高抗挤石油套管CB-110TT的开发.pdf

高抗挤石油套管 C B 一 1 1 0 T r 的开发 高抗挤石油套管 GB 一 1 1 O 1 _ r 的开发 汪勇 殷伟勤 吴跃泉李欣江苏常宝普莱森钢管有限公 司，江苏常州 2 1 3 2 0 0 [摘要] 根据市场的需求进行了高抗挤石油套管的开发。 分析了套管抗挤强度的影响因素， 结合抗挤性能的影响机理 ， 进 行产品方案设计， 制定了生产工艺。 在实际生产中加强对几何尺寸精度、 力学性能、 残余应力等方面的控制， 成功生产出 1 3 9 ． 7 m m7 ． 7 2 mi l l 高抗挤套管 C B 一 1 1 0 T r 。产品经西安管材研究所检测， 最低抗挤强度比A P I 标准高约 7 0 ％以上。 关键词高抗挤套管 残余应力 化学成分力学性能 开发 1 前 言 上世纪 8 0年代以来 ，全球石油天然气平均井深 增加了 1 倍 ， 并且继续呈现快速增长趋势『 l 1 。 随着井深 的增加和温度 、 压力的提高 ， 由于地层出砂造成套管 径向非均匀外挤压力 ，在地层上覆压力的联合作用 下， 套管将发生挤毁和错断。 因此各油田在深井 、 超深 井或需要隔离岩盐层 、软泥层等复杂地层的油气井 中， 均考虑采用高抗挤套管。使用高抗挤套管的优点 有 高抗挤套管下井深度可以超过同钢级同规格普通 套管、 整个套管柱可以做到壁厚均一 、 减轻套管柱重 量， 以及使用高抗挤套管后增大了套管内径 ， 可采用 标准系列的全面钻井和取芯钻头等等[2 1 。 鉴于高抗挤套管广阔的市场前景 ， 常宝集团 普 莱森钢管 重点展开对抗挤套管研发 ， 目前已成功生 产出 0 1 3 9 ． 7 m mx 7 ． 7 2 m m高抗挤套管 C B 一 1 1 0 T F ， 经 西安管材研究所鉴定 ， 抗挤强度已超过 A P I 标准要求 约 7 0 ％。本文以此产品为例 ， 介绍高抗挤套管的开发 过程 。 2 套管抗挤强度的影响因素 影响套管抗挤强度的主要因素有平均壁厚 、 几何 尺寸精度、 屈服强度、 残余应力等几方面。 2 ． 1 平均壁厚 根据 A P I 5 C 3公式 ， 钢管壁厚越大 ， 抗挤强度越 高。因此可以在满足钢管理论重量的情况下 ， 尽量提 高钢管实际壁厚 ， 以提高抗挤强度。 2 ． 2 几何 尺寸精 度 对抗挤强 度影响较大 的是 椭圆度与壁厚不 均度 。 模拟表明[ 3 1 ， 套管的抗挤强度随其不圆度的增加近似 呈线性 比例下降， 即不圆度每增加 0 ． 1 ％， 抗挤强度相 应降低 1 ． 5 ％左右 ；套管的抗挤毁强度随壁厚不均度 的增加也近似呈线性比例下降， 即壁厚不均度每增加 1 ％， 抗挤强度相应降低 1 ％左右。壁厚不均度不超过 1 0 ％时， 对套管的抗挤强度的影响不大。较低的壁厚 不均度有利于降低矫直过程中套管内部的残余应力 ， 同时壁厚不均也会促使不圆度增加。 2 ． 3 屈服 强度 根据 A P I 5 C 3公式 ， 屈服强度挤毁压力公式 P w 2 Y p [ 】 1 塑性挤毁公 式 P P 【 B】 一 c 2 D ／ t 过渡挤毁压力公式 y P [ q 3 j D ／ t 式中 、 、 抗挤毁强度 ； 材 料的屈 服强度 ； D 钢管外径； 8 f 钢管壁厚； A、 B、 c 、 F 、 G A P I 5 C 3中的修正系数。 由公式 1 、 2 、 3 可知 ， 抗挤 强度 随屈 服强 度 提高而增大。 2 ． 4 残余应 力 关于残余应力对抗挤强度的影响， A P I 标准中没 有规定。但理论与实践表明， 管体残余应力对抗挤强 度的影响比较明显。 残余应力的存在影响材料弹性极 限的降低， 而弹性极限的降低则会引起抗挤性能的降 低 。 