[发明专利]一种含Mn13～19%的合金管材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油天然气工业实体膨胀管用含Mn13～19％的合金管材及其制备方法。 

背景技术

实体膨胀套管SET(Solid Expandable Tubular)技术是以实现“节省”井眼尺寸为目的，在井眼中将套管柱径向膨胀至所要求的直径尺寸的一种钻井、完井和修井新技术。应用该技术可以使得下入的套管层数增加，给深井、复杂地质条件的钻井和井身结构带来“革命性”的影响和重大技术经济效益。它可以将井眼变“瘦”显著降级开发成本。它将“单一井径”成为可能。 

实体膨胀套管技术目前由少数几个公司所垄断，主要包括威德福公司、贝克石油工具公司、TIW公司、亿万奇公司、哈里伯顿公司等，其中应用该技术最成熟的是亿万奇公司。许多关键技术，如：实体膨胀管用钢、膨胀套管连接技术、作业工具以及其他配套技术等属于商业保密，将该技术引进国内成本较高。实体膨胀管用钢是影响实体膨胀套管技术推广应用的几个关键技术之一。 

为了保证膨胀施工的顺利实施，膨胀管应具有优良的膨胀性能并且要求材料在膨胀之后仍具有良好的塑性和强度。传统的铁素体珠光体材料在发生一定量的冷变形之后，塑性会显著降低，使用不安全性较大。为了保证膨胀施工的顺利实施，可膨胀管应具有较低的屈服强度、低屈 强比、优良的塑性(特别是均匀塑性变形能力)、较大的形变强化性能以保证经过较大的膨胀变形过程中变形均匀、不发生开裂等良好的膨胀性能并且要求材料在膨胀之后具有高的强度和良好的塑性。 

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低屈服强度、高均匀延伸率、高塑性、高抗拉强度特性的含Mn13～19％的合金管材及其制备方法，用该合金管材制备实体膨胀管，使制得的膨胀管在膨胀扩径过程中具有良好的膨胀性能，优良的均匀变形能力，同时保证扩径后管体兼备高的强度和足够的塑性。 

本发明所述的一种含Mn13～19％的合金管材及其制备方法，如下： 

(1)按质量百分比由如下成分组成： 

C：0.01～0.3％、Mn：13～19％、Si：1～5％、Al：0～5％、P≤0.015％、S≤0.01％，N≤0.008％，余量为Fe；或在以上成分基础上再添加Cr：1～6％；Cu：0.1～0.5％；Nb：0.01～0.15％、Ti：0.01～0.1％、V：0.01～0.15％中的一种或两种以上的合金元素。 

(2)将上述材料在真空条件下熔炼铸造，铸锭在1200℃进行3～4小时的均匀化退火，以改善合金元素的偏析，钢锭经热轧或冷轧后制成钢板；通过直缝电阻焊制管或热轧制成无缝管管坯。 

(3)经(2)工艺所得管坯经1000～1150℃固溶处理后得到完全奥氏体组织，随后在150～450℃条件下进行200～800s的时效处理，获得组织性能更加稳定的可膨胀管材。 

本发明主要是利用了相变诱发塑性(Transformation Induced Plasticity)机制来提高材料的强度和塑性。TRIP效应常出现于奥氏体合金中。发生TRIP效应的奥氏体钢的均匀延伸率超过30％，抗拉强度超过900MPa， 这是一般的铁素体珠光体合金或马氏体合金所无法比拟的。根据可膨胀管的工作特点，本发明合金具有高均匀延伸率、高塑性、低屈服强度、低屈强比，高加工硬化能力等特点：总延伸率≥45％，均匀延伸率≥30％，屈服强度350～500MPa，抗拉强度900～1100MPa，屈强比(屈服强度与抗拉强度之比)0.48～0.58。低的屈服强度保证了膨胀过程的平稳启动，高的均匀延伸率保证了膨胀管在膨胀过程中具有良好的膨胀性能，高的加工硬化能力保证了膨胀管有着良好的均匀变形能力并且保证了膨胀施工完成之后管体强度大幅度增加。该材料在经过20～30％的塑性变形后，总延伸率≥20％，均匀延伸率≥15％，屈服强度达到710～850MPa，抗拉强度达到900～1100MPa，屈强比0.65～0.88。管体力学性能达到API标准对95ksi～120ksi钢级套管力学性能的要求。