國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)高韌油井管研究現(xiàn)狀

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(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065；2.山西風(fēng)雷鉆具有限公司 山西 侯馬 043013)

·綜述·

國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)高韌油井管研究現(xiàn)狀

劉戰(zhàn)鋒1，陳妍1，胡海燕2，牛利寧2

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065；2.山西風(fēng)雷鉆具有限公司 山西 侯馬 043013)

高強(qiáng)度油井管的強(qiáng)韌性不匹配是深部地層油氣資源勘探開發(fā)面臨的難題。通過(guò)性能參數(shù)比較，綜述了高強(qiáng)高韌油井管的品種及在研究、生產(chǎn)中存在的問(wèn)題和強(qiáng)韌化方法。在高端油井管產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家之間仍然存在一定的差距，應(yīng)加快高強(qiáng)高韌油井管國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

油井管；高強(qiáng)度；高韌性；失效；強(qiáng)韌化方法

0 引 言

隨著石油天然氣勘探開發(fā)程度的提高，水平井、深井和超深井、大位移井等鉆井技術(shù)的應(yīng)用，鉆井、完井成本和風(fēng)險(xiǎn)也在不斷提高，傳統(tǒng)的油井管已不能滿足使用要求。工況環(huán)境對(duì)油井管的要求也越來(lái)越特殊和苛刻。鉆桿、油套管正向著高強(qiáng)度、高韌性、智能化、數(shù)字化、防腐蝕、安全環(huán)保等方面發(fā)展。其中，高強(qiáng)高韌鉆桿和油套管材料的開發(fā)是油井管領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向和內(nèi)容。

1 國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)高韌油井管產(chǎn)品

目前用于大位移井鉆井、超深井鉆井和深水鉆井的鉆桿、油套管材料依然是超高強(qiáng)度鋼。市場(chǎng)上可提供的高強(qiáng)度鉆桿包括965 MPa(140 ksi)和1034 MPa (150 ksi)最小屈服強(qiáng)度級(jí)別，這些鋼質(zhì)鉆桿和S135鉆桿相比成本相當(dāng)。Grant Prideco 公司的V150鉆桿是其中的典型代表，它綜合了專有的化學(xué)成分和快速冷卻的調(diào)質(zhì)處理過(guò)程。在增強(qiáng)屈服強(qiáng)度的同時(shí)提供優(yōu)異的扭轉(zhuǎn)和拉伸強(qiáng)度，并增強(qiáng)了抗內(nèi)外壓的能力。2009年，Grant Prideco開發(fā)出了UD-165超高強(qiáng)度鋼鉆桿，其獨(dú)特的熱處理工藝使得鉆桿既滿足屈服強(qiáng)度的要求又滿足韌性要求。S135、Z140、V150和UD-165等超高強(qiáng)度鋼鉆桿的相關(guān)參數(shù)見表1[1]。從表1中可以看出，UD-165鋼鉆桿的強(qiáng)度重力比較S135提高了22%，比鈦合金低15%，位于第2位。UD-165鋼鉆桿的強(qiáng)度重力比優(yōu)于鋁合金鉆桿；由于采用薄壁結(jié)構(gòu)使得流體通過(guò)性能要優(yōu)于鋁合金及鈦合金鉆桿，這對(duì)于大位移井和深井尤為重要。截止2009年3月，該公司已生產(chǎn)出5種規(guī)格UD-165(VM-165級(jí))輕質(zhì)、薄壁超高強(qiáng)度鋼鉆桿，部分產(chǎn)品已在美國(guó)南德克薩斯州陸上平臺(tái)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；例如，采用壁厚12.7 mm(0.5 in)的UD-165鉆桿與Ф127 mm的S135 NC50鉆桿配合鉆進(jìn)，已成功施鉆2口井，現(xiàn)場(chǎng)沒有出現(xiàn)任何鉆桿失效事故。國(guó)外其他油井管生產(chǎn)企業(yè)的典型產(chǎn)品有V&M開發(fā)的橫向CVN沖擊功>40 J (-20 ℃)的中碳Cr-Mo-V系VM140155鋼級(jí)油套管、V150和V170鉆桿，JFE開發(fā)的韌性與強(qiáng)度匹配良好的Cr-Mo-Nb系140-170鋼級(jí)套管，以及住友開發(fā)的橫向CVN沖擊功>20 J (-46 ℃)的SM140G-155G鋼級(jí)油套管。

