高韧性石油套管开发

　超高强度套管是超深井建井和固井的关键支撑材料，服役的地质环境恶劣，需要承受地壳内部压力系数高达2.7的超高地层压力，外挤载荷和轴向载荷极高，套管的损伤失效问题严重。而套管的损伤失效又极易导致井眼失稳、储层损伤、严重的掉井甚至毁井事故，造成重大经济损失。为了确保超深井的运行安全，对超深井用套管的综合力学性能、使用性能和寿命，特别是对强韧性匹配提出了极高的要求。
　　鉴于目前我国石油基础工业对超高强度套管有明确而迫切的需求，但国内相关产品还不能完全满足使用要求。本文围绕超深井用高性能套管的研制，开展了超高强度套管综合强韧化技术的研究。将该技术运用于生产，已开发了Rt≥1034MPa、横向CVN冲击功≥100J(0℃)、抗挤强度≥80MPa、管体内屈服性能符合API规范的超高强度套管。
1 套管技术参数设计
　　套管的技术参数一般包括强度、塑韧性、抗挤强度、内外径规格和螺纹连接等。为满足超深井操作对套管承载的要求，超高强度套管的屈服强度(Rt)应≥1000MPa、达到1034～1172MPa，拉抗强度(Rm)应满足≥1120MPa。对超高强度钢来说，为满足一定塑性变形功的要求，材料需要具有相当的塑性。由于该类套管的组织一般为回火马氏体，塑性变形功在冲击总功应占较大部分，据此将材料的塑性指标设计为延伸率A≥16%。
　　套管承受的环境外挤力取决于地层的流变特性，其中蠕变式流动引起的非均匀载荷(点载荷)超过套管的屈服强度，使管体因塑性变形而失效，是套管损害的重要原因。为此，根据超深井操作环境，对套管的抗挤强度也提出了相应要求。当套管材料的强度选定以后，套管的抗挤强度取决于规格。本文研制的套管，屈服强度达到1000MPa以上，套管的规格为244.48×15.11mm，相应的抗挤强度应≥80MPa。螺纹扣型采用偏梯扣，TP-CQ或TP-G2。
2 套管综合强韧化技术的研究
　　在传统中碳CrMoV调质钢的基础上，套管材料的合金化设计(wt%)采取了适当降C、低Si、高Cr、中Mo和微V的钢种。其目的，一是在确保钢的淬透性的前提下，尽量减小碳含量和碳当量，以避免损害钢的塑、韧性;二是有利于通过最终的调质热处理，形成超细化回火马氏体基体上分布一定数量和尺度纳米级沉淀粒子这一强韧性兼备的微观组织。
　　超高强度钢的塑韧性对净洁度敏感，针对钢中S、P、[O]、[N]、[H]和夹杂物等有害因素，提出了严格的控制要求。相应的措施包括：配料采用预处理铁水+低P、S优质废钢;在高真空度和充足脱气时间下进行VD处理;精炼补铝使钢水充分脱氧和固氮;精炼加入合金和充分脱氧后，适当喂入SiCa丝进行夹杂物变性处理，且使Ca/S达到0.65以上;吹氩搅拌，镇静时间不小于5min，且控制流量，确保不吹开渣面;为减少铸坯中心缩孔、缩小柱状晶区，采用低过热度浇铸，配以△T-Vg工艺曲线的拉速下限值，以利于铸坯中的夹杂物上浮等。采用上述综合措施后，使钢中的P≦0.010、S≦0.005，五种元素Pb+Sn+As+Sb+Bi≦170ppm，[O]+[N]≦120ppm。
