供稿|李秀程，尚成嘉，袁勝福，謝振家，張繼武，王學(xué)敏，王靖元，張超 / LI Xiu-cheng, SHANG Cheng-jia,YUAN Sheng-fu, XIE Zhen-jia, ZHANG Ji-wu, WANG Xue-min, WANG Jing-yuan, ZHANG Chao

膨脹套管技術(shù)是近二十年來(lái)新發(fā)展的石油天然氣鉆采領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)，被稱為是鉆井工程的革命。20世紀(jì)90年代荷蘭殼牌公司率先提出了這一概念并很快開(kāi)展了應(yīng)用[1-7]。這一技術(shù)可實(shí)現(xiàn)等井徑鉆井，縮減油氣井上部井眼尺寸，優(yōu)化鉆具組合，提高機(jī)械鉆速，節(jié)省井口設(shè)備、鉆井液、循環(huán)時(shí)間、水泥、鉆頭和平臺(tái)費(fèi)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該技術(shù)可以降低44%的鉆井液用量、42%的水泥用量、38%的套管用量和59%的鉆屑生成量，在海上鉆井和建井中可節(jié)省33%～48%的建井費(fèi)用[8]。

目前大多數(shù)所采用的膨脹管材料雖然強(qiáng)度級(jí)別高，但是均勻延伸率和總延伸率都很低，且施工時(shí)膨脹壓過(guò)高，無(wú)法進(jìn)行大擴(kuò)徑率膨脹施工。如果選用傳統(tǒng)不銹鋼作為膨脹管材料，其塑性雖然優(yōu)異，但是強(qiáng)度等級(jí)較低，無(wú)法進(jìn)行完井、側(cè)鉆等施工需求。近年來(lái)也有選用高合金奧氏體鋼作為膨脹管的嘗試，強(qiáng)塑性等特性雖然都比較理想，但又存在成本較高的問(wèn)題，不利于推廣和普及。綜上所述，膨脹管產(chǎn)品的低性能和高成本嚴(yán)重制約了膨脹管技術(shù)的應(yīng)用[9-13]。國(guó)外幾大油服公司紛紛將提高性能、降低成本作為膨脹管材料研發(fā)的主要方向。

多相組織調(diào)控技術(shù)與新型鋼鐵材料

北京科技大學(xué)尚成嘉教授帶領(lǐng)其項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究工作，系統(tǒng)掌握了在高強(qiáng)鋼中獲得殘余奧氏體的組織調(diào)控原理及工藝技術(shù)。如對(duì)一種簡(jiǎn)單C-Mn-Si成分體系的鋼材，通過(guò)調(diào)控貝氏體區(qū)等溫溫度和等溫時(shí)間，可以獲得殘余奧氏體比例高達(dá)16%的多相組織[14-15]。此外，通過(guò)調(diào)控不同的初始組織，可以獲得不同尺寸形貌的殘余奧氏體，所表現(xiàn)出的力學(xué)行為也截然不同[16]。在簡(jiǎn)單成分體系的基礎(chǔ)上，適當(dāng)添加微合金元素，利用特定后續(xù)熱處理方式，可獲得具有高強(qiáng)度-高塑性-高韌性的最新型M3鋼(多相multiphase-亞穩(wěn)metastable-多尺度析出multiscale precipitate鋼)，鋼中的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)可以調(diào)控高達(dá)30%，詳見(jiàn)圖1。高比例的殘余奧氏體與鐵素體/貝氏體組織匹配，可以使鋼鐵材料獲得全新的性能特征，屈服強(qiáng)度范圍達(dá)到250～450 MPa，抗拉強(qiáng)度范圍達(dá)到500～700 MPa，同時(shí)具有超高塑性，均勻延伸率在18%以上，最高可接近30%。不僅如此，這類鋼材還具有良好的低溫沖擊韌性，在-40℃時(shí)，夏比沖擊功可達(dá)130 J以上；而當(dāng)溫度繼續(xù)降低到-80℃時(shí)，仍可以獲得60 J以上的夏比沖擊功。

此類材料具有良好強(qiáng)-韌-塑綜合性能的原因就是鋼中形成的一定比例的殘余奧氏體組織。通過(guò)對(duì)拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)前后的試樣進(jìn)行X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)斷口附近的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)均有大幅度下降，說(shuō)明在斷裂前的塑性形變過(guò)程中，大量的殘余奧氏體發(fā)生了馬氏體相變，這種相變?yōu)椴牧系男巫兲峁┝怂苄?，即形成了TRIP(相變誘導(dǎo)塑性)效應(yīng)。同時(shí)也使得這種鋼材在形變中可以獲得很大程度強(qiáng)化效果，形變后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均得到大幅度提升。

圖1 采用特殊處理獲得的含有一定比例殘余奧氏體的多相組織鋼EBSD表征組織圖(其中紅色為殘余奧氏體相，面心立方結(jié)構(gòu))