表1 帶剛接頭的高性能鉆桿相關(guān)參數(shù)對(duì)比

目前，我國(guó)油井管的主要制造企業(yè)有天津鋼管公司、寶山鋼管有限公司、中國(guó)石油渤海裝備公司第一機(jī)械廠、鞍鋼無(wú)縫鋼管廠、無(wú)錫兩姆萊斯石油專用管有限公司、衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司、無(wú)縫鋼管廠、成都無(wú)縫鋼管廠、江蘇誠(chéng)德鋼管公司、寶雞住金鋼管有限公司(ERW)等。各生產(chǎn)企業(yè)均獲得美國(guó)石油學(xué)會(huì)API會(huì)標(biāo)使用權(quán)、IS09002質(zhì)量體系認(rèn)證和IS014000環(huán)境管理體體系認(rèn)證，同時(shí)獲得了全國(guó)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證書，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

國(guó)內(nèi)典型的高強(qiáng)度油井管產(chǎn)品有寶鋼的BG140、BG150；西姆萊斯開發(fā)了WSP140、WSP150；衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司開發(fā)了V150；天津鋼管開發(fā)了TP140V、TP150V、TP155V等；中國(guó)石油渤海裝備公司開發(fā)的V150鋼級(jí)，以及近期報(bào)道的研發(fā)成功165鋼級(jí)超高強(qiáng)度鉆桿等。這些油井管產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)度油井管的空白，縮短了與國(guó)外的技術(shù)差距。但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，依然存在CVN沖擊功偏低的問(wèn)題[2]。國(guó)內(nèi)外典型高強(qiáng)高韌油井管產(chǎn)品及生產(chǎn)廠家見表2。

表2 國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)高韌油井管對(duì)比

2 高強(qiáng)度油井管產(chǎn)品存在的問(wèn)題

從材料的角度出發(fā)，目前超高強(qiáng)度油井管存在的問(wèn)題表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1)性能波動(dòng)范圍較大，高強(qiáng)度不能匹配高韌性

輕質(zhì)、薄壁的超高強(qiáng)度鋼鉆桿可用于解決大位移井、超深井和深水鉆井的鉆井難題。但由于高強(qiáng)度鋼在低溫下具有脆性且很難在抗沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度間達(dá)到平衡，所以前期關(guān)于制造屈服強(qiáng)度達(dá)到1 137 Mpa以上鋼級(jí)的高強(qiáng)度鋼的嘗試均告失敗。在國(guó)內(nèi)，超高強(qiáng)度鉆桿能否大規(guī)模投入應(yīng)用的關(guān)鍵是如何在屈服強(qiáng)度達(dá)到1 034 MPa以上時(shí)仍獲得令人滿意的沖擊韌性。目前，150鋼級(jí)超高強(qiáng)度鉆桿在-20 ℃條件下，全尺寸沖擊韌性可達(dá)到85 J以上，但其最高沖擊韌性尚沒超過(guò)100 J。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)965 MPa(140 ksi)以上鋼級(jí)油井管的沖擊韌性有過(guò)一些研究[3-7]，但對(duì)沖擊韌性沒有統(tǒng)一規(guī)定。一些觀點(diǎn)認(rèn)為對(duì)超高強(qiáng)度高級(jí)油井管夏比沖擊吸收能的規(guī)定可參照英國(guó)能源部指導(dǎo)性技術(shù)文件的規(guī)定，按照壓力容器可壓力鋼管橫向最低沖擊吸收能Akv≥YSmin/10計(jì)算，YSmin為材料規(guī)定屈服強(qiáng)度下限值。由此V140、V150、V170鋼級(jí)對(duì)應(yīng)的最低沖擊功為98 J、105 J、120 J；但“按失效評(píng)估圖核算，上述計(jì)算結(jié)果有些保守”。另有研究證明，將Akv≥YSmin/10經(jīng)驗(yàn)式推廣至載荷狀態(tài)和失效模式不同的深井超高強(qiáng)度套管及套管柱在理論上和實(shí)踐上都是缺乏依據(jù)并且是有害的。因此高強(qiáng)度油套管需要匹配多高的韌性，尚需進(jìn)一步研究。

