Boîtier d’huile à haute résistance et ténacité et son procédé de production

La description

Un tubage d’huile à haute résistance et ténacité est un élément essentiel dans les opérations de forage pétrolier et gazier. Il est conçu pour résister à une pression élevée, Matériaux abrasifs, et environnements corrosifs, Fréquemment rencontrés dans les opérations de forage. Le boîtier d’huile est souvent en acier et doit avoir des propriétés spécifiques comme une résistance élevée, tubulures de cuvelage pour applications amont, et corrosion la résistance.

Méthode de production

La méthode de production comporte plusieurs étapes, y compris la sélection des matériaux, le traitement à la chaleur, formant, et inspection.

1. Le choix des matériaux

Le matériau de base du boîtier est généralement un acier au carbone ou en acier allié de haute qualité.. Le matériau est sélectionné en fonction des conditions prévues de l’opération de forage, tels que la température, pression, et environnement corrosif.

2. Formant

L’acier est chauffé à une température spécifique, puis transformé en tuyaux. Cela se fait souvent par laminage à chaud, où l’acier est passé à travers une série de rouleaux qui le façonnent dans la forme et la taille de tuyau souhaitées. Les tuyaux sont ensuite refroidis et durcis.

3. Traitement thermique

Prochain, les tuyaux subissent un traitement thermique. Cela peut inclure la trempe et le revenu, qui sont utilisés pour augmenter la résistance et la ténacité de l’acier. La trempe consiste à chauffer l’acier à un haute température puis le refroidir rapidement, tandis que le revenu consiste à chauffer l’acier à une température plus basse, puis à le refroidir lentement.

4. Inspection et essais

finalement, les tuyaux sont inspectés et testés pour s’assurer qu’ils répondent aux normes requises. Cela peut inclure des inspections visuelles, Essais de dureté, et les essais par ultrasons. Si les tuyaux réussissent ces tests, Ils sont ensuite prêts à être utilisés comme carters d’huile.

Ceci est un aperçu de base de la façon dont les enveloppes d’huile à haute résistance et ténacité sont produites. Les processus réels peuvent être plus complexes et peuvent varier en fonction des exigences spécifiques du boîtier.

avantages

1. Durabilité accrue: La haute résistance et la ténacité de ces boîtiers d’huile leur permettent de résister à une pression élevée et à des matériaux abrasifs, augmenter leur durée de vie et réduire le besoin de remplacements.
2. Amélioration de la sécurité: Ces propriétés améliorent également la sécurité des opérations de forage, car ils réduisent le risque de défaillance du boîtier, qui peuvent conduire à des accidents catastrophiques.
3. Rentable: Bien que le processus de production puisse être plus complexe et coûteux, La durabilité et la sécurité accrues de ces boîtiers peuvent entraîner des économies de coûts importantes à long terme..

Conclusion

La production de tubages d’huile à haute résistance et ténacité est un aspect essentiel pour assurer des opérations de forage sûres et efficaces. Bien que le processus de production puisse être complexe, Les avantages en termes de durabilité, sécurité, et les économies de coûts en font un investissement rentable.

L’invention appartient au domaine technique de la fabrication de tubes en acier sans soudure dans l’industrie métallurgique, et concerne en particulier un tubage de pétrole à très haute résistance et ténacité adapté aux puits profonds ou ultra-profonds et son procédé de production.