　　在穿管和连轧时，控制轧制比、变形温度和速率等参数，使铸态组织发生充分动态再结晶，以细化形变奥氏体晶粒、消除形变剪切带，对最终组织的细化和均匀化、螺旋状损伤的防止有利。另外，选用适当的孔型组合，以控制轧制偏差，对提高套管尺寸精度和抗挤强度均有利。为此，开发了兼顾动态再结晶和高尺寸精度的轧管工艺。在采用Gleeble研究套管材料热变形动态再结晶(DR)行为及适当选配孔型的基础上，制订的具体轧管工艺包括：采用规格为310mm的圆坯，控制4.5≤轧制比≤7.5时;控制铸坯加热温度不超过1250℃，穿管温度1200～1250℃，连轧温度1100～1200℃，脱管温度1100℃，张力减径温度870～950℃，各变形阶段应变速率不超过1s-1。采用上述轧管工艺，使轧态管在纵横向截面上获得了均匀的组织。
　　采用150t超高功率电炉冶炼→炉外精炼→夹杂物变性处理→圆坯连铸→管坯检验→环行炉加热→管坯定心→斜轧穿孔→250mm限动芯棒连轧机连轧→定减径→一次矫直→调质热处理→二次热矫→螺纹加工→拧接箍→通径→上保护环一系列工序进行了超高强度套管的工业试制，计42炉，在试制过程中采用了上述综合强韧化技术。对每炉成品套管中若干个批次进行取样，计268件。测试了管体的纵向拉伸性能、0℃全尺寸CVN纵横向冲击性能。
　　测试后，对力学性能的生产检验数据进行了统计分析。结果表明，试制套管的强度和塑性均满足技术要求，76%样管的韧性达到技术要求。说明部分试制套管的强度富余量较大，韧性略有不足，但提高的空间较大。据分析，其余24%套管韧性偏低的主要原因是成分波动。为此，对生产数据进行了统计建模和适合多元非线性关系的人工神经网络建模，目的是进一步优化和限制套管的成分范围，使套管的力学性能全面达到技术条件。
　　钢管的力学性能对C、Si和Cr三种元素的波动最为敏感。影响分别是，碳显著降低基体的塑性，硅易降低钢的低温韧性，Cr因易形成偏析于晶界的M23C6型粗大碳化物而降低塑韧性。一般认为S、P等杂质元素会严重影响钢的韧性，但由于其含量被严格控制在较低的水平，且波动范围很小，因此影响并不显著。另外，随着钢中[O+N]增加，屈服强度和冲击功均有明显下降。这是由于氧在钢中主要以非金属夹杂物存在，易引起脆断。因此，该套管采用纯净钢冶炼工艺以降低[O]、改善夹杂物形态是十分必要的。有关氮对强度的作用，结论仍具有不确定性，笔者倾向于认为，与钢的合金体系和生产工艺有关，氮会不同程度地降低调质钢的硬度，从而导致屈服强度下降。另外，钢中的自由N会增加钢的脆性，从而降低套管的冲击韧性。由于上述氧和氮对钢的力学性能具有不利影响，因此在该套管中应该对氧和氮的含量严格加以限制。
5 结论
　　研制技术指标要求超深井用超高强度高韧性石油套管的力学性能达到屈服强度Rt0.7≥1000MPa和0℃全尺寸横向冲击功≥100J的高强韧性匹配、抗挤强度≥80MPa(规格为244.48×15.11mm的套管)、管体内屈服性能符合API规范等。为此，开展了套管综合强韧化技术的研究、工业试制和部分使用性能评价等工作。获得以下结论：
1) 套管材料在传统中碳CrMoV调质钢的基础上，适当降C、低Si、和微V的设计。采用纯净钢工艺使P≤0.010、S≤0.005、Ca/S≥0.65、[O]+[N] ≦120ppm、以及控制夹杂物尺寸和形态。
2) 在轧管时，控制轧制比在4.5～7.5、选用适当的孔型组合、变形温度和速率等参数，可兼顾套管材料发生动态再结晶和成品高尺寸精度的要求。
3) 套管的最优热处理工艺为T1℃×35分钟淬火+T2℃×75分钟回火，适宜的调整范围为回火温度×回火时间=30375～56250(℃ min)，相应的显微组织为亚微米级回火马氏体基体上弥散分布一定数量和尺度的纳米级沉淀粒子，具有良好的强韧性匹配。
4) 试制套管的综合力学性能和抗挤毁、管体内屈服等使用性能达到了技术指标的要求。