表3 國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)油井管夏比沖擊吸收能最小值要求 J

注：1.T：管體橫向10 mm×5 mm 1/2非全尺寸夏比沖擊試樣；2.L：管體縱向10 mm×10 mm全尺寸夏比沖擊試樣；3.L1：管體縱向10 mm×7.5 mm 3/4非全尺寸夏比沖擊試樣。

國(guó)外部分生產(chǎn)廠家，住友金屬附加高韌性要求的深井用SM-G系列套管， JFE-125V、JFE-140VT深井套管， Tenaris DW 系列專有鋼級(jí)深井套管、V&M 公司超高強(qiáng)度深井鉆桿管體的夏比沖擊吸收能要求見表3。從表3可以看出套管和鉆桿管體技術(shù)要求不同，韌性(夏比沖擊吸收能)指標(biāo)要求卻是不同的，這與鉆桿管體與套管的載荷狀態(tài)、失效模式不同有關(guān)。需要指出的是，在高端油井管產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家之間仍然存在一定的差距，應(yīng)加快高強(qiáng)高韌油井管國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

2)鋼質(zhì)不夠純凈，S、P和有害元素的含量、超標(biāo)非金屬夾雜控制有待改善

S、P含量嚴(yán)重影響鋼材的性能，目前國(guó)內(nèi)外S、P含量控制已高出API標(biāo)準(zhǔn)的要求，但仍有較大的提升空間。鋼中夾雜物的類型、含量、尺寸、形狀、硬度、變形行為和分布對(duì)鋼的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生明顯影響。大尺寸夾雜物由于其較低的發(fā)生率通常是很難檢測(cè)到的，尤其對(duì)于體積較大的油井管材料更是如此。大量試驗(yàn)觀察表明，在彎曲疲勞中, 夾雜物附近是主要的裂紋萌生源。眾多油田現(xiàn)場(chǎng)失效案例表明，構(gòu)件在循環(huán)載荷的作用下，裂紋首先在夾雜物或其他缺陷處萌生，且疲勞失效最有可能發(fā)生在最大夾雜物處，因此，研究高強(qiáng)度鋼中夾雜物對(duì)鋼的性能的影響就顯得尤為重要。

3)應(yīng)力腐蝕敏感性高

鉆具、油套管的鋼級(jí)越高，也就是材料的強(qiáng)度和硬度越高。在含硫環(huán)境中鉆井，發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂失效的機(jī)率也越大。油田現(xiàn)場(chǎng)高強(qiáng)度鉆桿因應(yīng)力腐蝕開裂失效的例子屢見不鮮。為此，研發(fā)了抗硫鉆桿，但是抗硫鉆桿的價(jià)格貴，大約是普通鉆桿的2倍。其次，抗硫鉆桿強(qiáng)度有待提高，目前國(guó)內(nèi)可生產(chǎn)的抗硫鉆桿有SS95和SS105，SS120抗硫鉆桿還在研發(fā)當(dāng)中。國(guó)外的美國(guó)格蘭特鉆桿有限公司研發(fā)成功并在油田應(yīng)用的也只限于SS120鋼級(jí)的抗硫鉆桿。

3 高強(qiáng)度油井管產(chǎn)品的強(qiáng)韌化方法

鑒于高強(qiáng)度鉆桿、油套管在生產(chǎn)和制造過(guò)程中常常遇到強(qiáng)度與韌性的矛盾，例如在“狗腿”部位高鉆桿受到的交變應(yīng)力的作用，很容易發(fā)生斷裂或刺穿事故。生產(chǎn)廠家開始嘗試開發(fā)新的鋼種，一方面，通過(guò)改變鋼的成分來(lái)增加強(qiáng)度和韌性。另一方面，通過(guò)調(diào)整材料成分和熱處理工藝來(lái)改善材料的強(qiáng)度和韌性。

