[发明专利]一种高耐油气田采出水腐蚀的大膨胀率膨胀管用双相钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及到现代工业领域中需要在水基介质中工作的高耐腐蚀的大膨胀率膨胀管用双相钢及其制备方法，特别是涉及石油天然气工业中到复杂钻井和等井径井大膨胀率可膨胀管和六级分支井分叉装置膨胀系统用高耐腐蚀的大膨胀率膨胀管用双相钢及其制备方法。 

背景技术

膨胀管技术是一项前景非常广阔的石油钻采技术，为钻井、固井、修井等工程领域提供了新的解决途径。在钻井、完井或修井作业中，利用机械压力或液压将膨胀工具沿轴向在套管内部运动，用冷加工的方式使整根套管沿径向膨胀变形，从而达到节省套管与套管之间环形空间、扩大钻井直径的目的。目前，国内外膨胀管专用钢材的研发尚处于初期阶段，尚无法满足膨胀管技术的要求，国内的可膨胀管用钢研究目前主要集中在高成本的高合金含量的相变诱发塑性钢和双相不锈钢中。因此开发低成本大膨胀率膨胀管用钢仍然是发展膨胀管技术的关键问题之一。 

对于可膨胀管用钢，考虑到膨胀管的膨胀过程实质上是金属材料在井下温度场(50～350℃)中的塑性变形过程，因此对膨胀管用钢的性能要求主要有以下几个方面： 

(1)膨胀管井下膨胀时的膨胀驱动力应该不大于现有的钻机可提供的动力； 

(2)膨胀管井下膨胀后的性能，包括：锚定悬挂强度、钢管的抗拉强度、屈服强度以及延伸率等其它力学性能指标仍能够达到API5CT中对于石油套管钢材的性能要求； 

(3)膨胀管应具有较低的Bauschinger效应以满足套管膨胀后仍具有较高的抗挤毁强度； 

(4)膨胀管用钢管应具有壁厚均度和较小的椭圆度，以满足膨胀管均匀膨胀的膨胀极限和锚定要求； 

(5)膨胀管用钢，应具有较高的抗油田采出水腐蚀能力，在酸性环境中还要求具有较强的抗CO2腐蚀、H2S腐蚀和H2S/CO2腐蚀的能力。 

这就要求可膨胀管用钢应具有以下特点： 

(1)应该具有较低的屈服强度、较低的屈强比、较高的抗拉强度、良好的塑性； 

(2)应该具有较高的均匀变形能力和加工硬化性能，较高的应变硬化指数n值，较好的 应变硬化系数K值、高且稳定的应变速率指数m值和较高的钢管厚向异性指数r值，同时还有优良的微观均匀变形能力Λ以及较强的综合变形能力F，以满足膨胀管材料膨胀过程的均匀性膨胀和需要的膨胀后的高力学性能要求。 

(3)膨胀管用钢的包申格效应： 

包申格效应是指金属材料预先加载产生一定量的塑性变形后卸载，再同向产生塑性变形时，屈服强度升高；反向产生塑性变形时，屈服强度降低的一种物理现象。由于膨胀管技术要求膨胀后的套管保持高的抗挤毁强度，套管的抗挤毁强度是与套管钢材的屈服强度密切相关的。因此，膨胀管专用钢材的包申格效应应该尽量的小，以保证膨胀后的套管的抗挤毁强度不会因为膨胀变形而降低。 

(4)膨胀管钢管膨胀后的径向回弹率： 

膨胀套管膨胀后的径向回弹是影响膨胀后套管的正常使用的重要因素。因此控制膨胀后的回弹率的高低也是影响膨胀管膨胀用钢的关键问题之一。膨胀后的回弹率的高低也是影响膨胀管膨胀用钢的关键问题之一。 

铁素体马氏体双相钢是上世纪七十年代以来发展起来的一种以Mn、Si为主要合金元素的低合金高强度钢，其显微组织是由软相的铁素体基体和散布于基体中的硬相马氏体组成。该组织的形成是通过两相区淬火后形成，并且可以通过不同的两相区淬火温度的调节改变铁素体与马氏体两相比例来调节钢材的力学性能。铁素体马氏体双相钢具有较优良的强度、延性与成型性。但是，铁素体马氏体双相钢是以Mn、Si为主要的合金化元素的具有双相组织的钢材，在油田采出液环境中抗腐蚀性能很差，对于石油天然气工业中长期受到油气层采出水侵蚀的环境的可膨胀管用钢，就存在很大的技术隐患。