BSG-80TT高抗擠套管的研制

王少華， 王 軍，2， 張 峰，2

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008）

0 前 言

深井和超深井中如果存在鹽巖、鹽膏巖和軟泥巖等塑性流動(dòng)地層，則對(duì)應(yīng)用與此的套管的抗擠毀性能要求很高[1-4]。選用API套管只能依靠增加壁厚或提高鋼級(jí)來(lái)滿足高抗擠的要求，若增加壁厚，則會(huì)使得套管柱的質(zhì)量增大，導(dǎo)致下邊的井眼縮小。高抗擠套管比API同鋼級(jí)套管的抗擠強(qiáng)度高出10%左右，因此，選用同鋼級(jí)同規(guī)格的高抗擠套管會(huì)比API套管下井更深。近年來(lái)，因套管擠毀而報(bào)廢的油氣井?dāng)?shù)量逐年攀升，給油氣田帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，亟待開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)良的高抗擠套管產(chǎn)品。

高抗擠套管既可采用無(wú)縫鋼管，也可采用HFW焊管。前者可以生產(chǎn)高合金、大壁厚套管，但尺寸精度不易控制、料損較為嚴(yán)重；后者尺寸精度較高，但焊縫與母材的組織及性能差異顯著[5-6]。SEW（hot stretchreducingelectricwelding）技術(shù)綜合了焊管和無(wú)縫管各自的工藝優(yōu)點(diǎn)，對(duì)HFW焊管進(jìn)行熱張力減徑及后續(xù)全管熱處理，生產(chǎn)的高抗擠套管具有強(qiáng)韌性匹配好、尺寸精度高、表面質(zhì)量好、下井噸耗小等突出性能優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)Lone Star已采用了SEW工藝開(kāi)發(fā)了HCK55～HCQ125高抗擠套管，國(guó)內(nèi)尚無(wú)采用SEW工藝開(kāi)發(fā)高抗擠套管的先例。本研究以BSG-80TT高抗擠套管為例介紹了SEW高抗擠套管的技術(shù)特征及主要性能。

1 套管抗擠強(qiáng)度的影響因素

影響套管抗擠強(qiáng)度的主要因素有D/t、幾何尺寸精度 （外徑不圓度及壁厚不均度）、屈服強(qiáng)度和殘余應(yīng)力等[7-11]。

1.1 幾何尺寸的影響

根據(jù)API TR 5C3規(guī)定的抗擠強(qiáng)度計(jì)算公式可知，鋼管外徑越小，壁厚越厚，即D/t越小，抗擠強(qiáng)度越高。通過(guò)多組套管擠毀試驗(yàn)，得到D/t與抗擠強(qiáng)度的關(guān)系，如圖1所示?？梢钥闯?，隨著D/t的增大，抗擠強(qiáng)度在不斷減小。因此，在套管規(guī)格一定，且滿足鋼管理論質(zhì)量的情況下，鋼管壁厚偏標(biāo)準(zhǔn)的上限，有利于提高套管的抗擠強(qiáng)度。

圖1 徑厚比對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響

除D/t之外，外徑及壁厚的精度對(duì)套管的抗外壓擠毀性能也具有顯著的影響。擠毀試驗(yàn)表明，外徑不圓度較大的橫截面或壁厚偏薄的縱截面，均容易擠毀失效。實(shí)際套管不可能加工成理想圓管，套管壁厚也無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全均勻，因此總會(huì)存在外徑不圓度和壁厚不均度。有限元分析表明[13]，套管的抗擠強(qiáng)度隨外徑不圓度的增加近似呈線性比例下降，即不圓度每增加0.1%，抗擠強(qiáng)度相應(yīng)降低1.5%左右；套管的抗擠強(qiáng)度隨壁厚不均度的增加也近似呈線性比例下降，即壁厚不均度每增加1%，抗擠強(qiáng)度相應(yīng)降低1%左右。而且較低的壁厚不均度不僅有利于降低矯直過(guò)程中套管內(nèi)部的殘余應(yīng)力，同時(shí)也減小了壁厚不均帶來(lái)的外徑不圓度增大問(wèn)題。