1)改變鋼的成分

基于固溶強(qiáng)化機(jī)制，在鋼中添加Mn、Si等置換固溶元素，C、N、B等間隙固溶元素；通過(guò)進(jìn)一步降低P、S含量，添加Mo等合金元素以及合理的調(diào)制熱處理工藝來(lái)達(dá)到。姜新越等[8]針對(duì)V150鋼級(jí)的研究發(fā)現(xiàn)，合金元素的多重析出特性，使得第二相粒子的體積分?jǐn)?shù)隨回火溫度升高呈現(xiàn)“先升后降”的規(guī)律，為優(yōu)化回火溫度、增強(qiáng)析出強(qiáng)化效應(yīng)、保持鋼級(jí)、提高沖擊韌性提供了優(yōu)化空間。因此，基于彌散強(qiáng)化或細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制，可在鋼中添加Cr、Nb、Mo、V 、Ti等微合金元素，在材料高溫冷卻過(guò)程中或回火時(shí)析出細(xì)小碳化物組織，可顯著提高基體的強(qiáng)度。一般在微合金化低碳鋼中，當(dāng)碳化物(第二相)的體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.2%時(shí)，同時(shí)第二相粒子的尺寸為幾個(gè)納米時(shí)，可使鋼的強(qiáng)度提高約200～400 MPa。蘇義詳?shù)萚9]制備了一種100V-Cr-Mo石油套管材料，其中添加的Mo、V元素可以保證鋼中的淬透性和阻礙晶粒的長(zhǎng)大，對(duì)韌性具有較大幅度的提高。因?yàn)榈奶蓟镂龀鏊斐傻膹浬?qiáng)化彌補(bǔ)了回火軟化帶來(lái)的強(qiáng)度下降，從而使得材料的強(qiáng)度不隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。

但是碳化物析出帶來(lái)的彌散強(qiáng)化作用只能部分彌補(bǔ)回火溫度升高帶來(lái)的回火軟化，即回火溫度對(duì)材料強(qiáng)度起著決定性作用。且合金元素添加會(huì)帶來(lái)成本的增加，因此還需通過(guò)調(diào)整工藝，例如控制回火溫度來(lái)提高油井管材料的強(qiáng)韌性。

2)調(diào)整工藝

目前油井管用超高強(qiáng)度鋼熱處理工藝一般為淬火+回火處理。基于相變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化機(jī)制，淬火溫度的選擇是在保證完全奧氏體化的情況下盡量降低淬火加熱溫度以獲得細(xì)晶粒，再通過(guò)回火消除應(yīng)力并獲得回火索氏體，同時(shí)保證碳化物彌散析出?；鼗饡r(shí)析出細(xì)小碳化物組織，可顯著提高基體的強(qiáng)度。

姜新越等[8]研究表明，鉆桿鋼的回火溫度在625640 ℃之間存在一個(gè)拐點(diǎn)溫度，在拐點(diǎn)溫度以下，在保持V150鋼級(jí)的基礎(chǔ)上，其沖擊韌性隨回火溫度升高而顯著升高，沖擊功從103 J提高到151 J，超過(guò)了英國(guó)能源部10%屈服強(qiáng)度數(shù)值的要求，可以滿足“先漏后破”斷裂準(zhǔn)則的要求。而在拐點(diǎn)溫度之上，材料鋼級(jí)即強(qiáng)度迅速下降。蘇義詳?shù)萚9]制備了一種100V-Cr-Mo性能優(yōu)于V150的石油套管材料。采用890～910 ℃淬火+650 ℃高溫回火處理，使材料屈服強(qiáng)度達(dá)到1 150～1 160 MPa、抗拉強(qiáng)度1 190～1 240 MPa、伸長(zhǎng)率18%～23%、沖擊功102～132 J(0℃)，100V-Cr-Mo材料的調(diào)質(zhì)處理組織細(xì)小、均勻，晶粒度大于9級(jí)，為回火索氏體。

