頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管及其制造方法。所述方法包括：冶煉成分為C：0.1～0.5％、Si：0.1～0.4％、Mn：0.2～1.5％、Cr：0.5～1.5％、Mo：0.1～0.5％、Ti：0.0025～0.025％、Al：0.005～0.05％、P：0～0.020％、S：0～0.010％、余量Fe及不可避免雜質(zhì)的鋼水；連鑄得圓坯；對(duì)圓坯進(jìn)行環(huán)形爐加熱、穿孔、連軋、張力減徑、冷卻、鋸切、矯直和探傷；將鋼管加熱至850～950℃后用水進(jìn)行淬火，鋼管冷至室溫后進(jìn)行回火，回火加熱溫度范圍是550～650℃，回火后進(jìn)行溫矯。所述油層套管具有優(yōu)良的力學(xué)性能和整體使用性能，適用于頁巖氣水平井。
【專利說明】頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于頁巖氣開采用石油套管【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來講，涉及一種頁巖氣用高強(qiáng) 度油層套管及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界能源消費(fèi)的不斷攀升，包括頁巖氣在內(nèi)的非常規(guī)能源越來越受到重視。 由于頁巖氣藏的儲(chǔ)層一般呈低孔、低滲透率的物性特征，氣流阻力比常規(guī)天然氣大，所有的 井都需要實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造才能開采出來。頁巖氣開采技術(shù)，主要包括水平鉆井技術(shù)和多 層壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)、重復(fù)壓裂技術(shù)及同步壓裂技術(shù)，所以對(duì)開采用套管的管體材料 提出了更高的要求。
[0003] 目前，我國頁巖氣勘探開發(fā)還剛剛起步，主要集中在四川盆地及其周緣、鄂爾多 斯盆地、遼河?xùn)|部凹陷等地。中國石油在川南、滇黔北地區(qū)優(yōu)選了威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通和富 順一永川4個(gè)有利區(qū)塊，而川南區(qū)塊主要采用分段壓裂技術(shù)，每口井分為20段，井口壓力 80-100MPa，前期探井油層套管主要采用P110鋼級(jí)，套損的主要形式是水平段套管管體擠 毀變形，給油田帶來安全隱患及較大的經(jīng)濟(jì)損失。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足中的至少一項(xiàng)。
[0005] 例如，本發(fā)明的目的之一在于提供一種制造頁巖氣水平井用高強(qiáng)度油層套管的方 法。
[0006] 本發(fā)明的一方面提供了一種頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的制造方法。所述制造方 法包括順序進(jìn)行的以下步驟：冶煉得到化學(xué)成分按重量百分比計(jì)為：C :0. 1?0. 5%、Si : 0· 1 ?0· 4%、Mn :0· 2 ?1. 5%、Cr :0· 5 ?1. 5%、Mo :0· 1 ?0· 5%、Ti :0· 0025 ?0· 025%、 A1 :0· 005?0· 05%、P :0?0· 020%、S :0?0· 010%、余量為Fe及不可避免雜質(zhì)的目標(biāo) 鋼水；連鑄制得圓坯，其中，連鑄時(shí)中間包溫度控制為1520?1545°C ;對(duì)圓坯順序進(jìn)行環(huán) 形爐加熱、穿孔、連軋、張力減徑、冷卻、矯直和探傷，其中，環(huán)形爐加熱溫度控制為1220? 1270°C，通過連軋、張力減徑、冷卻和矯直將鋼管的幾何尺寸控制為：外徑公差為0? +1. 0%、壁厚公差為彡-10% t、管體橢圓度< 0. 5%、壁厚不均度< 14%、彎曲度控制為全 長(zhǎng)彎曲度彡〇. 2% L、管端彎曲度為1. 5m長(zhǎng)度范圍彡2. 5mm ;將鋼管加熱至850?950°C后 用水進(jìn)行淬火，鋼管冷至室溫后進(jìn)行回火，回火加熱溫度范圍是550?650°C，回火后進(jìn)行 溫矯。
