先进钢铁材料在石油天然气工业应用前瞻.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 1 期 ． _ 专题综述 先进钢铁材料在石油天然气工业应用前瞻 李春福 宋 开红 申文竹 罗平亚 西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室 摘要在分析新世纪石油天然气领域技术进步和新一代钢铁材料发展的基础上，提出了引入 和开发适用于石油天然气领域的新一代钢铁材料的途径，建立起先进石油天然气用钢 的概念和先 进规范，这对于我国石油天然气科技进步和国家经济高速发展具有重要 的理论和实际意义。并对 研发先进石油天然气用钢提 出了若干建议。 关键词 石油天然气用钢 钢铁材料 高强度钢 前瞻 0 引 言 近年来 ，国内外石油天然气的需求极大地促进 了我 国石油科技的进步，从深井 超过 4 0 0 0 m 、 超深井 超过 6 0 0 0 m的钻探成功并找到高产油 气资源 ，以及特深井 超过 9 0 0 0 m钻探 ，到复 杂油气藏与高含酸性气体油气 田开发等 J ，对钻 采装备 、配套工具和工艺技术 都提 出了更高 的要 求。经过几十年的努力，我国在高技术钻采装备领 域取得了一定的进展 ，如 2 0 0 8年我国宝鸡石油机 械有限责任公司研制成功并投入使用的 1 2 0 0 0 m 特深井钻机 ，天钢 、宝钢、攀长钢研制成功镍基合 金 G 3油套管 ，以及 “ 十一五”期间可膨胀管、连 续油管和套管钻井等新技术的发展，都为石油天然 气工业的高速发展提供了相应的技术支持 。 众所周知 ，石 油天然气钻探 开发 以及石油 装 备、配套工具的进步 ，在很大程度上依赖钢铁等金 属材料的发展。同样 ，在最近 2 0年中，钢铁等金 属材料领域的科学与工艺技术也得到长足的进步 ， 从2 0世纪后期的微合金化非调质钢、无间隙原子 钢和双相钢的诞生与应用 ，到 2 0世纪末 2 1 世纪初 通过热机械控制工艺获得超细晶粒钢以及相变诱发 塑性钢 T R I P 、孪 生诱发 塑性钢 T WI P 等先 进高强度钢概念的推出 ” J ，到 2 0 0 9年我 国开展 的高性能 钢 的 M 3组织调 控理 论与技 术研 究 引， 对当代科学技术及各工业部门的技术进步、节能减 排都起到巨大的作用。以汽车工业为例 ，近年来汽 车工业在节能 、安全和轻量化方面，为钢材的选用 和新钢铁材料的开发开辟了一条现代高科技之路。 先进 的汽车用钢 ，新一代汽车用钢铁材料的理念提 出，为汽车工业的发展注入了强大的生命力 2 o J 。 相 比之下 ，石油天然气工业在现代新的先进钢 铁材料应用上虽然取得了一定的进展 ，如在抽油杆 上使用非调质钢 ，石油天然气输送管道用钢中引入 针状铁素体管线钢概念等。但总体上说 ，在针对石 油天然气工业提出的新理念、新要求， 从材料学科 的角度缺乏相应的研究 ，从推广应用的角度缺乏总 体要求与规划。以至于在石油天然气领域，从钻采 装备 的设计思想到材料的选用大多延续着 2 0世 纪 中后期的观念。 作为钢铁与金属材料重要的应用领域之一 ，笔 者认为应该在石油天然气工业 中建立与当前先进的 钢铁与金属材料相适应的石油天然气用钢的概念 ； 最大 限度地推广应用已经在其他领域中成功应用的 先进钢铁材料 ；同时，结合石油天然气领域中的特 殊需求设计开发新的石油天然气用钢 ，以解决新世 纪石油天然气安全 高效开发 ，包括深井 、超深井 、 特深井钻探；高含 H S和 C O 的酸性油气田以及 复杂油气藏开发；提高采收率等新技术中遇到的种 种难题。降低开发成本，提高经济效益，同时达到 节能减排 ，保护环境的 目的。 基金项 目国家 “ 8 6 3 ”计划项 目 “ 膨胀管钻井 技术 ” 2 0 0 6 A A 0 6 A 1 0 5 。 2 0 1 1年第3 9卷第 1 1 期 李春福等 先进钢铁材料在石油天然气工业应用前瞻 一 6 1 1 新一代高强度钢铁材料的研 究 1 ． 1 新一代钢铁材料的研究 新一代钢铁材料是指充分利用人类 1 0 0多年来 在物理冶金 、化学冶金和力学冶金上 的研究成果 ， 使钢铁材料的合金化作用和生产工艺技术进步相结 合 ，发展的新一代钢铁材料产品并进行的基础理论 研究。