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        140HC鋼級高強度高抗擠毀石油套管研制

        2022-10-31 06:48:24梁紅星馬繼順藏中山
        鋼管 2022年3期
        關(guān)鍵詞:管坯鋼級外徑

        孫 晶,梁紅星,馬繼順,藏中山

        (山東墨龍石油機械股份有限公司,山東 壽光 262700)

        石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管,以保證鉆井過程進行和完井后整個油井的正常運行。油井根據(jù)不同的鉆井深度和地質(zhì)情況,設(shè)計采用不同的套管層數(shù)。套管下井后要采用水泥固井,其與油管、鉆桿不同,不可以重復使用。隨著深井、超深井的開發(fā)量日益增大,采油條件越來越惡劣,對油井管的性能要求也越來越高,高鋼級套管的需求量也在加大。新疆地區(qū)油田的井深超過5 000 m后,地質(zhì)條件十分復雜,井溫120℃以上,下套管的層數(shù)增多,對在鉆井完井中起關(guān)鍵作用的石油套管的要求也更加特殊和苛刻,為了減輕套管柱的質(zhì)量,增加套管環(huán)隙,需要盡可能使用高強度高抗擠毀的石油套管,API標準中的最高鋼級——Q125鋼級已不能滿足使用要求。為適應該新情況,國內(nèi)的無縫鋼管生產(chǎn)廠家先后開始了140~170鋼級等非API高鋼級套管的研發(fā),并形成了各自的非API產(chǎn)品系列[1-4]。現(xiàn)介紹山東墨龍石油機械股份有限公司(簡稱山東墨龍)試制的140HC鋼級Φ273.05 mm×13.84 mm規(guī)格高強度高抗擠毀石油套管的情況。

        1 技術(shù)思路

        1.1 產(chǎn)品設(shè)計指標

        鋼管的抗擠毀性能受屈服強度、實際壁厚、不圓度、壁厚不均度及殘余應力等因素影響,對于861.875 MPa及以上的鋼級,在厚壁規(guī)格區(qū)域,提高壁厚獲得的擠毀值效果顯著,較小的壁厚偏差能夠降低組織應力及管體彎曲度,有利于控制矯直殘余應力[5-7]。對于Φ273.05 mm×13.84 mm規(guī)格套管,普通140鋼級的抗擠毀強度要求僅為44.1 MPa,遠低于140HC高抗擠毀的要求;因此,結(jié)合國內(nèi)西部某油田的采購規(guī)范,山東墨龍設(shè)計的140HC鋼級管材的性能和尺寸精度指標要求見表1~2。

        表1 140HC鋼級石油套管性能要求

        表2 140HC鋼級石油套管尺寸精度要求%

        1.2 化學成分設(shè)計

        添加Cr,Mo,V作為主要合金化元素,保證鋼材調(diào)質(zhì)處理后具有超高的強度、細小的晶粒度及均勻的索氏體組織。C含量控制在0.30%以下,同時控制P、S、“五害”元素和氣體含量,保證鋼材在調(diào)質(zhì)處理后具備高強度的同時還具有良好的沖擊韌性。設(shè)計鋼種為26CrMoV,140HC鋼級石油套管化學成分要求見表3。

        表3 140HC鋼級石油套管化學成分(質(zhì)量分數(shù))要求 %

        1.3 管坯控制

        為降低鋼中殘余元素和氣體的含量,管坯采用“全鐵水轉(zhuǎn)爐煉鋼+爐外精煉+真空脫氣”的煉鋼工藝和帶電磁攪拌的弧形連鑄圓管坯生產(chǎn)方式,真空脫氣吹氬弱攪拌后至少保持5.5 min鎮(zhèn)定時間,保證夾雜物充分上浮。

