?139.7mm×7.72mm CS-140ZT外加厚直連型套管的研發(fā)

熊 祺,黃 英,曾 理,黃 云,宋令璽

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610300)

?139.7mm×7.72mm CS-140ZT外加厚直連型套管的研發(fā)

熊 祺,黃 英,曾 理,黃 云,宋令璽

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610300)

介紹了攀成鋼研發(fā)的一種超高強度直連型特殊螺紋接頭套管,通過優(yōu)化螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計、采用“電爐LF+VD煉鋼+連軋機組軋制+加厚機管端加厚+熱處理+車絲機加工螺紋”工藝,開發(fā)出了滿足國內(nèi)某油田側(cè)鉆井要求的?139.7×7.72mm CS-140 ZT超高強度直連型特殊螺紋接頭套管,闡述了工藝技術(shù)難點及相應(yīng)措施。結(jié)果表明:開發(fā)的產(chǎn)品具有鋼種純凈、幾何尺寸精度高、高強度高韌性能匹配、螺紋接頭連接強度高等特點,并已在國內(nèi)某油田成功應(yīng)用。

外加厚;直連型套管;高強度高韌性

1 引言

國內(nèi)某油田油藏埋深5 500m,隨著后期穩(wěn)產(chǎn)需要,需進行側(cè)鉆二次開采。而在原?177.8mm套管開窗側(cè)鉆,采用?149.2mm鉆頭鉆進,?149.2mm井眼可選擇常規(guī)套管有?127mm、?139.7mm(非標(biāo))及?142.88mm套管,這三種套管性能參數(shù)及?149.2mm井眼固井存在的難點見表1,目前深井配套的小井眼定向鉆井的最小井眼為?120.65mm,而采用膨脹套管存在強度有限,不能滿足封隔水層和采油深抽的需求,因此目前國內(nèi)外沒有滿足可下入要求的套管。

表1 ?149.2mm井眼可選擇的套管尺寸表

攀成鋼根據(jù)用戶實際需求,通過優(yōu)化原有成熟的直連型接頭設(shè)計,開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的?139.7mm×7.72mm CS-140 ZT直連型特殊螺紋接頭套管。

2 套管主要技術(shù)要求

2.1 螺紋接頭

在原有成熟直連型接頭設(shè)計基礎(chǔ)上,通過加大接頭外徑,增加連接處壁厚,將接頭連接效率從55%等效管體提高至70%等效管體,具體要求如下。

(1)接頭外徑

(2)最低使用性能要求(見表2)

2.2 管體力學(xué)性能要求(見表3、表4)

表2 使用性能

表3 拉伸性能

表4 夏比吸收能要求

3 成分設(shè)計

成分設(shè)計根據(jù)CS-140套管超高強度、高韌性技術(shù)要求,同時兼顧經(jīng)濟性開發(fā)原則,確定了中碳Cr-Mo系復(fù)合添加少量釩、鈦等微合金元素的低合金鋼作為CS-140套管用鋼,且鋼中有害P、S元素降至較低水平。化學(xué)成分見表5。

上述鋼的成分選擇體現(xiàn)了以下指導(dǎo)思想:

(1)碳、錳、鉬和鉻等元素的最佳配比既保證其產(chǎn)品性能,又考慮其經(jīng)濟性

碳是最經(jīng)濟的強化元素,碳量主要考慮鋼管的強度和韌性的配合,同時還要考慮水淬開裂問題。所以把調(diào)質(zhì)鋼的碳量上限定為0.35%。

錳能提高鋼的強度,能削弱硫的不良影響,提高鋼的淬透性,但Mn會促進磷和硫在晶界偏聚,造成鑄坯偏析,影響鋼的韌性。根據(jù)超高強套管高強度和高韌性要求,在充分利用Mn固溶強化的同時,兼顧其過高引起的成分偏析、晶粒粗化和回火脆性,因此確定錳上限定為0.80%。

表5 CS-140套管化學(xué)成分(%)

