本發(fā)明屬于油氣開(kāi)采用套管制備，具體涉及一種兼?zhèn)涓邚?qiáng)度高韌性和大應(yīng)變性能的石油套管及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著世界油氣工業(yè)的發(fā)展，油氣勘探開(kāi)發(fā)環(huán)境日益復(fù)雜，深海、深層、低滲透、頁(yè)巖油氣、老油田挖潛是當(dāng)前與其開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，定向井、大位移井等特殊結(jié)構(gòu)井越來(lái)越多，頁(yè)巖油氣和低滲透油氣井多數(shù)需要增產(chǎn)改造，在建井過(guò)程中套管變形時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)達(dá)到30～50％，導(dǎo)致橋塞無(wú)法坐封到位，壓裂段數(shù)減少，單井產(chǎn)量降低，縮短了油氣井的壽命，套管變形嚴(yán)重時(shí)將無(wú)法完成鉆塞作業(yè)，甚至造成井筒完整性失效。

2、研究表明，套管的主要失效機(jī)理是剪切和擠毀應(yīng)力導(dǎo)致的變形。主控因素主要取決于套管柱承載能力與外加載荷的相對(duì)大小及分布。與套管本身的材料性能和結(jié)構(gòu)尺寸、地層條件(天然地裂縫、地層不均勻性)、壓裂作業(yè)參數(shù)(壓力、排量、次數(shù)等)有關(guān)。載荷因素主要是內(nèi)外壓，軸向拉壓，彎曲，壓裂壓力及其溫度變化產(chǎn)生的附加應(yīng)力，不均勻地應(yīng)力，斷層滑移、天然裂縫擴(kuò)展、水力裂縫擴(kuò)展等及相互干擾等。主要預(yù)防措施除優(yōu)化井眼軌跡(控制地層條件)、優(yōu)化壓裂工藝(改善壓裂載荷條件)、采用井筒一體化協(xié)調(diào)變形緩解套管變形新方法外，提高套管柱的承載能力非常關(guān)鍵。套管的承載能力表現(xiàn)為套管的材料強(qiáng)度(鋼級(jí))、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)尺寸)、韌性(脆斷抗力)、均勻變形抗力(屈強(qiáng)比-屈服強(qiáng)度與其抗拉強(qiáng)度之比，均勻伸長(zhǎng)率)。

3、傳統(tǒng)的套管柱設(shè)計(jì)方法是基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)，即要求工作應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，也就是說(shuō)使用過(guò)程中不允許套管(柱)發(fā)生塑性變形。但實(shí)際上，由于井眼曲率和方位角的變化，井眼軌跡呈不規(guī)則空間形狀，加之壓裂改造等增產(chǎn)措施的實(shí)施，套管局部會(huì)發(fā)生塑性變形，這就對(duì)套管的塑性變形容量(屈強(qiáng)比，均勻伸長(zhǎng)率)提出了要求，即將套管的塑性變形控制在可允許的范圍之內(nèi)，就可以保障變形套管的使用安全，也就是采用基于應(yīng)變的套管(柱)設(shè)計(jì)，這也就提出了兼?zhèn)涓邚?qiáng)度、高韌性、大應(yīng)變性能的套管的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。

4、到目前為止，除稠油蒸汽熱采井用大應(yīng)變套管外，國(guó)際上鮮有大應(yīng)變套管應(yīng)用的報(bào)道。對(duì)于n80及以下鋼級(jí)套管，雖然沒(méi)有采用基于應(yīng)變的套管柱設(shè)計(jì)方法，也沒(méi)有對(duì)套管的應(yīng)變性能提出要求，但由于其強(qiáng)度較低，伸長(zhǎng)率(包括均勻伸長(zhǎng)率)較高，絕大多數(shù)套管都很容易達(dá)到基于應(yīng)變套管柱設(shè)計(jì)方法對(duì)套管大應(yīng)變性能的要求。但對(duì)于p110及以上鋼級(jí)套管，由于其強(qiáng)度與塑性和韌性呈此長(zhǎng)彼消的現(xiàn)象，往往很難同時(shí)滿足要求。事實(shí)上，p110及以上鋼級(jí)套管的屈強(qiáng)比有很大一部分超過(guò)了0.93，有的甚至達(dá)到0.98，過(guò)高的屈強(qiáng)比會(huì)導(dǎo)致材料均勻塑性變形能力的顯著下降，使用安全性嚴(yán)重降低。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，擬將套管的屈強(qiáng)比控制在0.93以下甚至更低，以滿足基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法對(duì)套管柱使用安全的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種兼?zhèn)涓邚?qiáng)度高韌性和大應(yīng)變性能的石油套管及其制備方法，用以解決現(xiàn)有的套管不能滿足復(fù)雜工況油氣井對(duì)大應(yīng)變的需求的技術(shù)問(wèn)題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明公開(kāi)了一種兼?zhèn)涓邚?qiáng)度高韌性和大應(yīng)變性能的石油套管，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述石油套管的成分包括：c：0.23％～0.29％，si：0.65％～0.85％，mn：1.30％～1.50％，p≤0.015％，s≤0.005％，cr：0.90％～1.20％，ni：0.30～0.50％，mo：0.25％～0.35％，al：0.07％～0.12％，ca：0.016％～0.024％，o+h+n≤0.008％，nb：0.04％～0.09％或v：0.04％～0.09％，余量為fe和其它不可避免的雜質(zhì)。

