[发明专利]石油天然气钻采用J55级膨胀管材成分设计及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及石油套管，特别是一种石油天然气钻采用J55级膨胀管材成分设计及制备方法。 

背景技术

在石油天然气勘探开发中，钻井工程是直接了解地下地质情况、发掘和开采油气田广为应用的最有效手段。常规钻井是将固定尺寸的套管下入井中，从井口向下层层套入，每一层套管的尺寸由上至下是逐渐缩小的。这种钻井的方式对于深井而言将导致两种结果：若固定井口套管直径，有可能因为套管（井眼）尺寸限制而不能达到目的层，进而不能进行深井的井下作业；反之，若不固定进口套管直接，则钻进越深，套管的层数就越多，这样将导致井口直径很大。为此，人们发展了膨胀管技术，它是近年来发展起来的一种新型的颇具应用前景的石油钻采技术，为解决钻井、固井、补井等问题提供了新的有效途径，既能解决井眼变径问题，又能大量节约作业成本，被认为是21 世纪石油钻采行业的核心技术之一（马宏伟，黄勇．膨胀管技术现状分析[J]．科技创新导报．2010，17：69-71．）。 

所谓膨胀管技术是利用金属材料的弹塑性特征，以冷加工成型的方式，采用膨胀锥头以液压或机械挤压的方法在井下将钻井管柱径向膨胀，使其内、外径扩大，实现使用同一尺寸的套管代替现行的多层套管，以提高应对多个复杂地层的深井钻采能力。从经济角度分析可知，使用可膨胀套管技术可以缩减上部井眼尺寸，优化钻具组合，提高机械钻速，节省井口设备、钻井液、循环时间、水泥、钻头和平台费用（彭在美，赵旭，窦树柏，等．国内外可膨胀套管技术的发展概况[J]．焊管．2010，33（6）：5-9．）。据统计，该技术可以降低44％的钻井液用量、42％的水泥用量、38％的套管用量和59％的钻屑生成量。在海上钻井和建井中可节省33％-48％的建井费用（杨传勇．国外可膨胀套管技术的发展及应用[J]．石油机械，2006，34（10）：74-76．）。 

自1990年初，Royal Dutch Shell公司最先提出膨胀管技术的概念，并于1993年在挪威的海牙（Hague）进行了第一次概念性试验（利用一种用于汽车防撞区的材料，采用焊接方式实现了内径膨胀率22％-24％）。膨胀管技术经历了概念性研究、探索性研究和应用研究等三个研究过程（孟庆昆，谢正凯，冯来，王辉，王玉明. 可膨胀套管技术概述[J].钻采工艺，2003，26（4）：67-68．）。尤其是最近几年，膨胀管技术呈现爆炸式大发展，该技术将广泛应用于油气井钻采、地质勘探、老井加深、修井以及堵水井工程中。目前，国外有多家石油技术服务公司可以提供钻井膨胀管技术服务，其中亿万奇环球工艺技术公司(Enventure Technology Venture，1998年12月由壳牌公司和哈里伯顿公司合资成立)、威德福公司（Weatherford）以及俄罗斯鞑靼（TatNIPIneft）石油设计院处于领跑地位。可膨胀管技术的概念是2000年引入国内的，但直到2001年才引起钻井界的足够重视。目前国内多家公司和科研机构在跟踪国外发展现状的同时，也在从事膨胀管技术的研究，但仅限于理论及实验室的研究（张海东．膨胀管技术的现状及未来[J].特种油气藏，2007，14（1）：3-6．）。 

随着膨胀管技术在国外的成功应用，证明其在石油钻采也的关键地位，同时，也意味着国内将有着大量的需求。然而，膨胀管技术的最关键要素之一，是可膨胀管材的成分设计及热处理工艺。可膨胀式套管材料性能要求延伸率高且易于膨胀变形，膨胀变形后机械性能基本达到普通套管水平，能符合API 5CT 8th或者有关标准的规定。同时，材料的价格要和普通套管属同一数量级（孟庆昆，谢正凯，冯来，王辉，王玉明. 可膨胀套管技术概述[J].钻采工艺，2003，26（4）：67-68．）。国内外目前开发的高性能钢中添加了大量的Cr、Ni、Zr等贵重金属元素，导致成本较高，不利于可膨胀技术推广应用。因此，降低膨胀管的成本、简化制造工艺、提高扩径性能和增加产品膨胀后的力学稳定性对该技术的推广应用至关重要。 

发明内容

本发明旨在提出一种低成本高扩径性及良好的焊接性能的J55级膨胀管材的成分设计及制备方法，通过合理的成分设计及热处理工艺获得低生产成本的J55级膨胀管材用钢。钢材经冶炼并热轧轧制成板材，然后将钢板重新加热到奥氏体化温度进行均匀化处理后淬火，又加热到两相区淬火（或退火），最后进行高温回火，获得具有高均匀延伸率且其他力学性能均符合API或有关标准规定的膨胀管材用钢。从而使J55钢级膨胀管在强行扩径的方式下，发生较大的塑性变形，达到扩大管径，降低钻采成本和增加油井产量目的。