深井和頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用超高強(qiáng)度高韌性套管的研制

董曉明，張忠鏵，孫 文

（寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海201900）

深井和頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用超高強(qiáng)度高韌性套管的研制

董曉明，張忠鏵，孫 文

（寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海201900）

通過(guò)研究合金化、微合金化技術(shù)和優(yōu)化制造工藝，開(kāi)發(fā)出具有優(yōu)異沖擊韌性的BG140V/BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管，屈服強(qiáng)度達(dá)到1 000 MPa以上且0℃橫向夏比沖擊功超過(guò)名義屈服強(qiáng)度的10%以上，滿足了深井油氣和頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)對(duì)套管高強(qiáng)度和高韌性的要求。采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、電子探針以及電子背散射衍射等分析手段，分析了BG140V/BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的微觀組織，發(fā)現(xiàn)成分偏析的改善、細(xì)小的析出相和晶粒是韌性提高的主要原因。

套管；高強(qiáng)度；高韌性；析出相；成分偏析

我國(guó)目前未探明石油儲(chǔ)量約85億t，其中73%埋藏在深層，但是深層油氣井套管柱要承受非常高的內(nèi)壓和外壓以及軸向拉力［1］，所需求的套管強(qiáng)度顯著提高，目前油田已大量使用125鋼級(jí)以上甚至155鋼級(jí)套管。但是高鋼級(jí)套管在生產(chǎn)過(guò)程中表面產(chǎn)生的微小缺陷是無(wú)法避免的，在地層應(yīng)力作用下，低韌性的高強(qiáng)度套管難以阻止這些缺陷的擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致失效，給管柱的井下安全使用帶來(lái)隱患［2-3］。因此，深井超深井開(kāi)發(fā)為提高套管服役安全系數(shù)，需要盡可能提高韌性指標(biāo)。

另外，近年來(lái)對(duì)頁(yè)巖氣、致密油氣等非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)的重視程度越來(lái)越高。美國(guó)、加拿大等國(guó)家重點(diǎn)勘探開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣資源，開(kāi)發(fā)技術(shù)已趨于成熟；而國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)雖然尚處于起步階段，但開(kāi)發(fā)工藝和技術(shù)發(fā)展迅速［4-5］。目前國(guó)內(nèi)已形成涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、延長(zhǎng)四大產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)能超過(guò)60億m3。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)目前多采用水平井多級(jí)分段射孔壓裂技術(shù)［5］，該工藝對(duì)套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗擠毀強(qiáng)度均提出了較高要求，但對(duì)頁(yè)巖氣試油完井作業(yè)特點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，大斜度井、水平井在完井期間需要進(jìn)行多段射孔和儲(chǔ)層改造［6］，低韌性高強(qiáng)度套管在射孔過(guò)程中易發(fā)生開(kāi)裂，長(zhǎng)期服役過(guò)程中在地層應(yīng)力的作用下裂紋易發(fā)生擴(kuò)展，從而導(dǎo)致套管失效；另外，在川渝地區(qū)頁(yè)巖氣試油完井作業(yè)過(guò)程中多次出現(xiàn)生產(chǎn)套管變形損壞，原因之一是套管經(jīng)過(guò)“狗腿度”大的井段時(shí)可能出現(xiàn)遇阻狀況，采用“上提下拉”的套管下入方式導(dǎo)致套管發(fā)生損傷；另外一個(gè)原因是在試油完井期間，多次起下井下工具對(duì)生產(chǎn)套管內(nèi)壁的磨損，導(dǎo)致套管抗擠毀強(qiáng)度降低［6］。損傷的套管在地層應(yīng)力作用下易發(fā)生缺陷擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致失效。采用高韌性套管可以改善套管射孔和損傷對(duì)性能的惡化，抑制服役過(guò)程中管體缺陷的擴(kuò)展，從而延長(zhǎng)管柱使用壽命。

但是鋼的強(qiáng)度與塑性、韌性表現(xiàn)為互為消長(zhǎng)的關(guān)系，隨著鋼級(jí)的升高，材料的屈服強(qiáng)度增大，材料的硬度相應(yīng)變高而韌性逐漸下降［7］；因此，同時(shí)具有超高強(qiáng)度和高韌性的套管開(kāi)發(fā)難度極大。在高鋼級(jí)鋼管強(qiáng)韌性匹配方面，英國(guó)能源部的標(biāo)準(zhǔn)要求壓力容器用管的橫向最低沖擊韌性要達(dá)到名義屈服強(qiáng)度的10%以上［8］，要求140和155鋼級(jí)套管在0℃的橫向全尺寸沖擊功分別達(dá)到97 J和107 J，目前工業(yè)化應(yīng)用的高強(qiáng)度套管產(chǎn)品韌性指標(biāo)難以穩(wěn)定達(dá)到這一要求。為此，寶山鋼鐵股份有限公司（簡(jiǎn)稱寶鋼股份）開(kāi)發(fā)出全新的BG140V/BG155V超高強(qiáng)高韌套管，韌性指標(biāo)完全滿足上述性能要求。本文主要介紹該套管的設(shè)計(jì)方法，并闡述其強(qiáng)韌化機(jī)理。