[0007] 在本發(fā)明的制造方法的一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述目標(biāo)鋼水的成分優(yōu)選為：C : 0· 25 ?0· 35 %、Si :0· 15 ?0· 35 %、Μη :0· 45 ?0· 85 %、Cr :0· 8 ?1. 2 %、Mo :0· 25 ? 0. 35 %、Ti :0. 008 ?0. 025 %、A1 :0. 01 ?0. 05 %、P :0. 005 ?0. 018 %、S :0. 001 ? 0. 005%、Ni彡0. 20%、Cu彡0. 20%、V彡0. 03%、余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。
[0008] 在本發(fā)明的制造方法的一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述將鋼管加熱至850?950°C可 以通過三個(gè)加熱階段來實(shí)現(xiàn)，其中，第一加熱階段的加熱溫度控制為850?900°C，第二加 熱階段的加熱溫度控制為880?920°C，均熱段的加熱溫度控制為920?950°C。
[0009] 在本發(fā)明的制造方法的一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述淬火可以采用外噴淋加內(nèi)軸流 的冷卻方式進(jìn)行，其中，外噴淋時(shí)間10?50秒，內(nèi)軸流時(shí)間10?50秒；外噴淋水量500? 2000m 3/h，內(nèi)軸流水量 200 ?1000m3/h。
[0010] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種適合于頁巖氣水平井用高強(qiáng)度油層套管。
[0011] 本發(fā)明的另一方面提供了一種頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管。所述頁巖氣用高強(qiáng)度油 層套管的化學(xué)成分按重量百分比計(jì)為：c :0. 1?0. 5%、Si :0. 1?0. 4%、Mn :0. 2?1. 5%、 Cr :0. 5 ?1. 5 %、Mo :0. 1 ?0. 5 %、Ti :0. 0025 ?0. 025 %、A1 :0. 005 ?0. 05 %、P :0 ? 0. 020%、S :0?0. 010%、余量為Fe及不可避免雜質(zhì)，且所述頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的屈 服強(qiáng)度RtO. 65為900?1030MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為彡950MPa，延伸率彡13%，沖擊韌性：橫 向全尺寸彡60J，縱向全尺寸彡80J，管體抗擠毀強(qiáng)度彡142. 4Mpa，內(nèi)屈服壓力彡137. IMpa， 連接強(qiáng)度彡4368KN。
[0012] 在本發(fā)明的油層套管的一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的化 學(xué)成分按重量百分比計(jì)優(yōu)選為：C :0. 25?0. 35%、Si :0. 15?0. 35%、Mn :0. 45?0. 85%、 Cr :0. 8 ?1. 2%、Mo :0. 25 ?0. 35%、Ti :0. 008 ?0. 025%、A1 :0. 01 ?0. 05%、P :0. 005 ? 0· 018%、S :0· 001 ?0· 005%、Ni 彡 0· 20%、Cu 彡 0· 20%、V 彡 0· 03%、余量為 Fe 及不可 避免雜質(zhì)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括提供了一種適合于頁巖氣水平井用高 強(qiáng)度油層套管及其制造方法，并且所述油層套管具有優(yōu)良的力學(xué)性能（例如，屈服強(qiáng)度 (財(cái)0.65)900?103010^(屈服強(qiáng)度為12500(^8丨級(jí)），抗拉強(qiáng)度（伽）彡95010^，延伸率 彡13%，沖擊韌性：橫向全尺寸彡60J，縱向全尺寸彡80J，硬度允許變化：管體3. 0HRC，接 箍5. 0HRC)和整體使用性能（例如，管體抗擠毀強(qiáng)度彡142. 4Mpa，內(nèi)屈服壓力彡137. IMpa， 連接強(qiáng)度彡4368KN)。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 在下文中，將結(jié)合示例性實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管及 其制造方法。
