國(guó)產(chǎn)SEW膨脹套管實(shí)物性能研究*

李遠(yuǎn)征， 韋 奉，何石磊，張 峰,梁 航

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

國(guó)產(chǎn)SEW膨脹套管實(shí)物性能研究*

李遠(yuǎn)征1,2， 韋 奉1,2，何石磊1,2，張 峰1,2,梁 航1,2

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

為進(jìn)一步掌握采用SEW工藝（hot stretch-reducing electric welding，熱張力減徑電阻焊）制造的國(guó)產(chǎn)BX55和BX80膨脹套管膨脹前后管材各項(xiàng)力學(xué)性能的變化情況，對(duì)兩種膨脹套管的組織及性能進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：BX55和BX80鋼級(jí)膨脹管徑向膨脹變形后，管材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度會(huì)得到升高，而延伸率、沖擊韌性、抗擠強(qiáng)度會(huì)有所下降，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足API SPEC 5CT、API RP 5C3等標(biāo)準(zhǔn)要求。

國(guó)產(chǎn)套管；膨脹套管；SEW工藝；熱張力減徑；組織性能

Abstract:In order to further grasp the mechanical properties change situation of domestic BX55 and BX80 expansion casing before and after expansion,which produced by adopting SEW process （hot stretch-reducing electric welding）,the microstructure and properties of two kinds of casing were tested.Experimental results showed that after radial expansion deformation of BX55 and BX80 grade expansion casing,the yield strength and tensile strength increased,but the elongation,impact toughness and collapsing strength decreased,the various indexes can meet standards requirements of API SPEC 5CT,API RP 5C3 and other related standards.

Key words:domestic casing;expandable casing;SEW process;hot stretch-reducing;structure property

可膨脹管技術(shù)20世紀(jì)80年代末期由殼牌石油公司（Royal Dutch Shell）首創(chuàng)[1]， 并于1993 年在挪威的海牙進(jìn)行了第一次概念性試驗(yàn)[2]，1999年11月在Chevron USA進(jìn)行了第一次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)[3]，20世紀(jì)90年代末期基本上達(dá)到了商業(yè)化應(yīng)用水平，被稱為“21世紀(jì)石油鉆采行業(yè)的核心技術(shù)”之一[4]。國(guó)內(nèi)從2001年開始對(duì)膨脹管技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究，主要包括可膨脹管材、膨脹工具及膨脹工藝等方面，其中可膨脹管材的開發(fā)是首先必須要解決的問題[5]。

在研究可膨脹管材過程中，國(guó)內(nèi)外曾普遍使用常規(guī)套管材料（如L-80、K-55、P-110等）、管線鋼和特種材料（如35CrMo鋼、低溫鋼等）作為可膨脹套管材料[6]，其中Enventure公司實(shí)驗(yàn)表明，K-55膨脹后缺乏在大多數(shù)鉆井應(yīng)用所需的強(qiáng)度，P-110膨脹后提供足夠的強(qiáng)度，但其塑性窗口相對(duì)較小，限制了它在破壞斷裂前可獲得的膨脹量[7]。為此，Enventure與Lone Star Steel公司合作利用特殊的合金成分和HFW工藝制成有縫電焊管來滿足膨脹施工和現(xiàn)場(chǎng)使用要求，如 LSX-80（又稱 EX-80）。

SEW（hot stretch-reducing electric welding： 熱張力減徑電阻焊）工藝是指將HFW鋼管經(jīng)中頻感應(yīng)快速加熱到管材的奧氏體相變溫度Ac3以上，而后經(jīng)多架軋輥機(jī)組熱軋減徑到需要的規(guī)格，使全管體（母材+焊縫）發(fā)生特殊的形變熱處理，從而改善焊縫的組織與性能，利用該工藝生產(chǎn)的鋼管具有尺寸精度高、組織均勻、強(qiáng)韌性匹配好等特點(diǎn)[8-10]，這將有利于管材在膨脹過程中發(fā)生均勻塑性變形。

目前國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)膨脹管的廠家并不多，且在規(guī)格和性能方面與國(guó)外產(chǎn)品存在較大的差距，無法滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)膨脹管的需求。寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱寶雞鋼管）于2011年建成了SEW油套管生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線配備有ABBEY焊接機(jī)組、KOCKS熱張力減徑機(jī)組、TUBOSCOPE及UNICORN無損檢測(cè)等裝置?；谠撋a(chǎn)線，寶雞鋼管研制了BX55、BX80鋼級(jí)膨脹套管。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料是寶雞鋼管自主研制的Φ139.7 mm×8.15 mm BX55鋼級(jí)和Φ139.7 mm×7.72 mm BX80鋼級(jí)的膨脹套管。其中，BX55采用“HFW焊接+熱張力減徑+在線控冷”組合技術(shù)制造；BX80則采用“HFW焊接+熱張力減徑+全管體特殊熱處理”技術(shù)制造，以上兩種管材均以高純凈、低碳、低合金鋼熱軋卷板為原料，主要成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 生產(chǎn)BX55、BX80膨脹套管用熱軋卷板的化學(xué)成分 %

