國產SEW膨脹套管實物性能研究*

李遠征， 韋 奉，何石磊，張 峰,梁 航

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

國產SEW膨脹套管實物性能研究*

李遠征1,2， 韋 奉1,2，何石磊1,2，張 峰1,2,梁 航1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為進一步掌握采用SEW工藝（hot stretch-reducing electric welding，熱張力減徑電阻焊）制造的國產BX55和BX80膨脹套管膨脹前后管材各項力學性能的變化情況，對兩種膨脹套管的組織及性能進行了檢測試驗。試驗結果表明：BX55和BX80鋼級膨脹管徑向膨脹變形后，管材的屈服強度、抗拉強度會得到升高，而延伸率、沖擊韌性、抗擠強度會有所下降，各項指標均滿足API SPEC 5CT、API RP 5C3等標準要求。

國產套管；膨脹套管；SEW工藝；熱張力減徑；組織性能

Abstract:In order to further grasp the mechanical properties change situation of domestic BX55 and BX80 expansion casing before and after expansion,which produced by adopting SEW process （hot stretch-reducing electric welding）,the microstructure and properties of two kinds of casing were tested.Experimental results showed that after radial expansion deformation of BX55 and BX80 grade expansion casing,the yield strength and tensile strength increased,but the elongation,impact toughness and collapsing strength decreased,the various indexes can meet standards requirements of API SPEC 5CT,API RP 5C3 and other related standards.

Key words:domestic casing;expandable casing;SEW process;hot stretch-reducing;structure property

可膨脹管技術20世紀80年代末期由殼牌石油公司（Royal Dutch Shell）首創[1]， 并于1993 年在挪威的海牙進行了第一次概念性試驗[2]，1999年11月在Chevron USA進行了第一次現場應用試驗[3]，20世紀90年代末期基本上達到了商業化應用水平，被稱為“21世紀石油鉆采行業的核心技術”之一[4]。國內從2001年開始對膨脹管技術進行跟蹤研究，主要包括可膨脹管材、膨脹工具及膨脹工藝等方面，其中可膨脹管材的開發是首先必須要解決的問題[5]。

在研究可膨脹管材過程中，國內外曾普遍使用常規套管材料（如L-80、K-55、P-110等）、管線鋼和特種材料（如35CrMo鋼、低溫鋼等）作為可膨脹套管材料[6]，其中Enventure公司實驗表明，K-55膨脹后缺乏在大多數鉆井應用所需的強度，P-110膨脹后提供足夠的強度，但其塑性窗口相對較小，限制了它在破壞斷裂前可獲得的膨脹量[7]。為此，Enventure與Lone Star Steel公司合作利用特殊的合金成分和HFW工藝制成有縫電焊管來滿足膨脹施工和現場使用要求，如 LSX-80（又稱 EX-80）。

SEW（hot stretch-reducing electric welding： 熱張力減徑電阻焊）工藝是指將HFW鋼管經中頻感應快速加熱到管材的奧氏體相變溫度Ac3以上，而后經多架軋輥機組熱軋減徑到需要的規格，使全管體（母材+焊縫）發生特殊的形變熱處理，從而改善焊縫的組織與性能，利用該工藝生產的鋼管具有尺寸精度高、組織均勻、強韌性匹配好等特點[8-10]，這將有利于管材在膨脹過程中發生均勻塑性變形。

目前國內能夠生產膨脹管的廠家并不多，且在規格和性能方面與國外產品存在較大的差距，無法滿足國內市場對膨脹管的需求。寶雞石油鋼管有限責任公司（以下簡稱寶雞鋼管）于2011年建成了SEW油套管生產線，該生產線配備有ABBEY焊接機組、KOCKS熱張力減徑機組、TUBOSCOPE及UNICORN無損檢測等裝置。基于該生產線，寶雞鋼管研制了BX55、BX80鋼級膨脹套管。

1 試驗材料與方法

試驗材料是寶雞鋼管自主研制的Φ139.7 mm×8.15 mm BX55鋼級和Φ139.7 mm×7.72 mm BX80鋼級的膨脹套管。其中，BX55采用“HFW焊接+熱張力減徑+在線控冷”組合技術制造；BX80則采用“HFW焊接+熱張力減徑+全管體特殊熱處理”技術制造，以上兩種管材均以高純凈、低碳、低合金鋼熱軋卷板為原料，主要成分設計見表1。

表1 生產BX55、BX80膨脹套管用熱軋卷板的化學成分 %

利用錐角為15°的膨脹錐對BX55和BX80膨脹套管進行膨脹試驗。具體步驟如下：①對鋼管內表面進行了噴砂、除銹及均勻涂抹潤滑脂處理；②將4根膨脹管短節（約3 m/根）通過直連型特殊螺紋連成每組約12 m長的鋼管并進行端部封堵；