Technique de fond

Avec l’augmentation de la profondeur de forage dans les champs pétroliers et gaziers, l’augmentation de la température et de la pression, L’environnement géologique des tubages pétroliers utilisés pour les têtes de puits fixes a considérablement changé, et les conditions mécaniques utilisées ont également changé en conséquence. La charge d’extrusion externe qu’il supporte et les charges axiales sont de plus en plus élevées. Les boîtiers d’huile de haute qualité tels que V125 spécifiés par la norme de l’American Petroleum Institute utilisent généralement des aciers alliés de la série Cr-Mo-V. En raison de la fusion complexe, Procédés de laminage et de traitement thermique des carters d’huile de ce type d’acier, la composition de l’alliage et le procédé de fabrication ne sont pas appropriés. , entraînera une diminution de la résistance et de la ténacité du carter d’huile, et ne peut pas supporter la charge d’extrusion externe et la charge axiale apportées par les puits profonds ou ultra-profonds, ce qui aggravera les dommages et la défaillance du carter d’huile, et les dommages et la défaillance du tubage entraîneront facilement la défaillance du puits de forage. Problèmes complexes tels que l’instabilité, dommages au réservoir, Difficultés de forage et de cimentation, etc., menacer sérieusement la sécurité des opérations pétrolières, et même conduire à des pertes économiques majeures telles que des accidents de destruction de puits. Donc, Le champ pétrolifère impose des exigences plus élevées en matière de performance du tubage pétrolier.
Maintenant, Le problème à résoudre pour le tubage de puits profonds ou ultra-profonds est l’adéquation entre ultra-haute résistance et haute ténacité. La performance du carter d’huile à haute résistance et ténacité n’est pas seulement liée à la composition du matériau utilisé, mais aussi étroitement lié à son procédé de fabrication. Comme nous le savons tous, La ténacité aux chocs de l’acier à ultra-haute résistance dépend de la pureté de l’acier, la composition et le raffinement de la structure. La technologie de fusion ultra-pure est adoptée pour réduire la teneur en soufre, éléments impuretés phosphorés et gaz dans l’acier à ultra-haute résistance autant que possible, et réduire le nombre d’inclusions, afin d’obtenir une résistance aux chocs satisfaisante. Utilisation d’un procédé de traitement thermique approprié, La microstructure caractérisée par une martensite de latte ultra-fine comme phase ductile matricielle et austénite dispersée est obtenue en acier à ultra-haute résistance, et obtenus au cours du processus de laminage et de redressement La taille et la qualité de surface du carter d’huile de haute précision et la faible contrainte résiduelle sont les principaux moyens techniques et efficaces d’obtenir un boîtier d’huile à ultra-haute résistance et ténacité.

toutefois, Les nuances d’acier actuelles utilisées dans les enveloppes d’huile contiennent des impuretés élevées telles que le soufre et le phosphore, et la structure métallique contient des inclusions floconneuses. L’écoulement inégal du métal pendant le processus de laminage entraîne des propriétés mécaniques incohérentes dans les directions horizontale et verticale. En outre, dans la méthode actuelle de production de tubage d’huile, Le milieu de trempe dans le processus de traitement thermique est l’eau, ce qui est facile à provoquer des fissures. En même temps, en raison du processus de perçage et de roulage déraisonnable, PROCÉDÉ DE TRAITEMENT THERMIQUE ET PROCÉDÉ DE REDRESSEMENT, le meilleur La force et la ténacité du match de boîtier, et causer un stress résiduel excessif, et la précision des dimensions géométriques du boîtier est médiocre, ce qui affecte directement la capacité du produit à résister à l’effondrement.
Contenu de l’invention

Le but de l’invention est de pallier les déficiences de l’art antérieur et de fournir un tubage d’huile à haute résistance et ténacité pouvant répondre aux exigences des conditions de production parallèle en puits profond ou ultra-profond dans les champs pétrolifères..

Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de production d’un carter d’huile à haute résistance et ténacité, qui peuvent répondre aux conditions de production de puits profonds ou de puits ultra-profonds dans les champs pétrolifères.