4 結(jié) 論

論述了高強(qiáng)高韌油井管的品種、在研究和生產(chǎn)中存在的問(wèn)題和強(qiáng)韌化方法。產(chǎn)品性能波動(dòng)范圍較大，高強(qiáng)度不能匹配高韌性，鋼質(zhì)不夠純凈；S、P和有害元素的含量、超標(biāo)非金屬夾雜控制有待改善以及應(yīng)力腐蝕敏感性高是高強(qiáng)高韌油井管產(chǎn)品面臨的主要問(wèn)題。通過(guò)改變材料的成分和調(diào)整生產(chǎn)工藝改善油井管的強(qiáng)度和韌性仍是主要的研究方向。

[1] JELLISON Michael. Ultra-high-strength drill pipe may meet demands of ERD, Critical deep drilling. DRILLING CONTRACTOR, March/April 2009:53-56.

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[3] 李平全，趙映輝，佟 琳.關(guān)于超高強(qiáng)度套管夏比沖擊功吸收能規(guī)定值的討論[J].鋼管，2010，39(5):7-15.

[4] 李鶴林.油井管發(fā)展動(dòng)向及若干熱點(diǎn)問(wèn)題(下)[J].鋼管，2006，35(1):1-6.

[5] 李鶴林.油井管發(fā)展動(dòng)向及若干熱點(diǎn)問(wèn)題(上)[J].鋼管， 2005，34(6):1-6.

[6] 陳秀麗，韓禮紅.高鋼級(jí)套管韌性指標(biāo)適用性計(jì)算方法研究(上)[J].鋼管，2008，37(3)：13-17.

[7] 陳秀麗，韓禮紅.高鋼級(jí)套管韌性指標(biāo)適用性計(jì)算方法研究(下)[J].鋼管，2008，37(4):23-27.

[8] 姜新越，胡 峰，莊大明.回火溫度對(duì)V150鉆桿鋼的強(qiáng)韌性匹配的影響[J].鋼管， 2012，41(5):22-27.

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TheDomesticandForeignResearchStatusofHighStrengthandHighToughnessofOCTG

LIUZhanfeng1,CHENYan1,HUHaiyan2,NIULining2

(1.Xi’anShiyouUniversity,Xi’an,Shaanxi710077,China; 2.ShanxiFengleiDrillingToolsCo.,Ltd.,Houma,Shanxi043013,China)

The mismatch of strength and toughness of high strength OCTG is a dilemma for exploration and development in deep oil and gas fields. By performance parameter comparison, the grades, critical issues and strengthening-toughening for the high strength and high toughness OCTG were discussed. There is still a technology gap between China and developed countries in the field of high-end OCTG product, and the localization process of high strength and high toughness OCTG should be accelerated.

OCTG; high strength; high toughness; failure; strengthening-toughening

劉戰(zhàn)鋒，男，1962年生，教授，1983年畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)，主要從事深孔加工、機(jī)械制造工藝與刀具研究。E-mail: 13572896975@163.com

TE921

A

2096-0077(2017)06-0005-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.002

2017-09-25

葛明君)

廣告索引

北京麥思泰克科技有限公司

(封二)

石油管工程技術(shù)研究院西部研究所

(插1)

永興科技發(fā)展有限公司

(插2、3)

中國(guó)石油西南化工銷售公司

(插4)

安東檢測(cè)有限公司

(插5)

鄒城德通鋁合金鉆桿有限公司

(插6)

威海鴻通管材股份有限公司

(插7)

江蘇荃航閥門公司

(插8)

天擎科技

(插9)

北京華脈世紀(jì)石油科技有限公司

(插10)

四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司

(插11)

石油管材標(biāo)準(zhǔn)、圖書、文集及期刊的征訂

(插12、封三)

國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心

(封四)