利用錐角為15°的膨脹錐對(duì)BX55和BX80膨脹套管進(jìn)行膨脹試驗(yàn)。具體步驟如下：①對(duì)鋼管內(nèi)表面進(jìn)行了噴砂、除銹及均勻涂抹潤(rùn)滑脂處理；②將4根膨脹管短節(jié)（約3 m/根）通過直連型特殊螺紋連成每組約12 m長(zhǎng)的鋼管并進(jìn)行端部封堵；

圖1 液壓式膨脹過程中的膨脹壓力曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 BX55膨脹套管的組織與性能

圖2為寶雞鋼管生產(chǎn)的BX55膨脹套管的顯微組織。從圖2可以看出，管體母材組織與焊縫區(qū)域組織均含有多邊形鐵素體+珠光體+貝氏體，且不同區(qū)域組織差異較小，對(duì)管材的均勻變形比較有利。

BX55管材膨脹前后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表2。從表2可以看出，BX55管材發(fā)生塑性變形膨脹11.5%后，由于材料冷作硬化作用的影響，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別提升了28%和8.6%，處于API SPEC 5CT～J55[11]鋼級(jí)的中上限水平；斷后伸長(zhǎng)率由39%下降為29%，高于API SPEC 5CT的規(guī)定值18%，表明膨脹后管材仍具有良好的塑性，可確保服役過程中仍能承受較大的塑性變形而不發(fā)生脆裂。此外膨脹后管材的母材橫向以及焊縫中心1/2尺寸試樣的0℃夏比沖擊吸收功較膨脹前分別下降了10%和17%，但是均大于40 J。膨脹后Φ153.0 mm×7.60 mm試驗(yàn)管的抗外壓擠毀強(qiáng)度高出API TR 5C3[12]標(biāo)準(zhǔn)要求值（25.6 MPa）7%，比膨脹前的管材下降了32%，這是由于管材外徑增大、壁厚減薄等多種因素共同作用的結(jié)果。綜上所述，寶雞鋼管生產(chǎn)的BX55膨脹套管徑向變形后的各項(xiàng)性能滿足API SPEC 5CT的要求，其強(qiáng)度、塑性及韌性匹配良好。

圖2 BX55膨脹管的顯微組織

表2 BX55管材膨脹前后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2.2 BX80膨脹套管的組織與性能

圖3為寶雞鋼管生產(chǎn)的BX80膨脹管的顯微組織。從圖3可以看出，管體母材組織與焊縫區(qū)域組織均為鐵素體+回火索氏體。

BX80管材膨脹前后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表3和表4。從表3可以看出，經(jīng)16.5%的膨脹變形后BX80膨脹管的屈服強(qiáng)度、延伸率和沖擊韌性指標(biāo)均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5CT~N80[11]要求。與未膨脹的BX80相比，焊縫沖擊韌性下降了7 J，延伸率降低了9.5%，屈服強(qiáng)度升高了55 MPa，抗拉強(qiáng)度升高了60 MPa，這是由于材料在冷變形過程中發(fā)生形變強(qiáng)化造成的。從表4可以看出，膨脹前管材的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，這是因?yàn)镾EW膨脹管是采用FFX成型、HFW焊接和熱張力減徑技術(shù)制成的焊接套管，而不是傳統(tǒng)的無縫鋼管（通常經(jīng)過淬火及回火后，套管的外表面為壓縮殘余應(yīng)力，內(nèi)表面為拉伸殘余應(yīng)力[13]）。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，膨脹前管材的殘余應(yīng)力在50 MPa左右，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，這是由于管材經(jīng)過熱張力減徑和熱處理后消除了部分殘余應(yīng)力，再通過自然時(shí)效處理進(jìn)一步降低了HFW直縫焊管的殘余應(yīng)力水平[14]。SEW套管膨脹變形后所產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)原來的拉應(yīng)力有一定的抵消作用，最終使得管材外表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，并減小壓縮殘余應(yīng)力的數(shù)值，達(dá)到削弱環(huán)向殘余應(yīng)力的水平；膨脹后Φ159.4 mm×7.1 mm管材的抗外壓擠毀強(qiáng)度超出API TR 5C3標(biāo)準(zhǔn)要求值（25.2 MPa）18%以上，卻僅為膨脹前管材（Φ139.7 mm×7.7 mm）的45%，內(nèi)壓爆破壓力超過API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求值（39.3 MPa）88%以上。這是因?yàn)楣懿慕?jīng)徑向膨脹以后，其外徑增加了14%，壁厚大約減小了8%，顯著增加了套管的徑厚比，這將導(dǎo)致管材的抗擠毀性能降低，而管材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的升高則會(huì)造成抗內(nèi)壓失效能力的提升。