La présente invention réalise par le biais du schéma technique suivant:
Un boîtier d’huile à haute résistance et ténacité, caractérisés en ce que les composants en pourcentage en poids sont: C: 0.22-0.35%, Si: 0.17-0.30%, Mn: 0.45-0.60%, Cr: 0.80-1.10%, mois: 0.70-1.10%, Al: 0.015-0.040%, Ni<0.20%, Cu<0.20%, V: 0.070-0.100%, N.-b.<0.050%, comme<0.0015%, P<0.010%, S<0.003% , et la balance est en fer.
Le rôle des principaux éléments d’alliage est:
C: 0.22-0.35%. C est un élément formant du carbure qui peut augmenter la résistance de l’acier. S’il est trop bas, L’effet n’est pas évident, et s’il est trop élevé, Il réduira considérablement la ténacité de l’acier.
Mn: 0.45-0.60%, Mn est un élément formant de l’austénite, qui peut améliorer la trempabilité de l’acier, augmenter la quantité d’austénite retenue dans l’acier, and affect the uniformity of hot-rolled structure.
Cr: 0.80-1.10%. Chromium can improve the mechanical properties, corrosion resistance and hardenability of steel, but it can increase the temper brittleness of steel.
V: 0.070-0.100%, can refine grains, form carbides, and improve the strength and toughness of steel. But when the content reaches a certain amount, the increase in its effect will not be obvious. En même temps, because the price is high, the usage amount should be limited.
mois: 0.70-1.10%, mainly through carbide and solid solution strengthening to increase the strength of steel, if the content is too high, the toughness of steel will be reduced.
N.-b.<0.050 mainly refines grains and significantly improves the toughness of high-strength steel.
Ni<0.20 mainly improves the strength and toughness of steel, improves the corrosion resistance of steel, and reduces the brittle transition temperature of steel.
Cu<0.20, copper in the alloy steel can improve the strength and atmospheric corrosion resistance of the steel, too much addition will make the steel brittle, generally not more than 0.2%.

In order to ensure excellent strength and toughness matching, the production method of the oil casing of the present invention comprises the following steps:
(1) Ingredients smelting: Sponge iron and scrap steel are used as raw materials for steelmaking, melted into molten steel in an electric arc furnace (EFA), and molten steel for manufacturing oil casings is obtained after refining outside the furnace (SI) and vacuum (VD) degassing The composition by weight percentage is: C: 0.22-0.35%, Si: 0.17-0.30%, Mn: 0.45-0.60%, Cr: 0.80-1.10%, mois: 0.70-1.10%, Al: 0.015-0.040%, Ni< 0.20%, Cu<0.20%, V: 0.070-0.100%, N.-b.<0.050%, comme<0.0015%, P<0.010%, S<0.003%, et la balance est en fer.

(2) Continuous casting and rolling: The above-mentioned high-purity molten steel is continuously cast into a round billet, and the cooled continuous casting billet is heated in an annular heating furnace. The temperature of the tube billet heating furnace is 1300-1320 ° C. , continuous rolling, fixed diameter reduction, refroidissement, and sawing; among them, the heat centering temperature is 1260-1270 ° C, the hot piercing temperature is 1240-1250 ° C, the continuous rolling temperature is 1070-1120 ° C, and the fixed diameter reduction temperature is 910-910 °C 930°C.
Ring furnace:
Tube blank heating temperature: 1280～1290℃, allowable temperature difference: ±5℃.

Perforation process:

