例1-5本发明实施例1-5所述的高强度抗挤毁石油套管管柱采用下述方法制得，其中套管管柱的化学元素质量百分配比如表1所示，各实施例中的套管管柱的尺寸如表2所示表1实施例1-5与对比例1-4中各化学元素质量百分配比(wt% )(表1中“实”表示“实施例”，“对”表示“对比例”)
权利要求
1.一种高强度抗挤毁石油套管管柱，其特征在于，其化学元素质量百分配比为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% ；余量为 Fe 和其他不可避免的杂质；且满足Ca/S > 1 ；所述管柱的外径尺寸为Φ 141. 3mm Φ 142. 7mm ；所述管柱的壁厚为10. 7mm 12. 9mm。
2.如权利要求2所述的高强度抗挤毁石油套管管柱，其特征在于所述管柱的扣形为长圆螺纹。
3.如权利要求1或2所述的高强度抗挤毁石油套管管柱的制造方法，其特征在于，包括下列步骤(1)将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；(2)将圆坯均热后穿孔；(3)进行轧管，轧后空冷并进行锯切，控制套管管柱组织全部为贝氏体组织，或者控制套管管柱组织为铁素体+珠光体+贝氏体组织；(4)将套管管柱进行调质处理淬火温度为880 930°C，保温时间为30 60min，然后水淬，590 650°C进行高温回火，保温时间为30 80min ；(5)将套管管柱进行热定径和热矫直，控制热定径温度为570 640°C，热矫直温度 500 550°C，控制套管管柱的不圆度小于0. 4%，壁厚不均率小于12%。
全文摘要
本发明公开了一种高强度抗挤毁石油套管管柱，所述管柱的化学元素质量百分配比为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％；余量为Fe和不可避免的杂质；且满足Ca/S＞1；所述管柱的外径尺寸为φ141.3mm～φ142.7mm；所述管柱的壁厚为10.7mm～12.9mm。相应的，本发明还提供了所述套管管柱的制造方法。
文档编号B21B19/04GK102296239SQ201010216630
公开日2011年12月28日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者丁维军, 孙元宁, 曹泽甫, 田青超, 董晓明, 谢慧华 申请人:宝山钢铁股份有限公司