1 試驗(yàn)條件

1.1 化學(xué)成分

BG140V/BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的化學(xué)成分最大值見(jiàn)表1。

表1 BG140V/BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）最大值%

1.2 生產(chǎn)工藝流程

（1）煉鋼采用優(yōu)質(zhì)廢鋼+“三脫”鐵水（脫硅、脫磷、脫硫）作為鋼原料，采用電爐冶煉+LF精煉+VD（真空脫氣）的生產(chǎn)工藝，減少雜質(zhì)和殘余元素含量，保證鋼水有較高的純凈度；另外，加入Ca-Si絲，獲得良好地夾雜物球化效果。

（2）連鑄鋼水連鑄成外徑為178 mm的管坯，連鑄工藝采用優(yōu)化的結(jié)晶器電磁攪拌工藝和凝固末端電磁攪拌工藝，減輕管坯心部枝晶偏析，改善成分均勻性。

（3）根據(jù)BG140V/BG155V套管材料在不同溫度下的高溫塑性和變形抗力，針對(duì)性地優(yōu)化軋制工藝，保證套管較高的尺寸精度：不圓度≤0.4%，壁厚不均度≤12%。

（4）熱處理：采用淬火+回火熱處理工藝，馬氏體含量在95%以上，確保熱處理后的組織為均勻細(xì)小的回火索氏體組織。定徑溫度580℃以上，矯直溫度500℃，保證優(yōu)良的套管尺寸精度和較低的殘余應(yīng)力。

（5）螺紋加工：采用進(jìn)口高精度數(shù)控專用螺紋機(jī)床加工BGT2氣密封特殊螺紋，依靠高螺紋加工精度和螺紋表面處理技術(shù)，提高套管接頭的抗螺紋黏結(jié)性能，BGT2氣密封特殊螺紋接頭通過(guò)了ISO 13679—2002《石油和天然氣工業(yè)套管和管道連接的檢驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)CALⅣ等級(jí)試驗(yàn)［9-10］。

1.3 檢測(cè)方法

將試樣機(jī)械磨拋為鏡面，采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察金相組織，并采用電子探針、EVO MA25掃描電鏡和JEM 2100F透射電鏡對(duì)測(cè)試試樣進(jìn)行微觀組織觀察和分析；另外，對(duì)斷口進(jìn)行表征。在MTS 810-15試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，沖擊試驗(yàn)采用JBN-300B設(shè)備，根據(jù)ASTM A 370—2014《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)方法和定義》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試材料的夏比V型缺口沖擊功，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。

2 性能分析

2.1 拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性

BG140V、BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的力學(xué)性能見(jiàn)表2。從表2可以看出：管體調(diào)質(zhì)熱處理后，BG140V、BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的屈服強(qiáng)度分別在1 000 MPa和1 100 MPa以上，強(qiáng)度極差在30 MPa以內(nèi)，力學(xué)性能波動(dòng)較小。BG140V超高強(qiáng)度高韌性套管的全尺寸0℃橫向沖擊功穩(wěn)定在140 J以上，縱向沖擊功在145 J以上，橫向和縱向沖擊功均達(dá)到10%名義屈服強(qiáng)度的要求；BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的全尺寸0℃橫向沖擊功穩(wěn)定在130 J以上，縱向沖擊功在145 J以上，橫向和縱向沖擊功均達(dá)到10%名義屈服強(qiáng)度的要求。由此可見(jiàn)，BG140V、BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管在保證高強(qiáng)度的同時(shí)還具有優(yōu)良的韌性和塑性。

表2 BG140V、BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的力學(xué)性能

2.2 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

圖1所示為BG140V、BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線。從圖1看出：BG140V套管材料的沖擊韌性在0℃、-20℃和-40℃時(shí)差異較小，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-60℃，說(shuō)明BG140V套管材料具有良好的低溫韌性；BG155V套管材料的沖擊韌性在0℃和-20℃時(shí)未有明顯變化，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-40℃，說(shuō)明BG155V套管材料具有良好的低溫韌性。圖2所示為BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管在不同溫度下的斷口SEM形貌。從圖2可以看出：0℃時(shí)斷口形貌為均勻細(xì)小的韌窩，部分韌窩內(nèi)部有碳化物；-40℃時(shí)準(zhǔn)解理和韌窩的斷口特征并存；-80℃時(shí)沖擊斷口的形貌為準(zhǔn)解理。