BSG-80TT制造過(guò)程中有3個(gè)重要環(huán)節(jié)對(duì)其尺寸精度具有顯著影響：①TMCP控軋過(guò)程中對(duì)壁厚的控制；②熱張力減徑過(guò)程中對(duì)外徑和壁厚的控制；③熱矯直過(guò)程中對(duì)外徑和直度的控制。為此，對(duì)BSG-80TT的尺寸精度控制范圍進(jìn)行了規(guī)定，見(jiàn)表1。

表1 BSG-80TT的尺寸精度控制范圍

1.2 屈服強(qiáng)度及沖擊韌性的影響

屈服強(qiáng)度是影響套管抗擠強(qiáng)度的首要因素，高的屈服強(qiáng)度及良好的沖擊韌性均有利于保證套管良好的抗外壓擠毀性能，因此對(duì)BSG-80TT的力學(xué)性能提出了嚴(yán)格的要求，見(jiàn)表2。

表2 BSG-80TT的力學(xué)性能控制范圍

1.3 殘余應(yīng)力的影響

通常殘余應(yīng)力對(duì)套管抗外壓擠毀性能的影響可以用下式估算：

式中：PCR—有殘余應(yīng)力時(shí)的抗擠強(qiáng)度，MPa；

PCO—無(wú)殘余應(yīng)力時(shí)的抗擠強(qiáng)度，MPa；

σres—鋼管的殘余應(yīng)力，MPa；

σy—材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

公式 （1）用于鋼管內(nèi)表面先發(fā)生屈服失效的情況，公式 （2）用于外表面先發(fā)生屈服失效的情況。套管在成型、焊接、定減徑及淬火過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力均可在回火熱處理時(shí)得到消減。因此，回火之后進(jìn)行的矯直工序，則是套管產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要來(lái)源。套管在矯直過(guò)程中，不僅會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而且由于矯直的反復(fù)彎曲變形，還會(huì)引起包申格效應(yīng)，降低套管的屈服強(qiáng)度，從而影響套管的抗擠性能，且套管屈服強(qiáng)度越高，包申格效應(yīng)對(duì)抗擠性能的影響則越大。因此，為了降低套管殘余應(yīng)力，套管熱矯直溫度通常要高于消除包申格效應(yīng)所需的溫度。對(duì)于某一規(guī)格和鋼級(jí)的套管而言，存在著最佳的矯直溫度，矯直溫度過(guò)低，矯直抗力較大，矯直后套管的殘余應(yīng)力較高；矯直溫度過(guò)高，則會(huì)降低材料的屈服強(qiáng)度，從而影響抗外壓擠毀性能。通過(guò)不同矯直溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線確定的適合BSG-80TT的熱矯直溫度為490～530℃，采用此熱矯直溫度不僅消除了包申格效應(yīng)的影響，降低了殘余應(yīng)力，而且還得到了較高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，使抗擠強(qiáng)度接近或達(dá)到矯直前的水平。

1.4 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

BSG-80TT套管的主要性能設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 BG-80TT套管性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 實(shí)際生產(chǎn)及檢驗(yàn)

進(jìn)行了φ139.7 mm×9.17 mm BSG-80TT套管生產(chǎn)線批量試制，主要性能檢測(cè)結(jié)果如下。

2.1 鋼管尺寸

卷板成型、熱張力減徑、熱處理及高溫矯直工藝控制均對(duì)管坯的幾何尺寸具有一定的影響。熱張力減徑時(shí)鋼管內(nèi)部不帶芯棒，依次通過(guò)預(yù)先設(shè)定的孔型，構(gòu)成孔型的3個(gè)軋輥輥形曲面呈120°對(duì)稱，奇數(shù)機(jī)架與偶數(shù)機(jī)架互成60°排列，實(shí)現(xiàn)在減徑的同時(shí)改變 （或不變）壁厚，即只需采用一兩種規(guī)格的母管，即可獲得產(chǎn)品大綱中所有的產(chǎn)品。