        1.4 軋管控制

        為保證該套管具有較高的抗擠毀強度,需要在熱軋過程嚴格控制尺寸精度。壁厚均勻度和外徑均勻度對管體的抗擠毀強度影響顯著[8-9],因此應盡量減小壁厚不均度與不圓度。為保證140HC鋼級石油套管的壁厚不均度≤10%的要求,管坯橫截面上打中心孔定位,穿孔機和軋管機均采用低轉(zhuǎn)速軋制。為減少鋼管內(nèi)螺紋深度,軋管機軋輥采用自主設(shè)計的熱擴毛管專用軋輥。為實現(xiàn)不圓度≤0.4%D(D為外徑)的要求,使用橢圓系數(shù)較小的圓孔型系列,既防止內(nèi)多邊形出現(xiàn)提高壁厚精度,又能提高鋼管的外徑精度[10],并且成品機架由原來的3機架增加為4機架,最后兩架均為尺寸相同的圓孔型。

        1.5 熱處理控制

        淬火+高溫回火前先進行正火預處理,可使碳化物得以溶解與析出,削弱了組織遺傳性及成分偏析,析出的碳化物可以作為再次奧氏體化的形核和淬火時位錯增值源,細化了奧氏體晶粒,保證淬火后獲得更細小的組織晶粒,提高了鋼材熱處理后的強度和韌性。同時,通過正火預處理可減少熱軋鋼管內(nèi)部應力,改善淬火狀態(tài)下鋼管的直線度和不圓度,通過較小的矯直量即可保證回火后鋼管的直線度和外徑滿足要求,有助于降低矯直殘余應力[11-14]。因此,制定的熱處理溫度為:正火溫度870~890℃;淬火溫度880~900℃,采取內(nèi)噴外淋水冷方式,淬火保溫時間50 min;高溫回火溫度為660~680℃,采取室溫空冷方式,回火保溫時間80 min。

        2 工藝流程

        140HC鋼級石油套管的生產(chǎn)工藝流程為:全鐵水轉(zhuǎn)爐煉鋼→爐外精煉→真空脫氣→連鑄圓管坯→鑄坯堆冷→切定尺→環(huán)形爐加熱→穿孔→精密斜軋管機軋管→定(減)徑→冷卻→預精整→無損探傷→正火→淬火→高溫回火→溫矯→無損探傷→外觀檢驗→螺紋加工→通徑→水壓試驗→測長、稱重→噴漆、噴標→打捆。

        3 管坯生產(chǎn)

        26CrMoV管坯熔煉成分各元素含量均滿足表3設(shè)計要求,體現(xiàn)冶金質(zhì)量控制水平的化學元素分析結(jié)果見表4,有害元素含量低,P、O、N控制良好。26CrMoV管坯內(nèi)部低倍未見異常,低倍缺陷級別全部小于1級,管坯質(zhì)量良好。

        表4 26CrMoV管坯化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

        4 產(chǎn)品熱處理后性能分析

        4.1 尺寸精度

        140HC鋼級石油套管在熱處理后超聲波測厚100%覆蓋檢驗,壁厚偏差完全滿足設(shè)計指標要求(-4.0%~15.0%)。為測定鋼管同一截面的不圓度和壁厚均勻度,隨機抽取并檢驗了熱處理后8支鋼管頭端、尾端、中間部分的外徑及壁厚,測量結(jié)果見表5~6。結(jié)果顯示,取樣鋼管的外徑在273.6~275.3 mm,符合設(shè)計指標,同一截面最大外徑不圓度為0.36%;壁厚在13.72~15.72 mm,同一截面最大壁厚不均度為8.9%??梢姡?40HC鋼級石油套管的外徑不圓度及壁厚不均度達到了設(shè)計指標≤0.4%和≤10%的要求。

        表5 140HC鋼級石油套管的外徑測量結(jié)果

        表6 140HC鋼級石油套管的壁厚測量結(jié)果

        4.2 力學性能

        檢測熱處理后的140HC鋼級石油套管的力學性能,結(jié)果見表7??梢钥闯?,經(jīng)過正火+淬火+高溫回火后,套管的屈服強度和抗拉強度均滿足設(shè)計指標要求;全尺寸0℃縱向沖擊功在110 J左右,橫向沖擊功約105 J,橫縱比達到了95%;硬度變化范圍較小,單個值在35~37 HRC,平均值在36.1 HRC左右。

