國內外高強高韌油井管研究現狀

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(1.西安石油大學 陜西 西安 710065；2.山西風雷鉆具有限公司 山西 侯馬 043013)

·綜述·

國內外高強高韌油井管研究現狀

劉戰鋒1，陳妍1，胡海燕2，牛利寧2

(1.西安石油大學 陜西 西安 710065；2.山西風雷鉆具有限公司 山西 侯馬 043013)

高強度油井管的強韌性不匹配是深部地層油氣資源勘探開發面臨的難題。通過性能參數比較，綜述了高強高韌油井管的品種及在研究、生產中存在的問題和強韌化方法。在高端油井管產品技術領域，中國和發達國家之間仍然存在一定的差距，應加快高強高韌油井管國產化進程。

油井管；高強度；高韌性；失效；強韌化方法

0 引 言

隨著石油天然氣勘探開發程度的提高，水平井、深井和超深井、大位移井等鉆井技術的應用，鉆井、完井成本和風險也在不斷提高，傳統的油井管已不能滿足使用要求。工況環境對油井管的要求也越來越特殊和苛刻。鉆桿、油套管正向著高強度、高韌性、智能化、數字化、防腐蝕、安全環保等方面發展。其中，高強高韌鉆桿和油套管材料的開發是油井管領域的重點研究方向和內容。

1 國內外高強高韌油井管產品

目前用于大位移井鉆井、超深井鉆井和深水鉆井的鉆桿、油套管材料依然是超高強度鋼。市場上可提供的高強度鉆桿包括965 MPa(140 ksi)和1034 MPa (150 ksi)最小屈服強度級別，這些鋼質鉆桿和S135鉆桿相比成本相當。Grant Prideco 公司的V150鉆桿是其中的典型代表，它綜合了專有的化學成分和快速冷卻的調質處理過程。在增強屈服強度的同時提供優異的扭轉和拉伸強度，并增強了抗內外壓的能力。2009年，Grant Prideco開發出了UD-165超高強度鋼鉆桿，其獨特的熱處理工藝使得鉆桿既滿足屈服強度的要求又滿足韌性要求。S135、Z140、V150和UD-165等超高強度鋼鉆桿的相關參數見表1[1]。從表1中可以看出，UD-165鋼鉆桿的強度重力比較S135提高了22%，比鈦合金低15%，位于第2位。UD-165鋼鉆桿的強度重力比優于鋁合金鉆桿；由于采用薄壁結構使得流體通過性能要優于鋁合金及鈦合金鉆桿，這對于大位移井和深井尤為重要。截止2009年3月，該公司已生產出5種規格UD-165(VM-165級)輕質、薄壁超高強度鋼鉆桿，部分產品已在美國南德克薩斯州陸上平臺進行了現場試驗；例如，采用壁厚12.7 mm(0.5 in)的UD-165鉆桿與Ф127 mm的S135 NC50鉆桿配合鉆進，已成功施鉆2口井，現場沒有出現任何鉆桿失效事故。國外其他油井管生產企業的典型產品有V&M開發的橫向CVN沖擊功>40 J (-20 ℃)的中碳Cr-Mo-V系VM140155鋼級油套管、V150和V170鉆桿，JFE開發的韌性與強度匹配良好的Cr-Mo-Nb系140-170鋼級套管，以及住友開發的橫向CVN沖擊功>20 J (-46 ℃)的SM140G-155G鋼級油套管。

表1 帶剛接頭的高性能鉆桿相關參數對比

目前，我國油井管的主要制造企業有天津鋼管公司、寶山鋼管有限公司、中國石油渤海裝備公司第一機械廠、鞍鋼無縫鋼管廠、無錫兩姆萊斯石油專用管有限公司、衡陽華菱鋼管有限公司、無縫鋼管廠、成都無縫鋼管廠、江蘇誠德鋼管公司、寶雞住金鋼管有限公司(ERW)等。各生產企業均獲得美國石油學會API會標使用權、IS09002質量體系認證和IS014000環境管理體體系認證，同時獲得了全國工業產品生產許可證書，產品質量達到國際先進水平。

國內典型的高強度油井管產品有寶鋼的BG140、BG150；西姆萊斯開發了WSP140、WSP150；衡陽華菱鋼管有限公司開發了V150；天津鋼管開發了TP140V、TP150V、TP155V等；中國石油渤海裝備公司開發的V150鋼級，以及近期報道的研發成功165鋼級超高強度鉆桿等。這些油井管產品填補了國內超高強度油井管的空白，縮短了與國外的技術差距。但與國外同類產品相比，依然存在CVN沖擊功偏低的問題[2]。國內外典型高強高韌油井管產品及生產廠家見表2。

