劉廣華，陳松林，蘇鄭卿

（江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇 常州 213200）

隨著世界油氣工業(yè)的發(fā)展以及各國對能源的戰(zhàn)略需求增大，自美國頁巖氣革命以來，直井和水平井的壓裂工藝已成為開發(fā)頁巖氣的關(guān)鍵因素，而壓裂作為一種關(guān)鍵的增產(chǎn)技術(shù)手段在頁巖氣開發(fā)過程中已得到廣泛應(yīng)用［1-3］。在壓裂過程中，頁巖氣井的生產(chǎn)套管出現(xiàn)了大量的變形損壞，嚴重影響生產(chǎn)。根據(jù)相關(guān)文獻分析［4-10］，套管損壞主要表現(xiàn)為套管管體受到的外界非均勻載荷超出套管能力極限，導(dǎo)致套管整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，發(fā)生點變形，主要變形為剪切變形和擠壓變形。因此，在頁巖氣套管選型及套管生產(chǎn)過程中，提高壁厚和屈服強度均可以提高抗外壓擠毀強度，能有效地減少套管變形。

抗擠毀性能作為套管的主要實物性能指標，起著維持套管穩(wěn)定性的重要作用。參考部分文獻資料，在鋼管規(guī)格確定的情況下，影響抗擠毀性能的主要參數(shù)是：外徑橢圓度、壁厚均勻性、屈服強度和殘余應(yīng)力［11-16］。因此，在屈服強度達到鋼級要求的同時，控制好套管的幾何尺寸精度并降低殘余應(yīng)力，可以生產(chǎn)出具有較高抗擠毀強度的套管。

以Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格CB140V鋼級套管為例，從鋼管生產(chǎn)過程中的尺寸控制、性能控制等方面介紹了頁巖氣套管開發(fā)生產(chǎn)過程。根據(jù)API TR 5C3—2018《套管或油管的性能計算》，對于Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格CB140V鋼級套管，其適用的抗擠毀強度Pyp計算公式為塑形擠毀壓力公式，見公式（1），該規(guī)格產(chǎn)品的理論抗擠毀強度可以達到159.5 MPa。CB140V鋼級套管性能指標要求見表1。

表1 CB140V鋼級套管性能指標要求

式中Yp——規(guī)定的最低屈服強度，MPa；

D——套管外徑，mm；

t——套管壁厚，mm。

1 主要技術(shù)指標

為了降低套管尺寸對抗擠毀強度和使用性能的影響，對套管尺寸公差進行了嚴格設(shè)計，Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格套管幾何尺寸要求見表2。

表2 Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格套管幾何尺寸要求

2 鋼種設(shè)計

首先需保證管體具有良好的屈服強度和抗拉強度，確保管體強度指標達到設(shè)計要求；其次在保證強度的前提下，盡可能提高管體韌性。參考國內(nèi)合金結(jié)構(gòu)鋼標準，并結(jié)合以往套管生產(chǎn)經(jīng)驗，綜合考慮，選擇具有良好強韌性的CrMo合金鋼，并添加少量的細化晶粒元素Nb、V等合金元素。鉻能增加調(diào)質(zhì)熱處理鋼的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆，經(jīng)回火熱處理后具有良好的綜合性能；鉬在調(diào)質(zhì)鋼中不但能夠提高鋼的淬透性，還具有良好的熱強性，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使鋼材可以在較高的溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應(yīng)力，提高塑性；釩在鋼中主要以碳化物的形式存在，其主要作用是細化鋼的組織和晶粒，但會降低鋼的強度和韌性，在結(jié)構(gòu)鋼中常和錳、鉻、鉬以及鎢等元素聯(lián)合作用，在調(diào)質(zhì)鋼中能提高鋼的強度和屈服比，降低過熱敏感性；鈮在鋼中也具有細化晶粒的作用，微量鈮可以在不影響鋼的塑性和韌性的情況下提高鋼的強度，提高鋼的沖擊韌性并降低其脆性轉(zhuǎn)變溫度。

Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格套管化學(xué)成分設(shè)計目標見表3。

表3 Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格套管化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）設(shè)計目標 %

3 熱軋生產(chǎn)

3.1 工藝流程

EAF（高爐鐵水+廢鋼）→爐外精煉→真空脫氣→連鑄→連軋→緩冷→管坯檢驗→冷定心→管坯加熱→穿孔→軋管→再加熱→定（減）徑→冷卻→調(diào)質(zhì)熱處理→熱矯直→壓力矯直→管端鋸切→目視檢驗→尺寸檢驗→超聲波探傷→管端磁粉→水壓測試→通徑→車絲→螺紋檢驗→管擰→噴標→涂油→包裝入庫。

3.2 冶煉控制

為了降低鋼中氣體含量對鋼韌性的影響，在管坯冶煉過程中采取了真空脫氣處理，其中w（O）≤30×10-6，w（N）≤80×10-6，w（H）≤2×10-6。另外，為了降低非金屬夾雜物對鋼材強度和沖擊韌性的影響，冶煉過程中采取了鈣處理，改善鋼中夾雜物形狀，從而進一步保證鋼管熱處理后的綜合性能。