鉬強烈抑制先共析鐵素體的形成,鉬含量越高,抑制作用越強。鉬有促貝氏體轉(zhuǎn)變的作用,從而有效抑制奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,提高鋼的淬透性。有研究表明,當(dāng)鉬含量為0.5%以上時,能有效降低或抑制其他合金元素引起的回火脆性,在較高的回火溫度下,可與釩、鈮等形成均勻彌散分布的特殊碳化物,有很強的二次硬化效果能夠提高鋼的熱強性和蠕變強度,提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性,并改善鋼的韌性。因此確定鉬控制范圍在0.50%～0.80%。

鉻具有明顯的固溶強化作用,可以縮小奧氏體相區(qū),能提高鋼的淬透性并具有二次硬化作用,溶于滲碳體的鉻可以提高碳化物的熱穩(wěn)定性,阻止碳化物分解。鉻過高會明顯降低合金鋼韌性,而高鋼級油套管鋼仍需加入一定量的Cr,除了固溶強化作用外,要使合金鋼具有良好的高溫抗氧化性能和耐氧化物介質(zhì)腐蝕的作用,增加鋼的熱強性。因此確定鉻含量應(yīng)控制在0.40%～1.20%之間,既能有效地保證強度要求,又能保證良好的沖擊韌性。

(2)加入釩、鈦等合金化元素以細化晶粒

釩、鈦是目前應(yīng)用最為廣泛的微合金化元素,足夠的釩、鈦在鋼中以形成第二相質(zhì)點碳氮化物的形式存在,尤其是高熔點鈦的碳氮化物,在加熱過程中不易溶解,在奧氏體晶界上起到釘扎作用,阻止晶粒長大,最終達到細晶強化效果。

(3)降低鋼中的硫和磷

硫和磷是鋼中最為有害的元素。硫?qū)е落摬母飨虍愋?惡化橫向和厚度方向的韌性,嚴重影響油套管的橫向沖擊韌性。當(dāng)磷含量大于0.015%時,會導(dǎo)致嚴重的偏析,提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度,顯著降低鋼的低溫沖擊韌性。

4 鋼的冶煉質(zhì)量控制

為滿足CS-140套管超高強度、高韌性的要求,鋼坯質(zhì)量是基礎(chǔ)。冶煉工藝對鋼質(zhì)的純凈度影響很大,通過試驗研究,采取了以下幾個方面合理的措施:

(1)通過合理的原料控制、配料以及電爐冶煉得到低有害元素、低五害元素的初煉鋼水。

(2)LF精煉通過精煉渣進行深脫硫、脫氧及吸附夾雜物并利用鈣處理實現(xiàn)夾雜物的轉(zhuǎn)變。

(3)通過控制VD真空處理時的真空度、真空處理時間充分脫氣,以及破真空后在VD真空處理工序第二次喂入純鈣線進行鈣處理,再次進行鈣處理使鋼中未去除的細小非金屬夾雜物得到轉(zhuǎn)變。

(4)澆鑄成連鑄圓坯,制定合理的中間包澆注溫度、二冷制度、結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)及末端電磁攪拌參數(shù),控制鑄坯偏析。

5 鋼管軋制工藝研究

針對CS-140超高強度套管的軋制特點,在加熱制度選擇、軋制變形量的合理分配,工模具選擇和工藝潤滑等方面進行了研究,以減少軋制缺陷產(chǎn)生,提高品種成材率,降低生產(chǎn)成本。

5.1 選擇最佳溫度制度

面縮率是衡量金屬塑性好壞的主要指標(biāo),變形溫度的高低又直接影響金屬變形抗力的高低,變形抗力較低而面縮率較高的這段溫度區(qū)間就是理想的塑性加工區(qū)間。在Gleeble熱模擬機上對CS-140套管鋼種進行了不同溫度條件下變形抗力和斷面收縮率的測定,其結(jié)果見圖1所示,結(jié)果表明該鋼種的理想塑性加工溫度區(qū)間為1 160℃～1 260℃。此溫度作為制定管坯加熱溫度的重要依據(jù)。