A three-roller conical piercer is used to reduce the piercing shear strain of the alloy steel and prevent defects such as cracks, pliant, and delamination on the surface of the capillary. The elongation rate of the piercing is 3.5-4.2, the diameter-to-wall ratio is 20-28, the diameter expansion rate is below 35%, the exit speed of the piercing machine is below 0.9m/s, and the diameter tolerance of the continuous casting round tube blank is required to be ≤±1.4% , Ovality tolerance ≤ 2.5%, to ensure the geometric size and shape accuracy of the capillary. The piercing temperature is 1240-1250°C.
Continuous rolling process:
The purpose of the continuous rolling process is to reduce the diameter, extend and reduce the wall of the capillary tube transferred from the piercing process, and at the same time improve the roughness of the inner and outer surfaces of the blank tube and improve the uniformity of the wall thickness.
During continuous rolling, the inner surface of the capillary is in contact with the mandrel at the top of the pass, but not at the sidewall. The metal at the top of the hole is extended due to the external pressure of the roll and the pressure of the mandrel, and it expands in the circumferential direction while extending axially, while the metal on the side wall of the hole also expands when the metal at the top of the hole extends. It is stretched and correspondingly shrinks in the longitudinal direction. Control the reduction rate of each process of continuous rolling, so that the ratio of the effective cross-sectional area of ​​the blank pipe before and after deformation in the continuous rolling process is 2.8 à 6.5, so as to ensure that the vertical and horizontal impact energy of the oil casing tends to be consistent. The maximum entrance speed of continuous rolling is within 1.5m/s, the exit speed is within 3.5m/s, and the ratio of the cross-sectional area of ​​the capillary tube to the blank tube is about 3.7. Continuous rolling temperature is 1070～1120℃.
Fixed diameter reduction process:
The sizing and reducing process is a process of continuous rolling of hollow bodies. In addition to the role of sizing, it also requires a large reduction rate, and the number of working stands is 24. Premier, the waste pipes are heated to 920°C to 1050°C in the reheating furnace and then released. After measuring the surface temperature at the exit of the roller table, a 20MPa high-pressure water descaling device is used to remove the waste pipes from the continuous rolling unit during the rolling process. Scale, then rolled in a sizing and reducing mill. The sizing rolling temperature is 910-930°C, the sizing rolling entrance speed is between 0.5-1.4m/s, the exit speed is between 0.51-7m/s, and the effective cross-sectional area ratio is within 1.5.
(3) Traitement thermique: the heat treatment process of quenching and then tempering is adopted for the above-mentioned blank pipe.
The quenching process is as follows: heating the petroleum casing to 940° C. to 920° C. and keeping it warm for 30 minutes to fully form austenite. The quenching medium is an oily quenching liquid to increase the strength and hardness of the steel.
The tempering process is as follows: the tempering temperature is 640° C. to 660° C., heat preservation for 2 heures, air cooling is used to refine the crystal grains, homogenize the structure, eliminate internal stress, and improve the toughness of the steel.
(4) The waste pipe after the above heat treatment is subjected to heat sizing and heat straightening treatment, and finally flaw detection to obtain the finished petroleum casing.
In order to minimize the residual stress of the oil casing, reduce the residual stress caused by sizing, improve the size and roundness accuracy of the oil casing, and improve the mechanical properties of the oil casing, the sizing temperature is between 550 et 600 °C During the period, the sizing outlet velocity of the waste pipe is between 1.2 and 2.4m/s.
In the thermal straightening process, the elastic limit reduction of 1.55 à 1.75 fois (the elastic limit reduction is the starting point of the plastic deformation of the steel pipe surface) and the appropriate straightening temperature are selected to reduce the residual stress generated by the straightening process. Improve the roundness and straightness of the oil casing and improve the performance of the oil casing. The optimal temperature determined by theoretical calculation and experiment is 450-580°C, but in the actual process, for the sake of safety, the thermal straightening temperature is between 500°C-540°C.
In order to improve the performance of oil casing, a strict geometrical accuracy control range has been established. The geometrical accuracy of the casing meets the following requirements: the diameter error is ±0.8% of the diameter size, the wall thickness error is ±8% of the wall thickness size, and the ellipse The straightness error of the pipe end is ±0.5%, the straightness error of the pipe end is 1.5mm/m, and the straightness error of the pipe body is 1.0mm/m.
The oil casing manufactured by the production method of the invention can reach V150 steel grade. The indicators achieved by the mechanical properties of the oil casing are as follows:
Limite d’élasticité: 1057～1210MPa
Résistance à la traction: ≥1180MPa
Impact toughness: Longitudinal full-scale Charpy impact energy ≥ 80J
Transverse full-scale Charpy impact energy ≥ 75J
Élongation: ≥16%
The overall performance of the casing (take φ244.48×15.11 as an example)
Pipe body anti-collapse strength: ≥80MPa;
Slip strength: ≥2800KN;
