Invólucro de óleo com alta resistência e tenacidade e método de produção do mesmo

Descrição

Um revestimento de petróleo com alta resistência e tenacidade é um componente crítico nas operações de perfuração de petróleo e gás. Ele foi projetado para suportar altas pressões, materiais abrasivos, e ambientes corrosivos, comumente encontrado em operações de perfuração. O invólucro de óleo geralmente é feito de aço e deve ter propriedades específicas, como alta resistência, dureza, e corrosão resistência.

Método de produção

O método de produção envolve várias etapas, incluindo a seleção de materiais, tratamento térmico, formando, e inspeção.

1. Seleção de materiais

O material de base para o invólucro é geralmente aço carbono ou aço-liga de alta qualidade. O material é selecionado com base nas condições esperadas da operação de perfuração, como a temperatura, pressão, e ambiente corrosivo.

2. Formando

O aço é aquecido a uma temperatura específica e depois transformado em tubos. Isso geralmente é feito por laminação a quente, onde o aço é passado por uma série de rolos que o moldam no formato e tamanho de tubo desejado. Os tubos são então resfriados e endurecidos.

3. Tratamento térmico

Os íons de hidrogênio da reação de corrosão aderem à superfície do aço e penetram no interior do aço como hidrogênios atômicos, os tubos passam por um processo de tratamento térmico. Isso pode incluir têmpera e revenimento, que são usados para aumentar a resistência e tenacidade do aço. A têmpera envolve aquecer o aço até uma temperatura e encontrei o acima e então resfriando rapidamente, enquanto o revenido envolve aquecer o aço a uma temperatura mais baixa e depois resfriá-lo lentamente.

4. Inspeção e teste

Finalmente, os tubos são inspecionados e testados para garantir que atendam aos padrões exigidos. Isso pode incluir inspeções visuais, testes de dureza, e testes ultrassônicos. Se os tubos passarem nesses testes, eles estão então prontos para serem usados como tripas de óleo.

Este é um esboço básico de como as carcaças de óleo de alta resistência e tenacidade são produzidas. Os processos reais podem ser mais complexos e variar dependendo dos requisitos específicos do invólucro.

vantagens

Maior durabilidade: A alta resistência e tenacidade desses invólucros de óleo permitem que eles suportem alta pressão e materiais abrasivos, aumentando sua vida útil e reduzindo a necessidade de substituições.
Segurança aprimorada: Estas propriedades também melhoram a segurança das operações de perfuração, pois reduzem o risco de falha do revestimento, que pode levar a acidentes catastróficos.
Custo-beneficio: Embora o processo de produção possa ser mais complexo e dispendioso, a maior durabilidade e segurança destes invólucros pode levar a poupanças de custos significativas a longo prazo.

Conclusão

A produção de revestimentos de petróleo com alta resistência e tenacidade é um aspecto crítico para garantir operações de perfuração seguras e eficientes. Embora o processo de produção possa ser complexo, os benefícios em termos de durabilidade, segurança, e a economia de custos fazem dele um investimento que vale a pena.

A invenção pertence à área técnica de fabricação de tubos de aço sem costura na indústria metalúrgica, e, em particular, refere-se a um revestimento de óleo com super alta resistência e tenacidade adequado para poços profundos ou poços ultraprofundos e um método de produção do mesmo.