圖1 液壓式膨脹過程中的膨脹壓力曲線

2 試驗結果與分析

2.1 BX55膨脹套管的組織與性能

圖2為寶雞鋼管生產的BX55膨脹套管的顯微組織。從圖2可以看出，管體母材組織與焊縫區域組織均含有多邊形鐵素體+珠光體+貝氏體，且不同區域組織差異較小，對管材的均勻變形比較有利。

BX55管材膨脹前后力學性能檢測結果見表2。從表2可以看出，BX55管材發生塑性變形膨脹11.5%后，由于材料冷作硬化作用的影響，其屈服強度、抗拉強度分別提升了28%和8.6%，處于API SPEC 5CT～J55[11]鋼級的中上限水平；斷后伸長率由39%下降為29%，高于API SPEC 5CT的規定值18%，表明膨脹后管材仍具有良好的塑性，可確保服役過程中仍能承受較大的塑性變形而不發生脆裂。此外膨脹后管材的母材橫向以及焊縫中心1/2尺寸試樣的0℃夏比沖擊吸收功較膨脹前分別下降了10%和17%，但是均大于40 J。膨脹后Φ153.0 mm×7.60 mm試驗管的抗外壓擠毀強度高出API TR 5C3[12]標準要求值（25.6 MPa）7%，比膨脹前的管材下降了32%，這是由于管材外徑增大、壁厚減薄等多種因素共同作用的結果。綜上所述，寶雞鋼管生產的BX55膨脹套管徑向變形后的各項性能滿足API SPEC 5CT的要求，其強度、塑性及韌性匹配良好。

圖2 BX55膨脹管的顯微組織

表2 BX55管材膨脹前后力學性能檢測結果

2.2 BX80膨脹套管的組織與性能

圖3為寶雞鋼管生產的BX80膨脹管的顯微組織。從圖3可以看出，管體母材組織與焊縫區域組織均為鐵素體+回火索氏體。

BX80管材膨脹前后力學性能檢測結果見表3和表4。從表3可以看出，經16.5%的膨脹變形后BX80膨脹管的屈服強度、延伸率和沖擊韌性指標均能夠滿足標準API SPEC 5CT~N80[11]要求。與未膨脹的BX80相比，焊縫沖擊韌性下降了7 J，延伸率降低了9.5%，屈服強度升高了55 MPa，抗拉強度升高了60 MPa，這是由于材料在冷變形過程中發生形變強化造成的。從表4可以看出，膨脹前管材的殘余應力為拉應力，這是因為SEW膨脹管是采用FFX成型、HFW焊接和熱張力減徑技術制成的焊接套管，而不是傳統的無縫鋼管（通常經過淬火及回火后，套管的外表面為壓縮殘余應力，內表面為拉伸殘余應力[13]）。同時還發現，膨脹前管材的殘余應力在50 MPa左右，遠低于材料的屈服強度，這是由于管材經過熱張力減徑和熱處理后消除了部分殘余應力，再通過自然時效處理進一步降低了HFW直縫焊管的殘余應力水平[14]。SEW套管膨脹變形后所產生的壓縮殘余應力會對原來的拉應力有一定的抵消作用，最終使得管材外表面殘余應力為壓應力，并減小壓縮殘余應力的數值，達到削弱環向殘余應力的水平；膨脹后Φ159.4 mm×7.1 mm管材的抗外壓擠毀強度超出API TR 5C3標準要求值（25.2 MPa）18%以上，卻僅為膨脹前管材（Φ139.7 mm×7.7 mm）的45%，內壓爆破壓力超過API SPEC 5CT標準要求值（39.3 MPa）88%以上。這是因為管材經徑向膨脹以后，其外徑增加了14%，壁厚大約減小了8%，顯著增加了套管的徑厚比，這將導致管材的抗擠毀性能降低，而管材屈服強度和抗拉強度的升高則會造成抗內壓失效能力的提升。

圖3 BX80膨脹管的顯微組織

表3 BX80管材膨脹前后力學性能檢測結果

表4 BX80管材膨脹前后其他性能檢測結果

BX80管材膨脹前后試樣在室溫3.5%NaCl中性溶液中，恒電位-550 mV（SEC）極化144 h后的表面腐蝕形貌如圖4所示。從圖4可以看出，膨脹前、后管材試樣的焊縫區均含有腐蝕溝槽，表示焊縫處的耐腐蝕性能劣于母材區。同時，測定膨脹前試樣焊縫處腐蝕溝槽的平均腐蝕敏感性系數α1=1.09，膨脹后試樣溝槽的平均腐蝕敏感性系數α2=1.21，均小于評價指標1.3[15]。膨脹變形將會降低材料的耐腐蝕性能，這是由于膨脹變形是依靠機械拉力或液體壓力在膨脹管內從上到下或從下到上的作軸向移動，以強行擠壓的方式使膨脹管發生塑性變形[16]，這將使得金屬材料表面結構不均勻，產生包括晶界、位錯等缺陷。由于位錯線上及其附近的原子能量較高，這些具有高能量的原子腐蝕時將快速地失去電子變成離子，成為優先腐蝕區域，促進腐蝕[17]。

