高溫高壓射孔槍管的開發

許才斌，汪　勇，鄭　臻，舒　浩，梁　旭

（1.江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇 常州 213018；2.江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇 常州 213200）

高溫高壓射孔槍管的開發

許才斌1，汪勇1，鄭臻1，舒浩2，梁旭1

（1.江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇 常州 213018；2.江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇 常州 213200）

介紹了高溫高壓射孔槍管的主要技術指標、鋼種設計、生產工藝流程及力學性能檢測結果。通過合理添加Cr、Mn、Mo、Nb、V等合金元素，保證了冶煉鋼種的化學成分；采用CPE頂管機組制管和高精度LOI無氧化爐調質熱處理及十輥矯直機一次矯直成型，保證了射孔槍管的幾何尺寸、管體抗擠強度。檢測結果表明：生產的射孔槍管具有較高的抗擠強度與良好的沖擊韌性，可以滿足最高200℃、180 MPa環境下油氣井用射孔槍的使用要求。

射孔槍管；高溫高壓；幾何尺寸；抗擠強度；開發

油氣井射孔是油氣勘探、開發完井、測試工程中重要的配套技術之一。隨著油氣勘探領域的不斷深入，深井、超深井的應用不斷增多［1-4］。如何保證射孔槍在超高溫超高壓條件不發生變形、破裂甚至斷裂失效至關重要。影響射孔槍承載能力的因素比較復雜，包括射孔槍的材料特性、加工過程、井下爆炸載荷和沖擊響應等。其中，射孔槍管體的材料最為關鍵。

國內對超深井射孔槍管體材料的研究不多，材質的選用上也集中于30CrMo、32CrMo4等常規低合金鋼種［5-6］，主要是通過增加射孔槍管的壁厚以提升鋼管的抗擠強度。由于增加了壁厚，一方面增加了射孔槍的質量，另一方面也增加了射孔槍的加工、彈架的安裝、射孔等方面的難度。2011年江蘇常寶鋼管股份有限公司（簡稱常寶鋼管）開始開發高溫高壓射孔槍管，經過多次試驗與客戶試用，其高溫高壓射孔槍管的各項性能均可滿足客戶要求。

1　主要技術指標

射孔槍管的力學性能指標要求見表1，Φ85.73 mm×9.53mm射孔槍管的幾何尺寸要求見表2。

表1　射孔槍管力學性能指標要求

表2　Φ85.73 mm×9.53 mm射孔槍管的幾何尺寸要求

2　鋼種設計

首先需保證射孔槍管管體具有良好的沖擊韌性，確保管體射孔不開裂；其次在保證韌性的前提下，盡可能提高管體的抗擠強度。由于韌性與強度存在此消彼長的關系，經綜合考慮后，添加了一定量的Cr、Mn、Mo、Nb、V等合金元素，同時還保證管體具備一定的耐200℃高溫能力。射孔槍管化學成分設計見表3。

表3　射孔槍管化學成分（質量分數）設計　%

3　生產工藝流程

3.1工藝流程

EAF（高爐鐵水+優質廢鋼）電弧爐冶煉→LF爐精煉→VD爐真空處理→連鑄連軋→冷卻→管坯檢驗→管坯加熱→熱定心→三輥穿孔機穿孔→CPE軋管→步進爐再加熱→張力減徑→矯直→管端鋸切→調質熱處理→熱矯直→超聲波探傷+管端磁粉探傷→吹灰→通徑→測長、稱重→包裝入庫。

3.2關鍵生產工序

（1）軋管。采用CPE頂管機組軋管，由于CPE軋管變形量大，具有極強的壁厚糾偏能力，鋼管的壁厚精度高；另外，張力減徑孔型采用圓孔型設計，鋼管的橢圓度小。通過提高管體的幾何尺寸精度，進一步提升管體的抗擠強度。

（2）熱處理。采用德國LOI無氧化熱處理爐進行調質熱處理。另外，為獲得均勻一致的奧氏體組織，通過多次試驗制定合理的加熱溫度與保溫時間，保證了碳化物充分溶解的同時又避免了晶粒的過分長大。

（3）矯直。采用十輥矯直機一次矯直成型，管體彎曲度≤1 mm/m；矯直結束溫度≥480℃，以進一步降低管體殘余應力。

4　性能試驗及分析

4.1幾何尺寸檢驗

抽檢10%射孔槍管的幾何尺寸（壁厚檢驗采用自動全長測厚+管端手動檢測），具體檢測結果見表4。幾何尺寸精度良好，外徑不圓度一般在0.3%左右，壁厚不均度一般在5%左右，管端與全長彎曲度均≤1.0 mm/m。

