一种页岩气井用高强度高韧性焊接套管及其制造方法

摘要

本发明公开了一种页岩气井用高强度高韧性焊接套管及其制造方法，其化学元素成分按重量百分比为：C：0.16～0.28％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.60～1.00％，Cr：0.20～1.20％，Mo：0.30～1.00％，S≤0.002％，P≤0.010％，Ni：0.15～0.55％，V：0.01～0.15％，Ti：0.005～0.05％，Al：0.01～0.03％，稀土Re：0.0005～0.020％，B：0.001～0.0015％，余量为Fe及不可避免的杂质。通过炼钢进行板坯连铸，以及板坯加热、轧制、控制冷却、成型、HFW焊接、焊缝热处理、张力减径、冷床、热处理、矫直、探伤和车丝扣等工艺制造高强度高韧性焊接套管，使套管的屈服强度Rt0.65≥896MPa，抗拉强度Rm≥1000MPa，延伸率A≥18％，0℃时全尺寸母材横向冲击功Akv≥116J，焊缝冲击功Akv≥100J，抗挤毁强度≥156.7MPa，而且具有良好的热稳定性能，尤其是在180℃条件下，套管屈服强度的衰减比例小于10％。

权利要求

1.一种页岩气井用高强度高韧性焊接套管的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)铁水经过预处理、电炉冶炼、RH炉精炼、VD真空处理后连铸成板坯，连铸板坯经过

1150～1280℃加热后采用TMPC工艺轧制成高尺寸精度卷板，终轧温度>830℃，卷取温度<

680℃，卷板壁厚公差为-0.08～+0.12mm；

(2)卷板经过纵剪、无损检测、铣边、成型、HFW焊接及焊缝在线热处理制成规定尺寸的直缝电焊管，焊后及时进行焊缝内外毛刺修整，使焊道光滑且与管体内、外表面齐平；HFW焊接的工艺参数为：焊接速度15～30m/min，热输入55～95kW，挤压量1～4mm；

(3)采用中频感应加热对焊缝进行860～920℃在线正火处理；

(4)采用中频感应加热方式将直缝电焊管以20～50℃/s的加热速率快速加热至920～

1120℃后，进行热张力减径得到所需规格的管坯，达到焊缝区与母材区性能接近一致；

(5)对热张力减径后的焊管进行整管热处理及热矫直处理，热处理工艺为淬火+回火，淬火温度为885℃～910℃，保温时间为60～75分钟；回火温度为580℃～630℃，保温时间为

75～90分钟；矫直温度为510℃；

(6)对检测合格的管坯进行管端丝扣加工，最终形成页岩气井用高强度高韧性焊接套管；

所述套管的化学元素成分按重量百分比为：C：0.19～0.22％，Si：0.24～0.29％，Mn：

0.62～0.82％，Cr：0.36～0.51％，Mo：0.45～0.52％，S0.001％，P 0.007～0.008％，Ni：

0.21～0.34％，V：0.09～0.13％，Ti：0.006～0.009％，Al：0.022～0.023％，稀土Re：0.007～0.009％，B：0.0012％，余量为Fe及不可避免的杂质；

套管的屈服强度：928MPa～953MPa，抗拉强度：1007MPa～1026MPa，延伸率：A≥18％，0℃时全尺寸母材横向冲击功：133J～147J，焊缝冲击功：103J～109J，抗挤毁强度：169.4MPa～175.3MPa，而且具有良好的热稳定性能，在180℃条件下，套管屈服强度的衰减比例小于

10％。

说明书

一种页岩气井用高强度高韧性焊接套管及其制造方法

技术领域：

[0001] 本发明属于金属材料和石油天然气工业领域，具体涉及一种页岩气井用高强度高韧性焊接套管及其制造方法。背景技术：

[0002] 页岩气属于源生气，主要位于暗色泥岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，为典型原地成藏模式。与常规天然气气藏不同，页岩气“生、储、盖”自成一体，主要分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，连续性分布。我国页岩气勘探开发尚处于起步阶段，但是已经形成涪陵、长宁、威远和延长四大产区，产能超过100亿立方米。

