国内外高强高韧油井管研究现状

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(1.西安石油大学 陕西 西安 710065；2.山西风雷钻具有限公司 山西 侯马 043013)

·综述·

国内外高强高韧油井管研究现状

刘战锋1，陈妍1，胡海燕2，牛利宁2

(1.西安石油大学 陕西 西安 710065；2.山西风雷钻具有限公司 山西 侯马 043013)

高强度油井管的强韧性不匹配是深部地层油气资源勘探开发面临的难题。通过性能参数比较，综述了高强高韧油井管的品种及在研究、生产中存在的问题和强韧化方法。在高端油井管产品技术领域，中国和发达国家之间仍然存在一定的差距，应加快高强高韧油井管国产化进程。

油井管；高强度；高韧性；失效；强韧化方法

0 引 言

随着石油天然气勘探开发程度的提高，水平井、深井和超深井、大位移井等钻井技术的应用，钻井、完井成本和风险也在不断提高，传统的油井管已不能满足使用要求。工况环境对油井管的要求也越来越特殊和苛刻。钻杆、油套管正向着高强度、高韧性、智能化、数字化、防腐蚀、安全环保等方面发展。其中，高强高韧钻杆和油套管材料的开发是油井管领域的重点研究方向和内容。

1 国内外高强高韧油井管产品

目前用于大位移井钻井、超深井钻井和深水钻井的钻杆、油套管材料依然是超高强度钢。市场上可提供的高强度钻杆包括965 MPa(140 ksi)和1034 MPa (150 ksi)最小屈服强度级别，这些钢质钻杆和S135钻杆相比成本相当。Grant Prideco 公司的V150钻杆是其中的典型代表，它综合了专有的化学成分和快速冷却的调质处理过程。在增强屈服强度的同时提供优异的扭转和拉伸强度，并增强了抗内外压的能力。2009年，Grant Prideco开发出了UD-165超高强度钢钻杆，其独特的热处理工艺使得钻杆既满足屈服强度的要求又满足韧性要求。S135、Z140、V150和UD-165等超高强度钢钻杆的相关参数见表1[1]。从表1中可以看出，UD-165钢钻杆的强度重力比较S135提高了22%，比钛合金低15%，位于第2位。UD-165钢钻杆的强度重力比优于铝合金钻杆；由于采用薄壁结构使得流体通过性能要优于铝合金及钛合金钻杆，这对于大位移井和深井尤为重要。截止2009年3月，该公司已生产出5种规格UD-165(VM-165级)轻质、薄壁超高强度钢钻杆，部分产品已在美国南德克萨斯州陆上平台进行了现场试验；例如，采用壁厚12.7 mm(0.5 in)的UD-165钻杆与Ф127 mm的S135 NC50钻杆配合钻进，已成功施钻2口井，现场没有出现任何钻杆失效事故。国外其他油井管生产企业的典型产品有V&M开发的横向CVN冲击功>40 J (-20 ℃)的中碳Cr-Mo-V系VM140155钢级油套管、V150和V170钻杆，JFE开发的韧性与强度匹配良好的Cr-Mo-Nb系140-170钢级套管，以及住友开发的横向CVN冲击功>20 J (-46 ℃)的SM140G-155G钢级油套管。

表1 带刚接头的高性能钻杆相关参数对比

目前，我国油井管的主要制造企业有天津钢管公司、宝山钢管有限公司、中国石油渤海装备公司第一机械厂、鞍钢无缝钢管厂、无锡两姆莱斯石油专用管有限公司、衡阳华菱钢管有限公司、无缝钢管厂、成都无缝钢管厂、江苏诚德钢管公司、宝鸡住金钢管有限公司(ERW)等。各生产企业均获得美国石油学会API会标使用权、IS09002质量体系认证和IS014000环境管理体体系认证，同时获得了全国工业产品生产许可证书，产品质量达到国际先进水平。

国内典型的高强度油井管产品有宝钢的BG140、BG150；西姆莱斯开发了WSP140、WSP150；衡阳华菱钢管有限公司开发了V150；天津钢管开发了TP140V、TP150V、TP155V等；中国石油渤海装备公司开发的V150钢级，以及近期报道的研发成功165钢级超高强度钻杆等。这些油井管产品填补了国内超高强度油井管的空白，缩短了与国外的技术差距。但与国外同类产品相比，依然存在CVN冲击功偏低的问题[2]。国内外典型高强高韧油井管产品及生产厂家见表2。

