一种高强高韧页岩油气钻采用管材及其制备方法与流程

1.本发明涉及材料冶金技术领域，尤其涉及一种高强高韧页岩油气钻采用管材及其制备方法。


背景技术：

2.页岩气是指以页岩为主的页岩层系中所包含的天然气资源，根据自然资源部数据显示，我国埋深4500米以浅页岩气可采资源量约22万亿立方米，页岩气有望成为未来天然气的重要增产动力。
3.但是，页岩气藏属于非常规油气藏，与常规油气藏有很大区别，页岩气藏较深，储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，通常渗透率小于1
×
10-3
级，孔隙度最高仅为4％-5％，气流阻力比常规天然气大，开采难度大，需实施储层液压破碎才能开采。因此，对页岩气藏用管材的综合性能提出了极高的要求，管材的屈服强度要求达到125ksi以上，冲击功要求大于管体屈服强度的1/10，同时，要求具有较好的塑性。
4.传统超高强度管材的成分设计一般采用中碳铬钼钢，通过碳、铬、钼提高淬透性和强度，并依靠采用高温回火得到索氏体组织，进一步提高冲击韧性，常用钢的碳含量为0.2％-0.3％，钼含量为0.3％-0.8％，并且一般需要加入铌和钒等微量合金元素，合金成本较高，且铌、钒在地壳中的丰度较低。因此，开发高强度高韧性的经济型管材成为页岩气藏开采领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有油气钻采用管材的强度、韧性、塑性较低，以及生产成本较高等问题，本发明提供一种高强高韧页岩油气钻采用管材及其制备方法。
6.为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：
7.一种高强高韧页岩油气钻采用管材，其成分重量百分比为：0.18％≤c≤0.22％、0.15％≤si≤0.35％、1.6％≤mn≤2.0％、0.16％≤mo≤0.20％、0.02％≤ti≤0.04％、0.001％≤b≤0.002％、0.01％≤al≤0.04％、n≤0.006％、p≤0.01％、s≤0.002％，余量为fe及不可避免的杂质。
8.相对于现有技术，本发明提供的高强高韧页岩油气钻采用管材，合金成分体系简单，不添加nb、v、cr等贵重合金元素，适当降低c含量，将碳含量控制为0.18％-0.22％，可降低连铸过程的元素偏析，提高钢材的韧性；通过将mn含量控制在1.6％-2.0％，不仅可弥补碳含量较低造成的强度降低，还可提高钢管的冲击韧性；加入微量的b增加钢材在热处理过程的淬透性，从而有利于提高钢材的韧性和组织均匀性，进而可有效降低mo的加入量，节约成本；加入ti进行微合金化，控制夹杂物的形态，细化晶粒和均匀组织；加入al作为合金元素和脱氧元素，进一步提高钢材的强度和冲击韧性；严格控制钢中的氮、磷、硫含量，可保证钢中有效钛的含量，有利于充分发挥钛的微合金化效果，并提高钢材的性能稳定性。
9.上述各成分以特定比例相互配合，显著提高了钢材的强度、韧性和塑性，同时还有
效降低了mo的加入量，且无需加入nb、v、cr等贵重元素，钢材的抗拉强度就可达1030-1080mpa，屈服强度可达959-1010mpa，0℃横向全尺寸夏氏冲击功为98-127j，韧性指标满足10％屈服强度的要求，伸长率可达24％-28％，抗挤毁强度可达166-174mpa，可广泛应用于页岩油气开采领域，并有效降低油气开采成本，具有广阔的应用前景。
10.进一步地，所述高强高韧页岩油气钻采用管材的金相组织为回火贝氏体和回火索氏体，晶粒度为9-10级。
11.本发明还提供了上述高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，包括如下步骤：
12.取与所述高强高韧页岩油气钻采用管材化学成分相同的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经微张力减径、步进式冷床冷却得到无缝钢管；
13.将所述无缝钢管经热处理，得所述高强高韧页岩油气钻采用管材。
14.本发明提供的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，制备工艺简单，易于生产实践。
15.优选的，所述连铸圆坯是将炼钢原料经电弧炉熔炼、钢包精炼、vd真空精炼和连铸工序制成。