2.3 抗擠毀性能

Φ244.48 mm×11.99 mm規(guī)格BG140V套管實(shí)際抗擠毀強(qiáng)度平均值達(dá)到62.4 MPa，Φ139.7 mm× 12.7 mm規(guī)格BG155V套管的實(shí)際壓潰強(qiáng)度均值達(dá)到194.0 MPa，可滿足深井及復(fù)雜地應(yīng)力地層對(duì)高強(qiáng)度套管抗擠毀性能的要求。BG140V、BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的抗擠毀性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 BG140V、BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線

3 強(qiáng)韌性機(jī)理分析

鋼中析出物如碳化物和氮化物等第二相質(zhì)點(diǎn)均為脆性相，其在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)增加材料的脆性，影響韌性的程度與第二相質(zhì)點(diǎn)的大小、形狀和分布有關(guān)。按史密斯解理裂紋成核模型，晶界上碳化物厚度或直徑增加，解理裂紋既易于形成又易于擴(kuò)展，故使脆性增加。分布于基體中的粗大碳化物，可因本身開(kāi)裂或其從基體界面上脫離形成微孔，微孔連接長(zhǎng)大形成裂紋，最后導(dǎo)致斷裂。第二相粒子尺寸越大，數(shù)量越多，對(duì)韌性的損害越大［11］。因此要提高材料的韌性，細(xì)化析出相尺寸并使其彌散分布是有效方法之一。

目前國(guó)內(nèi)外鋼管廠家采用的管坯主要為連鑄管坯，但是由于連鑄管坯心部的鋼液在凝固過(guò)程中選擇性結(jié)晶，形成化學(xué)成分呈不均勻分布的枝晶偏析組織，管坯中的粗大枝晶在軋制時(shí)沿變形方向被拉長(zhǎng)，并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶和富化帶彼此交替堆疊［12-13］，形成了如3（a）所示中的偏析帶組織。不同套管的金相組織如圖3所示，套管管體內(nèi)壁析出相掃描電鏡形貌如圖4所示。在電子探針下掃描套管內(nèi)壁試樣發(fā)現(xiàn)，試樣中C、Mn、Cr、Mo元素呈帶狀分布，與圖3（a）所示的條帶狀偏析組織分布是一致的。由于合金元素在局部位置的富集導(dǎo)致形成了圖4（a）和圖4（b）所示的大量粗化的碳化物，部分粗大的碳化物在晶界聚集長(zhǎng)大，使晶界脆化，降低了韌性，這是高強(qiáng)度套管韌性尤其是橫向沖擊韌性難以提高的主要原因之一。

圖2 BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管在不同溫度下的斷口SEM形貌

表3 BG140V、BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管的抗擠毀性能檢測(cè)結(jié)果

圖3 不同套管的金相組織

圖4 不同套管管體內(nèi)壁析出相掃描電鏡形貌

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)BG140V、BG155V套管生產(chǎn)所用的管坯連鑄工藝進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化結(jié)晶器電磁攪拌工藝和凝固末端電磁攪拌工藝，減輕管坯心部枝晶偏析；管體在軋制后進(jìn)行重新加熱，采用張力減徑工藝細(xì)化晶粒、改善成分均勻性。采用以上工藝設(shè)計(jì)后，BG140V、BG155V套管內(nèi)壁的金相組織（圖3c）成分偏析明顯改善，電子探針元素分布面掃描結(jié)果表明BG140V、BG155V套管內(nèi)壁C、Mn、Cr、Mo等合金元素未發(fā)生明顯富集。析出相掃描電鏡分析結(jié)果（圖4c～d）表明，BG140V/ BG155V套管內(nèi)壁析出相較均勻、細(xì)小，未發(fā)生碳化物沿晶界聚集長(zhǎng)大，可在較大程度上提高材料韌性。

細(xì)晶強(qiáng)化是唯一能夠同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性的強(qiáng)化機(jī)制。橫向沖擊功大小取決于材料裂紋擴(kuò)展的難易程度，當(dāng)材料中的晶粒細(xì)化后，晶界數(shù)量增加，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中因晶粒間的位向不同而被迫轉(zhuǎn)向，阻礙了裂紋擴(kuò)展，相應(yīng)減小裂紋擴(kuò)展速率，從而提高了韌性［14］。不同套管的晶粒度分析如圖5所示。從圖5可以看出，常規(guī)高強(qiáng)度套管材料晶粒較粗大，晶粒度評(píng)級(jí)為8.5～9.5級(jí)；而通過(guò)控制軋制和調(diào)質(zhì)熱處理后，BG140V/BG155V套管晶粒截距均值為5～8 μm，晶粒度評(píng)級(jí)為10.5～11.5級(jí)。因此，BG140V/BG155V套管材料的晶粒較常規(guī)高強(qiáng)度套管明顯細(xì)化，在細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制的作用下可以同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性。

