張行剛，米永峰，郭志文，魏 淼，裴福莉，賈冬梅，余澤金

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣具有單井產(chǎn)量低、開采壽命長、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)量穩(wěn)定的特點(diǎn)［1-9］。頁巖氣開采井多為大斜度井和水平井，特別是在完井期間水平井需要對20 段左右的井段分別進(jìn)行射孔和儲層改造，同時套管在下井過程中受到反復(fù)的拉伸、壓縮的交變載荷，眾多因素使管體承受的非均勻載荷超出套管所能承受的最大非均勻載荷，引起套管整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而發(fā)生點(diǎn)變形。為了滿足頁巖氣開采要求，需研發(fā)出超高強(qiáng)度、高韌性油套管，要求其具有優(yōu)良的綜合性能，如高的抗拉強(qiáng)度及連接強(qiáng)度、優(yōu)異的抗擠毀性能及良好的密封性能，而核心要求是套管在擁有超高強(qiáng)度的同時還具有良好的韌性［10-13］。某公司開發(fā)了一種深井頁巖氣開采用BT135VRE 套管，現(xiàn)介紹其開發(fā)情況。

1 鋼種成分設(shè)計

1.1 鋼種成分設(shè)計依據(jù)

與普通套管的C-Mn 系低合金設(shè)計相比，Cr-Mo 系設(shè)計可提高鋼的淬透深度和組織均勻性，從而提高其硬化指數(shù)，并保證管體性能的均勻穩(wěn)定；此外還可提高鋼的回火溫度，降低管體的殘余應(yīng)力。高強(qiáng)度高韌性套管要求具有良好的強(qiáng)韌性匹配，即在保證高強(qiáng)度的同時還要保證其有高的韌性，特別是保證橫向沖擊韌性高，使得材料具有良好的止裂性能。采用Cr-Mo-V 系中碳鋼，盡量降低P、S 和殘余元素Sn、As、Pb、Sb、Bi 及氣體［H］、［O］、［N］形成的有害夾雜對材料韌性的影響。P、S 是弱化晶界的脆化元素，殘余元素會使鋼材產(chǎn)生紅脆、表面裂紋和回火脆性傾向，而氣體易引發(fā)鋼材出現(xiàn)裂紋，因此要凈化鋼質(zhì)，盡量控制上述元素及氣體的含量。RE 元素有微合金固溶強(qiáng)化的作用，能夠凈化鋼液，改善非金屬夾雜物的形態(tài)，減少點(diǎn)腐蝕和強(qiáng)化晶界等作用，從而提高鋼材的沖擊韌性和抗硫化氫腐蝕性能，但RE 含量過高會形成大的夾雜物團(tuán)絮，因此RE 元素的含量應(yīng)適量。

1.2 鋼種成分設(shè)計目標(biāo)

基于鋼種成分設(shè)計依據(jù)，采用C-Mn-Cr-Mo-V-Ce 鋼系［1］，設(shè)計鋼種為BT135VRE，化學(xué)成分要求見表1。

表1 BT135VRE 套管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求 %

2 工業(yè)試制

BT135VRE 套管的試制工藝流程為：鐵水預(yù)處理→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉→真空處理→圓坯連鑄→定尺切割→堆垛緩冷→管坯加熱→錐形輥穿孔機(jī)穿孔→連軋管機(jī)軋管→定（減）徑→冷床冷卻→定尺鋸切→調(diào)質(zhì)處理→矯直→無損探傷→水壓試驗(yàn)→通徑檢測→螺紋加工→包裝入庫。

3 試制結(jié)果及分析

試制的頁巖氣用BT135VRE 套管的規(guī)格分別為Φ141.0 mm×13.50 mm 管體和Φ161.0 mm×25.00 mm 接箍。采用Φ200 mm 合格坯料在Φ159 mm PQF 連軋管機(jī)組進(jìn)行軋制，熱處理采用調(diào)質(zhì)工藝（淬火溫度為890～920 ℃，水淬，回火溫度為650～680 ℃，采用合適的保溫時間），最后加工成特殊螺紋成品套管。先檢驗(yàn)產(chǎn)品的各項(xiàng)力學(xué)性能，同時按照API RP 5C5—2017《套管和油管接頭評價程序推薦作法》CAL IV 級試驗(yàn)要求進(jìn)行5 種極限公差樣品的上/卸扣試驗(yàn)，以及螺紋抗黏結(jié)試驗(yàn)、過扭矩試驗(yàn)、極限內(nèi)壓/外壓試驗(yàn)等。