[0015] 本發(fā)明的頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的制造方法包括順序進(jìn)行的以下步驟：冶煉 得到化學(xué)成分按重量百分比計(jì)為：C :0. 1?0. 5 %、Si :0. 1?0. 4%、Μη :0. 2?1. 5%、 Cr :0. 5 ?1. 5 %、Mo :0. 1 ?0. 5 %、Ti :0. 0025 ?0. 025 %、Α1 :0. 005 ?0. 05 %、Ρ :0 ? 0. 020%、S :0?0. 010%、余量為Fe及不可避免雜質(zhì)的目標(biāo)鋼水；連鑄制得圓坯，其中，連 鑄時(shí)中間包溫度控制為1520?1545°C ;對(duì)圓坯順序進(jìn)行環(huán)形爐加熱、穿孔、連軋、張力減 徑、冷卻、鋸切、矯直和探傷，其中，環(huán)形爐加熱溫度控制為1220?1270°C，通過連軋、張力 減徑、冷卻和矯直將鋼管的幾何尺寸控制為：外徑公差為0?+1. 〇%、壁厚公差為彡-10% t、管體橢圓度<0.5%、壁厚不均度< 14%、彎曲度控制為全長(zhǎng)彎曲度<0.2% L、管端彎曲 度為1. 5m長(zhǎng)度范圍< 2. 5mm ;將鋼管加熱至850?950°C后用水進(jìn)行淬火，鋼管冷至室溫后 進(jìn)行回火，回火加熱溫度范圍是550?650°C，回火后進(jìn)行溫矯。其中，溫矯步驟可控制鋼管 溫矯結(jié)束的溫度大于400°C。
[0016] 本發(fā)明的頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管在成分設(shè)計(jì)上采用Cr-Mo系鋼種，加入Mo元素 可以提高淬透性及回火穩(wěn)定性；加入Ti可以細(xì)化晶粒。
[0017] 在本發(fā)明的制造方法中，冶煉目標(biāo)鋼水的步驟可以采用電爐和LF爐進(jìn)行。例如， 電爐煉鋼時(shí)，脫氧劑加入量：CaBaAlSi或CaAlSil. 5?2. 5kg/t，A1塊加入量2. 0?3. 5kg/ t。LF精煉合成渣用量：> lOOOKg，以保證埋弧操作，根據(jù)爐渣的流動(dòng)性和渣量，可加入0? 200kg石灰和瑩石，保證爐渣渣量足夠、堿度及流動(dòng)性合適。出鋼前5?10分鐘內(nèi)加入 FeTiO. 8kg/t ;LF 爐精煉末，靜吹前喂 Ca-Si 絲 0· 6 ?0· 8kg/t 或純 Ca 線 0· 10 ?0· 15kg/ t ;靜吹時(shí)間彡15min ;出鋼溫度：1575?1595°C。
[0018] 在本發(fā)明的制造方法中，乳管（包括連軋和張力減徑）和矯直過程對(duì)管體幾何尺 寸公差進(jìn)行加嚴(yán)控制，外徑公差：〇?+1. 0%;壁厚公差：彡-10% t( S卩，要求鋼管實(shí)際壁厚 應(yīng)大于等于名義壁厚的90%及以上）；管體橢圓度彡0.5%，壁厚不均度彡14% ;彎曲度： 全長(zhǎng)彎曲度< 0.2% L(L的含義為：鋼管實(shí)際長(zhǎng)度，單位：m);管端彎曲度：1. 5m長(zhǎng)度范圍 < 2. 5_，從而能夠有效地保證鋼管具有優(yōu)良的抗擠毀、抗內(nèi)壓性能。
[0019] 調(diào)質(zhì)熱處理工藝為鋼管加熱至850?950°C后淬火，鋼管冷至室溫后進(jìn)行回火，回 火加熱溫度范圍是550?650°C,回火后進(jìn)行溫矯。淬火使用水淬，在淬火裝置上采用外噴 淋+內(nèi)軸流冷卻方式，外噴淋時(shí)間10?50秒，內(nèi)軸流時(shí)間10?50秒；外噴淋水量500? 2000m 3/h，內(nèi)軸流水量200?1000m3/h。優(yōu)選地，鋼管加熱至850?950°C的過程為：鋼管 在淬火爐內(nèi)加熱分為三段進(jìn)行，加熱一段加熱按850?900°C較低溫度控制，加熱二段按 880?920°C控制，均熱段按920?950°C控制，按溫度梯度進(jìn)行加熱，鋼管氧化不嚴(yán)重且管 溫均勻。
[0020] 本發(fā)明針對(duì)Cr、Mo合金元素含量較高的化學(xué)成分，為了避免鋼管產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化 鐵皮采取的措施包括：優(yōu)化淬火爐爐溫制度，分段控制管溫，防止鋼管在加熱段過度氧化； 溫矯時(shí)，要求鋼管出溫矯機(jī)的溫度應(yīng)大于400°C，使得溫矯后鋼管外表面的氧化皮大部分脫 落。優(yōu)選地，溫矯結(jié)束后，使溫度不低于400°C的鋼管經(jīng)鏈床滾動(dòng)并隨后對(duì)該鋼管進(jìn)行高壓 風(fēng)在線吹掃，以使得氧化皮進(jìn)一步脫落，從而大幅改善鋼管的表面質(zhì)量。