圖4 恒電位極化144 h后SEW膨脹套管的溝槽腐蝕形貌

3 應 用

2014年4月11日，寶雞鋼管生產的Φ139.7mm BX55鋼級SEW膨脹套管（平端）經中國石油集團鉆井工程技術研究院螺紋加工后，聯合華鼎石油在中石化西北局塔河油田成功實施深井側鉆水平井膨脹套管固井作業，創當時國內膨脹管下入井深最深6 065 m、井斜最大65.8°、連續膨脹距離最長526.88 m三項紀錄。這是新型SEW膨脹套管的首次成功下井應用，在塔河油田側鉆一開采用BX55膨脹管封堵深井不穩定泥巖，比常規側鉆井技術可獲得更大的套管內徑。相比于20G無縫管，由于BX55采用中頻感應快速加熱及熱張減余熱快速冷卻技術，大幅減小了管材在中高溫區的滯留時間，從而保證了鋼管的內外表面質量，尤其是內表面質量，故此次下入的55根BX55膨脹管內表面不經拋丸、噴砂除銹處理，直接涂抹潤滑脂使用，脹后通徑、抗外擠強度及管體穩定性均滿足二開水平鉆井要求。

4 結束語

采用SEW工藝制造的國產BX55和BX80膨脹套管膨脹前具有較高的強塑性和韌性匹配，其經液壓式膨脹變形后，管材的壁厚會發生減薄，屈服強度、抗拉強度會升高，同時延伸率、沖擊韌性、抗擠強度會有所下降，各項指標均能夠滿足API SPEC 5CT、API RP 5C3等標準要求，可滿足相關工程應用要求。

[1]李作會.膨脹管關鍵技術研究及首次應用[J].石油鉆采工藝，2004，26（3）：17-19．

[2]張東海.膨脹管技術的現狀及未來[J].特種油氣藏，2007，14（1）：3-6.

[3]孟慶昆，謝亞凱，馮來，等．可膨脹套管技術概述[J].鉆采工藝，2003，26（4）：67-68．

[4]RUGGIER M,BENZIE S,URELMANN R,et al．Advanceds inexpandabletubuingacasehistory[R]．SPE／IADC67768．

[5]馬建民，劉智飛，劉永紅.新型可膨脹低碳雙相合金鋼管材[J].石油礦場機械，2009，38（7）：20-23.

[6]李霄，豆峰，裴勇毅，等.可膨脹管技術及其管材性能[J].石油礦場機械，2005，34（4）：61-63.

[7]實體膨脹管ABC工藝安裝與應用[Z].http://www.docin.com/p-731645281.html.

[8]王軍，畢宗岳，韋奉，等.國內SEW油套管開發現狀[J].鋼管，2014，43（4）：7-11.

[9]王軍，畢宗岳，韋奉，等.BSG-110TT高抗擠套管的開發[J].鋼鐵釩鈦，2014，35（5）：122-128.

[10]畢宗岳，韋奉，王濤，等.快冷對中低碳鋼SEW管材組織性能的影響我國管道鋼管的發展方向[J].材料熱處理學報，2014，35（S1）：39-44.

[11]API SPEC 5CT（2011），Specification for Casing and Tubing[S].

[12]API TR 5C3（2008），Technical Report on Equations and Calculations for Casing，Tubing，and Line Pipe Used as Casing or Tubing and Performance Properties Tables for Casing and Tubing[S].

[13]楊勇,張毅,高智海.國產高抗擠套管殘余應力初探[J].鋼管，1998，27（6）：1-5.

[14]徐學利，辛希賢，石凱，等.ERW直縫套管殘余應力分布規律的研究[J].石油機械，2003,31（3）：1-3.

[15]SY/T 5989-2012,直縫電阻焊套管[S].

[16]賀飛，尚成嘉，袁勝福，等.膨脹管用鋼的熱處理工藝與擴徑性能[J].材料熱處理學報，2012，33（S）：37-41.

[17]肖紀美，曹楚南.材料腐蝕學原理[M].北京：化學工業出版社，2002.

Actual Products Performance Study on Domestic SEW Expandable Casing

LI Yuanzheng1,2,WEI Feng1,2,HE Shilei1,2,ZHANG Feng1,2,LIANG Hang1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China； 2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE973.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.004

2017-01-24

編輯：羅 剛

陜西省科技統籌創新工程計劃項目“高性能SEW膨脹管關鍵技術研究”（項目編號2015KTCL01-15）。

李遠征（1986—），男，碩士，工程師，主要從事油井管工藝技術研究和新產品開發工作。