para que a tinta seja absorvida na peça de trabalho Na superfície

Com o aumento da profundidade de perfuração em campos de petróleo e gás, o aumento da temperatura e pressão, o ambiente geológico do revestimento de petróleo usado para cabeças de poço fixas mudou significativamente, e as condições mecânicas utilizadas também mudaram de acordo. A carga de extrusão externa que suporta e as cargas axiais estão ficando cada vez maiores. Carcaças de óleo de alta qualidade, como V125, especificadas pelo padrão American Petroleum Institute, geralmente usam ligas de aço da série Cr-Mo-V. Devido à fundição complexa, processos de laminação e tratamento térmico de tripas de óleo deste tipo de aço, a composição da liga e o processo de fabricação não são apropriados. , fará com que a resistência e a tenacidade do invólucro de óleo diminuam, e não pode suportar a carga de extrusão externa e a carga axial trazida por poços profundos ou ultraprofundos, o que agravará os danos e falhas do invólucro de óleo, e o dano e a falha do revestimento levarão facilmente à falha do poço. Problemas complexos como instabilidade, danos no reservatório, dificuldades de perfuração e cimentação, etc., ameaçar seriamente a segurança das operações nos campos petrolíferos, e até levar a grandes perdas económicas, como acidentes de destruição de poços. Assim sendo, o campo petrolífero apresenta requisitos mais elevados sobre o desempenho do revestimento de petróleo.
Atualmente, o problema a ser resolvido para revestimentos de petróleo para poços profundos ou ultraprofundos é a combinação entre resistência ultra-alta e alta tenacidade. O desempenho do revestimento de óleo de alta resistência e tenacidade não está relacionado apenas à composição do material utilizado, mas também intimamente relacionado ao seu método de fabricação. Como todos sabemos, a resistência ao impacto do aço de ultra-alta resistência depende da pureza do aço, a composição e refinamento da estrutura. Tecnologia de fundição ultrapura é adotada para reduzir o teor de enxofre, elementos de impureza de fósforo e gases em aço de ultra-alta resistência, tanto quanto possível, e reduzir o número de inclusões, para que a resistência ao impacto satisfatória possa ser obtida. Usando um processo de tratamento térmico apropriado, a microestrutura caracterizada por martensita ripada ultrafina como matriz e fase dúctil de austenita dispersa é obtida em aço de ultra-alta resistência, e obtido durante o processo de laminação e endireitamento O tamanho e a qualidade da superfície da carcaça de óleo de alta precisão e a baixa tensão residual são as principais formas técnicas e eficazes de obter uma carcaça de óleo de ultra-alta resistência e tenacidade.

No entanto, os atuais tipos de aço usados em carcaças de petróleo contêm altas impurezas, como enxofre e fósforo, e a estrutura metálica contém inclusões escamosas. O fluxo desigual de metal durante o processo de laminação resulta em propriedades mecânicas inconsistentes nas direções horizontal e vertical. Além disso, no atual método de produção de revestimento de óleo, o meio de têmpera no processo de tratamento térmico é água, que é fácil de causar rachaduras. Ao mesmo tempo, devido ao processo irracional de perfuração e laminação, processo de tratamento térmico e método de alisamento, o melhor A força e resistência do invólucro combinam, e causar tensão residual excessiva, e a precisão da dimensão geométrica do invólucro é baixa, que afeta diretamente a capacidade do produto de resistir ao colapso.
Conteúdo da invenção

O objetivo da invenção é superar as deficiências da técnica anterior e fornecer um revestimento de petróleo com alta resistência e tenacidade que possa atender aos requisitos de poços profundos ou condições de produção paralela ultraprofundas em campos de petróleo..

Another object of the present invention is to provide a production method of an oil casing with high strength and toughness, which can meet the production conditions of deep wells or ultra-deep wells in oil fields.

The present invention realizes through following technical scheme:
An oil casing with high strength and toughness, characterized in that the components by weight percentage are: C: 0.22-0.35%, Si: 0.17-0.30%, MN: 0.45-0.60%, CR: 0.80-1.10%, Mo: 0.70-1.10%, ao: 0.015-0.040%, Ni<0.20%, Cu<0.20%, V: 0.070-0.100%, NB<0.050%, como<0.0015%, P<0.010%, S<0.003% , and the balance is iron.
The role of the main alloying elements is:
C: 0.22-0.35%. C is a carbide-forming element that can increase the strength of steel. If it is too low, the effect is not obvious, and if it is too high, it will greatly reduce the toughness of steel.
MN: 0.45-0.60%, Mn is an austenite-forming element, which can improve the hardenability of steel, increase the amount of retained austenite in steel, 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. Ao mesmo tempo, because the price is high, the usage amount should be limited.
Mo: 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.
NB<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 (SE) 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%, Mo: 0.70-1.10%, ao: 0.015-0.040%, Ni< 0.20%, Cu<0.20%, V: 0.070-0.100%, NB<0.050%, como<0.0015%, P<0.010%, S<0.003%, and the balance is iron.

