新型膨胀套管材料研发及其商业前景

供稿|李秀程，尚成嘉，袁胜福，谢振家，张继武，王学敏，王靖元，张超 / LI Xiu-cheng, SHANG Cheng-jia,YUAN Sheng-fu, XIE Zhen-jia, ZHANG Ji-wu, WANG Xue-min, WANG Jing-yuan, ZHANG Chao

膨胀套管技术是近二十年来新发展的石油天然气钻采领域的创新技术，被称为是钻井工程的革命。20世纪90年代荷兰壳牌公司率先提出了这一概念并很快开展了应用[1-7]。这一技术可实现等井径钻井，缩减油气井上部井眼尺寸，优化钻具组合，提高机械钻速，节省井口设备、钻井液、循环时间、水泥、钻头和平台费用。据统计，该技术可以降低44%的钻井液用量、42%的水泥用量、38%的套管用量和59%的钻屑生成量，在海上钻井和建井中可节省33%～48%的建井费用[8]。

目前大多数所采用的膨胀管材料虽然强度级别高，但是均匀延伸率和总延伸率都很低，且施工时膨胀压过高，无法进行大扩径率膨胀施工。如果选用传统不锈钢作为膨胀管材料，其塑性虽然优异，但是强度等级较低，无法进行完井、侧钻等施工需求。近年来也有选用高合金奥氏体钢作为膨胀管的尝试，强塑性等特性虽然都比较理想，但又存在成本较高的问题，不利于推广和普及。综上所述，膨胀管产品的低性能和高成本严重制约了膨胀管技术的应用[9-13]。国外几大油服公司纷纷将提高性能、降低成本作为膨胀管材料研发的主要方向。

多相组织调控技术与新型钢铁材料

北京科技大学尚成嘉教授带领其项目团队，经过长期研究工作，系统掌握了在高强钢中获得残余奥氏体的组织调控原理及工艺技术。如对一种简单C-Mn-Si成分体系的钢材，通过调控贝氏体区等温温度和等温时间，可以获得残余奥氏体比例高达16%的多相组织[14-15]。此外，通过调控不同的初始组织，可以获得不同尺寸形貌的残余奥氏体，所表现出的力学行为也截然不同[16]。在简单成分体系的基础上，适当添加微合金元素，利用特定后续热处理方式，可获得具有高强度-高塑性-高韧性的最新型M3钢(多相multiphase-亚稳metastable-多尺度析出multiscale precipitate钢)，钢中的残余奥氏体体积分数可以调控高达30%，详见图1。高比例的残余奥氏体与铁素体/贝氏体组织匹配，可以使钢铁材料获得全新的性能特征，屈服强度范围达到250～450 MPa，抗拉强度范围达到500～700 MPa，同时具有超高塑性，均匀延伸率在18%以上，最高可接近30%。不仅如此，这类钢材还具有良好的低温冲击韧性，在-40℃时，夏比冲击功可达130 J以上；而当温度继续降低到-80℃时，仍可以获得60 J以上的夏比冲击功。

此类材料具有良好强-韧-塑综合性能的原因就是钢中形成的一定比例的残余奥氏体组织。通过对拉伸和冲击实验前后的试样进行X射线衍射分析，发现断口附近的残余奥氏体体积分数均有大幅度下降，说明在断裂前的塑性形变过程中，大量的残余奥氏体发生了马氏体相变，这种相变为材料的形变提供了塑性，即形成了TRIP(相变诱导塑性)效应。同时也使得这种钢材在形变中可以获得很大程度强化效果，形变后屈服强度和抗拉强度均得到大幅度提升。

图1 采用特殊处理获得的含有一定比例残余奥氏体的多相组织钢EBSD表征组织图(其中红色为残余奥氏体相，面心立方结构)

图2 拉伸和冲击实验前后试样的X射线衍射对比分析

新型膨胀套管产品及其陆上膨胀实验结果

这种新型钢铁材料的一个最佳应用方向就是可膨胀套管产品，因为膨胀套管相对于其他钢铁制品具有及其特殊的应用性能要求。首先，为了保证膨胀施工的顺利进行，膨胀套管材料不能具有过高的屈服强度，否则膨胀过程胀锥驱动压力过大，会增加施工的事故发生率，施工过程也更加危险。目前的膨胀施工水平下，一般认为膨胀压不应超过30 MPa，所以膨胀套管的屈服强度不应过高，以400 MPa以下为宜。其次，作为油井套管，膨胀管的胀后强度必须较高，以达到保护油井的目的。通常，膨胀套管在膨胀后需要达到至少API 5CT标准中J55油井套管的性能标准，更多时候需要其达到N80的标准。同时膨胀套管在膨胀过程中必须具有良好的塑性，保证其形变均匀，以保证膨胀施工后套管的管型良好，在服役过程中具有更好的抵抗内外压力载荷的能力。不仅如此，无论是通过高频电阻焊接(HFERW)制管，还是钢坯拉拔进行无缝管制管，这种新型钢铁材料都显示出了良好的工艺适应性，并且生产成本也并不显著高于市场上的膨胀管产品，甚至低于某些产品。综上所述，所研发的新型钢铁材料完全符合膨胀套管对其选材的性能需求，甚至可以说是目前科技水平条件下膨胀套管材料的最佳选择。

本研发项目已经获得了2015年国家科技支撑项目计划的支持(No. 2015BAE03B00)，目前已经进行了百吨级膨胀管生产，产品规格范围为φ114 mm～φ245 mm。相关用户已经对该新型膨胀管产品进行了多次陆上实物膨胀实验(如图3所示)，均取得满意效果。以一种φ140 mm×7 mm膨胀管为例，当膨胀率为12%时，其膨胀力仅为300 kN，换算膨胀水压低于20 MPa，易于膨胀，胀后壁厚均匀，管形良好。

从新型膨胀套管材料在膨胀前后的力学性能对比(详见表1)可以看到：膨胀后管体纵向强度较膨胀前有了大幅度提升，屈服强度增加约200 MPa，达到了516 MPa。抗拉强度也增加了100 MPa以上。断口伸长率虽然有所下降，但是仍达到了22%，于无形变的低碳贝氏体钢接近。夏比冲击功未明显下降。这样的力学性能水平完全超过了J55油井套管的水平，已接近N80油井套管的水平，不仅完全满足目前老旧油井修补的需求，并且有望应用于水平井完井，甚至真正意义上实现等井径钻井。

图3 对新型膨胀套管进行的陆上模拟膨胀实验

表1 新型膨胀套管膨胀12%前后的纵向力学性能对比

前景展望

经过多年研究，该新型膨胀管已经具备了成熟的技术。从合金成分设计，到制管及后续热处理，再到成品加工检验，都形成了完善的技术路线，并且有科研理论的支持。大型工业化试制也表明批量化生产的新型膨胀套管产品性能稳定，完全达到预期水平。目前，国内外几家大型能源公司都已经对该产品表现出浓厚的兴趣，关于其应用技术细节和服役评价的合作研究正在相继开展。

北京科技大学对该新型膨胀套管及其材料体系已经建立起核心专利保护体系，经过前期研究开发，百吨级工业化试制产品已经获得用户高度评价并快速在相关行业形成影响力。该项目经过北京国际高技术中心评估，认为具备较好的商业化应用前景。联系人：王靖元(北京国际高技术中心项目经理，联系电话：18610010155)。

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