其主要特征 为在充分考虑经 济性 的条件 下，使钢材具有高洁净度 钢中的杂质元素 S 、P 、 O、N、H 的总质量分数小于 8 ． 01 0 、超细 晶 粒 钢的晶粒尺寸在 0 ． 1～1 0 ． 0 tx m之 间 、高均 匀度 钢的化学成分 、组织和性能均匀 的特征 ， 强度、使用寿命比常用钢材提高 1倍。并在钢的化 学成分- 制备工艺一 组织结构． 性能的关系中，重点强 调组织的主导地位 ，即其超细微组织表现出的优异 的综合性能。新一代钢铁材料的基础理论研究表现 在 2个方面 ①超细 晶粒理论和实现方法的研究 ； M 3组织调控理论及工艺技术的研究 。 1 ． 1 ． 1 超 细 晶粒钢 的研 究 自 近代液态钢铁冶金生产至今，大量生产和使 用的碳结钢 约 占钢产量 7 0 ％的屈 服强度 一直 为 2 0 0 MP a级。人们从完整晶体铁的理想强度研究 结果 出发 S ． S ． B r e n n e r 给出纯铁 方向的实 测抗拉强度为 1 3 ． 1 G P a ，认为钢的强度仍有很大 的提高空间，尽管以往所用的钢均是采用金属缺陷 强化原理生产的。应该说，在人类使用钢材的一百 多年的时间里 ，人们对钢 中的强化机理 固溶 强 化、析出强化 、位错强化和细晶强化等 已有 了深 刻的认识，但是，在通过合金化和工艺控制可以很 好地获得所需要的性能这个 问题上仍然有许多不明 了之处。能否经济地提高其强度、减少钢材使用 量 ，一直是 国际上重点关注的问题。 在实现钢铁材料强度 翻番的材料科学方法上 ， 晶粒细化是最有效可行 的方法。根据钢材的屈服强 度与 晶粒尺度关 系 的 Ha l 1 ． P e t c h公 式 。 ，多晶体的屈服强度 o r 与晶粒平均直径直接 相关 。因此 ，细化晶粒是强化钢铁材料的重要手段 之一。超细晶粒钢是当今世界钢铁材料技术领域的 开发热点。研究表明 引，如果将铁素体晶粒从工 业生产的 2 0 Ij r n左右细化到微米级 5 Ix m ，碳结 钢的屈服强度可以从 2 0 0 MP a提高到 4 0 0 M P a ；将微 合金化钢的晶粒从工业生产的十几个微米细化到 2 I J r n 左右，屈服强度可以由4 0 0 M P a提高到 7 0 0 MP a 。 对于超细晶粒钢的获得方法 ，在过去的数十年 间最重要 的钢铁技术进展之一是控轧控冷细化微合 金钢组织的技术 ，即所谓热机械控制工艺的工业方 法。这种方法是在热轧过程中控制加热温度 、轧制 温度和压下量的控制轧制的基础上 ，再实施空冷或 控制冷却的技术总称。 1 ． 1 ． 2 高性 能钢 的 M3组 织调 控理 论 与技 术研 ] 钢材的性能与组织密切相关。钢铁材料的组织 表征和有效控制逐渐从微米尺度深入到纳米尺度。 钢铁材料的性能改善 由 1 0 。 I n单位尺度逐渐提高到 1 0 m单位 ，性能 G i g a化 与组织控制 的 N a n o化相 连，与多相组织 、亚稳组织、多尺度组织的认知和 控制密切相关。通常 ，人们认为对单一强化机理的 认识已经深入到了原子尺度 。但是实际上人们对钢 铁材料是由多个强化机制所共同作用的结果 、多种 强化机制相互作用 的认识还 远远不足。 “ 多相组 织 、亚稳组织、多尺度组织” M3 是认 知钢铁 材料行为与控制钢铁材料性能的关键因素 ，是 目前 钢铁材料学科发展的前沿。 针对钢铁结构 材料的现状与发展 趋势 ，我 国 9 7 3钢铁材料三期项 目 2 0 0 9年 研究 M3组织的 形成现象 、规律和理论 ，并形成高性能钢生产和应 用的控制技术 。 目前 ，我国低合金钢生产和应用技术 已经接近 国际先进水平。第 1代 R 3 0 0～5 0 0 MP a级 的铁 素体／ 珠光 体 的 C ． Mn钢 、S i ． M n钢、微合金钢等 和第 2代 R 5 0 09 0 0 MP a级 的针状铁 素体钢、 贝氏体钢 、马氏体钢等 是 目前生产和应用量大面 广的材料。第3代正在研制中的具有更高韧性和塑 性的超高强度钢，在保持高强度的同时，将大幅度 提高塑性或韧性 ，其 R ≥9 0 0 MP a ，低温 A b ≥2 5 0 J ，伸长率 8 I3 0 ％ ，同时具有 良好的加工性能。 