专利名称：高膨胀率石油套管用钢及其用于制作石油套管的方法
高膨胀率石油套管用钢及其用于制作石油套管的方法技术领域
本发明的技术方案涉及铁基合金，具体地说是高膨胀率石油套管用钢及其用于制作石油套管的方法。
背景技术：
现今将石油套管下入井内是采用逐级向下的延伸技术，下一级套管从上一级套管穿过，导致套管直径越来越小。膨胀管技术是将套管下入井内预定位置，通过中间管输送泥桨液，注满套管外侧的间隙空间，然后下部扩充锥受液体压力推动，自下而上地扩张膨胀套管，使套管直径发生变形，达到紧贴井壁的一种钻井、完井和修井的新技术。应用该技术可实现深井、超深井及恶劣地质条件下的单一井径，为解决深层油气的开采提供了一个崭新途径。目前制约单一井径技术发展的关键是制备大口径和可膨胀石油套管，其关键的关键则是提供这种石油套管用的新型的合金钢材料。
现有技术中，CN101812631A公开了油井可膨胀套管用钢及其制造方法，油井可膨胀套管用钢合金材料各组分的质量百分比为C :0. 08 0. 2%、Mn :1 2%、Si :0. 15 0. 35%,Al 0. 02 0. 06%,P ^ 0. 01%,S ^ 0. 005%,N^ 0. 008%,Ca :0. 001 0. 005%, 余量为狗，为了保证该材料的性能，制造的钢管须在730 790°C的F+A两相区进行等温处理，然后在350 450°C等温一定时间以获得F+无碳B+残余A的金相显微组织。虽然具有上述钢合金材料组分的管材可利用膨胀过程中的相变诱发塑性效应，但是该可膨胀管材的变形率只有15%。另外，该套管因尺寸长度达8 10m，在730 790°C的F+A两相区加热及350 450°C等温热处理不仅工艺复杂，大规模生产的工艺控制难度大，而且制造成本很高；CN101194038A披露了一种膨胀管用油井管及其制造方法，所述膨胀管用油井管以质量％计，含有 C 0. 03 0. 14%, Si < 0. 8%、Mn :0. 3 2. 5%、P < 0. 03%、S < 0. 01%、 Ti 0. 005 0. 03%,Al < 0. 1 %、N :0. 001 0. 01 %、B :0. 0005 0. 003% ；根据需要，还含有Nb、Ni、Mo、Cr、Cu、V之中的1种或2种以上，进而根据需要，含有Ca、REM之中的1种或 2 种，而且满足 A = 2. 7C+0. 4Si+Mn+0. 45Ν +0. 45Cu+0. 8Cr+2Mo 彡 1. 8，余量由铁和不可避免的杂质构成，结合在Ac3+30°C以上的淬火和350 720°C的回火处理以获得回火马氏体组织，具有上述元素组分的管材的扩管率也只有20%。另外，与CN101812631A相比，该管材的合金成分中增加了 Ni、Mo、Cu等合金元素，合金钢的成本又大幅度提高。
总之，现有的油气井可膨胀套管还存在实际可膨胀率较低和成本高的缺点。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供高膨胀率石油套管用钢及其用于制作石油套管的方法，用这种钢材制作的石油套管的膨胀率> 30%，通过30 50%膨胀变形强化后， 管材的屈服强度达到550 lOOOMPa、抗拉强度达到800 1300ΜΙ^和延伸率彡10%，克服了现有的油气井可膨胀套管还存在实际膨胀率较低和制作成本高的缺点。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为C :0. 03 0. 25%、Si :0. 3 2. 5%、Mn :0. 5 4. 0%、Cr :0 0.5%,S ^ 0. 02%,P ^ 0. 02%和余量，经冶炼并制成钢管坯或钢板。
上述高膨胀率石油套管用钢，在其元素原料组成中再加入Nb、Ti和V之中的一种、 两种或三种，加入量按质量百分数计为:Nb :0. 01 0. 12%,Ti 0. 01 0. 06%,V :0. 01 0. 12%。
上述高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料通过商购获得，冶炼并制成钢管坯或钢板的工艺是公知的现有技术。
上述高膨胀率石油套管用钢用于制作石油套管的方法，包括高膨胀率无缝石油套管的制作方法和高膨胀率有缝石油套管的制作方法，步骤如下
A.高膨胀率无缝石油套管的制作方法将上述质量百分比的元素组成原料经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制该无缝钢管温度为800 900°C，然后采用强制空气冷却，使该无缝钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A复相组织的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到350 450MPa，抗拉强度达到640 750MPa，延伸率彡30%； 对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，膨胀率> 30%，通过30 50%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为550 lOOOMPa、抗拉强度为800 1300MPa和延伸率彡10%。
B.高膨胀率有缝石油套管的制作方法将上述质量百分比的元素组成原料经冶炼并制成钢板的高膨胀率石油套管用钢，采用直缝电阻焊制造技术将该钢板制成有缝钢管，再进行热处理，热处理的方法是，再利用中频感应加热器，加热至800 900°C，然后采用水冷或强制空气使该有缝钢管快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A的复相组织的高膨胀率有缝石油套管，所得高膨胀率有缝石油套管管材的屈服强度达到350 450MPa，抗拉强度达到640 750MPa，延伸率> 30% ；对该高膨胀率有缝石油套管管材进行扩孔变形，膨胀率> 30%，通过30 50%膨胀变形强化后，该高膨胀率有缝石油套管管材的屈服强度为550 lOOOMPa、抗拉强度800 1300MPa和延伸率彡10%。
上述高膨胀率石油套管用钢用于制作石油套管的方法，所制得的石油套管的外径为1 IOmm 339mm禾口壁厚为6mm 14mm0