16.进一步地，电弧炉熔炼结束后，出钢至钢水总量的1/3时，向钢水中加入feal合金进行脱氧合金化，然后加入石灰和钢包顶渣改性剂进行造渣。
17.需要说明的是，在出钢完毕后立即向钢包中加入石灰和钢包顶渣改性剂进行造渣，以保证石灰和钢包顶渣改性剂尽快铺展和熔化。
18.在出钢至1/3时加入feal合金进行脱氧合金化，并在脱氧合金化结束后进行造渣，有利于降低钢液中的夹杂物数量，并减少夹杂物的尺寸，提高成品钢水的纯净度。
19.进一步地，所述钢包顶渣改性剂的成分重量百分比为：cao 15％-20％，sio
2 5％-10％，al2o
3 30％-35％，al 10％-20％，c 10％-20％，余量为不可避免的杂质。
20.示例性的，所述钢包顶渣改性剂的加入量为1kg/t-3kg/t。
21.优选的钢包顶渣改性剂具有良好的还原性和快速成渣的优点，可实现对钢包顶渣的持续稳定改性，充分发挥钢包顶渣对钢水脱硫、钢水氧化和吸附夹杂物的作用，显著提高钢水纯净度。
22.优选的，钢包精炼工序中，将精炼渣各组分的重量百分比控制在如下范围：cao 45％-55％，sio
2 10％-15％，al2o3+b2o
3 25％-30％，mgo 4％-8％，其中，b2o3的含量为2％-20％，余量为不可避免的杂质。
23.本发明精炼渣中加入的al2o3和b2o3可有效降低钢渣的熔点和粘度，使精炼渣具有良好的吸附夹杂物和脱硫能力，从而有效改善钢中夹杂物的数量、形态和尺寸，提高钢液的纯净度，进而提高钢材的韧性。
24.优选的，vd真空精炼工序结束后，向钢水中加入feti合金，软吹2min-4min后，加入feb合金进行合金化。
25.优选的，所述feti合金的加入量为0.6kg/t-1.2kg/t，feb合金的加入量为0.06kg/t-0.12kg/t。
26.本发明通过加入feti合金进行微合金化，控制夹杂物的形态，细化晶粒和均匀组织，同时，配合加入feb合金，提高钢材组织的均匀性和淬透性，在显著提高钢材综合性能的
前提下，还有效降低了mo的加入量，且避免了nb、v、cr的加入，为页岩油气钻采用管材提供了一种新的成分设计思路，对于开发新型高强度高韧性的管材具有十分重要的意义。
27.优选的，轧制工序的延伸系数为5-10。
28.将轧制工序的延伸系数控制为5-10，有利于减轻带状组织，提高管材的冲击韧性。
29.优选的，热处理工序包括如下步骤：将无缝钢管加热至930℃-980℃并保温后，水淬，然后将钢管加热至450℃-600℃并保温后，空冷。
30.优选的，热处理工序中，无缝钢管在930℃-980℃的保温时间为3min-5min，在450℃-600℃的保温时间为10min-15min。
31.将无缝钢管加热至930℃-980℃，可促进tic充分溶解在奥氏体中，为后续淬火+回火处理形成极细小的晶粒提供条件；通过后续的水淬和450℃-600℃回火，有利于析出细小弥散分布的tic粒子，并获得均匀细小的回火贝氏体和回火索氏体，提升管材的强度和韧性。
32.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
33.本发明中采用精确的化学成分设计和独特的制备工艺配合，使得钢水的纯净度高，夹杂物细小且弥散分布，且金相组织为细小均匀的回火贝氏体和回火索氏体，晶粒度为9-10级，从而使得制备的钢材具有超高强度，同时还具有与超高强度相匹配的韧性和塑性，且合金元素种类少、合金含量低，生产成本明显降低，在页岩油气开采领域具有广阔的应用前景。
附图说明
34.图1为本发明实施例1制备的高强高韧页岩油气钻采用管材的金相组织图；
35.图2为本发明实施例2制备的高强高韧页岩油气钻采用管材的金相组织图；；
36.图3为本发明实施例3制备的高强高韧页岩油气钻采用管材的金相组织图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
38.为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
39.实施例1
40.本发明实施例提供一种高强高韧页岩油气钻采用管材，其化学成分为：
41.c 0.18％、si 0.25％、mn 2.0％、mo 0.16％、ti 0.04％、b 0.002％、al0.01％、n 0.004％、p 0.008％、s 0.0015％，余量为fe及不可避免的杂质。