Yield strength in the pipe: ≥115MPa;
Residual stress: ≤200MPa.
Geometric dimensions of oil casing;
Diameter range: 242.52mm～246.43mm;
Out of roundness: ≤1.2mm;
épaisseur du mur: -8.0%t～8.0%t;
Rectitude: pipe end 1.5mm/m, pipe body 1.0mm/m.
The present invention has following technical effect:
1. The oil tuyaux de cuvelage of the present invention adopts Cr-Ni-Mo-V alloy system quenched and tempered steel grade, which can obtain a certain amount of austenite toughness dispersed on the ultrafine lath martensite matrix after heat treatment Phase, improve the strength and toughness of steel to adapt to withstand the external extrusion load and axial load brought by deep or ultra-deep wells.
2. In the production method of the present invention, through rational formulation of processes such as piercing and rolling, the crystal grains of steel can be refined to the greatest extent, and structural defects can be avoided.
3. In the production method of the present invention, the selection of the heat treatment process is reasonable, and it is possible to form a submicron-order lath martensite as a matrix, a nano-scale second phase particle as a precipitation strengthening phase and a certain amount of austenite with high stability. The multi-phase composite structure of the tough phase ensures excellent strength and toughness matching.
4. In the production method of the present invention, the thermal straightening process is reasonably formulated, which can minimize the residual stress of the casing.
5. A strict geometrical accuracy control range has been formulated, which can improve the performance of the oil casing at a reasonable cost.
6. The quenching medium in the heat treatment process of the present invention is an oily quenching liquid, which can avoid defects such as cracks on the surface of the steel pipe.
Detailed ways
The present invention will be described in detail below in conjunction with specific examples.
The present invention will be described in detail below by taking the production of φ244.48×15.11 oil casing as an example.
Exemple:
Sponge iron and scrap steel are used as raw materials for steelmaking, and melted into molten steel in an electric arc furnace. After refining outside the furnace and vacuum degassing, the components of molten steel for manufacturing petroleum casing are: C: 0.22-0.35%, Si: 0.17-0.30%, Mn: 0.45-0.60%, Cr: 0.80-1.10%, mois: 0.70-1.10%, Al: 0.015-0.040%, Ni<0.20%, Cu<0.20%, V: 0.070-0.100%, N.-b.<0.050%, comme<0.0015%, P<0.010%, S<0.003%, et la balance est en fer.
The above molten steel is continuously cast into a round billet. Heat the cooled continuous casting billet in the ring heating furnace, the temperature of the pipe billet heating furnace is 1310°C, after that, centering, Le tube en acier sans soudure au manganèse est un matériau relativement important pour les tubes en acier sans soudure, continuous rolling, sizing and reducing, refroidissement, sciage; among them, the heat centering is 1265°C , the hot piercing temperature is 1245°C, the continuous rolling temperature is 1100°C, and the fixed diameter reduction temperature is 920°C. It is rapidly cooled to 450°C by cooling bed and blowing cooling method, and sawing. The heat treatment process of quenching and then tempering is adopted for the above blank pipe: quenching at 930°C (oily quenching liquid), tempering at 645°C. After heat sizing at 560°C, heat straightening at 520°C, and final flaw detection, the finished oil casing is obtained.
In the piercing process, the elongation rate is 3.7, the diameter expansion rate is 28%, and the exit speed of the piercing machine is 0.7m/s. In the continuous rolling process, the ratio of the effective cross-sectional area of ​​the barren tube before and after continuous rolling deformation is 4.3, the entrance velocity is 1.2m/s, and the exit velocity is 2.9m/s. In the fixed and reduced diameter process, the effective cross-sectional area ratio is 1.2, the entrance velocity is 0.9m/s, and the exit velocity is 1.3m/s. The sizing exit velocity of the blank pipe is 1.8m/s. In the thermal straightening process, the straightening reduction coefficient is 1.6 times the elastic limit reduction.
The mechanical properties of the oil casing produced by the above method can reach the following indicators:
Limite d’élasticité: 1109MPa;
Résistance à la traction: 1213MPa;
Impact toughness: Longitudinal full-scale Charpy impact energy: 121J;
Horizontal full-scale Charpy impact energy: 114J;
Élongation: 17%.
The overall performance of the casing:
Pipe collapse strength: 93.1MPa;
Slip strength: 3208KN;
Yield strength in the tube: 130.6MPa;
Residual stress: 162.31MPa.
Geometric dimensions of oil casing:
Diameter range: 245.90mm～246.20mm;
Out of roundness: ≤0.6mm;
épaisseur du mur: -4.5%t～7.0%t;
Rectitude: pipe end 1.2mm/m, pipe body 0.9‰.

The oil casing produced through the steel type design of the invention and the reasonable control of various process conditions can meet the strength and toughness requirements of deep wells or ultra-deep wells. Control rolling deformation and heat treatment, obtain effects such as precipitation strengthening, grain refinement and phase transformation strengthening, improve the strength and toughness of steel, and solve the problem of easy cracks in the heat treatment of alloy steel seamless steel pipes. Using thermal sizing and thermal straightening processing methods, the low residual stress required by seamless steel pipes is solved, and the bending, elliptical deformation, and dimensional accuracy of seamless steel pipes are controlled.