1 ． 2 近几十年的新型钢铁材料的发展及应用 近年来 ，先进 高强度 钢 ，包括无 间 隙原 子钢 I F 、双相 钢 D P 、相 变诱 发塑性钢 T R I P 、 孪生诱发塑性钢 T WI P 、复相钢 c P 、马氏体 钢 M A R T 、低碳 铝镇静钢 M i l d 、高强 度 I F 钢 H S S I F 、烘 烤 硬 化 钢 B H 、各 向 同性 钢 I s 、碳猛 钢 C Mn 、高强 度 低合 金 钢 H S L A 、不锈钢 S t a i n l e s s 和热冲压用钢 B s t e e 1 等 见图1 已经成为汽车等高技术领域中应用研 究的热点。这类钢材具有 良好的强塑性配合 ，是当 代节能减排，降低制造业成本和能源消耗的重要基 础材料。 石 油机械 2 0 1 1年第3 9卷第1 1 期 7 0 60 5 O 。 差 3 0 20 1 0 0 屈服 强度／MP a 图 1 先进 高强度钢 的强度和伸长率关 系图 1 ． 2 ． 1 非调质 钢 非凋质钢也称为微合金非调质钢 ，是一种将轧 制 或锻造与热处理结合 为一体 ，省 去热处理 调质 淬火 高温 回火 工序的新型节能结构材 料。它是伴随国际上能源短缺而发展起来的一种高 效节能钢， 其性价比远优于传统合金结构钢，可广 泛用于 装备 制造业 。 自 1 9 7 2年 联邦 德 国 的蒂森 T h y s s e n 特殊 钢公 司推 出第 1个非调质 钢钢种 4 9 Mn V S 3以来 ，由于非调质钢具 有节约能 源、简 化生产工艺和降低成本等诸多优点 ，在世界各国得 到迅速发展。大量的非调质钢钢号不断涌现，尤其 是国际上处于节能减排的今天 ，非调质钢的推广应 用更是具有重大的经济效益和社会效益 。 1 ． 2 ． 2双 相钢 双相钢是由马氏体或奥氏体与铁素体基体两相 组织构成的钢 。双相钢是低碳钢或低合金高强度钢 或不锈钢经过两相 区热处理或控轧控冷而得到的 ， 双相钢在纯净的铁素体晶内或晶界弥散分布着奥 氏 体或马氏体相 ，因此其强度与韧性得 到很好协调。 双相钢的强韧性能主要 由两相 的相对 比例决定 ，其 力学性能特点为拉伸应力． 应变 曲线呈光滑的拱形 ， 无屈服点延伸 ，且具有高的加工硬化率 ，尤其是初 始加工硬化速率 ；具有低的屈服强度和高的抗拉强 度 ，成形后构件具有高的压溃抗力 、抗撞击 吸收能 和高的疲劳强度以及大且均匀的伸长率。目前，第 3 代双相钢的R 达 4 0 0～ 5 5 0 M P a 为普通不锈钢 的2倍 ，因此可以节约用材，降低设备制造成 本 。在抗 腐 蚀方 面，特 别 是 介 质 环 境 比较 恶 劣 如海水 ，氯离子含量较高的条件下，双相不锈 钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能 明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高合金奥氏 体不锈钢媲美。 1 ． 2 ． 3相 变诱发 塑性 钢 在低碳钢 中，加入一定量 的合金元 素 S i 、M n 等 ，通过相应工艺获得相变诱发效应 ，实现高的强 塑性水 平 ，这 种 钢 称 为 相 变诱 发 塑 性 钢 ，简 称 T R I P钢。所谓相变诱发塑性是指钢材在深加工 变 形过程中随着变形的产生诱发钢中残余奥氏体向马 氏体转变而产生逐渐硬化，使得变形不再集中于局 部 ，而是扩散至钢材整体达到均匀的这一现象 ，简 称 T R I P效应。T R I P钢是由铁素体、贝氏体和残余 奥 氏体组成的三相组织。在加工变形过程中，当变 形累积至临界变形 时，随着变形程度的继续增加 ， 残余奥氏体逐渐转变为马氏体，直到这一转变全部 完成。此 时，T R I P钢 达 到最强 的相变 强化 效果 。 T R I P钢性能的变化范围如下。R 3 4 0～8 6 0 M P a ， R 6 1 0～ 1 0 8 0 MP a ，伸长率 6 2 2 ％ ～ 3 7 ％。 1 ． 2 ． 