' 高合金油井管及制管技术的开发_新闻中心_天津钢管集团股份有限公司
您当前的位置:天津钢管集团股份有限公司 > 新闻中心 > 高合金油井管及制管技术的开发

高合金油井管及制管技术的开发


前言
  1990年以后,以新兴国家为中心的世界经济大幅度增长,世界能源的需求量逐年增加。同时,为防止地球温暖化,减排CO2也是当务之急。天然气燃烧时排放的CO2量少于煤炭和石油,为满足能源需求量的增长和抑制地球温暖化,对天然气的需求量急剧增加。

  天然气的生产是将天然气气井钻到天然气气层,然后通过油井管将天然气开采出来。(图1)。天然气大多储藏在含H2S和CO2的高温高压地层中,所以天然气生产使用的油井管处于非常恶劣的腐蚀环境中。为开采天然气并增加产量,油井管主要使用的是含有大量Cr、Ni等高价合金元素的双相不锈钢(20~30%Cr-4~8%Ni-2~4%Mo钢)和Ni合金(19~30%Cr-25~60%Ni-2~14Mo)等高耐蚀性油井管(图2)。

  高合金油井管主流产品的外径是7英寸(177.8mm),近年来,为了提高天然气生产效率和降低气井开发费用,对大口径长尺油井管的需求不断增加。另一方面,为了进一步增加天然气的产量,就必须开发过去未曾开发过的大深度气田,因此油井管的工作环境逐年向高压、高温化方向发展。天然气开采业迫切要求开发出0.2%屈服强度大于140ksi的超高强度油井管。在上述背景下,新日铁住金开发出大口径长尺高合金油井管制造技术和超高强度油井管用材。

  2 开发的技术内容

  2.1大口径长尺高合金油井管批量制造技术

  油井管大口径化,增加了管材的断面面积,可以提高天然气生产效率,降低气田开发费用。例如,油井管外径由7英寸扩大到9.6英寸,油井开发费用可以降低约30%。

  传统油井管外径以7英寸为主,采用热挤压制管工艺制造(图3),对加热后的坯料进行扩孔加工,然后用挤压法制成毛管,再对毛管进行多次冷加工制成油井管。由于热挤压制管工艺和设备的制约,很难同时实现大口径和长尺度。所以碳素钢和不锈钢大口径长尺油井管制造采用的是穿孔轧制法(曼内斯曼-芯棒轧制法)。新日铁住金开发出采用穿孔轧制法制造大口径长尺高合金油井管技术。


  图4是穿孔轧制法的示意图。用穿孔机对加热后的坯料进行穿孔轧制,然后经芯棒轧机进行延伸轧制使壁厚减薄,最后用定径机定径,制造出要求尺寸的油井管。与热挤压制管相比,穿孔轧制法中坯料变形量大、变形复杂,用穿孔轧制法制造高合金钢管时,在穿孔时会产生内表面缺陷,在芯棒轧机进行延伸轧制时会发生芯棒拉拔不良的轧制故障。因此用穿孔轧制法制造高合金钢管困难很大。新日铁住金最终在世界率先开发出用穿孔轧制法制造大口径长尺高合金油井管。 与碳素钢和不锈钢相比,高合金的变形抗力大,热加工性差,在穿孔轧制中,会产生如图5那样的内表面缺陷。为防止内表面缺陷的产生,需要对穿孔轧制中坯料的变形行为进行预测,以便在不降低热加工性的条件下进行穿孔轧制。


  过去仅在从坯料到穿孔后毛管的尺寸变化方面对穿孔轧制条件进行了预测,并没有考虑到轧制过程中材料的变形情况。因此不容易实现轧制条件的最佳化,不能防止毛管内表面缺陷的产生。为此新日铁住金开发出高精度预测穿孔轧制中材料变形行为的三维数值解析技术。图6是开发解析模型的计算结果与模型轧机穿孔试验中途停止的材料断面的比较。材料变形形状的计算结果与试验结果具有很好的一致性。此外,在轧制试验坯料的端部预先嵌入销钉,考察穿孔轧制过程中材料的切变行为,解析计算结果与试验结果也非常一致。由此可知,开发模型可以准确预测穿孔轧制过程中材料的变形行为。利用开发出的穿孔轧制模型,可以获得轧制工具和轧制工艺的最佳化条件。在最佳化条件下进行实机实验,完全消灭了过去高合金穿孔轧制中不可避免的内表面缺陷。

  为解决延伸轧制的故障问题,对热态连续轧制中高合金材料的强度特性进行了研究,为此新开发出关于连续轧制中材料特性的解析模型。利用该模型获得了孔型辊设计和延伸轧制条件的最佳化参数,防止芯棒拉拔不良故障的发生,使高合金材料可以稳定地进行延伸轧制。

  由于对上述的高合金材料穿孔轧制技术和延伸轧制技术的开发,使穿孔轧制制管法的适用范围从过去的奥氏体不锈钢扩大到高合金材料(图7),形成了穿孔轧制制管法制造大口径长尺高合金油井管批量生产技术。

