[發明專利]一種具有高強塑積的大膨脹率膨脹管用鋼及其制備方法

無效

• 申請號: 201110281283.8
• 申請日: 2011-09-21
• 公開（公告）號: CN102345077A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發明（設計）人: 李春福;宋開紅;楊立輝
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: C22C38/58
• 分類號: C22C38/58
• 代理公司: 成都市輔君專利代理有限公司 51120
• 代理人: 楊海燕;賴純清

技術領域

本發明屬于金屬材料領域，涉及到石油天然氣領域中完井修井用大膨脹率膨脹套管和膨脹篩管用鋼及其制備方法，特別是涉及一種抗酸性腐蝕的、具有孿生誘發塑性的、用于大膨脹率膨脹套管和膨脹篩管的合金鋼及其制備方法。

背景技術

可膨脹管技術(Expandable?Tubular?Technology)是在井下利用機械或液壓的方法，通過膨脹錐由上到下或由下往上運動，套管鋼材發生永久塑性變形，使膨脹后的套管達到貼緊井壁的目的，是近幾年發展起來的針對石油天然氣工業中的鉆井、完井和修井的先進工藝技術，也有人將其稱為21世紀地學領域中的登月技術，認為可膨脹管技術是21世紀石油天然氣工業中的關鍵性技術之一(馬洪濤，國外可膨脹管技術的發展與應用[J]，國外石油工程，2006(22)2：29-35)。

可膨脹管技術主要有兩類：一類是可膨脹套管(實體管)技術，主要應用于開井完井及修井作業中的套管修補等領域；另一類是可膨脹篩管技術，主要應用于直井、定向井、多底井以及水平井的完井防砂過程中。可膨脹篩管的基管是割縫管，由于有一系列平行或者交錯的軸向割縫，所以所需膨脹力低，膨脹率很高，可達300％，但機械性能較差；可膨脹套管所需膨脹力高，約為可膨脹割縫篩管的30倍，膨脹率低，目前的最大膨脹率約為25％；高于此膨脹率的由于材料的選擇問題一直沒有得到很好的解決。

可膨脹管的制備涉及材料選擇、機械設計等多個領域。其中最重要的是可膨脹管材料的選擇與開發。由于可膨脹管進行施工的環境一般是在幾千米以下的地層中(特別是近年來我國進行的超深、特深井鉆探開發以及稠油熱采井中，井下溫度可達到150～350℃)，這就需要可膨脹管材料必須滿足可膨脹管在井下施工膨脹過程中要求的較大的膨脹變形能力、較低的膨脹力和較高的加工硬化率以及抗井下高溫動態回復的能力和抗應變失效能力，以保證膨脹滿足API要求的性能指標的同時，也滿足膨脹后足夠高的抗擠毀強度。這就要求作為可膨脹管的材料應具備較低的屈服強度、較高抗拉強度和良好的塑性以及良好的加工硬化性能。另外，還應具有抵抗井下(特別是超深、特深井)目的層中的抗動態高溫回復能力和抗應變時效能力。在井下存在腐蝕介質的情況下，還要求可膨脹篩管材料具有高的抗腐蝕性能，特別是在含有酸性腐蝕介質的油氣田中具有良好的抗硫化物應力腐蝕破裂(SSCC)能力。

為了表達可膨脹套管材料的綜合性能，提出了利用“強塑積”概念作為可膨脹管材料選用設計開發準則(徐瑞萍，可膨脹管材料的研究與開發[D]，天津大學碩士學位論文，2006.2)。“強塑積”用字母k表示，等于材料在正常狀態下的拉伸強度Rm和斷后伸長率A的乘積，即：

k＝Rm·A

式中Rm的單位為MPa，A的單位為％，則強塑積k的單位就是MPa％。并提出k＝30000MPa％作為可膨脹管材料開發選擇的判據。目前，API中的石油套管很難滿足這一強韌指標的要求。超高強度鋼的抗拉強度可高達2000MPa，但是其延仲率不到10％，因此其強塑性值在20000MPa％以下；低碳高塑鋼有較大的伸長率，但是其強度又很低，所以超高強度鋼和低碳的高塑鋼的強塑性值均小于30000MPa％，這些材料均不大符合膨脹管材料的要求。

2009年西南石油大學(張恒，實體管井下溫變形膨脹的物理冶金問題及有限元分析[D]，西南石油大學博士學位論文，2010.6)提出作為可膨脹管用的鋼材除了具有上述室溫強塑性性能之外，由于可膨脹管的施工是在井下一定深度的溫度場中進行，還應具有在井下溫度場條件下較強的抗動態回復能力、抗動態應變時效能力以及在油氣田腐蝕環境下(特別是在酸性腐蝕介質條件下)具有較強的抗腐蝕性能(尤其是抗硫化物應力腐蝕(SSCC)能力)。

上世紀末到本世紀初，殼牌石油公司在材料的研究方面，花了近6年的時間，推出LSX80膨脹管合金材料，強塑性值才勉強達到30000MPa％。

2005年天津大學和上海天合形狀記憶有限公司采用低合金雙相鋼(DP)和相變誘發塑性不銹鋼(TWIP)分別研制出適用于低膨脹率和高膨脹率的膨脹管材料，明顯提高了材料的強塑性以及加工硬化率，在形變的初期易于屈服，隨后能快速提高強度，大大節約了膨脹功，在具有較好塑性的同時又具有較高的強度和較好的強塑性綜合指標。