4孪 生诱发 塑性 钢 孪生诱发塑性是 G r a s s e l 等 1 9 9 7年在研究 F e M n S i A 1 系 T R I P钢时发现的，这种钢的化学成分 是 C为 0 ． 0 3 ％ ～1 ． 5 ％ ，W Mn 为 1 5 ％ ～ 3 5 ％ ，A 1 小于 3 ％，S i 小于 3 ％ ，另外还可以根 据使用环境要求添加各种合金元素。这类钢 的 R 为 6 0 0～1 9 0 0 MP a ，拉伸时无缩颈 ，伸长率可高达 3 0 ％ ～ 9 5 ％ ，强塑积在 5 0 0 0 0 MP a ％以上 ，是高强 韧性 T R I P 钢的2 倍 ，冲击韧度值在很宽的温度区 问 一1 9 6～ 4 0 0 都有很高的值，除此之外， T WI P钢具有高的能量吸收能力，可达传统深冲钢 的 2倍以上 ，在 一1 9 6 ～ 2 0 0℃形变温度区间没有 低温脆性转变现象。其试样 的拉伸断裂前 、后对比 及扭转结果见图 2 。孪晶诱导塑性钢在室温下其组 织为奥 氏体 ，在变形过程中将发生机械孪 晶并诱导 塑性 即 T WI P效应，从而保证 了其优 良的强塑 性能。十几年来 ，T WI P钢 已经发展 了 3代 ，第 1 代为 F e - 2 5 Mn ． 3 A ． 3 S i ，第 2代 为 高 强 度 的 F e 一 0 ． 6 C ． 1 8 2 3 M n ；第3代为根据使用环境要求开发的 T WI P钢。 图 2 T WI P钢试样拉 伸断裂前后 的对比及扭 转结果 1 ． 2 ． 5超 级 不锈钢 近几十年来，超级不锈钢的产生是人类应用材 料的一大进步，超级不锈钢实际上是指在特殊腐蚀 环境中具有高抗腐蚀性能 ，在一定程度上可 以代替 镍基合金等高性能、有特殊性能的不锈钢，是一种 含有约 6 ％钼的特种不锈钢 ，代表性 的包括 2 5 ． 6 Mo 2 5 N i - 2 3 C r 一 5 ． 5 M o - 0 ． 2 N 、2 7 - 7 M o I N C O L O Y 合 金等， 具有远超普通不锈钢的耐高温、耐腐蚀的 性能。从某种意义上说 ，超级不锈钢超越了以往的 2 0 1 1年第3 9卷第 1 1 期 李春福等先进钢铁材料在石油天然x - ,3 k 应用前瞻 不锈钢范畴 ，其发展趋势具有替代或部分替代具有 抗高温 、抗特殊环境腐蚀的镍基合金的可能。近年 来 ，超级不锈钢同样 向着更精 细的特殊成分设计 、 超高洁净度 、超 高均匀 性 成分 、组织 和性 能 和高的性价比方向发展。 2 先进的石油天然气用钢 石油天然气工业 的勘探 开发 向着 深井、超深 井、特深井和复杂油气藏及稠油方 向发展 ，采油采 气工程向着提高采收率方 向发展。新型钻采工业装 备和钻完井技术 的不断涌现 ，对钢铁材料提出了更 高要求。这使得材料研究开发工作面临着更新 的挑 战 ，这中间包括超深井 、特深井和稠油井 的钻探开 发中随着井 深的增 加 ，井下温度 的升高 可达 到 3 5 0℃以上 所需要的耐一定高温的超高强度钢钻 具和油套管，开发抗高含酸性气体的抗 H s腐蚀 的油套管材料 ，及可膨胀管、连续管所需要的特殊 材料等。这些材料的研制开发涉及到如下 的材料科 学问题 ①井下温度超过 1 5 0℃后带来的钢材长期 在井下使用 中的组织不稳定性问题 ，如碳素钢和低 合金结构钢在 2 0 0～3 0 0℃温度 范围内出现的应变 失效导致的蓝脆现象 ；②钢材的屈服强度随温度升 高变化导致 的油、套管抗挤毁强度的变化 ；③高含 H s和 C O 酸性油气田的油套管钢 S S C C损坏机理 以及开发所需的高性价比的特殊钢铁材料 的物理冶 金问题； ④可膨胀管材料井下膨胀过程中的动态形 变和动态回复 ，以及动态应变失效问题 ；⑤大 口径 连续管制造 中的新钢种开发和反复使用中的柔性油 管的组织稳定性 问题 ；⑥新型钻采装备 、工具制造 应用中减重和节能降耗涉及到的材料科学 问题 ；⑦ 大口径高钢级的长输管线 X 8 0一 X1 2 0 钢的新钢 种开发以及焊缝管中焊接金属理论与工艺 问题 ；⑧ 提高采收率的三次采油 中提高采油 机械装备 的效 率 、延长工作寿命和节能减排涉及的材料科学问题 等。这里需要针对石油天然气工程问题进行材料科 学与工程基础和制备技术的研究 ，以及相应的行业 规范和国家标准改进等。 