根据理想圆套管的屈服条件 ， 残余应力对套管抗 挤强度 的影 响可以用下式表示 ／ 1 一 o -R 内表面屈服 4 O-- 一 外表面屉服 5 式中 P l佃 考虑有残余应力时的抗挤度， P 0 ， 没有残余应力时的抗挤强度， 2 0 1 0 年第2 期 天舜 素 分 钢管的残余应力值， 材料的屈服强度值， 公式 4 用于钢管内表面先发生屈服失效的情 况 ， 公 式 5 用于外表面先发生屈 服失效 的情况 。 由此 可以看出， 套管残余应力越低， 则抗挤毁强度越高。 降低残余应力的最佳途径是采用热矫直。 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。而热矫直温度主要由回火温度决定， 因此在保 证管体强度的前提下 ， 可适当提高回火温度。 另外， 提 高壁厚精度也有利于减少在生产过程中产生的管体 残余应力。 3 产 品方案设计 整套方案设计以提高抗挤强度为中心展开 ， 详细 方案如下。 3 ． 1 材料 选择 为保证较高的热矫直温度，回火温度要相应提 高， 同时还需保证较高的屈服强度。因此在普通 P l l O 套管材料基础上， 加入合金元素 M o 。 具体化学成分要 求见表 1 。 表 1 O B - 1 1 0 T T套管化学成分要求 ma x ／ ％ C S i Mn P S M0 V AI T O_3 O 0 ． 4 0 1 ．9 O O ．O 2 O ． Ol 0 ．4 0 0 ． 2 0 O ． 0 3 3 ． 2 钢管几何尺 寸控制 提高钢管几何尺寸精度 ， 尤其是椭圆度与壁厚不 均度， 对提高抗挤性能极为明显。具体的尺寸控制要 求见表 2 。 表 2 G B 一 1 1 0 1 _ r 几何尺寸要求 堡 壁 星 直度 范围 不圆度 平均壁厚范围同一截面不均度 ／ mm ／ mm ／ m m mm／ m 1 4 0 31 4 1 ． 1 ≤O 5 7 ． 9 8 0 7 ．2 0 8 8 ≤9 ． 5 ≤ 1 ．0 3 ． 3 钢管性能控 制 钢管性能主要通过热处理工艺控制， 热处理采用 淬火 高温回火工艺。热处理工艺控制的关键在于保 证不超过上限要求前提下， 尽量提高管体屈服强度。 3 ． 4 热矫直工艺控 制 套管残余应力主要来源于轧制过程 、精整冷矫 直、 淬火产生的组织应力、 热矫直产生的应力、 热矫直 后冷却过程产生的应力。可见， 回火之前产生的应力 均可在热处理奥氏体化过程中消除。因此， 生产过中 中应采用热矫直工艺 ， 禁止冷矫直。 通过小样试验， 回 火温度控制在 6 1 5℃， 可保证强度要求 ， 同时可实现 热矫直温度 t5 0 0 o C 。 为保证热矫直钢管尺寸精度， 热处理生产过程中 要注意水淬钢管直度， 对水淬设备的压轮与凸轮及时 进行调整 ， 以保证热矫直机的压下尽量要小 ； 同时热 矫后冷床链条速度的选择要根据气温、 风速等方面的 影响合理选择。 3 ． 5 CB1 1 0 T T生产工艺流程 超高功率直流电弧炉冶炼L F 钢包精炼炉精 炼v D真空脱气多机架多流合金钢连铸机连 铸高强度连轧机连轧管坯检验环形炉 加热锥形穿孔 A s s e l 轧机轧制步进炉再加 热微张力减径冷床冷却冷矫直端 部锯切淬火 高温 回火热矫直冷床冷 却联合探伤 超声 、涡流 、磁粉 螺纹加 工管拧接水压试验通径测长、 称重 、标记涂油打包 3 ． 6 主要设计技术指标 主要设计技术指标见表 3 。 表 3 GB 一 1 1 0 ] _ r 性能设计指标 1 3 9 ． 7 mm7 ． 7 2 mm 抗拉强度 屈服强度 抗挤毁强度 延伸率 冲击韧性 J L 一 5 0 ， MP a P a ， MPa ， ％ ≥ 9 5 0 8 5 0～9 6 5 ≥7 5 ． 