上述高膨胀率石油套管用钢用于制作石油套管的方法，所涉及的冶金设备和工艺均为本技术领域所熟知的。
上述高膨胀率石油套管用钢并不限于用于石油套管的制备，也可用于制作其他器部件。
本发明的有益效果是与现有油井可膨胀套管用钢及其制造方法相比，本发明高膨胀率石油套管用钢及其用于制作石油套管的方法的显著进步在于
(1)用本发明高膨胀率石油套管用钢制作的石油套管的膨胀率> 30%，高于现有技术的15% 20%。该高膨胀率石油套管的管材具有F+M或B+少量残余A金相显微组织， 具有屈服强度低和形变强化率高的特点，且其屈服强度为350 450MPa，抗拉强度为640 750MPa，延伸率彡30%，通过30 50%膨胀变形强化后，该高膨胀率石油套管的管材的屈服强度为550 lOOOMPa、抗拉强度800 1300MPa和延伸率彡10%。下文的实施例和附图对本发明的显著进步给予了具体的证明。
(2)制备本发明高膨胀率石油套管用钢的原料均在市场上容易获得，且成本较低， 降低了高膨胀率石油套管的总体生产成本。
(3)用本发明高膨胀率石油套管用钢制作石油套管的方法操作简单，易于在工业上推广应用。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为实施例4制作的高膨胀率无缝石油套管中经50%膨胀变形前后部分的实物照片。
具体实施方式
实施例1
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0. 07% C、2. 0% Si、 1. 2% Mn、彡0. 02% S,^ 0. 02% P和余量为Fe，经冶炼并制成钢板。
将上述经冶炼并制成钢板的高膨胀率石油套管用钢，采用直缝电阻焊制造技术将该钢板制成有缝钢管，再进行热处理，热处理的方法是，利用中频感应加热器，加热至 9000C，然后采用水冷或强制空气使该有缝钢管快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A的复相组织的外径为IlOmm和壁厚为6mm的高膨胀率有缝石油套管，所得高膨胀率有缝石油套管管材的屈服强度达到380MPa，抗拉强度达到690MPa，延伸率32% ；对该高膨胀率有缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为145mm，膨胀率32%，通过32% 膨胀变形强化后，该高膨胀率有缝石油套管管材的屈服强度为650MPa、抗拉强度880MPa和延伸率19%。
实施例2
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0. 15% CU. 5% Si、 1. 5% Μη、0· 5% Cr、0. 05% Nb、彡0· 02% S、彡0. 02% P和余量为Fe，经冶炼并制成钢管坯。
将上述经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制无缝钢管温度为850°C，然后采用强制空气冷却，使钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A复相组织的外径为IlOmm和壁厚为6mm的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到400MPa，抗拉强度达到 700MPa，延伸率为30% ；对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为154mm，膨胀率为40%，通过40%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为700MPa、抗拉强度为IlOOMI^a和延伸率为16%。
实施例3
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0.2% C,2.5% Si、 3. 5% Μη、0· 02% Ti、0. 25% Cr、彡 0. 02% S,^ 0. 02% P 和余量为 Fe，经冶炼并制成钢管坯。
将上述经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制无缝钢管温度为800°C，然后采用强制空气冷却，使钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A复相组织的外径为219mm和壁厚为9mm的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到450MPa，抗拉强度达到 750MPa，延伸率为30% ；对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为观5讓，膨胀率为30%，通过30%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为lOOOMPa、抗拉强度为1300ΜΙ^和延伸率为11%。
实施例4
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0. 17% CU.9% Si、 3.0% Μη、0· 1% Cr、0. 1% V、彡0. 02% S、彡0. 02% P和余量为Fe，经冶炼并制成钢管坯。
将上述经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制无缝钢管温度为820°C，然后采用强制空气冷却，使钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A复相组织的外径为219mm和壁厚为12mm的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到380MPa，抗拉强度达到 700MPa，延伸率为30% ；对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为3四讓，膨胀率为50%，通过50%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为850MPa、抗拉强度为1250ΜΙ^和延伸率为14%。