4、本發(fā)明還公開(kāi)了上述兼?zhèn)涓邚?qiáng)度高韌性和大應(yīng)變性能的石油套管的制備方法，包括以下步驟：

5、s1：經(jīng)過(guò)煉鋼處理，并加入改性成分，使得得到的鋼液中的成分為權(quán)利要求1所述的石油套管成分；

6、s2：將鋼液進(jìn)行連鑄處理，得到棒狀連鑄坯；

7、s3：將棒狀連鑄坯加熱后進(jìn)行穿孔，隨后進(jìn)行熱連軋，得到預(yù)處理套管；

8、s4：將預(yù)處理套管進(jìn)行熱處理和后處理后，得到一種兼?zhèn)涓邚?qiáng)度高韌性和大應(yīng)變性能的石油套管。

9、進(jìn)一步地，s1中，所述煉鋼處理采用電爐煉鋼或氧吹轉(zhuǎn)爐煉鋼；所述電爐煉鋼以海綿鐵和優(yōu)質(zhì)廢鋼為原料；所述氧吹轉(zhuǎn)爐煉鋼以高爐鐵水和優(yōu)質(zhì)廢鋼為原料。

10、進(jìn)一步地，s1中，加入改性成分后，進(jìn)行爐外精煉和真空脫氣，得到鋼液。

11、進(jìn)一步地，s2中，所述連鑄處理采用電磁攪拌和輕壓下技術(shù)控制棒狀連鑄坯的中心偏析。

12、進(jìn)一步地，s3中，所述棒狀連鑄坯加熱的溫度為1185～1215℃，加熱的時(shí)間為90～120min；所述穿孔時(shí)的溫度為1150～1200℃；所述熱連軋的溫度為1000～1130℃；所述進(jìn)行熱連軋之后，在空氣中冷卻，得到預(yù)處理套管。

13、進(jìn)一步地，s4中，所述熱處理為采用保護(hù)氣氛爐加熱，淬火和高溫回火的熱處理過(guò)程；

14、所述淬火的工藝參數(shù)為：淬火溫度為900～920℃，保溫時(shí)間50～70min，內(nèi)外噴水淬火，冷卻速度≥30℃/s；

15、所述高溫回火的工藝參數(shù)為：高溫回火的溫度為570℃～650℃，高溫回火的時(shí)間為90～120min。

16、進(jìn)一步地，s4中，所述預(yù)處理套管進(jìn)行熱處理和后處理后還需要依次進(jìn)行熱矯直、回火和水冷處理；所述熱矯直的溫度為520℃～600℃；所述回火的溫度為520～600℃，時(shí)間為90～120min。

17、進(jìn)一步地，進(jìn)行水冷處理后，進(jìn)行螺紋加工，得到一種兼?zhèn)涓邚?qiáng)度高韌性和大應(yīng)變性能的石油套管。

18、進(jìn)一步地，所述螺紋加工是在管段加工api標(biāo)準(zhǔn)螺紋或特殊螺紋。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

20、本發(fā)明公開(kāi)了一種兼?zhèn)涓邚?qiáng)度高韌性和大應(yīng)變性能的石油套管，通過(guò)在中低c中添加合金元素mn、si、cr、ni、mo、al，nb、v微合金化，采用0.23％～0.29％的中低碳含量有利于提高鋼的塑性和韌性，但碳含量過(guò)低不利于提高鋼的淬透性，對(duì)提高鋼的強(qiáng)度不利；碳含量過(guò)高，對(duì)提高鋼的塑性和韌性不利；基于上述的c含量，配合引入mn、si、cr、ni、mo、al，nb、v進(jìn)行配合強(qiáng)化，使得提高鋼的淬透性進(jìn)而提高強(qiáng)度且對(duì)屈強(qiáng)比影響較小，同時(shí)提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，且提高鋼的強(qiáng)度，提高鋼的淬透性從而提高強(qiáng)度，其加入還可以提高鋼的塑性和韌性；其中，al與氧或氮結(jié)合形成細(xì)小均勻分布的氧化物或氮化物可以起到細(xì)化晶粒、同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性的作用，也是重要的脫氧劑和固氮?jiǎng)?；v加入到鋼中與鋼中的c、n形成vc、vn，具有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化晶粒的作用，從而提高強(qiáng)度和韌性；nb加入到鋼中與鋼中的c、n形成nbc、nbn，具有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化晶粒的作用，從而提高強(qiáng)度和韌性；ca加入到鋼中可以改善夾雜物的性質(zhì)和形態(tài)，從而提高鋼的塑性和韌性，ca/s≥2時(shí)效果更好；另外控制p、s、o、h、n等有害元素的含量，使得最終的成分能夠滿足復(fù)雜工況油氣井對(duì)大應(yīng)變套管的需求；根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，上述成分的兼?zhèn)涓邚?qiáng)度高韌性和大應(yīng)變性能的石油套管的屈服強(qiáng)度分別達(dá)到110ksi、125ksi、140ks級(jí)別，屈強(qiáng)比≤0.89～0.93，均勻伸長(zhǎng)率≥15～20％，在油氣井中能夠滿足復(fù)雜工況的實(shí)用需求。

21、本發(fā)明還公開(kāi)了上述兼?zhèn)涓邚?qiáng)度高韌性和大應(yīng)變性能的石油套管的制備方法，采用創(chuàng)造性的成分設(shè)計(jì)后，進(jìn)行連鑄處理、穿孔、熱處理和后處理后，獲得細(xì)小均勻的回火索氏體，減小殘余應(yīng)力對(duì)套管性能的影響，使得制備得到的石油套管具有優(yōu)良的力學(xué)性能，可滿足復(fù)雜工況油氣井對(duì)高強(qiáng)度大應(yīng)變套管的需求，所述制備方法操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。