[0021] 此外，為保證油套管螺紋接頭使用安全可靠，具體使用時(shí)，要求接箍?jī)?nèi)螺紋表面均 磷化處理，且外螺紋從管端起完整螺紋最小長(zhǎng)度Lc范圍內(nèi)不允許存在黑頂螺紋。
[0022] 下面結(jié)合具體示例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步的描述，并不因此將本發(fā)明 限制在具體示例的范圍之中。
[0023] 按API5CT標(biāo)準(zhǔn)Q125-1PSL2鋼級(jí)生產(chǎn)規(guī)格為139. 7X12. 7mm頁巖氣水平井用高強(qiáng) 度油層套管。鋼種的具體成分見表1。
[0024] 生產(chǎn)工藝流程：電爐煉鋼一Φ200連鑄坯一連軋機(jī)組熱軋一張力減徑一冷卻一矯 直一漏磁探傷一調(diào)質(zhì)熱處理一溫矯一探傷一車絲一水壓、通徑、檢查、包裝。在上述工藝流 程中，還可根據(jù)規(guī)格要求，在冷卻和矯直步驟之間設(shè)置倍尺鋸切步驟。
[0025] 示例 1
[0026] 電爐煉鋼：原材料為：低As、Sn有害元素及低S的鐵水、生鐵和一類廢鋼配料，配 碳量按1.6?2.0%控制。電爐出鋼溫度控制：1620?1660°C。LF精煉：出鋼前5?10分 鐘內(nèi)加入FeTiO. 8kg/t。通過電爐冶煉和LF爐精煉，得到如表1所示成分的目標(biāo)鋼水。
[0027] 連鑄中間包溫度控制為：1525±5°C。
[0028] 對(duì)圓坯順序進(jìn)行環(huán)形爐加熱、穿孔、連軋、張力減徑、冷卻、鋸切、矯直和探傷。環(huán) 形爐加熱溫度1230±5°C。鋼管的幾何尺寸控制為：外徑公差為0?+1. 0%、壁厚公差為 彡-8% t、管體橢圓度< 0. 4%、壁厚不均度< 12%、彎曲度控制為全長(zhǎng)彎曲度< 0. 2% L、 管端彎曲度為1. 5m長(zhǎng)度范圍< 2. 0mm。溫矯后鋼管外表面質(zhì)量良好。
[0029] 在連續(xù)式步進(jìn)爐生產(chǎn)線上進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，淬火加熱過程通過三個(gè)加熱階段來 實(shí)現(xiàn)，其中，第一加熱階段的加熱溫度控制為875±5°C，第二加熱階段的加熱溫度控制為 900 ± 5 °C，均熱段的加熱溫度控制為940 ±5 °C，淬火冷卻使用水淬，在淬火裝置上采用外噴 淋+內(nèi)軸流冷卻方式，冷卻時(shí)先開始外噴淋、后開始內(nèi)軸流；先結(jié)束內(nèi)軸流、后結(jié)束外噴淋。 外噴淋時(shí)間30秒，內(nèi)軸流時(shí)間20秒。外噴淋水量2000m 3/h，內(nèi)軸流水量700m3/h。鋼管冷 至室溫后進(jìn)行回火，回火加熱溫度是570±10°C。回火后進(jìn)行溫矯，控制溫矯結(jié)束后鋼管溫 度為510±1(TC，隨后經(jīng)鏈床滾動(dòng)及高壓風(fēng)在線吹掃使得氧化皮進(jìn)一步脫落。
[0030] 鋼管熱處理后的力學(xué)性能見表2,并全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
[0031] 表1示例1至3的化學(xué)成分（wt % )
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括順序進(jìn) 行的以下步驟： 冶煉得到化學(xué)成分按重量百分比計(jì)為：c :0. 1?0. 5%、Si :0. 1?0. 4%、Μη :0. 2? 1. 5%、Cr :0· 5 ?1. 5%、Μο :0· 1 ?0· 5%、Ti :0· 0025 ?0· 025%、Α1 :0· 005 ?0· 05%、Ρ : 0?0. 020%、S :0?0. 010%、余量為Fe及不可避免雜質(zhì)的目標(biāo)鋼水； 連鑄制得圓坯，其中，連鑄時(shí)中間包溫度控制為1520?1545°C ; 對(duì)圓坯順序進(jìn)行環(huán)形爐加熱、穿孔、連軋、張力減徑、冷卻、矯直和探傷，其中，環(huán)形爐加 熱溫度控制為1220?1270°C，通過連軋、張力減徑、冷卻和矯直將鋼管的幾何尺寸控制為： 外徑公差為0?+1. 