2 ． 1 石油天然气开发中的材料科学问题 石油天然气工程和装备技术 的进步迫切要求材 料科学解决以下问题。 2 ． 1 ． 1 适用于新石 油天然气工业应用的材料设计 问题 这里包括钢材的组织结构设计、材料热力学设 计以及材料的电子结构设计，包括余氏理论和程氏 理论_ 2 、嵌 入原 子理论 、采用 格林 函数 递 归 法 以及 D电子理论 和密度泛 函理论 进 行 的材料设计等，这方面是当代材料科学的前沿，是 材料领域的科学性先进性体现 ，这一领域的发展将 从理论上解决材料设计的根本问题 。 2 ． 1 ． 2 用于深 井、超深井开发和特深 井勘探超 高 强度 钢 的研制 开发 对于深井 、超深井和特深井遇到的最大挑战就 是 目前超高强度钢的力学性能难以满足钻井 、完井 工作 的需要。考虑到钻机吊钩的载荷问题 ，目前深 井、超深井以及大斜度井和超长水平井钻探采用的 钻铤 、钻杆多为低密度碳纤维复合材料 、高强度铝 合金或钛合金制造 。但是由上述 3种材料制造 的钻杆都存在着较大的问题 低密度碳纤维复合材 料钻杆壁厚大 、水力效率差 ，而水力效率是超深井 钻探的主要指标 ；铝合金钻杆同样 ，且当温度高于 1 2 0℃时屈服强度急剧下降 ；钛合金钻杆质量轻力 学性能好、抗冲蚀性能优越，但价格昂贵且柔性过 大。这些都是超深井和特深井钻探中难以解决的问 题 。因此 ，开发低密度超高强度钢钻杆和钻铤就成 了当前深井 、特别是超深井和特深井钻探钻具和钻 铤钻杆的重要课题。当前的 0 ． 6 - 1 ． 5 C ． 1 8 - 2 3 M n的第 2代 T wI P钢， H 可达到 7 0 0 9 0 0 MP a 、R 可高达 1 4 0 0～ 1 9 0 O M P a 、伸长率可高达3 0 ％ ～ 9 0 ％， 对其 进行洽当的成分设计和钻杆钻铤制备工艺的工业探 索，应该在不远 的将来 就可以制备适用于超深井 、 特深井钻探用的钻铤和钻杆。 对于 4 0 0 0 m 以上的深井 、6 0 0 0～ 9 0 0 0 n l 的 超深井和 9 0 0 0 m以上的特深井勘探 ，按照地层温 度 随井深每 1 0 0 m升高 3℃的规律和稠油热采的开 发方式 ，这类井 的井下温度一般在 1 5 0～ 3 5 0 c c之 间。对于以往浅层石油天然气的开发 ，井下和井筒 温度一般处于淬火钢低温 回火 的低 温限 1 5 0℃ 以 下 。对于井下工作的钻采装备及油套管钢的力学性 能没有产生明显 的影响。因此 ，长期以来 A P I 标准 中从未考虑温度对油套管组织结构变化和对抗挤毁 强度等性能的影响。作者 已有 的研究 已经证明 2 ， 对于常规油套管钢 J 5 5 、N 8 0和 P 1 1 0等套管钢均是 碳钢和低合金钢制造 ，根据钢级的不 同多数属于低 碳或中碳钢 的范畴 ，其组织多为铁素体／ 珠光体组 织 。这种钢在温度 3 0 0℃附近会由于应变时效产生 抗拉强度、硬度升高，而出现伸长率、断面收缩率 下降的蓝脆现象 。因此 ，在进行超深井和特深井钻 探和完井选材过程中必须考虑 。同时这类钢均存在 随井下温度升高组织结构变化造成钢材的屈服强度 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 1 期 变化问题。因此笔者认为 ，按照 A P I 中套管抗挤毁 强度的 J i a n z e n g T a i h e 公式 ，在计算套管钢的抗 挤毁强度时就必须考虑钢材的屈服强度随温度的变 化状况 。 2 ． 1 ． 3 膨胀管材料和 井下膨胀过程 中的动 态回复 和动 态应 变时效 可膨胀管技术是 2 1世纪标 志性 的新 型钻井 、 修井技术。可膨胀管技术包括实体膨胀管和可膨胀 筛管 2种 ，是通过膨胀锥 ，对处于井下不同深度和 油气藏 不 同开采 方 式 可 能是 冷 采或 热 采 的 5 0～ 3 5 0 o C温度场中的可膨胀管进行膨胀变形 ，使 可膨胀管贴紧井壁的新型钻井和修井工艺方式 。这 就要求作为可膨胀管 的金属材料应该具有很高的强 度 、良好的塑性和优 良的加工硬化能力 ，一般 以强 塑积表示 可膨胀管材料的强塑积应该大于3 0 0 0 0 M P a ％ ，同时，由于可膨胀管膨胀施工是在 5 0 3 5 0℃的井下温度场环境进行 的膨胀变形 ，属于金 属材料温加工变形的范畴。