表2 國內外高強高韌油井管對比

2 高強度油井管產品存在的問題

從材料的角度出發，目前超高強度油井管存在的問題表現在以下三個方面：

1)性能波動范圍較大，高強度不能匹配高韌性

輕質、薄壁的超高強度鋼鉆桿可用于解決大位移井、超深井和深水鉆井的鉆井難題。但由于高強度鋼在低溫下具有脆性且很難在抗沖擊韌性和抗拉強度間達到平衡，所以前期關于制造屈服強度達到1 137 Mpa以上鋼級的高強度鋼的嘗試均告失敗。在國內，超高強度鉆桿能否大規模投入應用的關鍵是如何在屈服強度達到1 034 MPa以上時仍獲得令人滿意的沖擊韌性。目前，150鋼級超高強度鉆桿在-20 ℃條件下，全尺寸沖擊韌性可達到85 J以上，但其最高沖擊韌性尚沒超過100 J。

目前，國內對965 MPa(140 ksi)以上鋼級油井管的沖擊韌性有過一些研究[3-7]，但對沖擊韌性沒有統一規定。一些觀點認為對超高強度高級油井管夏比沖擊吸收能的規定可參照英國能源部指導性技術文件的規定，按照壓力容器可壓力鋼管橫向最低沖擊吸收能Akv≥YSmin/10計算，YSmin為材料規定屈服強度下限值。由此V140、V150、V170鋼級對應的最低沖擊功為98 J、105 J、120 J；但“按失效評估圖核算，上述計算結果有些保守”。另有研究證明，將Akv≥YSmin/10經驗式推廣至載荷狀態和失效模式不同的深井超高強度套管及套管柱在理論上和實踐上都是缺乏依據并且是有害的。因此高強度油套管需要匹配多高的韌性，尚需進一步研究。

表3 國內外高強油井管夏比沖擊吸收能最小值要求 J

注：1.T：管體橫向10 mm×5 mm 1/2非全尺寸夏比沖擊試樣；2.L：管體縱向10 mm×10 mm全尺寸夏比沖擊試樣；3.L1：管體縱向10 mm×7.5 mm 3/4非全尺寸夏比沖擊試樣。

國外部分生產廠家，住友金屬附加高韌性要求的深井用SM-G系列套管， JFE-125V、JFE-140VT深井套管， Tenaris DW 系列專有鋼級深井套管、V&M 公司超高強度深井鉆桿管體的夏比沖擊吸收能要求見表3。從表3可以看出套管和鉆桿管體技術要求不同，韌性(夏比沖擊吸收能)指標要求卻是不同的，這與鉆桿管體與套管的載荷狀態、失效模式不同有關。需要指出的是，在高端油井管產品技術領域，中國和發達國家之間仍然存在一定的差距，應加快高強高韌油井管國產化進程。

2)鋼質不夠純凈，S、P和有害元素的含量、超標非金屬夾雜控制有待改善

S、P含量嚴重影響鋼材的性能，目前國內外S、P含量控制已高出API標準的要求，但仍有較大的提升空間。鋼中夾雜物的類型、含量、尺寸、形狀、硬度、變形行為和分布對鋼的質量會產生明顯影響。大尺寸夾雜物由于其較低的發生率通常是很難檢測到的，尤其對于體積較大的油井管材料更是如此。大量試驗觀察表明，在彎曲疲勞中, 夾雜物附近是主要的裂紋萌生源。眾多油田現場失效案例表明，構件在循環載荷的作用下，裂紋首先在夾雜物或其他缺陷處萌生，且疲勞失效最有可能發生在最大夾雜物處，因此，研究高強度鋼中夾雜物對鋼的性能的影響就顯得尤為重要。

3)應力腐蝕敏感性高

鉆具、油套管的鋼級越高，也就是材料的強度和硬度越高。在含硫環境中鉆井，發生硫化物應力腐蝕開裂失效的機率也越大。油田現場高強度鉆桿因應力腐蝕開裂失效的例子屢見不鮮。為此，研發了抗硫鉆桿，但是抗硫鉆桿的價格貴，大約是普通鉆桿的2倍。其次，抗硫鉆桿強度有待提高，目前國內可生產的抗硫鉆桿有SS95和SS105，SS120抗硫鉆桿還在研發當中。國外的美國格蘭特鉆桿有限公司研發成功并在油田應用的也只限于SS120鋼級的抗硫鉆桿。

3 高強度油井管產品的強韌化方法

鑒于高強度鉆桿、油套管在生產和制造過程中常常遇到強度與韌性的矛盾，例如在“狗腿”部位高鉆桿受到的交變應力的作用，很容易發生斷裂或刺穿事故。生產廠家開始嘗試開發新的鋼種，一方面，通過改變鋼的成分來增加強度和韌性。另一方面，通過調整材料成分和熱處理工藝來改善材料的強度和韌性。

1)改變鋼的成分

基于固溶強化機制，在鋼中添加Mn、Si等置換固溶元素，C、N、B等間隙固溶元素；通過進一步降低P、S含量，添加Mo等合金元素以及合理的調制熱處理工藝來達到。姜新越等[8]針對V150鋼級的研究發現，合金元素的多重析出特性，使得第二相粒子的體積分數隨回火溫度升高呈現“先升后降”的規律，為優化回火溫度、增強析出強化效應、保持鋼級、提高沖擊韌性提供了優化空間。因此，基于彌散強化或細晶強化機制，可在鋼中添加Cr、Nb、Mo、V 、Ti等微合金元素，在材料高溫冷卻過程中或回火時析出細小碳化物組織，可顯著提高基體的強度。一般在微合金化低碳鋼中，當碳化物(第二相)的體積分數為0.1%～0.2%時，同時第二相粒子的尺寸為幾個納米時，可使鋼的強度提高約200～400 MPa。蘇義詳等[9]制備了一種100V-Cr-Mo石油套管材料，其中添加的Mo、V元素可以保證鋼中的淬透性和阻礙晶粒的長大，對韌性具有較大幅度的提高。因為的碳化物析出所造成的彌散強化彌補了回火軟化帶來的強度下降，從而使得材料的強度不隨著回火時間的延長而下降。