圖1 CS-140套管合金鋼在不同溫度下的變形抗力和面縮率

要穩(wěn)定地穿孔、連軋該鋼種,就需要將鋼坯加熱溫度及穿孔軋制速度控制在最佳范圍內(nèi),最終確定了管坯出爐溫度約為1 260℃;穿孔機開軋溫度為1 190℃～1 200℃(管坯從環(huán)形爐到穿孔機運輸過程中約有60℃～70℃的溫降);穿孔機出口速度降至0.5m/s,穿孔后毛管溫度控制在1 240℃左右;經(jīng)過穿孔后至連軋的溫降約為80℃,但連軋管機的開軋溫度仍在1 160℃以上。

5.2 合理分配穿孔、連軋變形量

在分配穿孔機、連軋管機變形量時,盡可能將變形量前移至穿孔機。這樣可以減小連軋管機延伸系數(shù),降低連軋管機軋制負荷,減輕連軋不均勻變形程度,從而減少軋制缺陷的產(chǎn)生。

5.3 加強芯棒、導(dǎo)盤工藝潤滑

加強工藝潤滑是提高CS-140超高強度套管內(nèi)、外表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一,也是減少因金屬橫向變形太大而帶來的鋼管壁厚不均和拉凹質(zhì)量缺陷的重要措施。因此,要求毛管內(nèi)表面防氧化劑噴涂均勻,保證芯棒工作段得到良好的潤滑。針對導(dǎo)盤粘鋼的問題,開發(fā)了專用導(dǎo)盤潤滑劑,在穿孔時均勻涂抹在導(dǎo)盤表面,徹底解決了導(dǎo)盤易粘鋼問題。

6 加厚工藝研究

根據(jù)螺紋加工要求,確定了該規(guī)格加厚端外徑?148mm,內(nèi)徑?118 mm、外加厚長度120mm～140mm,內(nèi)加厚長度130mm～140mm。

傳統(tǒng)的鍛造理論認為,鋼管管端加厚單道次壁厚鍛造比應(yīng)不大于1.5,否則會造成變形失穩(wěn)、產(chǎn)品表面產(chǎn)生橫向皺折等缺陷。通過計算?139.7mm×7.72mm規(guī)格鍛造比為2.0,理論上一次成型較困難。通過優(yōu)化加厚模具設(shè)計,優(yōu)化管端感應(yīng)式加熱制度,改造鐓粗潤滑設(shè)備,提高潤滑效果,最終采用一次加熱,一次加厚成型工藝。

具體工藝流程如下:

上料(對齊)→取料→1#加熱爐加熱→2#加熱爐加熱→1#加厚機加厚→反向?qū)R→3#加熱爐加熱→4#加熱爐加熱→2#加厚機加厚→成品出料(進入料筐)→上臺修磨→檢查→修磨整改→合格品收集→

不合格品帶鋸返切或修磨→收集→重新上加厚機

實物質(zhì)量見圖2。

圖2 實物質(zhì)量

7 熱處理及矯直工藝研究

采用全長調(diào)質(zhì)熱處理,由于加厚端與管體規(guī)格差距較大,壁厚相差近一倍,要保證鐓粗部位性能與管體一致,難度較大。因此在實驗室進行了大量的試驗,研究淬火加熱溫度、加熱時間、淬火時間、淬火方式、回火溫度等熱處理工藝因素對鋼管力學(xué)性能的影響,從中優(yōu)選出適宜的熱處理工藝參數(shù)。

7.1 淬火溫度及加熱時間的選擇

CCT曲線反映了連續(xù)冷卻條件下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律,是分析連續(xù)冷卻過程中奧氏體轉(zhuǎn)變過程及產(chǎn)物組織和性能的依據(jù),也是制定熱處理工藝的重要參考資料。采用了Formastor-Ⅱ熱膨脹相變儀按照YB/T 5123—93和YB/T 5128—93標(biāo)準分別測定了CS-140套管鋼的相變點,見表6和圖3連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖。