表2 国内外高强高韧油井管对比

2 高强度油井管产品存在的问题

从材料的角度出发，目前超高强度油井管存在的问题表现在以下三个方面：

1)性能波动范围较大，高强度不能匹配高韧性

轻质、薄壁的超高强度钢钻杆可用于解决大位移井、超深井和深水钻井的钻井难题。但由于高强度钢在低温下具有脆性且很难在抗冲击韧性和抗拉强度间达到平衡，所以前期关于制造屈服强度达到1 137 Mpa以上钢级的高强度钢的尝试均告失败。在国内，超高强度钻杆能否大规模投入应用的关键是如何在屈服强度达到1 034 MPa以上时仍获得令人满意的冲击韧性。目前，150钢级超高强度钻杆在-20 ℃条件下，全尺寸冲击韧性可达到85 J以上，但其最高冲击韧性尚没超过100 J。

目前，国内对965 MPa(140 ksi)以上钢级油井管的冲击韧性有过一些研究[3-7]，但对冲击韧性没有统一规定。一些观点认为对超高强度高级油井管夏比冲击吸收能的规定可参照英国能源部指导性技术文件的规定，按照压力容器可压力钢管横向最低冲击吸收能Akv≥YSmin/10计算，YSmin为材料规定屈服强度下限值。由此V140、V150、V170钢级对应的最低冲击功为98 J、105 J、120 J；但“按失效评估图核算，上述计算结果有些保守”。另有研究证明，将Akv≥YSmin/10经验式推广至载荷状态和失效模式不同的深井超高强度套管及套管柱在理论上和实践上都是缺乏依据并且是有害的。因此高强度油套管需要匹配多高的韧性，尚需进一步研究。

表3 国内外高强油井管夏比冲击吸收能最小值要求 J

注：1.T：管体横向10 mm×5 mm 1/2非全尺寸夏比冲击试样；2.L：管体纵向10 mm×10 mm全尺寸夏比冲击试样；3.L1：管体纵向10 mm×7.5 mm 3/4非全尺寸夏比冲击试样。

国外部分生产厂家，住友金属附加高韧性要求的深井用SM-G系列套管， JFE-125V、JFE-140VT深井套管， Tenaris DW 系列专有钢级深井套管、V&M 公司超高强度深井钻杆管体的夏比冲击吸收能要求见表3。从表3可以看出套管和钻杆管体技术要求不同，韧性(夏比冲击吸收能)指标要求却是不同的，这与钻杆管体与套管的载荷状态、失效模式不同有关。需要指出的是，在高端油井管产品技术领域，中国和发达国家之间仍然存在一定的差距，应加快高强高韧油井管国产化进程。

2)钢质不够纯净，S、P和有害元素的含量、超标非金属夹杂控制有待改善

S、P含量严重影响钢材的性能，目前国内外S、P含量控制已高出API标准的要求，但仍有较大的提升空间。钢中夹杂物的类型、含量、尺寸、形状、硬度、变形行为和分布对钢的质量会产生明显影响。大尺寸夹杂物由于其较低的发生率通常是很难检测到的，尤其对于体积较大的油井管材料更是如此。大量试验观察表明，在弯曲疲劳中, 夹杂物附近是主要的裂纹萌生源。众多油田现场失效案例表明，构件在循环载荷的作用下，裂纹首先在夹杂物或其他缺陷处萌生，且疲劳失效最有可能发生在最大夹杂物处，因此，研究高强度钢中夹杂物对钢的性能的影响就显得尤为重要。

3)应力腐蚀敏感性高

钻具、油套管的钢级越高，也就是材料的强度和硬度越高。在含硫环境中钻井，发生硫化物应力腐蚀开裂失效的机率也越大。油田现场高强度钻杆因应力腐蚀开裂失效的例子屡见不鲜。为此，研发了抗硫钻杆，但是抗硫钻杆的价格贵，大约是普通钻杆的2倍。其次，抗硫钻杆强度有待提高，目前国内可生产的抗硫钻杆有SS95和SS105，SS120抗硫钻杆还在研发当中。国外的美国格兰特钻杆有限公司研发成功并在油田应用的也只限于SS120钢级的抗硫钻杆。

3 高强度油井管产品的强韧化方法

鉴于高强度钻杆、油套管在生产和制造过程中常常遇到强度与韧性的矛盾，例如在“狗腿”部位高钻杆受到的交变应力的作用，很容易发生断裂或刺穿事故。生产厂家开始尝试开发新的钢种，一方面，通过改变钢的成分来增加强度和韧性。另一方面，通过调整材料成分和热处理工艺来改善材料的强度和韧性。

