高抗挤毁石油套管的试制.pdf

2 8 赫产品开发 高抗挤毁石油套管的试制 李 勤 ，张传友 ，肖功业 天津钢管有限责任公司 ，天津 3 0 0 3 0 1 摘 要 在充分了解油田实际使用工况的基础上 ．通过科研攻关与合作 ，为青海油 田成功开发了一种高抗挤 毁套管T P l l 0 r I v r 。检验结果表明，T P l l O T T 套管完全达到了设计技术指标。介绍了该钢级套管的开发背景 、套管 的性能指标 、基本生产工艺过程及实际性能检验结果等方面情况。 关键词 高抗挤毁石油套管 ； T P 1 1 0 T T ；试制 中图分类号T G3 3 5 ． 7 l 文献标识码B 文章编号l 0 0l 一 2 3 l l 2 0 0 4 0 4 0 0 2 8 - 0 4 T r i a l Ma n u f a c t u r e o f Hi gh An t i - c o l l a p s e Oi l Ca s i n g L i Q i n ，Z h a n g C h u a n y o u ，X i a o G o n g y e T i a n j i n S t e e l P i p e C o r p o r a t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 3 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n f u l l k n o w l e d g e o f t h e c a s i n g s e r v i c e c o n d i t i o n s o f Q i n g h a i O i l F i e l d ， a h i g h a n t i - c o l l a p s e c a s i n g n a me d T P 1 1 0 rI v r i s s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d b y T i a n j i n S t e e l P i p e C o r p o r a t i o n i n t h e wa y o f a s p e c i a l RD f o r c e a n d c o o pe r a t i o n wi t h o t h e r p a r t i e s ．Re l e v a n t i n s p e c t i o n ／ t e s t i n g r e s u l t s s h o w t h a t t h e s a i d c a s i n g h a s b e e n u p t o a l l t h e d e s i g n e d t e c h n i c a l t a r g e t v a l u e s ．De s c r i b e d i n t h e p a pe r a r e s u c h a s p e c t s o f t h e c a s i n g a s d e v e l o p me nt b a c k g r o u n d ， d e s i g n e d p r o pe r t y v a l u e s ， ma n u f a c t ur i n g p r o c e s s s t e ps a s we l l a s r e s ul t s o f p r o p e r t y i n s p e c t i o n／t e s t i n g o f t h e c a s i ng ． Ke y wo r d s Hi g h a n t i c o l l a p s e o i l c a s i n g ； T P 1 1 O TT ； Tr i a l ma n u f a c t ur e 0 前 言 随着钻井深度的增加以及国家对地质条件复杂 和开采难度大的西南部油田、西部油田和海上油田 的开发 。建井用套管承受的外挤载荷和轴向载荷越 来越高。国内市场对高强度高抗挤套管需求量也日 益增多。高强度高抗挤套管主要用于深井、超深井 或地层条件复杂对套管性 能要求苛刻 的场合。因 此 。要求这种套管具有良好的综合性能 高抗拉及 连接强度 。优异的抗挤毁能力和 良好的密封性能 。 而其中的核心是套管的抗挤毁能力。但国内能够批 量生产此类高抗挤毁套管的厂家并不多。有些品种 还依赖进口。 青海油田位于中国西部 ，地质条件复杂。开采 难度大。