图1为本实施例制作的高膨胀率无缝石油套管中经50%膨胀变形前后部分的实物照片，由图可见，利用膨胀锥对可膨胀石油套管直接进行50%扩孔变形，本实施例所制作的高膨胀率无缝石油套管的变形性能良好，管子的表面质量也很好。
实施例5
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0. 03% C、2. 5% Si、 0. 5% Μη、0· 5% Cr、0. 1% V、彡0. 02% S、彡0. 02% P和余量为Fe，经冶炼并制成钢管坯。
将上述经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制无缝钢管温度为900°C，然后采用强制空气冷却，使钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A复相组织的外径为IlOmm和壁厚为6mm的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到360MPa，抗拉强度达到 650MPa，延伸率为35% ；对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为143mm，膨胀率为30%，通过30%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为550MPa、抗拉强度为810MPa和延伸率为15%。
实施例6
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0. 25% C、0. 3% Si、 4. 0% Μη、0· 01% Cr、0. 01% Nb,0. 01% Ti、彡 0. 02% S、彡 0. 02% P 和余量为 Fe，经冶炼并制成钢管坯。
将上述经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制无缝钢管温度为800°C，然后采用强制空气冷却，使钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A复相组织的外径为339mm和壁厚为14mm的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到430MPa，抗拉强度达到 750MPa，延伸率为30% ；对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为442mm，膨胀率为30%，通过30%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为900MPa、抗拉强度为1150ΜΙ^和延伸率为10%。
实施例7
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0.09% CU.5% Si、 0. 5% Μη、0· 1% Cr、0. 12% Nb、0. 12% V,^ 0. 02% S,^ 0. 02% P 和余量为 Fe，经冶炼并制成钢管坯。
将上述经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制无缝钢管温度为800°C，然后采用强制空气冷却，使钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A复相组织的外径为339mm和壁厚为14mm的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到420MPa，抗拉强度达到 750MPa，延伸率为33% ；对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为475mm，膨胀率为40%，通过40%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为870MPa、抗拉强度为1200ΜΙ^和延伸率为15%。
实施例8
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0. 07% C、2. 0% Si、 2. 0% Μη、0· 1% Cr、0. 03% Ti、0. 05% V,^ 0. 02% S,^ 0. 02% P 和余量为 Fe，经冶炼并制成钢板。
将上述经冶炼并制成钢板的高膨胀率石油套管用钢，采用直缝电阻焊制造技术将该钢板制成有缝钢管，再进行热处理，热处理的方法是，利用中频感应加热器，加热至 8500C，然后采用水冷或强制空气使该有缝钢管快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A的复相组织的外径为339mm和壁厚为14mm的高膨胀率有缝石油套管，屈服强度达到 350MPa，抗拉强度达到640MPa，延伸率35% ；对该有缝管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为442mm，膨胀率30%，通过30%膨胀变形强化后，该有缝管材的屈服强度为550MPa、 抗拉强度800MPa和延伸率15%。
实施例9
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0. 19% C、2. 5% Si、 0. 5% Μη、0. 05% Nb、0. 06% Ti、0. 05% V、彡 0. 02% S、彡 0. 02% P 和余量为 Fe，经冶炼并制成钢管坯。
将上述经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制无缝钢管温度为850°C，然后采用强制空气冷却，使钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A复相组织的外径为219mm和壁厚为12mm的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到400MPa，抗拉强度达到 750MPa，延伸率为33% ；对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为306mm，膨胀率为40%，通过40%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为900MPa、抗拉强度为1200ΜΙ^和延伸率为11%。