3.3 熱軋控制

（1）為了保證熱軋穿孔過程中毛管壁厚均勻性，在生產(chǎn)條件有限的情況下，對管坯提前進行兩端冷定心，一方面提高穿孔過程的咬入條件，另一方面保證咬入過程對中性，從而提高穿孔毛管的壁厚均勻性。

（2）芯棒作為軋制過程的主要變形工具，是影響荒管壁厚精度的主要工具；因此，對芯棒直度和橢圓度提出了更高的要求，芯棒直度≤1 mm/m，橢圓度≤0.3 mm。在軋制生產(chǎn)之前，對芯棒直度和橢圓度進行逐支檢驗和壓力矯直，并剔除最終無法滿足要求的芯棒，保留直度和橢圓度最好的8支芯棒投入生產(chǎn)使用。

（3）為了改善定（減）徑過程鋼管橢圓度，在微張力定（減）徑孔型設(shè)計過程中，充分發(fā)揮14機架微張力定（減）徑機的設(shè)備特點，控制單架最大減徑率不超過3%，總減徑量不超過15%，橢圓度系數(shù)不超過1.03%，同時增加成品機架個數(shù)，使用兩架規(guī)圓機架將鋼管充分規(guī)圓，以減小橢圓度。

3.4 熱處理控制

熱處理不但是影響鋼管力學(xué)性能的主要工序，也是影響高強度、高韌性套管直度的重要工序，為了在熱處理過程中控制這兩個重要控制指標，一方面從熱處理工藝方面著手對CB140V的熱處理工藝進行充分研究，通過延長回火保溫時間，按照常規(guī)回火時間的1.5倍設(shè)計，經(jīng)過多次熱處理小試樣工藝試驗和重復(fù)性試驗驗證，最終確定一組較為合理的淬火＋回火熱處理工藝進行車間生產(chǎn)應(yīng)用。另一方面，生產(chǎn)之前對熱處理設(shè)備進行檢查和維修，保證熱處理熱電偶測溫準確可靠、水淬設(shè)備托輪中心線一致、矯直輥角度一致、矯直輥輥面與管體包絡(luò)緊密貼合。同時矯直過程增加了鋼管的殘余應(yīng)力，為了降低其影響，對矯直溫度也進行了嚴格控制。熱處理工藝及矯直溫度見表4。

表4 Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格CB140V鋼級套管熱處理工藝及矯直溫度

4 性能試驗及分析

4.1 幾何尺寸檢驗

抽檢10支套管的幾何尺寸和直度，具體檢測結(jié)果見表5。從統(tǒng)計結(jié)果來看，外徑、壁厚、橢圓度、壁厚不均度完全達到設(shè)計目標；鋼管經(jīng)過熱旋轉(zhuǎn)矯直，鋼管直度也能夠滿足設(shè)計目標要求。目標對比結(jié)果見表6。

表5 Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格CB140V鋼級套管幾何尺寸統(tǒng)計

表6 Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格CB140V鋼級套管尺寸結(jié)果對比

4.2 室溫力學(xué)性能

Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格CB140V鋼級套管的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表7。常溫拉伸性能、0℃沖擊性能，均達到了設(shè)計要求。

表7 Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格CB140V鋼級套管的力學(xué)性能

金相組織為晶粒細小的回火索氏體，晶粒度達到10級，Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格CB140V鋼級套管金相組織如圖1所示。另外取一支試樣委托第三方實驗室進行抗擠毀強度試驗，受到試驗設(shè)備安全條件限制，試驗壓力已經(jīng)達到了表1中抗擠毀數(shù)值目標，抗擠毀強度已經(jīng)達到了172.9 MPa，該委托第三方實驗室進行抗擠毀強度試驗的鋼管仍未出現(xiàn)擠毀變形跡象，試驗順利通過。

圖1 Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格CB140V鋼級套管金相組織

4.3 用戶使用與評價

該批CB140V鋼級頁巖氣套管經(jīng)過特殊螺紋接頭加工之后，供給國內(nèi)某油田生產(chǎn)試用，在井上服務(wù)人員的跟蹤、指導(dǎo)下，順利完成了套管下井、固井、完井作業(yè)，整個過程中未出現(xiàn)任何異常套損，得到客戶的好評和認可。

5 結(jié) 語

（1）此次開發(fā)的CB140V鋼級高強度、高韌性、高尺寸精度、高抗擠毀套管取得了初步成功，產(chǎn)品各項技術(shù)參數(shù)均達到設(shè)計目標；

（2）該產(chǎn)品經(jīng)過油田客戶的使用驗證，能夠滿足油田頁巖氣開發(fā)生產(chǎn)用套管的使用要求；

（3）CB140V鋼級頁巖氣套管的開發(fā)生產(chǎn)，為國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)生產(chǎn)用套管提供了新的選擇渠道；

（4）CB140V鋼級頁巖氣套管研究開發(fā)的成功，為其他更高鋼級頁巖氣套管的開發(fā)生產(chǎn)提供了研究基礎(chǔ)和方向，主要體現(xiàn)在高強度、高韌性、高尺寸精度、高抗擠毀性能。