圖2 拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)前后試樣的X射線衍射對(duì)比分析

新型膨脹套管產(chǎn)品及其陸上膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

這種新型鋼鐵材料的一個(gè)最佳應(yīng)用方向就是可膨脹套管產(chǎn)品，因?yàn)榕蛎浱坠芟鄬?duì)于其他鋼鐵制品具有及其特殊的應(yīng)用性能要求。首先，為了保證膨脹施工的順利進(jìn)行，膨脹套管材料不能具有過(guò)高的屈服強(qiáng)度，否則膨脹過(guò)程脹錐驅(qū)動(dòng)壓力過(guò)大，會(huì)增加施工的事故發(fā)生率，施工過(guò)程也更加危險(xiǎn)。目前的膨脹施工水平下，一般認(rèn)為膨脹壓不應(yīng)超過(guò)30 MPa，所以膨脹套管的屈服強(qiáng)度不應(yīng)過(guò)高，以400 MPa以下為宜。其次，作為油井套管，膨脹管的脹后強(qiáng)度必須較高，以達(dá)到保護(hù)油井的目的。通常，膨脹套管在膨脹后需要達(dá)到至少API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中J55油井套管的性能標(biāo)準(zhǔn)，更多時(shí)候需要其達(dá)到N80的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)膨脹套管在膨脹過(guò)程中必須具有良好的塑性，保證其形變均勻，以保證膨脹施工后套管的管型良好，在服役過(guò)程中具有更好的抵抗內(nèi)外壓力載荷的能力。不僅如此，無(wú)論是通過(guò)高頻電阻焊接(HFERW)制管，還是鋼坯拉拔進(jìn)行無(wú)縫管制管，這種新型鋼鐵材料都顯示出了良好的工藝適應(yīng)性，并且生產(chǎn)成本也并不顯著高于市場(chǎng)上的膨脹管產(chǎn)品，甚至低于某些產(chǎn)品。綜上所述，所研發(fā)的新型鋼鐵材料完全符合膨脹套管對(duì)其選材的性能需求，甚至可以說(shuō)是目前科技水平條件下膨脹套管材料的最佳選擇。

本研發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)獲得了2015年國(guó)家科技支撐項(xiàng)目計(jì)劃的支持(No. 2015BAE03B00)，目前已經(jīng)進(jìn)行了百噸級(jí)膨脹管生產(chǎn)，產(chǎn)品規(guī)格范圍為φ114 mm～φ245 mm。相關(guān)用戶已經(jīng)對(duì)該新型膨脹管產(chǎn)品進(jìn)行了多次陸上實(shí)物膨脹實(shí)驗(yàn)(如圖3所示)，均取得滿意效果。以一種φ140 mm×7 mm膨脹管為例，當(dāng)膨脹率為12%時(shí)，其膨脹力僅為300 kN，換算膨脹水壓低于20 MPa，易于膨脹，脹后壁厚均勻，管形良好。

從新型膨脹套管材料在膨脹前后的力學(xué)性能對(duì)比(詳見(jiàn)表1)可以看到：膨脹后管體縱向強(qiáng)度較膨脹前有了大幅度提升，屈服強(qiáng)度增加約200 MPa，達(dá)到了516 MPa?？估瓘?qiáng)度也增加了100 MPa以上。斷口伸長(zhǎng)率雖然有所下降，但是仍達(dá)到了22%，于無(wú)形變的低碳貝氏體鋼接近。夏比沖擊功未明顯下降。這樣的力學(xué)性能水平完全超過(guò)了J55油井套管的水平，已接近N80油井套管的水平，不僅完全滿足目前老舊油井修補(bǔ)的需求，并且有望應(yīng)用于水平井完井，甚至真正意義上實(shí)現(xiàn)等井徑鉆井。

圖3 對(duì)新型膨脹套管進(jìn)行的陸上模擬膨脹實(shí)驗(yàn)

表1 新型膨脹套管膨脹12%前后的縱向力學(xué)性能對(duì)比

前景展望

經(jīng)過(guò)多年研究，該新型膨脹管已經(jīng)具備了成熟的技術(shù)。從合金成分設(shè)計(jì)，到制管及后續(xù)熱處理，再到成品加工檢驗(yàn)，都形成了完善的技術(shù)路線，并且有科研理論的支持。大型工業(yè)化試制也表明批量化生產(chǎn)的新型膨脹套管產(chǎn)品性能穩(wěn)定，完全達(dá)到預(yù)期水平。目前，國(guó)內(nèi)外幾家大型能源公司都已經(jīng)對(duì)該產(chǎn)品表現(xiàn)出濃厚的興趣，關(guān)于其應(yīng)用技術(shù)細(xì)節(jié)和服役評(píng)價(jià)的合作研究正在相繼開(kāi)展。

北京科技大學(xué)對(duì)該新型膨脹套管及其材料體系已經(jīng)建立起核心專利保護(hù)體系，經(jīng)過(guò)前期研究開(kāi)發(fā)，百噸級(jí)工業(yè)化試制產(chǎn)品已經(jīng)獲得用戶高度評(píng)價(jià)并快速在相關(guān)行業(yè)形成影響力。該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)北京國(guó)際高技術(shù)中心評(píng)估，認(rèn)為具備較好的商業(yè)化應(yīng)用前景。聯(lián)系人：王靖元(北京國(guó)際高技術(shù)中心項(xiàng)目經(jīng)理，聯(lián)系電話：18610010155)。

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