        表7 140HC鋼級石油套管的力學性能

        采用系列沖擊的方法測定熱處理后的140HC鋼級石油套管的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度,具體結(jié)果如圖1所示,以FATT50(沖擊試樣斷口上出現(xiàn)50%纖維狀斷口時的溫度)或者ETT50(最大沖擊功的一半所對應的溫度,或最大沖擊功與最小沖擊功的平均值所對應的沖擊溫度)作為判定準則的情況下,140HC鋼級石油套管的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度在-40~-35℃,材料具有良好的低溫韌性。

        圖1 140HC鋼級石油套管的韌-脆轉(zhuǎn)變曲線

        4.3 金相檢驗

        140HC鋼級石油套管的非金屬夾雜物等級較低,細系總和0.5級,粗系總和1.0級,沒有DS類夾雜物;基體組織為均勻的回火索氏體,奧氏體晶粒度為9級。140HC鋼級石油套管的金相組織如圖2所示。

        圖2 140HC鋼級石油套管的金相組織

        4.4 殘余應力

        使用環(huán)樣切割法檢測殘余應力,試樣環(huán)長度至少是套管外徑的兩倍。殘余應力σ計算公式為:

        式中E——彈性模量,MPa,取206.9×104MPa;

        t實——實測平均壁厚,mm;

        D前——切割前試樣平均外徑,mm;

        D后——切割后試樣平均外徑,mm;

        ν——泊松比,取0.28。

        該試樣環(huán)的t實、D前、D后依次為14.85 mm、277.51 mm、274.65 mm,代入公式(1)可計算出140HC鋼級石油套管的最大殘余應力為125 MPa,是規(guī)定最小屈服強度的12.9%,滿足設(shè)計要求外,還達到了文獻[15]提出的殘余應力應不超過最小規(guī)定屈服強度的15%的推薦值。

        4.5 高溫拉伸強度

        新疆某油田的采購規(guī)范中要求檢測140HC鋼級石油套管的150℃和180℃高溫拉伸性能。這與該地區(qū)的環(huán)境井溫較高有關(guān)。因此,在同一140HC鋼級石油套管管體周向取樣,并進行室溫和高溫拉伸試驗,具體結(jié)果見表8。從表8可以看出,與室溫相比,150℃時的屈服強度和抗拉強度降低幅度為2.9%和1.4%,180℃時的屈服強度和抗拉強度降低幅度為3.8%和2.7%,表明140HC鋼級石油套管具有良好的高溫強度,強度隨溫度升高時的衰減幅度較小。主要原因為:26CrMoV鋼中添加了較多的Cr、Mo及V等熱強合金元素,保證了鋼材具有良好的熱穩(wěn)定性,在高溫下強度下降幅度小。文獻[16-20]中也介紹,普通C-Mn鋼套管在350℃的溫度下,其強度降低18%左右,螺紋的接觸壓力會大幅度下降;而含有Cr、Mo、V等元素的套管在350℃的溫度下,其強度降低幅度一般不超過14%,螺紋的接觸壓力不會下降或下降的幅度小。

        表8 140HC鋼級石油套管的室溫和高溫拉伸性能MPa

        4.6 抗擠毀強度

        在生產(chǎn)的Φ273.05 mm×13.84 mm規(guī)格140HC鋼級石油套管上取樣,并在具有國家資質(zhì)的第三方評價機構(gòu)進行了4組抗擠毀實物性能評價,試驗結(jié)果見表9。結(jié)果顯示,管體抗擠毀強度在72.1~76.4 MPa,達到了60.1 MPa設(shè)計要求,實際試驗數(shù)值超過設(shè)計值15%以上。

        表9 140HC鋼級石油套管擠毀試驗結(jié)果

        5 結(jié) 語

        經(jīng)過Cr、Mo、V多合金化設(shè)計,嚴格控制鋼坯冶煉過程,采取合理的鋼管軋制及正火+淬火+高溫回火組合熱處理方式,生產(chǎn)出了滿足設(shè)計要求的Φ273.05 mm×13.84 mm規(guī)格140HC鋼級石油套管。該套管產(chǎn)品的外徑不圓度≤0.4%,壁厚不均度≤10%,橫向沖擊功與縱向之比約95%,殘余應力125 MPa,抗擠毀強度72.1 MPa以上,具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性及衰減極低的高溫強度,可以在苛刻環(huán)境中使用。

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