所用的高强度高抗挤套管长期以来一直依 李勤 1 9 6 7 一 ，男 ，工程师 ，主要从事石油套管 产品的研究开发工作。 S TE E L PI PE A u g ． 2 0 0 4 ， V o 1 ． 3 3 ， N o ． 4 赖进 口。基于油田自身的利益和支持高端套管国产 化的目的。青海油 田与天津钢管有限责任公司签定 了开发T P 1 1 0 T T 1 7 7 ． 8 m mx l 0 ．3 6 m m。扣型为 L C 优质高抗挤毁套管的协议 。随后 。天津钢管 有限责任公 司于2 0 0 3 年4 6 月进行 了批量试制。本 文将介绍开发试制情况。 1 工艺设计 和技术指标 影响管体抗挤毁强度的主要因素有管体的材料 强度、尺寸精度 壁厚均匀度 、外径圆度 、外径与 壁厚之 比以及管体残余应力等⋯。对于 l 7 7 ． 8 mm x l 0 ． 3 6 mm 石油套管。其挤毁失效形式为弹塑性挤 毁 。因而管体材料的屈服强度 、几何尺寸精度 、残 余应力等将显著影响管体的抗挤毁强度fl】。 1 ． 1钢种和热处理制度 提高管体材料的屈服强度将显著提高管体的抗 挤毁强度．而影响管体材料屈服强度的因素是钢种 钢管2 0 0 4年 8月第 3 3卷 第 4期 维普资讯 耨产品开发2 9 的成分设计和热处理工艺 。 据此选用2 9 C r Mo 4 4 钢作为生产T P 1 1 0 T T 套管 的钢种，其化学成分见表1 所示。该钢种具有较好 的材料稳定性和工艺加工性能。作为调质钢 ，由于 其含有较高的C r 、Mo 、Mn 元素 ，因而钢的淬透性 较好。同时，由于C 含量较低 ，保证 了既可水淬又 可油淬 ．适量的Mo 含量又使该钢种具有 良好 的回 火稳定性。热处理工艺采用淬火 高温回火工艺 ， 以保证管体较高的强度。淬火介质为一种专门的水 基淬火液。 表1 2 9 C r Mo 4 4 的化学成分 质量分数 ， 最大值 要求 ％ C Si Mn P S Cr lV l o Cu Ni AI V O-32 O- 3 5 1 ． 2 O 0． 0 2 5 0． 0 3 0 l - 2 O 0．50 0． 2 0 0． 2 5 0 ． 0 4 0． 1 2 1 - 2 管体几何尺寸控制 降低管体壁厚不均度和椭圆度也将明显提高管 体的抗挤毁强度。因此为了尽量降低管体壁厚不均 度和椭圆度 ，对管体的尺寸精度控制范围做了严格 的规定，见表2 。 1 ． 3管体残余应力控制 残余应力是影响抗挤毁强度 的又一项重要 因 素。管体残余应力越小，则管体抗挤毁强度越大。 套管残余应力来源于套管生产过程中的以下几个方 面①轧制过程；②精整线矫直机；③淬火产生的 组织应力④回火后定径产生的应力；⑤热矫直产 生的应力；⑥热矫直后冷却过程中 包括水冷槽冷 却1产生的应力；⑦冷矫直产生的应力。 在抗挤毁套管的生产中．禁止冷矫直。因此 ． 残余应力主要是在①～ ⑥阶段产生的。①～ ②阶段 残余应力可以通过套管热处理时在高温炉中的奥氏 体化过程予以消除，而③阶段淬火产生的组织残余 应力也可 以通过 回火时保证合理 的保温时间来消 除．因此．钢管残余应力的大小主要取决于④～ ⑥ 阶段的残余应力。所以要降低残余应力，必须做 到严禁冷矫直 ；保证较高的热矫直温度 ，即热矫 直抗力应最低。 要将管体残余应力控制在最小限度内，就必须 设计合理的热矫直温度，而热矫直温度直接取决于 回火温度。由于热矫直温度越小则矫直抗力越大 ， 所造成的残余应力亦越大，因此，在保证管体强度 的前提下，应尽量提高回火温度。但是，热矫直温 度的确定还应考虑该钢种的高温力学性能及热处理 性能。考虑到强度和热矫直温度的匹配关系 ，设计 回火温度为6 2 0 C 。根据小样试验 ，在这一 回火温 度 下 处 理 后 ，管 体 的 1 0 0 0 MP a ； 。n 6 9 1 0 MP a ；6 2 0 ％。而相对应 的热矫直温度能够达到 5 2 O ℃左右。 1 ． 4 生产工艺路线设计 海绵铁 铁水 优质废钢一 1 5 0 t 超高功率电炉 冶炼一炉外精炼处理一 夹杂物变性处理一圆坯连 铸一管坯检验一管坯环形加热炉加热一管坯定心一 斜轧穿孑 L 机穿孑 L 一 2 5 O mm限动芯棒连轧管机轧 制一定径一冷却一锯切一矫直一探伤一检验一淬 火一 回火一定径一热矫直一冷却一探 伤一螺纹加 工一拧接箍一通径一水压试验一螺纹加工一上保护 环一测长称重一喷印涂漆烘干一入库。 1 ．5 主要设计技术指标 要求的主要设计技术指标[2 1见表3 。 表2 管体 尺寸 精度 控制 范 围 表3 主 要设 计技 术指 标 李勤等 高抗挤毁石油套管的试制 钢 管 2 0 0 4 年 8 月 第 3 3 卷第 4 期 维普资讯 3 0 箭产品 发 2 实际生产结果 验结果如下。 