〇%、壁厚公差為彡-10% t、管體橢圓度彡0. 5%、壁厚不均度彡14%、 彎曲度控制為全長(zhǎng)彎曲度彡0.2% L、管端彎曲度為1.5m長(zhǎng)度范圍彡2. 5mm; 將鋼管加熱至850?950°C后用水進(jìn)行淬火，鋼管冷至室溫后進(jìn)行回火，回火加熱溫度 范圍是550?650°C，回火后進(jìn)行溫矯。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的制造方法，其特征在于，所述目 標(biāo)鋼水的成分為：C :0· 25 ?0· 35%、Si :0· 15 ?0· 35%、Μη :0· 45 ?0· 85%、Cr :0· 8 ? 1. 2%、Mo :0. 25 ?0. 35%、Ti :0. 008 ?0. 025%、A1 :0. 01 ?0. 05%、P :0. 005 ?0. 018%、 S :0. 001 ?0. 005%、Ni < 0. 20%、Cu < 0. 20%、V < 0. 03%、余量為 Fe 及不可避免雜質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的制造方法，其特征在于，所述將 鋼管加熱至850?950°C通過三個(gè)加熱階段來實(shí)現(xiàn)，其中，第一加熱階段的加熱溫度控制 為850?900°C，第二加熱階段的加熱溫度控制為880?920°C，均熱段的加熱溫度控制為 920 ?950°C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的制造方法，其特征在于，所述淬 火采用外噴淋加內(nèi)軸流的冷卻方式進(jìn)行，其中，外噴淋時(shí)間10?50秒，內(nèi)軸流時(shí)間10?50 秒；外噴淋水量500?2000m 3/h，內(nèi)軸流水量200?1000m3/h。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的制造方法，其特征在于，所述溫 矯步驟控制鋼管溫矯結(jié)束的溫度大于400°C。
6. -種頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管，其特征在于，所述頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的化學(xué) 成分按重量百分比計(jì)為：C :0· 1?0· 5%、Si :0· 1?0· 4%、Μη :0· 2?1. 5%、Cr :0· 5? 1. 5 %、Mo :0. 1 ?0. 5 %、Ti :0. 0025 ?0. 025 %、A1 :0. 005 ?0. 05 %、P :0 ?0. 020 %、 S :0?0. 010%、余量為Fe及不可避免雜質(zhì)，且所述頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管的屈服強(qiáng)度 RtO. 65為900?1030MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為彡950MPa，延伸率彡13%，沖擊韌性：橫向全尺寸 彡60J，縱向全尺寸彡80J，管體抗擠毀強(qiáng)度彡142. 4Mpa，內(nèi)屈服壓力彡137. IMpa，連接強(qiáng)度 彡 4368KN。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的頁巖氣用高強(qiáng)度油層套管，其特征在于，所述頁巖氣用高 強(qiáng)度油層套管的化學(xué)成分按重量百分比計(jì)為：C :0. 25?0. 35%、Si :0. 15?0. 35%、Μη : 0. 45 ?0. 85%、Cr :0. 8 ?1. 2%、Mo :0. 25 ?0. 35%、Ti :0. 008 ?0. 025%、Α1 :0. 01 ? 0· 05%、P :0· 005 ?0· 018%、S :0· 001 ?0· 005%、Ni 彡 0· 20%、Cu 彡 0· 20%、V 彡 0· 03%、 余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。
【文檔編號(hào)】C22C38/28GK104057253SQ201410270083
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】黃云, 曾理, 黃英, 滕建明 申請(qǐng)人:攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司