圖3 BX80膨脹管的顯微組織

表3 BX80管材膨脹前后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

表4 BX80管材膨脹前后其他性能檢測(cè)結(jié)果

BX80管材膨脹前后試樣在室溫3.5%NaCl中性溶液中，恒電位-550 mV（SEC）極化144 h后的表面腐蝕形貌如圖4所示。從圖4可以看出，膨脹前、后管材試樣的焊縫區(qū)均含有腐蝕溝槽，表示焊縫處的耐腐蝕性能劣于母材區(qū)。同時(shí)，測(cè)定膨脹前試樣焊縫處腐蝕溝槽的平均腐蝕敏感性系數(shù)α1=1.09，膨脹后試樣溝槽的平均腐蝕敏感性系數(shù)α2=1.21，均小于評(píng)價(jià)指標(biāo)1.3[15]。膨脹變形將會(huì)降低材料的耐腐蝕性能，這是由于膨脹變形是依靠機(jī)械拉力或液體壓力在膨脹管內(nèi)從上到下或從下到上的作軸向移動(dòng)，以強(qiáng)行擠壓的方式使膨脹管發(fā)生塑性變形[16]，這將使得金屬材料表面結(jié)構(gòu)不均勻，產(chǎn)生包括晶界、位錯(cuò)等缺陷。由于位錯(cuò)線上及其附近的原子能量較高，這些具有高能量的原子腐蝕時(shí)將快速地失去電子變成離子，成為優(yōu)先腐蝕區(qū)域，促進(jìn)腐蝕[17]。

圖4 恒電位極化144 h后SEW膨脹套管的溝槽腐蝕形貌

3 應(yīng) 用

2014年4月11日，寶雞鋼管生產(chǎn)的Φ139.7mm BX55鋼級(jí)SEW膨脹套管（平端）經(jīng)中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院螺紋加工后，聯(lián)合華鼎石油在中石化西北局塔河油田成功實(shí)施深井側(cè)鉆水平井膨脹套管固井作業(yè)，創(chuàng)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)膨脹管下入井深最深6 065 m、井斜最大65.8°、連續(xù)膨脹距離最長(zhǎng)526.88 m三項(xiàng)紀(jì)錄。這是新型SEW膨脹套管的首次成功下井應(yīng)用，在塔河油田側(cè)鉆一開采用BX55膨脹管封堵深井不穩(wěn)定泥巖，比常規(guī)側(cè)鉆井技術(shù)可獲得更大的套管內(nèi)徑。相比于20G無縫管，由于BX55采用中頻感應(yīng)快速加熱及熱張減余熱快速冷卻技術(shù)，大幅減小了管材在中高溫區(qū)的滯留時(shí)間，從而保證了鋼管的內(nèi)外表面質(zhì)量，尤其是內(nèi)表面質(zhì)量，故此次下入的55根BX55膨脹管內(nèi)表面不經(jīng)拋丸、噴砂除銹處理，直接涂抹潤(rùn)滑脂使用，脹后通徑、抗外擠強(qiáng)度及管體穩(wěn)定性均滿足二開水平鉆井要求。

4 結(jié)束語

采用SEW工藝制造的國(guó)產(chǎn)BX55和BX80膨脹套管膨脹前具有較高的強(qiáng)塑性和韌性匹配，其經(jīng)液壓式膨脹變形后，管材的壁厚會(huì)發(fā)生減薄，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度會(huì)升高，同時(shí)延伸率、沖擊韌性、抗擠強(qiáng)度會(huì)有所下降，各項(xiàng)指標(biāo)均能夠滿足API SPEC 5CT、API RP 5C3等標(biāo)準(zhǔn)要求，可滿足相關(guān)工程應(yīng)用要求。

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Actual Products Performance Study on Domestic SEW Expandable Casing

LI Yuanzheng1,2,WEI Feng1,2,HE Shilei1,2,ZHANG Feng1,2,LIANG Hang1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China； 2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE973.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.004

2017-01-24

編輯：羅 剛

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目“高性能SEW膨脹管關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)2015KTCL01-15）。

李遠(yuǎn)征（1986—），男，碩士，工程師，主要從事油井管工藝技術(shù)研究和新產(chǎn)品開發(fā)工作。