处于这种温度场内的金 属形变 ，在发生金属材料 的形变加工硬化 的同时 ， 还 同时发生着动态回复软化过程 。对含有碳、氮小 尺度溶质原子的钢中，当形变温度和应变速率恰 当 时，还能发生动态应变时效的物理过程。这就要求 制备可膨胀管的钢材除了具有上述力学性能之外还 具有较高的抗动态回复和动态应变时效的能力。笔 者的研究成果表 明 ，针对膨胀率低于 2 0 ％ 的可 膨胀管采用的 J 5 5钢在上述温度范围内，动态应变 时效导致的强度上升、塑性 下降，从 2 5℃的室温 拉伸断裂时，J 5 5钢的伸长率高达 3 4 ． 5 ％ ，到 3 0 0 ℃时伸长率为 2 4 ％ ，很可能在深井 、超深井和热 采井条件下造成开裂导致膨胀失败 。可膨胀筛管采 用的 3 1 6 L不锈钢由于钢材本身屈服强度 随温度急 剧下降 ，在井下温度场 中应用可能导致抗挤毁强度 降低 ，进而导致防砂失败 。因此 ，开发适应大膨胀 率和井下温度场条件下动态形变和具有抗井下介质 腐蚀的可膨胀管用钢是顺利推广可膨胀管技术的当 务之急。国际上 S h e l l 公 司最先推出可膨胀管用钢 L S X 8 0，其强塑积达到 3 0 0 0 0 MP a ％以上 ，我 国刘 文西教授 的研究组推 出低碳 的高膨胀率 2 0 ％ 以 上T R I P钢 Mn l 0 C r l 3 N i 3 S i 2 N R e 和低 膨胀 率 2 0 ％以下双相钢 Mn S i C r Mo 2类可膨胀管合 金 ，其强塑积均达 到 3 0 0 0 0 MP a ％ 以上 。近年 来 ，笔者在研究 T WI P钢制备可膨胀管的工作 中发 现 ，可 以根据施工井下条件 ，对第 2类或者第 3类 T WI P钢进行成分设计 ，笔者 为制备大膨胀率 的抗 腐蚀可 膨胀 管 材 料 开 发 的 第 3代 T WI P钢 2 0 Mn 2 4 C r S N i 2 A 1 2 Mo 屈服强度在 4 0 0 MP a以上 ，加 工硬化率高达 0 ． 4 3 5 1 ，抗拉强度在 8 0 0 MP a以上 ， 伸长率接近 7 0 ％ ，强塑积达到 5 0 0 0 0 MP a ％ 以上 ， 而且这种钢具有较强的抗 回复和抗应变失效能力。 这类钢材同样可以适用于连续管的制备 ，尤其是对 于我国尚不具备 制造能力的大 口径连续管 0 6 3 ． 5 m m以上的 ，采用这种 材料极有 可能填补 国内在 大 口径连续管制造的空白。 2 ． 1 ． 4 高含酸性气体油气田开发中的材料科学问题 高含 H s和 C O 的酸性油气 田，由于 H s和 C O 这 2种酸性气体对钢材具有强 烈的腐蚀作用 H s常常导致油套管钢的严重硫化物应力腐蚀 S S C C破坏 ，C O ，常导致油套管钢严重的局部溃疡 型腐蚀 ，往往会导致灾难性事故发生，因此高含 H ’ S和 C O ， 油气 田的开发 国内外普遍采用偏安全、 价格 昂贵的镍基合金 G 3 0 0 C r 2 2 N i 4 8 Mo 7 C u 和 S u p e r 1 3 2 5 C r 的不锈钢作为油套管材料 。而我 国 是镍、铬资源匮乏的国家 ，且国际镍价格攀升 ， ’ 故 镍基合金和不锈钢油套管用于高酸性油气 田的开发 成本不断提高；对于低产油气田采用高合金的油套 管造成 的开发成本 的攀升可能使油气 田开发经济效 益成为负数。因此，对于高含 H s和 C O 油气田 寻找和开发抗 酸性 气体腐蚀的价格低廉 的油套管 钢，就成为急需解决的工程及基础研究问题 。这里 涉及到酸性气体对钢材的腐蚀机理和 H ， s导致钢 材 S S C C破坏的根本原 因的探索 ，以及相应的合金 设计理论和制备技术的进步。笔者多年来对油气 田 酸性气体腐蚀 的研究成果 已经证 明l 2 引， 目前 国内 外普遍采用的 H S和 C O 分压概念存 在着严重的 理论问题 ，由此导致的材料选择与防腐设计与实际 工程脱节。