首批 生产 出O1 7 7 ． 8 0 m mx l 0 ． 3 6 m m T P 1 1 0 T T 2 ． 1 成品化学成分 石油套管共7 8 O t 6 炉 ，对其各相关性能所做的检 成品化学成分见表4 。 表4 成品化学成分 质量分数 ％ 2 ． 2 钢管尺寸 随机抽查 了l O 根钢管的外径和壁厚，其结果见 表5 。 2 ．3 残余应力 使用开槽法测量残余应力。其计算公式如下 rE S 1 [ D o - l [ D f ， 1 - v 式中 17 “ 管体表面残余应力，MP a ； E 弹性模量 。E 2 0 ．6 x 1 0 MP a ； ．S 平均壁厚 。ra m； D 0 开缝前的钢管外径平均值，m m； D f 开缝后的钢管外径平均值 ，ra m； 泊松数 ，0 ． 3 0 。 每炉取 1 个长为6 0 0 mm的残余应力试样，测 量后的计算结果见表6 。 2 ．4 钢管拉伸和冲击试验结果 钢管拉伸和冲击试验结果见表7 。 2 ． 5 钢管金相检验结果 钢管金相检验结果见表8 。 2 ． 6 抗挤毁 压溃值 抗挤毁 压溃 值见表9 。 表5 钢管 尺寸 表6 管体 表面 残余 应 力值 表7 钢 管拉伸 和 冲击试 验 结果 注 冲击试验试样尺寸1 0 m in x 7 ． 5 m mx 5 5 m m，试验温度O ℃。 S T EE L P I P E A u g ． 2 0 0 4 ， Vo 1 ． 3 3 ， N o ． 4 维普资讯 新产晶开发 3 、 表8 钢 管的 金相检 验 结果 表9 抗挤毁 压溃 试验值 注协议保证值是8 O ． 6 7 MP a 1 1 7 0 0 p s i ；A P 1 B u l 5 C 2 推荐值是5 8 ． 8 1 M P a 8 5 3 0 p s i 。 3 结 论 1 所有炉次的套管强度都达到了设计要求 ， 并且屈服强度接近设计指标的上限，延伸率也 比设 计指标高出5 0 ％以上。 2 抗挤毁强度试验表明，该批套管的抗挤毁 性能全面达到了设计指标 ，远远超过了相同规格套 ●信 息 管的A P I B u l 5 C 2 推荐值 平均值超 出A P I B u l 5 C 2 推荐值达4 0 ％以上 。 3 冲击吸收功 比设 计指标平均 高出两倍左 右，表明该批套管在具有高强度的同时也具有很高 的韧性，即强韧性搭配合理，这样保证了套管在完 井时的射孔性能优异。 4 特殊的残余应力控制工艺措施，使套管具 有较低的分布合理的残余应力 ．保证 了稳定的高抗 挤毁性能 5 充分利用钢中含C r 、Mo 、V 等元素的特点， 使该产品具有抗深井高温的特性 ，在井下服役环境 下，能够保持所需的强度 、韧性和抗挤毁性能。 4 参考文献 1 钟倩霞 ，王玉砚等． 国内外油井管生产技术的进展 [ C 】 ． 北 京 冶金部钢铁研究总院 ，1 9 9 3 ． 2 AP I S p e c 5 C T[ S 】 ． 3 AP I B u l 5 C 2 [ S 】 ． 收稿 E l 期 2 0 0 4 0 3 2 9 2 0 0 4 年 1 ～ 5 月份俄 罗斯黑色冶金产 品进 出口情况 据俄罗斯海关的统计资料 ，2 0 0 4 年 l ～ 5 , q 份俄 罗斯钢铁产品的出口总金额比上年同期增长了7 3 ％，达到5 5 ． 1 亿美元 上 年同期俄罗斯 出口钢铁产品的金额为3 1 ． 7 9 亿美元 。2 0 0 4 年l ～ 5 , q 份俄罗斯 的生铁 出口量 为2 2 0 - t ，金额达到4 ． 4 1 5 亿美元 ； 碳素钢半成品出口量4 8 1 7 Y t ，金额达到1 3 ． 9 亿美元 ；碳素钢扁平材出口量为4 5 6 - t ，金额达到l 8 ． 3 亿美元；铁合金出口量为 2 5 ．5 7 7 Y t ，金额达到2 ． 6 1 6 亿美元 。此外 ，2 0 0 4 年l ～ 5 月份俄罗斯还出 口商品铁矿石和铁精矿共计6 7 5 - t ，金额为1 ．4 9 5 亿美 元 煤2 6 3 9 万t ，金额达到9 ． 2 7 3 亿美元 ；焦炭1 4 5 万t ，金额为1 ． 7 l 4 亿美元。 2 0 0 4 年l ～ 5 月份俄罗斯进 口的钢产品仍主要是钢管 ，进 口数量达到3 9 ． 9 1 - t ，金额为2 ． 9 9 6 亿美元 ，其 中从独联体 国家进 口的钢管数量达到2 1 ． 4 6 万t ，金额为1 ． 2 6 2 亿美元。 攀 钢集 团成 都钢铁 有 限责 任公 司 杜犀 益 李勤等 高抗挤毁石油套管的试制 钢 管 2 0 0 4 年 8 月 第 3 3 卷第 4 期 维普资讯