但是碳化物析出帶來的彌散強化作用只能部分彌補回火溫度升高帶來的回火軟化，即回火溫度對材料強度起著決定性作用。且合金元素添加會帶來成本的增加，因此還需通過調整工藝，例如控制回火溫度來提高油井管材料的強韌性。

2)調整工藝

目前油井管用超高強度鋼熱處理工藝一般為淬火+回火處理。基于相變強化、細晶強化和彌散強化機制，淬火溫度的選擇是在保證完全奧氏體化的情況下盡量降低淬火加熱溫度以獲得細晶粒，再通過回火消除應力并獲得回火索氏體，同時保證碳化物彌散析出。回火時析出細小碳化物組織，可顯著提高基體的強度。

姜新越等[8]研究表明，鉆桿鋼的回火溫度在625640 ℃之間存在一個拐點溫度，在拐點溫度以下，在保持V150鋼級的基礎上，其沖擊韌性隨回火溫度升高而顯著升高，沖擊功從103 J提高到151 J，超過了英國能源部10%屈服強度數值的要求，可以滿足“先漏后破”斷裂準則的要求。而在拐點溫度之上，材料鋼級即強度迅速下降。蘇義詳等[9]制備了一種100V-Cr-Mo性能優于V150的石油套管材料。采用890～910 ℃淬火+650 ℃高溫回火處理，使材料屈服強度達到1 150～1 160 MPa、抗拉強度1 190～1 240 MPa、伸長率18%～23%、沖擊功102～132 J(0℃)，100V-Cr-Mo材料的調質處理組織細小、均勻，晶粒度大于9級，為回火索氏體。

4 結 論

論述了高強高韌油井管的品種、在研究和生產中存在的問題和強韌化方法。產品性能波動范圍較大，高強度不能匹配高韌性，鋼質不夠純凈；S、P和有害元素的含量、超標非金屬夾雜控制有待改善以及應力腐蝕敏感性高是高強高韌油井管產品面臨的主要問題。通過改變材料的成分和調整生產工藝改善油井管的強度和韌性仍是主要的研究方向。

[1] JELLISON Michael. Ultra-high-strength drill pipe may meet demands of ERD, Critical deep drilling. DRILLING CONTRACTOR, March/April 2009:53-56.

[2] 李鶴林，韓禮紅，張文利.高性能油井管的需求與展望[J].鋼管，2009，38(1):1-9.

[3] 李平全，趙映輝，佟 琳.關于超高強度套管夏比沖擊功吸收能規定值的討論[J].鋼管，2010，39(5):7-15.

[4] 李鶴林.油井管發展動向及若干熱點問題(下)[J].鋼管，2006，35(1):1-6.

[5] 李鶴林.油井管發展動向及若干熱點問題(上)[J].鋼管， 2005，34(6):1-6.

[6] 陳秀麗，韓禮紅.高鋼級套管韌性指標適用性計算方法研究(上)[J].鋼管，2008，37(3)：13-17.

[7] 陳秀麗，韓禮紅.高鋼級套管韌性指標適用性計算方法研究(下)[J].鋼管，2008，37(4):23-27.

[8] 姜新越，胡 峰，莊大明.回火溫度對V150鉆桿鋼的強韌性匹配的影響[J].鋼管， 2012，41(5):22-27.

[9] 蘇義祥，彭先明.100V-Cr-Mo石油套管材料的組織與性能[J].蘭州理工大學學報，2011，37(5):18-21.

TheDomesticandForeignResearchStatusofHighStrengthandHighToughnessofOCTG

LIUZhanfeng1,CHENYan1,HUHaiyan2,NIULining2

(1.Xi’anShiyouUniversity,Xi’an,Shaanxi710077,China; 2.ShanxiFengleiDrillingToolsCo.,Ltd.,Houma,Shanxi043013,China)

The mismatch of strength and toughness of high strength OCTG is a dilemma for exploration and development in deep oil and gas fields. By performance parameter comparison, the grades, critical issues and strengthening-toughening for the high strength and high toughness OCTG were discussed. There is still a technology gap between China and developed countries in the field of high-end OCTG product, and the localization process of high strength and high toughness OCTG should be accelerated.

OCTG; high strength; high toughness; failure; strengthening-toughening

劉戰鋒，男，1962年生，教授，1983年畢業于西安交通大學機械制造專業，主要從事深孔加工、機械制造工藝與刀具研究。E-mail: 13572896975@163.com

TE921

A

2096-0077(2017)06-0005-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.002

2017-09-25

葛明君)

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