?139.7mm×7.72mm CS-140ZT外加厚直連型套管的研發

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

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)

介紹了攀成鋼研發的一種超高強度直連型特殊螺紋接頭套管,通過優化螺紋結構設計、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,開發出了滿足國內某油田側鉆井要求的?139.7×7.72mm CS-140 ZT超高強度直連型特殊螺紋接頭套管,闡述了工藝技術難點及相應措施。結果表明:開發的產品具有鋼種純凈、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,并已在國內某油田成功應用。

外加厚;直連型套管;高強度高韌性

1 引言

國內某油田油藏埋深5 500m,隨著后期穩產需要,需進行側鉆二次開采。而在原?177.8mm套管開窗側鉆,采用?149.2mm鉆頭鉆進,?149.2mm井眼可選擇常規套管有?127mm、?139.7mm(非標)及?142.88mm套管,這三種套管性能參數及?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

攀成鋼根據用戶實際需求,通過優化原有成熟的直連型接頭設計,開發了具有自主知識產權的?139.7mm×7.72mm CS-140 ZT直連型特殊螺紋接頭套管。

2 套管主要技術要求

2.1 螺紋接頭

在原有成熟直連型接頭設計基礎上,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 成分設計

成分設計根據CS-140套管超高強度、高韌性技術要求,同時兼顧經濟性開發原則,確定了中碳Cr-Mo系復合添加少量釩、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?；瘜W成分見表5。

上述鋼的成分選擇體現了以下指導思想:

(1)碳、錳、鉬和鉻等元素的最佳配比既保證其產品性能,又考慮其經濟性

碳是最經濟的強化元素,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。所以把調質鋼的碳量上限定為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。鉬有促貝氏體轉變的作用,從而有效抑制奧氏體轉變為珠光體,提高鋼的淬透性。有研究表明,當鉬含量為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,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腐蝕的作用,增加鋼的熱強性。因此確定鉻含量應控制在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。硫導致鋼材各向異性,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。當磷含量大于0.015%時,會導致嚴重的偏析,提高鋼的脆性轉變溫度,顯著降低鋼的低溫沖擊韌性。

4 鋼的冶煉質量控制

為滿足CS-140套管超高強度、高韌性的要求,鋼坯質量是基礎。冶煉工藝對鋼質的純凈度影響很大,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夾雜物的轉變。

(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、結晶器電磁攪拌參數及末端電磁攪拌參數,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,以減少軋制缺陷產生,提高品種成材率,降低生產成本。

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,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間就是理想的塑性加工區間。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,其結果見圖1所示,結果表明該鋼種的理想塑性加工溫度區間為1 160℃～1 260℃。此溫度作為制定管坯加熱溫度的重要依據。

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,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,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生。

5.3 加強芯棒、導盤工藝潤滑

加強工藝潤滑是提高CS-140超高強度套管內、外表面質量的關鍵因素之一,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量缺陷的重要措施。因此,要求毛管內表面防氧化劑噴涂均勻,保證芯棒工作段得到良好的潤滑。針對導盤粘鋼的問題,開發了專用導盤潤滑劑,在穿孔時均勻涂抹在導盤表面,徹底解決了導盤易粘鋼問題。

6 加厚工藝研究

根據螺紋加工要求,確定了該規格加厚端外徑?148mm,內徑?118 mm、外加厚長度120mm～140mm,內加厚長度130mm～140mm。

傳統的鍛造理論認為,鋼管管端加厚單道次壁厚鍛造比應不大于1.5,否則會造成變形失穩、產品表面產生橫向皺折等缺陷。通過計算?139.7mm×7.72mm規格鍛造比為2.0,理論上一次成型較困難。通過優化加厚模具設計,優化管端感應式加熱制度,改造鐓粗潤滑設備,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→反向對齊→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

實物質量見圖2。

圖2 實物質量

7 熱處理及矯直工藝研究

采用全長調質熱處理,由于加厚端與管體規格差距較大,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性能的影響,從中優選出適宜的熱處理工藝參數。

7.1 淬火溫度及加熱時間的選擇

CCT曲線反映了連續冷卻條件下過冷奧氏體的轉變規律,是分析連續冷卻過程中奧氏體轉變過程及產物組織和性能的依據,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標準分別測定了CS-140套管鋼的相變點,見表6和圖3連續冷卻轉變曲線圖。

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,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性能趨于一致。

7.3 鋼管經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用

經國家石油管材質量監督檢驗中心檢驗,?139.7mm×7.72mm CS-140ZT直連型套管的使用性能完全滿足設計及用戶使用要求。

(1)螺紋參數符合技術要求。

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

(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,內壓屈服強度153 MPa,遠超過設計指標。

(4)根據實際工況,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。

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

9 結語

(1)研發的?139.7mm×7.72mm CS-140ZT直連型套管,對原有直連型接頭進行優化,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)成分設計滿足套管超高強度、高韌性要求,純凈鋼冶煉技術有效控制了有害化學元素及夾雜物含量。

(3)通過對軋制工藝、加厚工藝、熱處理工藝和溫矯工藝參數的不斷優化,產品的幾何尺寸精度高,表面質量好,性能穩定,滿足了套管設計要求。

(4)套管下井順利,一次固井成功,完全滿足了用戶開窗側鉆水平井的開發要求。

[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:機械工業出版社,2009.

[3] 張志文.鍛造工藝學[M].北京:機械工業出版社,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品開發及研究工作。