42.上述高强高韧页岩油气钻采用管材的制备步骤如下：
43.s1，将炼钢原料经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、vd真空脱气、连铸工序制成与上述管材化学组分相同的直径为φ200mm的连铸圆坯；
44.s2，连铸圆坯经环形炉加热、穿孔制成毛管、毛管经三辊连轧机组轧制得到荒管、荒管经三机架脱管机脱管、微张力减径、步进式冷床冷却，制成轧制成外径为139.7mm、壁厚为12.7mm的无缝钢管；
0.005％、p 0.006％、s 0.0012％，余量为fe及不可避免的杂质。
68.上述高强高韧页岩油气钻采用管材的制备步骤如下：
69.s1，将炼钢原料经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、vd真空脱气、连铸工序制成与上述管材化学组分相同的直径为φ200mm的连铸圆坯；
70.s2，连铸圆坯经环形炉加热、穿孔制成毛管、毛管经三辊连轧机组轧制得到荒管、荒管经三机架脱管机脱管、微张力减径、步进式冷床冷却，制成轧制成外径为139.7mm、壁厚为12.7mm的无缝钢管；
71.s3，将上述无缝钢管进行热处理，得到高强高韧页岩油气钻采用管材。
72.其中，电弧炉熔炼工序结束后在出钢至1/3时，向钢水中加入feal合金进行脱氧合金化，然后加入石灰和钢包顶渣改性剂进行造渣。所述钢包顶渣改性剂的成分重量百分比为：cao 20％，sio
2 10％，al2o
3 35％，al 10％，c13％，余量为不可避免的杂质。
73.钢包精炼工序中，钢包精炼工序中，将精炼渣各组分的重量百分比控制在如下范围：cao 55％，sio
2 10％，al2o
3 10％，b2o
3 18％，mgo 4％，余量为不可避免的杂质。
74.vd真空精炼工序结束后，向钢水中加入0.6kg/t的feti合金，软吹2min-4min后，加入0.1kg/t的feb合金进行合金化。
75.轧制工序的延伸系数为10。
76.热处理工序包括如下步骤：将无缝钢管加热至980℃并保温3min后，水淬，然后将钢管加热至600℃并保温10min后，空冷。
77.采用本实施例制备的页岩油气钻采用管材的组织主要为回火贝氏体和回火索氏体，晶粒细小，晶粒度为9-10级，如图3所示。
78.按照api specification 5ct标准第10版要求从实施例1-实施例3制备的页岩油气钻采用管材中任意取样分析其屈服强度、抗拉强度、横向冲击功和伸长率；并按照sy/t 6238.1标准要求测试各取样样品的抗挤毁强度；结果如表1所示。
79.表1力学性能统计表
80.检验项目样本数最小值最大值平均值标准差屈服强度/mpa779591010980.614.3抗拉强度/mpa77103010801055.312.5夏氏冲击功/j7798127110.211.2伸长率/％77242826.50.6抗挤毁强度/mpa28166.2173.5170.31.3
81.从表中可以看出，通过以上方法制得的管材的屈服强度为959-1010mpa、抗拉强度为1030-1080mpa，0℃横向全尺寸夏氏冲击功为98-127j，屈强比≤0.93。其中屈服强度平均值为980.6mpa、标准差为14.3mpa；抗拉强度平均值为1055.3mpa、标准差为12.5mpa；0℃横向全尺寸夏氏冲击功平均值为110.2j、标准差为11.2j。材料的伸长率为24％-28％、平均值为26.5％、标准差为0.6％。
82.按照gb/t 10561标准要求从实施例1-3制备的页岩油气钻采用管材中任取25个样品进行夹杂物评级，统计分析结果如表2所示。
83.表2夹杂物评级统计表
84.夹杂物类型最小值最大值平均值
a细000b细00.50.31c细000d细00.50.25ds00.50.22
85.结果可知，实施例1-3制备的页岩油气钻采用管材中未见粗类夹杂物，b细夹杂物的平均等级为0.31级，d细夹杂物的等级为0.25级，ds夹杂物等级为0.22级，管材纯净度高，有利于提升管材在地层压裂过程中的抗疲劳性能。
86.综上所述，本发明制备得到的管材的冶金性能优良，有害元素含量低，微观组织细小均匀，力学性能可靠，可广泛应用于页岩气藏的钻采，具有广阔的市场前景。