3.1 常規(guī)力學(xué)性能

BT135VRE 套管管體的拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果見表2，沖擊韌性檢測結(jié)果如圖1 所示。其中，Φ141.0 mm×13.50 mm 管體的沖擊試樣為橫向半尺寸試樣，Φ161.0 mm×25.00 mm 接箍的沖擊試樣為橫向全尺寸試樣，試驗(yàn)溫度都為0 ℃。

表2 BT135VRE 套管管體的拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 BT135VRE 套管的沖擊韌性檢測結(jié)果

從表1 可以看出，試制的BT135VRE 套管管體和接箍的拉伸性能滿足設(shè)計產(chǎn)品要求，接箍比管體的拉伸強(qiáng)度稍高，這更有利于提高螺紋連接強(qiáng)度；拉伸強(qiáng)度在70 MPa 以內(nèi)波動，說明材料成分控制均勻，熱處理爐爐溫控制精準(zhǔn)，保證了全管體軸向和徑向上性能的波動范圍??；斷后伸長率在20%以上，說明該材料的延展性較好。從圖1 可以看出，按照API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》沖擊小尺寸試樣折算原則（半尺寸試樣折算系數(shù)為0.55），全尺寸試樣沖擊值100 J 折算成半尺寸試樣為55 J，80 J 折算成半尺寸試樣為44 J，BT135VRE管體和接箍沖擊韌性都良好，管體0 ℃橫向沖擊功（半尺寸試樣）≥55 J 和接箍0 ℃橫向沖擊功（全尺寸試樣）≥100 J 所占比例均達(dá)到了80%以上，管體沖擊功不低于44 J，接箍沖擊功不低于80 J，剪切面積百分比都為100%，說明該材料具有良好的止裂性能。

3.2 金相組織

高鋼級管材對非金屬類夾雜物異常敏感，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度無縫鋼管的高韌性特別是保證橫向沖擊韌性，關(guān)鍵在于減少非金屬夾雜物數(shù)量、變性夾雜物形態(tài)、細(xì)化夾雜粒度。因此在冶煉過程中，通過采用潔凈鋼冶煉技術(shù)，并輔以RE 元素的凈化鋼液和改善夾雜物形態(tài)的作用，從而控制鋼液中氣體、有害元素的含量以及非金屬夾雜物的水平。檢測試制的頁巖氣用BT135VRE 套管的非金屬夾雜物，發(fā)現(xiàn)球狀氧化物類夾雜物（D 類）細(xì)系為1.0 級、粗系為0.5 級，單顆粒球狀夾雜物（DS 類）為0.5 級，其余都為0，這說明夾雜物控制良好。

BT135VRE 套管的晶粒度及金相組織如圖2 所示。圖2（a）～（b）所示為通過苦味酸顯示的熱處理態(tài)管體和接箍的原始奧氏體晶粒度，管體晶粒度為10.5 級，接箍晶粒度為10 級；管體晶粒度比接箍稍細(xì)，但總體相差不大，這與管體橫向沖擊韌性比接箍橫向沖擊韌性高相對應(yīng)。這是因?yàn)殇摴芤?guī)格小、壁厚薄，軋制過程中溫度下降快，終軋溫度低，而同樣坯型軋制管體料要比接箍料壓縮比大得多，在多道次軋制過程中的壓下量大，這有可能使鋼管發(fā)生多次動態(tài)再結(jié)晶，從而細(xì)化組織。從圖2（c）～（d）可以看出，管體與接箍的組織都為典型的回火索氏體，細(xì)小的碳化物彌散地分布在基體上，沒有異常組織。