表6 CS-140套管鋼種相變點

圖3 CS-140套管鋼種的CCT曲線

考慮到合金元素的影響,為了加速奧氏體化,淬火溫度一般為Ac3+30℃～50℃,即確定淬火溫度為880℃～920℃;淬火加熱時間考慮管子最厚部位加厚端完成奧氏體化的時間,應(yīng)比普通套管稍長。

7.2 回火溫度、加熱時間的確定

在實驗室條件下進行了“不同回火溫度、加熱時間對性能的影響”的工藝研究,通過實驗表明,在600℃～640℃范圍內(nèi),相比不加厚套管,延長一定回火保溫時間,有利于加厚端與管體力學(xué)性能趨于一致。

7.3 鋼管經(jīng)回火后進行帶溫矯直。鋼管出矯直機的溫度大于500℃。鋼管通過溫矯工藝之后,有效地降低了鋼管的殘余應(yīng)力,提高了鋼管抗擠毀能力。

8 ?139.7mm×7.72mm CS-140ZT直連型套管評定與應(yīng)用

經(jīng)國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗,?139.7mm×7.72mm CS-140ZT直連型套管的使用性能完全滿足設(shè)計及用戶使用要求。

(1)螺紋參數(shù)符合技術(shù)要求。

(2)按照API RP 5C5—2003標(biāo)準進行3上2卸上卸扣試驗,均未出現(xiàn)粘扣或密封面損傷。

(3)管體連接強度3 900k N,接頭連接強度3 000 k N,抗擠毀強度84.2MPa,內(nèi)壓屈服強度153 MPa,遠超過設(shè)計指標(biāo)。

(4)根據(jù)實際工況,模擬套管在水平段入井方式15°/30m的彎曲條件下通徑檢測合格。

開發(fā)的?139.7mm×7.72mm CS-140ZT直連型套管在國內(nèi)某油田先后應(yīng)用9口開窗側(cè)鉆水平井,下井深度在5 800m～6 500m,入井順利,固井一次成功,滿足開窗側(cè)鉆水平井的開發(fā)要求。

9 結(jié)語

(1)研發(fā)的?139.7mm×7.72mm CS-140ZT直連型套管,對原有直連型接頭進行優(yōu)化,通過增加接頭外徑提高了接頭連接強度,滿足用戶特殊使用要求。

(2)成分設(shè)計滿足套管超高強度、高韌性要求,純凈鋼冶煉技術(shù)有效控制了有害化學(xué)元素及夾雜物含量。

(3)通過對軋制工藝、加厚工藝、熱處理工藝和溫矯工藝參數(shù)的不斷優(yōu)化,產(chǎn)品的幾何尺寸精度高,表面質(zhì)量好,性能穩(wěn)定,滿足了套管設(shè)計要求。

(4)套管下井順利,一次固井成功,完全滿足了用戶開窗側(cè)鉆水平井的開發(fā)要求。

[1] 龍芝輝.鉆井工程[M].北京:中國石化出版社2010.

[2] 丁仁亮.金屬材料及熱處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[3] 張志文.鍛造工藝學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988.

?139.7mm×7.72mm CS-140ZT External Upset Integral Casing Research and Development

XIONG Qi,HUANG Ying,ZENG Li,HUANG Yun,SONG Ling-xi

(Pangang Group Chengdu Steel&Vadium Co.,LTD,Chengdu 610300,Sichuan,China)

To introduce PCG CSST research and development a high-strength and high-toughness integral casing connection,By optimizing the thread structure design,Use“Electric furnace+VD steelmaking+Roll by FQM+Upset+Heat treatment+Thread processing”,Research and development?139.7×7.72mm CS-140 ZT casing,Meet the domestic side of in certain oilfield drilling,And the technology difficulties and corresponding measures are expounded.Results:Development of products with steel purity,Geometry size precision is high,High-strength and Hightoughness,High bonding strength,etc.And the successful application of in certain oilfield in China.

external upset;integral casing connection;high-strength and high-toughness

1001—5108(2016)03—0035—06

TG335.71

A

熊祺,工程師,主要從事油井用管的新產(chǎn)品開發(fā)及研究工作。