87.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高强高韧页岩油气钻采用管材，其特征在于，其成分重量百分比为：0.18％≤c≤0.22％、0.15％≤si≤0.35％、1.6％≤mn≤2.0％、0.16％≤mo≤0.20％、0.02％≤ti≤0.04％、0.001％≤b≤0.002％、0.01％≤al≤0.04％、n≤0.006％、p≤0.01％、s≤0.002％，余量为fe及不可避免的杂质。2.一种权利要求1所述的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：取与所述高强高韧页岩油气钻采用管材化学成分相同的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经微张力减径、步进式冷床冷却得到无缝钢管；将所述无缝钢管经热处理，得所述高强高韧页岩油气钻采用管材。3.如权利要求2所述的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，其特征在于，所述连铸圆坯是将炼钢原料经电弧炉熔炼、钢包精炼、vd真空精炼和连铸工序制成。4.如权利要求3所述的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，电弧炉熔炼结束后，出钢至钢水总量的1/3时，向钢水中加入feal合金进行脱氧合金化，然后加入石灰和钢包顶渣改性剂进行造渣。5.如权利要求4所述的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，其特征在于，所述钢包顶渣改性剂的成分重量百分比为：cao 15％-20％，sio
2 5％-10％，al2o
3 30％-35％，al 10％-20％，c 10％-20％，余量为不可避免的杂质。6.如权利要求3所述的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，其特征在于，钢包精炼工序中，将精炼渣各组分的重量百分比控制在如下范围：cao45％-55％，sio
2 10％-15％，al2o3+b2o
3 25％-30％，mgo 4％-8％，其中，b2o3的含量为2％-20％，余量为不可避免的杂质。7.如权利要求3所述的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，其特征在于，vd真空精炼工序结束后，向钢水中加入feti合金，软吹2min-4min后，加入feb合金进行合金化。8.如权利要求2所述的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，其特征在于，轧制工序的延伸系数为5-10。9.如权利要求2所述的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，其特征在于，热处理工序包括如下步骤：将无缝钢管加热至930℃-980℃并保温后，水淬，然后将钢管加热至450℃-600℃并保温后，空冷。10.如权利要求9所述的高强高韧页岩油气钻采用管材的制备方法，其特征在于，热处理工序中，无缝钢管在930℃-980℃的保温时间为3min-5min，在450℃-600℃的保温时间为10min-15min。

技术总结
本发明公开一种高强高韧页岩油气钻采用管材及其制备方法，其成分的重量百分比为：0.18％≤C≤0.22％、0.15％≤Si≤0.35％、1.6％≤Mn≤2.0％、0.16％≤Mo≤0.20％、0.02％≤Ti≤0.04％、0.001％≤B≤0.002％、0.01％≤Al≤0.04％、N≤0.006％、P≤0.01％、S≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明制备的管材的金相组织为细小均匀的回火贝氏体和回火索氏体，晶粒度为9-10级，具有超高强度，同时还具有与超高强度相匹配的韧性和塑性，且合金元素种类少、合金含量低，生产成本明显降低，在页岩油气开采领域具有广阔的应用前景。景。景。


技术研发人员：邓叙燕 李玲霞 张玲通 高辉 冯莹 郭振
受保护的技术使用者：达力普石油专用管有限公司
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/11