圖2 BT135VRE 套管的晶粒度及金相組織

BT135VRE 是中碳Cr-Mo-V 系鋼，高溫回火時會析出大量合金碳化物。用掃描電鏡分析管體和接箍，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，析出物中含有合金Cr 元素，這些析出相彌散地分布在基體中，在高溫回火時可以阻礙晶界的移動，保持亞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，起到釘扎晶界的作用，保證材料在高溫回火后具有較高強(qiáng)度及高韌性［14-15］。

圖3 BT135VRE 套管的掃描電鏡分析結(jié)果

3.3 高溫拉伸性能

從地表開始，每下降100 m 溫度升高約3 ℃，如果設(shè)計井深為7 000 m，最低溫度約為235 ℃。根據(jù)SY/T 6268—2017《套管和油管選用推薦方法》，材料在150 ℃時的屈服強(qiáng)度應(yīng)不低于室溫條件下的91%，200 ℃時的屈服強(qiáng)度應(yīng)不低于室溫條件下的90%。BT135VRE 套管的高溫拉伸性能見表3。從表3 可以看出，BT135VRE 套管的高溫拉伸性能優(yōu)異；與室溫時相比，管材在200 ℃時的屈服強(qiáng)度下降約9%，滿足SY/T 6268—2017 要求。

表3 BT135VRE 套管的高溫拉伸性能

3.4 實(shí)物抗擠毀性能評價

對于高鋼級套管，由于其地質(zhì)條件復(fù)雜、下井深度深，因此其不僅要具有高的強(qiáng)度和韌性，還要具有良好的抗擠毀性能。通過控制BT135VRE 套管的外徑橢圓度、壁厚不均度、殘余應(yīng)力等，保證了材料的抗擠毀性能。進(jìn)行BT135VRE 套管外壓至失效試驗(yàn)，3 個試樣的壓潰值分別為191.7 MPa，196.8 MPa，193.9 MPa，都比API Bull 5C2—1999《套管、油管和鉆桿使用性能》推薦值（142.5 MPa）高36.30%以上，達(dá)到設(shè)計要求。

3.5 全尺寸實(shí)物性能評價

試制的BT135VRE 套管的直度、圓度等精度高，滿足特殊螺紋加工要求。成品套管在中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院按照API RP 5C5—2017 標(biāo)準(zhǔn)CAL IV 級試驗(yàn)要求，進(jìn)行5 種極限公差樣品的上/卸扣試驗(yàn)，以及螺紋抗黏結(jié)試驗(yàn)、過扭矩試驗(yàn)、極限內(nèi)壓/外壓試驗(yàn)等。依據(jù)API RP 5C5—2017 標(biāo)準(zhǔn)對試制的特殊螺紋接頭試樣進(jìn)行了3 次上扣2 次下扣試驗(yàn)，螺紋及密封面均未發(fā)生螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。設(shè)計的高性能氣密封BJC-II 特殊螺紋極限公差試樣均通過了A 系（拉伸/壓縮+內(nèi)壓/外壓+180 ℃溫度）試驗(yàn)，80%VME 等效應(yīng)力常溫B系、95%VME 等效應(yīng)力常溫B 系、90%VME 等效應(yīng)力高溫（180 ℃）B 系（拉伸/壓縮+內(nèi)壓+彎曲）試驗(yàn)，95%VME 等效應(yīng)力常溫和90%VME 等效應(yīng)力高溫（180 ℃）C 系（拉伸+內(nèi)壓）試驗(yàn)，都未發(fā)生結(jié)構(gòu)失效及密封泄漏現(xiàn)象。高性能氣密封特殊螺紋的BT135VRE 套管的CAL IV 級試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 高性能氣密封特殊螺紋的BT135VRE 套管的CAL IV 級試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

基于中碳Cr-Mo-V 系合金化技術(shù)輔以RE 元素，通過潔凈鋼冶煉和借助PQF 連軋管機(jī)的工藝優(yōu)勢，制備出非金屬夾雜物級別低、組織均勻、尺寸精度高、力學(xué)性能優(yōu)異的頁巖氣用BT135VRE 套管，成品套管通過了API RP 5C5—2017 標(biāo)準(zhǔn)CAL IV 級試驗(yàn)。2020 年BT135VRE 成品套管已在西南頁巖氣某區(qū)塊順利完成了下井試驗(yàn)。