圖5 不同套管的晶粒度分析

影響沖擊韌性的不僅僅限于晶粒的尺寸，鋼在淬火后會(huì)形成大量的馬氏體板條、馬氏體板條束和馬氏體板條塊，一個(gè)原始奧氏體晶粒被分為3～5個(gè)板條束（具有相同慣習(xí)面），每個(gè)板條束內(nèi)部又由若干個(gè)板條塊（取向相似板條的集合）組成，每個(gè)板條塊由若干個(gè)板條組成。這些組織之間的取向差≥15°時(shí)可以認(rèn)為是大角度晶界，解理裂紋擴(kuò)展時(shí)，每次穿越大角度晶界均發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)折，裂紋的連續(xù)擴(kuò)展受到阻礙，需要消耗較多的能量改變方向后才能進(jìn)一步擴(kuò)展，從而提高材料的沖擊韌性，一般認(rèn)為馬氏體板條塊是最小的有效晶粒尺寸，可以有效阻礙解理裂紋的擴(kuò)展，提高低溫韌性［15］。

圖6所示為常規(guī)高強(qiáng)度套管和超高強(qiáng)度高韌性套管的晶粒取向EBSD（電子背散射衍射）分析，組織之間的黑線代表大角度晶界，組織內(nèi)部的白線代表小角度晶界，可以看出超高強(qiáng)度高韌性套管材料的大角度晶界明顯增多，馬氏體板條束和板條塊更細(xì)，有效晶粒尺寸較小，因此可以有效地阻礙材料受沖擊過(guò)程中裂紋的擴(kuò)展，從而提高了材料的韌性。

圖6 不同套管的晶粒取向EBSD對(duì)比分析

4 結(jié)論

（1）寶鋼股份設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的BG140V/BG155V超高強(qiáng)度高韌性套管橫向韌性指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到屈服強(qiáng)度的10%，具備了優(yōu)良的強(qiáng)度、常溫和低溫沖擊韌性以及抗擠毀性能，能夠更好地滿足深井、超深井油氣資源以及頁(yè)巖氣開(kāi)采開(kāi)發(fā)用套管力學(xué)性能及安全使用要求。

（2）通過(guò)改進(jìn)煉鋼工藝和連鑄工藝，減輕了BG140V/BG155V管體內(nèi)壁成分偏析，抑制了偏析帶上Cr、Mo等合金元素碳化物粗化以及沿晶界聚集長(zhǎng)大，從而使最終的套管產(chǎn)品沖擊韌性及性能均勻性明顯改善。

（3）通過(guò)優(yōu)化軋制和熱處理工藝，BG140V/ BG155V套管晶粒細(xì)化1.5級(jí)以上，淬火后形成的馬氏體板條塊和板條束尺寸也明顯細(xì)化，減小了有效晶粒尺寸，從而使套管的強(qiáng)度和韌性均大幅度提升。

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R&D of Ultra-high Strength/Toughness Casing for Deep Well and Shale Gas Drilling Service

DONG Xiaoming，ZHANG Zhonghua，SUN Wen
（Baosteel Research Institute，Baoshan Iron and Steel Co.，Shanghai 201900，China）

The BG140V/BG155V ultra-high strength/toughness casing is developed by means of studying the alloying and micro-alloying technologies，and optimizing the manufacturing process.The casing is in possession of excellent Charpy impact toughness and yield strength up to 1 000 MPa，and transverse Charpy impact value at 0℃surpassing the nominal yield strength by 10%，having been satisfactory to the requirements for the hi-strength/ toughness casing as serving the deep oil/gas well and shale gas drilling.The microstructure of the BG140V/BG155V ultra-high strength/toughness casing is characterized by means of optical microscopy（OM），scanning electron microscopy（SEM），electron probe microanalysis（EPMA）and electron backscattered diffraction（EBSD），etc.As a result，it is identified that the main elements responsible for the toughness enhancement of the casing are the improvement of chemical segregation，and refined precipitates and grains.

casing；high strength；high toughness；precipitates；segregation

TG335.71；TE931+.2

B

1001-2311（2016）04-0027-06

2016-01-28）

董曉明（1980-），男，碩士，工程師，主要從事高等級(jí)油井管產(chǎn)品研發(fā)等工作。