[0003] 目前页岩气开采多用水平井多级分段射孔压裂技术，该工艺对套管的抗内压强度、抗挤毁强度均提出了较高的要求。资料研究表明页岩气井用生产套管应具有以下几个要求：1)高强度，可以保证套管抵御地层非均匀载荷的影响；2)高韧性，可以抑制套管发生脆性断裂；3)较好的热稳定性，保证多次压裂过程中套管性能波动小。

[0004] 申请号为CN201010144563.X，公开了一种直缝电阻焊石油套管用钢及套管制造方法，该专利的制造方法焊接后进行焊缝正火或整体正火，正火后进行热定径及校直；或采用热张力减径方法，使钢管的成分均匀；最后还可选择进行整体加热淬火并进行回火；淬火回火后的焊接钢管进行离线热校直，该方法制造的直缝电阻焊石油套管：屈服强度≥380～760MPa，抗拉强度≥520～865Mpa，延伸率≥20％，抗挤强度比相同规格的API标准套管提高
15％～50％。

[0005] 本发明通过化学成分设计及制造工艺优化，进一步提高了套管的强度、韧性以及抗外压挤毁性能。发明内容：

[0006] 本发明的目的在于提供一种页岩气井用高强度高韧性焊接套管及其制造方法，通过合理的成分设计结合钢管的成型、焊接、热张力减径及热处理后，使套管具有高强度高韧性，同时还具有更好的抗外压挤毁性能。

[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种页岩气井用高强度高韧性焊接套管，其化学元素成分按重量百分比为：C：0.16～0.28％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.60～1.00％，Cr：0.20～1.20％，Mo：0.30～1.00％，S≤0.002％，P≤0.010％，Ni：0.15～0.55％，V：0.01～0.15％，Ti：0.005～0.05％，Al：0.01～0.03％，稀土Re：0.0005～0.020％，B：
0.001～0.0015％，余量为Fe及不可避免的杂质。

[0008] 一种页岩气井用高强度高韧性焊接套管的制造方法，主要包括以下步骤：

[0009] (1)铁水经过预处理、电炉冶炼、RH炉精炼、VD真空处理后连铸成板坯，连铸板坯经过1150～1280℃加热后采用TMCP工艺轧制成高尺寸精度卷板，终轧温度>830℃，卷取温度<680℃，卷板壁厚公差为-0.08～+0.12mm；

[0010] (2)卷板经过纵剪、无损检测、铣边、成型、HFW焊接及焊缝在线热处理制成规定尺寸的直缝电焊管，焊后及时进行焊缝内外毛刺修整，使焊道光滑且与管体内、外表面齐平；

[0011] (3)采用中频感应加热对焊缝进行860～920℃在线正火处理；

[0012] (4)采用中频感应加热方式将直缝电焊管以20～50℃/s的加热速率快速加热至920～1120℃后，进行热张力减径得到所需规格的管坯，达到焊缝区与母材区性能接近一致；

[0013] (5)对热张力减径后的焊管进行整管热处理及热矫直处理，热处理工艺为淬火+回火，淬火温度为880℃～930℃，保温时间为45～90分钟；回火温度为560℃～640℃，保温时间为60～100分钟；矫直温度为≥480℃；

[0014] (6)对检测合格的管坯进行管端丝扣加工，最终形成页岩气井用高强度高韧性焊接套管。

[0015] 本发明的有益效果：

[0016] 本发明通过合理的化学成分设计、HFW焊接工艺、热张力减径工艺、淬火+回火热处理工艺及热矫直工艺使制造的直缝电焊管的屈服强度Rt0.65≥896MPa，抗拉强度Rm≥1000MPa，延伸率A≥18％，0℃时全尺寸母材横向冲击功Akv≥116J，焊缝冲击功Akv≥100J，抗挤毁强度≥156.7MPa，而且具有良好的热稳定性能，尤其是在180℃条件下，套管屈服强度的衰减比例小于10％。
具体实施方式：