而已有的在 H ， S环境 中导致 S S C C产生 的硬度 、强度极限，已经被采用纯净钢冶炼方法制 备的高强度钢突破，而采用高纯净钢冶炼的铁素体 超级不锈钢 0 0 C r 3 0 M o 2 就具有不比镍基合金差 的抗 S S C C能力[ 2 9 - 3 o l 。 2 ． 2 先进石油天然气用钢 A P G S 的开发和规范 的建立 石油天然气工业是钢铁材料的重要应用领域 ， 近年来随着科学技术的发展 ，对石油天然气用钢提 出了更高的要求。笔者建议 ，应该引入先进石油天 然气用钢的概念，这里包括先进高强度钢在这一领 域的引入和新的特殊石油天然气需求用钢 的开发研 制 ，国家和石油天然气总公 司应组织力量加强这一 领域用钢的基础和应用研究 ，并逐步建立起相应的 行 、 I 规范。 2 0 1 1 年第3 9卷第 1 1期 李春福等先进钢铁材料在石油天然气工业应用前瞻 在石油天然气领域 中推广应用新一代钢铁材料 和先进高强度钢 A H S S ，开发特殊用钢 ，对于 提高钻采装备的性能 ，减轻钻采装备的质量 ，节能 减排 ，安全高效地钻探 开发 深井 、超深井 和特深 井、开发复杂油气藏 包括高含硫的酸性油气 田 ，降低油气田开发成本具有重要 的作用 ，是提 高我国石油天然气领域 ，尤其是石油天然气装备科 技水平的重要基础 。因此 ，笔者建议国家应该在石 油天然气领域建立新的石油天然气用钢规范 。这种 规范应当包括 以下 2点。 1 新一代钢铁和先进高 强度钢在石 油天然 气工程中的合理引入与推广应用 ，这里包括 已有的 先进高强度钢引入石油天然气领域时必须先期进行 的替代原有材料的基础试验研究和工业试验研究 ， 以及在试用基础上在石油天然气井 的钻完井设计 、 装备的设计制造 中尽可能地应用新一代钢铁和先进 高强度钢。石油院校 中的石油工程 、石油机械 以及 材料学院系在教学理念中应对学生进行先进石油天 然气用钢的渗透。 以油气井井 口装置中的油套管接 口为例。众所 周知 ，油气井的井 口装置除了特殊高含腐蚀介质的 油气井之外，多数常规井为了保证其综合力学性能 均采用 3 5 C r M o钢经过调质 淬火 高温回火 后 加工制成。笔者在从事材料与石油天然气工程结合 的工作中，在国内某油田建议采用综合力学性能不 低 于 3 5 C r M o钢 调 质 的 非 调 质 钢 3 7 M n V 代 替 3 5 C r M o钢调质件 。这里材料 的价格 降低 以及省 略 调质的淬火 高温回火工序 ，使井 口装置油套管接 口的制造成本 降低 了 3 0 ％ 以上 ，如果我 国类似 的 油气井井 口装置油套管接 口都能采用非 调质钢制 造 ，对于油气田的节能减排和效益的提升具有重要 的作用。 2 组织石油天然气领域和相应的高校 、研究 院所进行石油天然气领域特殊用钢的基础理论和开 发应用研究。例如超深井 、特深井钻具用超高强度 钢的研制开发、高含硫化氢油气 田所需的镍基合金 替代钢的研制开发 、可膨胀管 、连续管和套管钻井 所需特殊钢的研制开发以及 中大 口径油气输送 管道 高钢级管道钢和相应的直缝焊管工艺的研制开发等。 3 结论及建议 综上所述 ，笔者认为在石油天然气领域建立石 油天然气用钢的概念和行业规范 ，对于我国石油天 然气科技进步和国家经济高速发展具有重要的理论 和实际意义 。因此建议 1 国家在 9 7 3项 目、8 6 3项 目和攀登计划项 目中应该分别设立先进石油天然气特殊用钢成分理 论设计 、组织结构 的基础研究和先进高强度钢在石 油天然气领域开发 、引入推广应用研究和相应的规 模工艺路线研究。 2 3大石油公司的相关科研机构应该在相应 的科技领域给予先进石油天然气用钢项 目支持。 3 应组织石油天然气行业结合冶金钢铁材 料行业进行 先进 的石油 天然气 用钢行业规范 的研 究 ，在经过一段时间的工作后 ，建立先进的石油天 然气用钢 的行业标准。 4 石油 天然气领域 的国家重点实验室应与 材料领域合作进行先进石油天然气用钢的基础和应 用基础研究。 5 石油高等 院校 中的材料学 院应该在教材 的编写和教学改革中对大学生和研究生进行先进石 油天然气用钢的教育。 参考文献 马开华，刘修善 ． 深井超深井钻井新技术 [ M]． 北京 中国石化出版社，2 0 0 5 ． Ma r k e t z F．