实施例10
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0. 03% C、2. 5% Si、 0. 5% Μη、0· 5% Cr、彡0. 02% S、彡0. 02% P和Fe 余量，经冶炼并制成钢管坯。
将上述经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制无缝钢管温度为900°C，然后采用强制空气冷却，使钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A复相组织的外径为IlOmm和壁厚为6mm的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到360MPa，抗拉强度达到650MPa，延伸率为32% ；对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为143mm，膨胀率为30%，通过30%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为600MPa、抗拉强度为820MPa和延伸率为19%。
实施例11
高膨胀率石油套管用钢，其元素组成原料按质量百分数计为0. 25% C、0. 3% Si、 4. 0% Μη、0· 25% Cr、彡0. 02% S,^ 0. 02% P和Fe 余量，经冶炼并制成钢板。
将上述经冶炼并制成钢板的高膨胀率石油套管用钢，采用直缝电阻焊制造技术将该钢板制成有缝钢管，再进行热处理，热处理的方法是，利用中频感应加热器，加热至 SOO0C，然后采用水冷或强制空气使该有缝钢管快速冷却到室温，获得具有F+M或B+少量残余A的复相组织的外径为M5mm和壁厚为9mm的高膨胀率有缝石油套管，所得高膨胀率有缝石油套管管材的屈服强度达到450MPa，抗拉强度达到750MPa，延伸率30% ；对该高膨胀率有缝石油套管管材进行扩孔变形，扩孔后膨胀管的外径为319mm，膨胀率30%，通过30% 膨胀变形强化后，该高膨胀率有缝石油套管管材的屈服强度为900MPa、抗拉强度IlOOMPa 和延伸率12%。
权利要求
1.高膨胀率石油套管用钢，其特征在于其元素组成原料按质量百分数计为c: 0. 03 0. 25%、Si 0. 3 2· 5%、Mn :0. 5 4. 0%, Cr 0 0. 5%、S 彡 0. 02%、P 彡 0. 02% 禾口 Fe 余量，经冶炼并制成钢管坯或钢板。
2.根据权利要求1所述高膨胀率石油套管用钢，其特征在于其元素组成原料中再加入Nb、Ti和V之中的一种、两种或三种，加入量按质量百分数计为Nb 0.01 0. 12%、Ti 0. 01 0. 06%、V :0. 01 0. 12%ο
3.权利要求1所述高膨胀率石油套管用钢用于制作石油套管的方法，其特征在于包括高膨胀率无缝石油套管的制作方法和高膨胀率有缝石油套管的制作方法，步骤如下A.高膨胀率无缝石油套管的制作方法将权利要求1所述质量百分比的元素组成原料经冶炼并制成钢管坯的高膨胀率石油套管用钢，采用无缝管成型技术制成无缝钢管，控制该无缝钢管温度为800 900°C，然后采用强制空气冷却，使该无缝钢管的温度快速冷却到室温，获得具有F + M或B +少量残余A复相组织的高膨胀率无缝石油套管，所得高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度达到350 450MPa，抗拉强度达到640 750MPa，延伸率> 30% ；对该高膨胀率无缝石油套管管材进行扩孔变形，膨胀率> 30%，通过30 50%膨胀变形强化后，该高膨胀率无缝石油套管管材的屈服强度为550 lOOOMPa、抗拉强度为 800 1300MPa和延伸率彡10% ；B.高膨胀率有缝石油套管的制作方法将权利要求1所述质量百分比的元素组成原料经冶炼并制成钢板的高膨胀率石油套管用钢，采用直缝电阻焊制造技术将该钢板制成有缝钢管，再进行热处理，热处理的方法是，再利用中频感应加热器，加热至800 900°C，然后采用水冷或强制空气使该有缝钢管快速冷却到室温，获得具有F + M或B +少量残余 A的复相组织的高膨胀率有缝石油套管，所得高膨胀率有缝石油套管管材的屈服强度达到 350 450MPa，抗拉强度达到640 750MPa，延伸率彡30% ；对该高膨胀率有缝石油套管管材进行扩孔变形，膨胀率> 30%，通过30 50%膨胀变形强化后，该高膨胀率有缝石油套管管材的屈服强度为550 lOOOMPa、抗拉强度800 1300MPa和延伸率彡10%。
4.根据权利要求3所述权利要求1高膨胀率石油套管用钢用于制作石油套管的方法， 其特征在于所制得的石油套管的外径为IlOmm 339mm和壁厚为6mm 14mm。
全文摘要
本发明高膨胀率石油套管用钢及其用于制作石油套管的方法，涉及铁基合金，其元素组成原料按质量百分数计为C0.03～0.25%、Si0.3～2.5%、Mn0.5～4.0%、Cr0～0.5%、S≤0.02%、P≤0.02%和Fe余量，也可再加入Nb、Ti和V之中的一种、两种或三种，加入量按质量百分数计为Nb0.01～0.12%、Ti0.01～0.06%、V0.01～0.12%，经冶炼并制成钢管坯或钢板；由钢管坯采用无缝管成型技术制成高膨胀率无缝石油套管和由钢板采用直缝电阻焊制成高膨胀率有缝石油套管。制成的石油套管的膨胀率≥30%，克服了现有油气井可膨胀套管的膨胀率低和成本高的缺点。
文档编号C22C38/28GK102517511SQ201210007350
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者何继宁, 姜延飞, 宋开红, 彭会芬, 李春福, 罗平亚, 阎殿然, 马晓莉 申请人:河北工业大学