其中管坯外徑由參與變形的機(jī)架數(shù)目確定，壁厚則由各機(jī)架軋輥的轉(zhuǎn)速控制。熱張力減徑機(jī)孔型及各張減輥之間的速差控制，直接影響了管坯的尺寸精度，尤其是直接決定了成品管的壁厚精度 （后續(xù)熱處理及熱矯直幾乎不改變壁厚尺寸）。

對(duì)BSG-80TT熱張力減徑前后的外徑和壁厚進(jìn)行測(cè)量，每隔300 mm檢測(cè)一個(gè)截面，共檢測(cè)8個(gè)截面，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，經(jīng)熱張力減徑處理，管坯的尺寸精度有所下降，再經(jīng)全管熱處理及高溫矯直處理，BSG-80TT高抗擠套管的外徑不圓度＜0.23%，壁厚不均度＜1.8%。

表4 BSG-80TT套管尺寸及殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

2.2 顯微組織

對(duì)不同工藝階段BSG-80TT套管的顯微組織進(jìn)行分析，各階段的顯微組織形貌如圖2所示。

從圖2（a）和圖2（b）可以看出， 鐵素體和珠光體交替出現(xiàn)的帶狀組織特征十分明顯。從圖2（c）～圖2（f）可以看出，HFW管坯經(jīng)熱張力減徑處理后，母材和焊縫區(qū)的晶粒發(fā)生了部分再結(jié)晶，焊縫區(qū)的馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體，與母材一致。再經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，焊縫流線基本消除，母材帶狀組織也得到很大程度的消除，兩者均為回火索氏體組織，（圖2（g）和圖2（h））。

2.3 力學(xué)性能

對(duì)卷板、HFW管坯、熱張力減徑管坯及調(diào)質(zhì)管坯的拉伸及沖擊韌性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5。

可以看出，卷板經(jīng)FFX成型、HFW焊接后，由于加工硬化作用，屈服強(qiáng)度提高17%、延伸率降低10%、母材橫向沖擊功降低56%；經(jīng)熱張力減徑處理，HFW管坯組織發(fā)生部分再結(jié)晶過(guò)程，屈服強(qiáng)度降低37%，延伸率提高25%、母材及焊縫橫向沖擊功分別提高26%和65%；經(jīng)淬火、回火及高溫矯直處理，套管屈服強(qiáng)度提高81%，母材及焊縫橫向沖擊功分別提高30%和35%。

圖2 不同工藝階段焊縫區(qū)顯微組織形貌

表5 不同工藝階段平均性能對(duì)比

2.4 殘余應(yīng)力及外壓擠毀性能

在擠毀試樣上切取350 mm 的樣管，利用環(huán)樣法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，并按公式 （3）計(jì)算套管的殘余應(yīng)力，

式中：D1—切割前試樣平均外徑，mm；

D2—切割后試樣平均外徑，mm；

E—彈性模量，式中取值206.9×103MPa；

t—實(shí)測(cè)平均壁厚，mm；

v—泊松比，式中取值為0.3。

對(duì)BSG-80TT高抗擠套管進(jìn)行全尺寸外壓擠毀性能測(cè)試，試樣長(zhǎng)徑比＞15，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可以看出，BSG-80TT套管的抗擠強(qiáng)度較API TR 5C3至少高出50%。

表6 BSG-80TT高抗擠套管殘余應(yīng)力及抗擠強(qiáng)度

3 結(jié) 論

（1）給出了BSG-80TT高抗擠套管的幾何尺寸、力學(xué)性能及殘余應(yīng)力控制指標(biāo)。

（2）BSG-80TT高抗擠套管具有較高屈服強(qiáng)度的同時(shí)，還具有良好的沖擊韌性。

（3）BSG-80TT高抗擠套管具備良好的抗外壓擠毀性能，抗擠強(qiáng)度超出API TR 5C3規(guī)定值50%以上。

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