We l l i n g R W F．E x p a n d a b l e t u b u l a r c o m p l e t i o n s f o r c a r b o n a t e r e s e r v o i r s [ R ]． S P E 8 8 7 3 6 ， 2 0 07 ． 管磊磊，高霞，肖国章 ．深井超深井套管选择中 的若干问题 [ J ]．石油矿场机械，2 0 0 8 ， 3 7 2 6 568 ． 何生厚 ．复杂气藏勘探开发技术难题及对策思考 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 7 ，2 7 1 8 58 7 ． 张庆生，吴晓东，魏风玲，等 ．普光高含硫气 田采 气管柱的优选 [ J ]．天然气工业，2 0 0 9 ，2 9 6 9l一9 3． 陈功剑，李春福，王鹏飞，等 ．可膨胀管技术及其 在石油工业中的应用 [ J ]．石油仪器 ，2 0 0 9 ，2 3 2 6 5 6 7 ． Mi e s s n e r Da n i e l ， E r i v wo O c h u k o ，W e n t i n g Wo u t e r ， e t a 1 ． S o l i d e x p a n d a b l e t u b u l a r t e c h n o l o g yc a s e h i s t o r i e s o f v a l u e a d d i n g a n d e n a b l i n g a p p l i c a t i o n s i n s a b a h d e e p w a t e r c a m p a i g n [C]． I A D C ／ S P E A s i a P a c i f i c D r i l l i n g T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n，2 0 0 6 ． 廖成锐 ． 普光气田高含硫超深水平井投产配套技术 [ J ]．钻采工艺，2 0 1 0，3 3 4 5 65 8 ． 王续华 ． 套管钻井技术与应用 [ J ]．焊管，2 0 0 9 ， 3 2 1 0 3 33 6 ． Gu s e v i k R ，Re a c h i n g R M． De e p r e s e r v o i r t a r g e t s u s i n g s o l i d e x p a n d a b l e t u b u l a r[ R]．S P E 7 7 6 1 2 ， 2 0 0 2 ． ] J 1 J 1 ● J] J] J 1 』1 J 1 J 1 J rL rL rL r L rL r●L r l r； 一 6 6一 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 1期 [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 [ 1 8 ] 1 9 ] [ 2 0 ] [ 2 1 ] [ 2 2 ] 美国石油工程师学会 ．连续油管技术 [ M]．傅阳 朝，李兴明，张强德，等译 ． 北京 石油工业出版 社 ，2 0 0 0 ． 魏存祥 ．深井钻井新型高强度钻杆材料 [ J ]．能 源科学进展，2 0 0 8 ，4 1 3 2 3 3 ． 翁宇庆 ．超细晶粒钢理论及技术发展 [ J ]．钢铁， 2 0 0 5 3 1 8 ． Gr a s s e l o ，K r u g e r L，F mmm e y e r G，e t a 1 ． Hi g h s t r e n g t h F e Mn 一 A J ， S i T R I P／ T W I P s t e e l s d e v e l o p m e n t p rop e r t i e sa p p l i c a t i o n[ J ]．I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f P l a s t i