  2.2 超高强度高合金油井管的开发

  为满足世界能源需求的增长,天然气产量不断增加,天然气开发生产环境不断向高温高压(HPHT)的方向发展(图8)。近年来开始开发超高温高压环境(Ultra HPHT,地层压力20000(138MPa)以上、地层温度400℉(204℃)以上)天然气气田。传统的高合金油井管的强度是0.2%屈服强度(YS)110ksi(758MPa)以上和125ksi(862MPa)以上。但超高温高压天然气气田开发需要耐高内压和高耐蚀性的、YS在140ksi (965MPa)以上的油井管。新日铁住金对高强度Ni合金油井管进行开发研究。合金的成分系为25%Cr-32%Ni-3%Mo。

  固溶强化和加工硬化是高强度化的有效方法,添加廉价元素N也可以提高合金的强度,但N会降低合金的抗应力腐蚀性(SCC)和热加工性(图9)。新日铁住金开发出添加稀土(REM)提高耐蚀性和热加工性的独有技术,解决了N降低抗应力腐蚀性(SCC)和热加工性的问题,开发出140ksi(965MPa)级超高强度Ni合金油井管。


  2.2.1 提高抗SCC技术的开发

  提高不锈钢和高合金抗SCC性的一般方法是添加Cr、Ni、Mo等高价合金元素,强化材料表面钝化膜耐蚀功能和修复功能。新日铁住金在提高Ni合金含量抗SCC性方面采用了控制材料位错结构的全新技术。

  利用透射电镜观察组织的方法研究了添加元素对位错结构的影响。首次阐明了添加REM可以对高N 140ksi级高强度Ni 合金的位错结构进行控制。图10是透射电镜的观察结果。添加REM使高N高强度Ni 合金的加工位错结构由平面位错变为非平面位错。提高了合金的耐蚀性。

  采用硫化氢合金中的SSRT(低应变速率试验,例如4.0×10-6s-1)法对高N+REM合金的抗SCC性进行了评价。一般来说,在腐蚀环境中进行SSRT试验时,拉伸试验的面缩率与大气环境中拉伸试验的面缩率的比值大于0.8,可认为材料在该腐蚀环境下不发生SCC。从图11可以看出,添加REM的140ksi 高强度材在H2S环境中的抗SCC性优于非添加REM材。


  从位错结构与皮膜破坏时产生的腐蚀活性面的关系(图12),可以推断添加REM提高超高强度Ni 合金抗SCC性的机制。未添加REM的高强度Ni 合金在腐蚀环境下钝化膜早期破坏和修复过程中,位错发生平面化。滑移变形集中在一部分滑移上进行,在钝化膜早期破坏时容易生成大的腐蚀活性面,因此难于进行钝化膜修复、再钝化,容易发生SCC。添加REM的高强度Ni 合金,变形分散在多个滑移面上,腐蚀活性新生面相对较小,容易进行再钝化,SCC难于发生。


  为检验开发材的抗SCC性,进行了长时间的应力腐蚀裂纹试验。试验方法是4点弯曲试验,对试样施加相当于100%实际YS的应力。模拟典型天然气气井环境条件是,溶液:25%NaCl+0.5%CH3COOH,气氛:0.7MPa H2S,温度:150℃。在上述条件下进行应力腐蚀裂纹试验,对SCC敏感性进行评价。在试验中,每个月用肉眼观察判定是否发生SCC,6个月试验后,对试样断面进行微观观察判定是否发生SCC。表1是试验结果。开发材的强度虽然超过140ksi,但在H2S气体环境下,具有足够的抗SCC性。


    2.2.2 提高热加工性技术

  为实现高强度化在Ni合金中添加N会在少数晶界上产生S偏析,导致热加工性下降。因此,添加与S具有高亲和力的REM,保证了合金具有良好的热加工性。图13是Ni合金热加工性和N含量的关系。未添加REM材,随着N含量的增加,高温面缩率下降,添加REM材,随着N含量的增加,高温面缩率基本保持不变。

  2.2.3 超高强度高合金油井管的开发成果

  添加REM提高了超高强度合金的抗SCC性和热加工性。根据这个研究结果。新日铁住金成功开发出可在含硫化氢和二氧化碳天然气开发环境中使用的140KSI(965MPa)级超高强度高合金油井管。

  使用本开发油井管可以进行过去不能开采的超HPHT大深度气井的开发。超HPHT程度越大,越可以使油井管实现薄壁化,轻量化,因此可以对气田进行紧凑性设计,降低天然气开发费用。目前开发油井管已经向墨西哥湾超HPHT大深度天然气气田发货。此外,本开发管材不仅适用于天然气气井,也适用于油井开采。可以预计本开发管材将会在大深度天然气气田和油田开发、生产中得到广泛应用。


节选自《世界钢铁技术月刊》2014年第2期
 


上一篇文章:进口矿价格指数小幅拉涨
下一篇文章:超高强度抗硫腐蚀低合金油井管
天津钢管公司 天津钢管集团   天津大无缝钢管厂
版权信息 
天津钢管制造有限公司 电话:022-84926265  手机:18322518972 网站地图
Copyright (c) 2000-2010 022g.cn,Tianjin PIPE(GROUP) CORPORATION ALL right reserved
本网站由天津钢管集团股份有限公司版权所有