0 ≥ 1 6 ≥6 0 注 L 一 5 0表示检验试样纵 向半尺寸 ， 检验温度 0 C。 4实际生产应 用 首次生产 C B 一 1 1 0 T r 套管共 4 0 0 t 。各生产工序 均严格按上述工艺设计要求执行 ， 最终各项项检验指 标如下。 4 ． 1 几何尺 寸检验 生产结束后随机抽取 2 0 支钢管 可代表整个生 产的始末 进行尺寸检验， 见表 4 。可见 ， 钢管的几何 尺寸均在控制要求内。 表 4 CB 一 1 1 O T T几何尺寸检验结果 另外 ， 图 1 表示的是全长测厚工序中随机截取的 壁厚检测画面， 可见壁厚均匀性非常好， 见图 1 。 4 ． 2 残余应力检测 残余应力采用割缝法检测， 利用割缝后管体释放 残余应力 ， 从而造成管体外径发生变化， 通过变化的 大小进行计算 管体残余应力见表 5 。 高抗挤石油套管 C B 一 1 1 0 T T的开发 i ； ’ ⋯ 0 蔷 。 。 一 1 U f | t D e } r r b E ； } ； J H { ； ．1 蛳叭 m s 表 5管体残余应力 图 1 C B 一 1 l 全长测厚截图 割缝试样的长度为外径的 3 倍。残余应力的计 算公式如下 丁 E t D o - 1 ／ D , 6 _广 一 0 ／ 。 1 一 式中 管体残余应力 ， MP a ； t 平均壁厚 ， ra m； E、 一弹性模量 、 泊松比 E - 2 ． 1 l o 4 MP a“ 0 ． 3 D 0、 ．D 。 割缝前、 后外径平均值 ， mm。 4 ． 3 力学性 能检 测 表 6 OB 一 1 1 O 1 _ r性能检 验 编抗拉强度 屈服强度延伸率冲击韧性 抗挤性能 号 P a ／M P a ％T - 5 0 J 抗挤强度／ M P a 超A P I ／ ％ 金相组织 挑选 4支送西管所进行力学性能检测及抗挤毁 试验，检验结果见表 5 。表中， 1 与 3 为随机取样 ； 2 为生产过程中根据尺寸精度特别挑选； 为生产余才 端部偏壁回切造成 。对比 2 与 4 ， 可见在强度基本 一 致的情况下 ，几何尺寸对抗挤强度的影响非常明 显 ， 提高几何尺寸精度从而可以提高抗挤强度 1 0 ％以 上。其根本原因在于由于提高了壁厚精度， 从而降低 了管体矫直过程中产生的残余应力翻 。 5结论 5 ． 1 通过合理控制管体的几何尺寸、 力学性能， 同时 采用热矫直工艺， 可生产出合格的高抗挤石油套管。 5 ． 2 在强度基本不变的前提下 ， 提高壁厚精度 ， 可明 显提高管体的抗挤强度。 5 _ 3 C B 一 1 1 0 T r 套管实物抗挤试验抗挤强度超过了 A P I 标准的 7 0 ％以上 ， 钢管实物质量已达到国内同类 产品先进水平。 收稿2 0 0 9 1 0 2 9责编赵实鸣 参 考文献 ⋯ 1 李鹤林 ， 张亚平 ， 韩 礼红 ． 油井 管发展 动 向及 高性能油 井管 国 产化 上 [ J 】 ． 钢管 ， 2 0 0 7 ， 1 2 1 - 6 ． I 2 12 丁学光 ，史交 齐． I 1 7 7 ． 8 mmx 9 ． 1 9 ram P 1 1 0高抗挤套管试验研 究 焊管 ， 2 0 0 7 ， 2 3 6 3 8 ． f 3 1 韩建增， 李中华， 于百勤， 等． 几何缺陷对套管抗挤强度影响的 有限元分析I J J ． 天然气工业， 2 0 0 4 ， 5 7 1 7 2 ． [ 4 】 杨勇， 张毅 ， 高智海． 国产高抗挤套管残余应力初探[ J ] ． 钢管， 1 9 9 8 ． 6 1 5 ． 作者简介 汪勇， 男， 硕士研究生， 现任江苏常宝普莱森钢管有限公司技术 部部长助理， 主要从事石油套管开发。