[0017] 下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

[0018] 表1为本发明实例1至实例4的页岩气井用焊接套管的化学成分的重量百分比，余量为铁和不可避免的杂质，质量分数共计100％。采用电炉冶炼和RH炉精炼实现钢的洁净化，达到降低S、P含量的目的；通过在钢中加入Cr、Mo等元素来提高材料的淬透性、耐高温性、抗回火性等；添加B元素是为了进一步增加钢的淬透性；添加Ti、Al元素来固定钢中的N，保证B有效固溶；添加V元素来细化晶粒，提高材料的强度和韧性；添加稀土元素是为实现变质处理，可显著提高材料的韧性。

[0019] 通过上述实例1至实例4分别提供的化学成分的重量百分比制备石油套管，具体的制造过程包括：

[0020] 表1各实例化学成分(质量百分数/％)

[0021] 实例 C Si Mn Cr Mo S P Ni V Ti Al Re B实例1 0.22 0.24 0.62 0.45 0.45 0.001 0.008 0.21 0.09 0.006 0.022 0.007 0.0012实例2 0.19 0.29 0.73 0.36 0.52 0.001 0.007 0.28 0.11 0.007 0.023 0.009 0.0012实例3 0.20 0.27 0.79 0.51 0.48 0.001 0.008 0.34 0.11 0.009 0.023 0.008 0.0012实例4 0.21 0.28 0.82 0.48 0.49 0.001 0.008 0.33 0.13 0.008 0.023 0.008 0.0012[0022] 炼钢生产过程的主要步骤为：将电炉冶炼、RH炉精炼、VD真空处理后的钢水进行Ca处理后，连铸成板坯。连铸板坯经过1150～1280℃加热后利用TMCP工艺制成卷板，卷板的终轧温度大于830℃，轧后卷板经过加速冷却的方法冷却至680℃以下卷取，卷板的壁厚公差为-0.08～+0.12mm。

[0023] 制管生产过程的主要步骤为：拆卷→纵剪→铣边→成型→HFW焊接→焊缝热处理→中频感应加热→热张力减径→冷却→热处理→矫直→探伤→车丝扣。

[0024] 设计钢的合金含量高，为使防止夹杂物不能挤出等现象出现，应严格控制焊接工艺参数(开口角、热输入、焊接速度、挤压量等)，其中焊接速度15～30m/min，挤压量1～4mm。

[0025] 采用中频感应加热对焊缝进行860～920℃在线正火处理后，再以20～50℃/s的加热速率快速将整管加热至920～1120℃，进行直缝电焊管热张力减径得到所需规格的管坯。

[0026] 热处理工艺为淬火+回火，淬火温度为880℃～930℃，保温时间为45～90分钟；回火温度为560℃～640℃，保温时间为60～100分钟。在此工艺条件下，材料力学性能满足要求，而且具有良好的强韧性匹配。保证矫直温度为≥480℃，以避免钢管产生较大的应力而产生裂纹。

[0027] 表2给出了采用实例1至实例4的化学成分制造套管过程的具体工艺参数。

[0028] 表2各实例的主要工艺参数

[0029]

[0030]

[0031] 对矫直后的钢管逐支进行探伤检测，按照API SPEC 5CT 9th执行，其中：内外表、横纵向、L2等级；水压试验(69MPa)和通径处理，合格品经车丝扣加工得到成品，最后对成品套管进行性能测试，检测结果如表3和表4所示。从表3和表4可以看出：本发明石油套管的屈服强度Rt0.65≥896MPa，抗拉强度Rm≥1000MPa，延伸率A≥18％，0℃时全尺寸母材横向冲击功Akv≥116J，焊缝冲击功Akv≥100J，抗挤毁强度≥156.7MPa，而且具有良好的热稳定性能，尤其是在180℃条件下，套管屈服强度的衰减比例小于10％。这种优异的抗挤毁强度、冲击韧性和热稳定性能，有效降低了本发明的石油套管在采用水平井分段压裂技术开采页岩气时发生挤毁失效以及产生裂纹的问题，适用于页岩气开采。

[0032] 表3各实施例的性能检测结果

[0033]

[0034] 表4各实施例的高温拉伸性能检测结果

[0035]