1)改变钢的成分

基于固溶强化机制，在钢中添加Mn、Si等置换固溶元素，C、N、B等间隙固溶元素；通过进一步降低P、S含量，添加Mo等合金元素以及合理的调制热处理工艺来达到。姜新越等[8]针对V150钢级的研究发现，合金元素的多重析出特性，使得第二相粒子的体积分数随回火温度升高呈现“先升后降”的规律，为优化回火温度、增强析出强化效应、保持钢级、提高冲击韧性提供了优化空间。因此，基于弥散强化或细晶强化机制，可在钢中添加Cr、Nb、Mo、V 、Ti等微合金元素，在材料高温冷却过程中或回火时析出细小碳化物组织，可显著提高基体的强度。一般在微合金化低碳钢中，当碳化物(第二相)的体积分数为0.1%～0.2%时，同时第二相粒子的尺寸为几个纳米时，可使钢的强度提高约200～400 MPa。苏义详等[9]制备了一种100V-Cr-Mo石油套管材料，其中添加的Mo、V元素可以保证钢中的淬透性和阻碍晶粒的长大，对韧性具有较大幅度的提高。因为的碳化物析出所造成的弥散强化弥补了回火软化带来的强度下降，从而使得材料的强度不随着回火时间的延长而下降。

但是碳化物析出带来的弥散强化作用只能部分弥补回火温度升高带来的回火软化，即回火温度对材料强度起着决定性作用。且合金元素添加会带来成本的增加，因此还需通过调整工艺，例如控制回火温度来提高油井管材料的强韧性。

2)调整工艺

目前油井管用超高强度钢热处理工艺一般为淬火+回火处理。基于相变强化、细晶强化和弥散强化机制，淬火温度的选择是在保证完全奥氏体化的情况下尽量降低淬火加热温度以获得细晶粒，再通过回火消除应力并获得回火索氏体，同时保证碳化物弥散析出。回火时析出细小碳化物组织，可显著提高基体的强度。

姜新越等[8]研究表明，钻杆钢的回火温度在625640 ℃之间存在一个拐点温度，在拐点温度以下，在保持V150钢级的基础上，其冲击韧性随回火温度升高而显著升高，冲击功从103 J提高到151 J，超过了英国能源部10%屈服强度数值的要求，可以满足“先漏后破”断裂准则的要求。而在拐点温度之上，材料钢级即强度迅速下降。苏义详等[9]制备了一种100V-Cr-Mo性能优于V150的石油套管材料。采用890～910 ℃淬火+650 ℃高温回火处理，使材料屈服强度达到1 150～1 160 MPa、抗拉强度1 190～1 240 MPa、伸长率18%～23%、冲击功102～132 J(0℃)，100V-Cr-Mo材料的调质处理组织细小、均匀，晶粒度大于9级，为回火索氏体。

4 结 论

论述了高强高韧油井管的品种、在研究和生产中存在的问题和强韧化方法。产品性能波动范围较大，高强度不能匹配高韧性，钢质不够纯净；S、P和有害元素的含量、超标非金属夹杂控制有待改善以及应力腐蚀敏感性高是高强高韧油井管产品面临的主要问题。通过改变材料的成分和调整生产工艺改善油井管的强度和韧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] 李鹤林，韩礼红，张文利.高性能油井管的需求与展望[J].钢管，2009，38(1):1-9.

[3] 李平全，赵映辉，佟 琳.关于超高强度套管夏比冲击功吸收能规定值的讨论[J].钢管，2010，39(5):7-15.

[4] 李鹤林.油井管发展动向及若干热点问题(下)[J].钢管，2006，35(1):1-6.

[5] 李鹤林.油井管发展动向及若干热点问题(上)[J].钢管， 2005，34(6):1-6.

[6] 陈秀丽，韩礼红.高钢级套管韧性指标适用性计算方法研究(上)[J].钢管，2008，37(3)：13-17.

[7] 陈秀丽，韩礼红.高钢级套管韧性指标适用性计算方法研究(下)[J].钢管，2008，37(4):23-27.

[8] 姜新越，胡 峰，庄大明.回火温度对V150钻杆钢的强韧性匹配的影响[J].钢管， 2012，41(5):22-27.

[9] 苏义祥，彭先明.100V-Cr-Mo石油套管材料的组织与性能[J].兰州理工大学学报，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

刘战锋，男，1962年生，教授，1983年毕业于西安交通大学机械制造专业，主要从事深孔加工、机械制造工艺与刀具研究。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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