(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, resfriamento, 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, dobrando, 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. O metal no topo do furo é estendido devido à pressão externa do rolo e à pressão do mandril, e se expande na direção circunferencial enquanto se estende axialmente, enquanto o metal na parede lateral do furo também se expande quando o metal no topo do furo se estende. É esticado e correspondentemente encolhe na direção longitudinal. Controle a taxa de redução de cada processo de laminação contínua, de modo que a relação entre a área transversal efetiva do tubo vazio antes e depois da deformação no processo de laminação contínua seja 2.8 Para 6.5, de modo a garantir que a energia de impacto vertical e horizontal do invólucro de óleo tenda a ser consistente. A velocidade máxima de entrada da laminação contínua está dentro de 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. Primeiro, 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) Tratamento térmico: 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 horas, air cooling is used to refine the crystal grains, homogenize the structure, eliminate internal stress, and improve the toughness of the steel.
(4) O tubo de resíduos após o tratamento térmico acima é submetido a tratamento térmico de dimensionamento e endireitamento térmico, e finalmente detecção de falhas para obter o invólucro de petróleo acabado.
A fim de minimizar a tensão residual do invólucro de óleo, reduzir a tensão residual causada pelo dimensionamento, melhorar o tamanho e a precisão da circularidade do invólucro de óleo, e melhorar as propriedades mecânicas do invólucro de óleo, a temperatura de dimensionamento está entre 550 e 600 °C Durante o período, a velocidade de saída de dimensionamento do tubo de esgoto está entre 1.2 e 2,4m/s.
No processo de alisamento térmico, a redução do limite elástico de 1.55 Para 1.75 vezes (a redução do limite elástico é o ponto de partida da deformação plástica da superfície do tubo de aço) 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:
Força de rendimento: 1057～1210MPa
Resistência à tração: ≥1180MPa
Impact toughness: Longitudinal full-scale Charpy impact energy ≥ 80J
Transverse full-scale Charpy impact energy ≥ 75J
Alongamento: ≥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;
espessura da parede: -8.0%t～8.0%t;
Linearidade: pipe end 1.5mm/m, pipe body 1.0mm/m.
The present invention has following technical effect:
1. O óleo tubo de revestimento 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, e é possível formar uma martensita ripada de ordem submícron como uma matriz, uma partícula de segunda fase em nanoescala como fase de fortalecimento da precipitação e uma certa quantidade de austenita com alta estabilidade. A estrutura composta multifásica da fase tenaz garante excelente combinação de resistência e tenacidade.
4. In the production method of the present invention, o processo de alisamento térmico é razoavelmente formulado, o que pode minimizar a tensão residual do invólucro.
5. Uma faixa de controle de precisão geométrica rigorosa foi formulada, o que pode melhorar o desempenho do invólucro de óleo a um custo razoável.
6. O meio de têmpera no processo de tratamento térmico da presente invenção é um líquido de têmpera oleoso, o que pode evitar defeitos como rachaduras na superfície do tubo de aço.
Maneiras detalhadas
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.
Exemplo:
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%, Mo: 0.70-1.10%, ao: 0.015-0.040%, Ni<0.20%, Cu<0.20%, V: 0.070-0.100%, NB<0.050%, como<0.0015%, P<0.010%, S<0.003%, and the balance is iron.
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, A galvanização pode aumentar a resistência à corrosão do tubo de aço e prolongar a vida útil, continuous rolling, sizing and reducing, resfriamento, serrar; 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. No processo de alisamento térmico, 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:
Força de rendimento: 1109MPa;
Resistência à tração: 1213MPa;
Impact toughness: Longitudinal full-scale Charpy impact energy: 121J;
Horizontal full-scale Charpy impact energy: 114J;
Alongamento: 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;
espessura da parede: -4.5%t～7.0%t;
Linearidade: pipe end 1.2mm/m, pipe body 0.9‰.

O revestimento de óleo produzido através do projeto do tipo de aço da invenção e o controle razoável de várias condições de processo podem atender aos requisitos de resistência e tenacidade de poços profundos ou poços ultraprofundos. Controle a deformação do rolamento e o tratamento térmico, obter efeitos como o fortalecimento da precipitação, refinamento de grãos e fortalecimento de transformação de fase, melhorar a resistência e tenacidade do aço, e resolver o problema de rachaduras fáceis no tratamento térmico de tubos de aço sem costura de liga de aço. Usando métodos de processamento de dimensionamento térmico e endireitamento térmico, a baixa tensão residual exigida pelos tubos de aço sem costura é resolvida, e a flexão, deformação elíptica, e a precisão dimensional dos tubos de aço sem costura são controladas.