表4　Φ85.73mm×9.53mm射孔槍管的幾何尺寸檢測結果

4.2室溫力學性能

射孔槍管的性能檢測參數見表5。從表5可以看出：射孔槍管的常溫拉伸、沖擊性能均達到了設計要求。外圓弧面沖擊試樣如圖1所示。

表5　射孔槍管的性能檢測參數

圖1　外圓弧面沖擊試樣示意

射孔槍管的金相組織形貌如圖2所示。從圖2可以看出，金相組織為細小的回火索氏體，晶粒度9～10級，保證鋼管具有高強度的同時具備良好的沖擊韌性［7-8］。另外，取1根試樣檢測其抗擠強度，其達到226 MPa，已超過計算值10%。

圖2　射孔槍管的金相組織形貌

4.3高溫拉伸試驗

在200℃溫度條件下，檢測射孔槍管的拉伸試驗性能［9］，結果見表6。

表6　射孔槍管在200℃溫度條件下的拉伸性能數據

與常溫時的性能相比，射孔槍管在200℃下屈服強度下降僅約6%。如果按此計算，在200℃溫度下，該射孔槍管的抗擠強度下降約6%，依然可以達到202 MPa；相對于最高180 MPa壓力的環境，仍有超過1.1的安全系數空間（202/180≈1.12）。

4.4射孔試驗（混凝土靶試驗）

由于客戶暫時不具備高溫高壓射孔測試能力，所以常寶鋼管選取了較為嚴格的復合槍射孔試驗進行評估［10-15］。用射孔槍管制成1.225 m復合射孔槍（16發復合彈），進行混凝土靶（水泥∶石英砂∶水的質量比為1∶2∶0.52）射孔試驗。射孔試驗后，射孔槍上未出現橫向裂紋，縱向裂紋總長為0，盲孔對位率為100%，外徑脹大為3.4 mm，其各項指標均檢驗合格。射孔后爆破形貌如圖3所示。

圖3　射孔后爆破形貌

雖然未直接進行高溫高壓射孔評估，但由于復合射孔的條件更為苛刻（復合彈的藥量約為常規射孔彈藥量的1倍），射孔槍管應該可以滿足最高200℃、180MPa環境下射孔槍的使用需求。

5　結　語

通過合理設計材料的化學成分，添加一定量的Cr、Mn、Mo、Nb、V等合金元素，可以保證射孔槍管管體在具有高強度的同時也具備良好的沖擊韌性和耐200℃高溫的能力；另外，在合理設計軋管變形工藝的同時，利用CPE頂管機組的大變形軋制能力糾偏壁厚，使得管體可以獲得高精度幾何尺寸，以提升管體的抗擠強度。檢測結果表明：常寶鋼管生產的射孔槍管，其力學性能（尤其是200℃拉伸性能）完全滿足要求；可以滿足最高200℃、180MPa環境下射孔槍的使用要求。

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Deve lopm ent of Steel Tube for Making of Hi-tem perature/Hi-p ressure Perforating Gun

XU Caibin1，WANG Yong1，ZHENG Zhen1，SHU Hao2，LIANG Xu1
（1.Jiangsu Changbao Steel Tube Co.，Ltd.，Changzhou 213018，China；2.Jiangsu Changbao Precision Steel Tube Co.，Ltd.，Changzhou 213200，China）

Described here in the paper are themain aspects of the steel tube formaking hi-temperature/hipre-! ssure perforating gun，including themajor technical indexes，the steel type design，themanufacturing process flow，and the results from themechanical property tests.Thanks to proper addition of alloying elements，namely，Cr，Mn，Mo，Nb and V etc.，chem ical composition of the steel asmelted is ensured.And the geometric dimensions，and the body anti-collapse strength of the perforator-purpose tube are guaranteed due to employment of the CPE push bench process， andthe quenching-tempering treatment process withthe hi-precisionLOI furnace plus one-step straightening formation process.Relevant test results identify that the said perforator-purpose tube as developed are in possession of rather high anti-collapse strength and good impact toughness，having been satisfactory to the operation requirements for the perforating gun as used in oil/gaswells under the service conditions as themaximum temperature of 200℃and themaximum pressure of 180MPa.

perforator-purpose tube；high temperature/high pressure；geometric dimensions；anti-collapse strength；development

TG335.71；TE931+.2""

B"

1001-2311（2016）03-0025-03

許才斌（1970-），男，技術總監，長期從事油井管產品的研究開發工作。

（2015-11-06；修定日期：2016-01-05）