Invólucro de óleo com alta resistência e tenacidade e método de produção do mesmo

Descrição

Um revestimento de petróleo com alta resistência e tenacidade é um componente crítico nas operações de perfuração de petróleo e gás. Ele foi projetado para suportar altas pressões, materiais abrasivos, e ambientes corrosivos, comumente encontrado em operações de perfuração. O invólucro de óleo geralmente é feito de aço e deve ter propriedades específicas, como alta resistência, dureza, e corrosão resistência.

Método de produção

O método de produção envolve várias etapas, incluindo a seleção de materiais, tratamento térmico, formando, e inspeção.

1. Seleção de materiais

O material de base para o invólucro é geralmente aço carbono ou aço-liga de alta qualidade. O material é selecionado com base nas condições esperadas da operação de perfuração, como a temperatura, pressão, e ambiente corrosivo.

2. Formando

O aço é aquecido a uma temperatura específica e depois transformado em tubos. Isso geralmente é feito por laminação a quente, onde o aço é passado por uma série de rolos que o moldam no formato e tamanho de tubo desejado. Os tubos são então resfriados e endurecidos.

3. Tratamento térmico

Os íons de hidrogênio da reação de corrosão aderem à superfície do aço e penetram no interior do aço como hidrogênios atômicos, os tubos passam por um processo de tratamento térmico. Isso pode incluir têmpera e revenimento, que são usados para aumentar a resistência e tenacidade do aço. A têmpera envolve aquecer o aço até uma temperatura e encontrei o acima e então resfriando rapidamente, enquanto o revenido envolve aquecer o aço a uma temperatura mais baixa e depois resfriá-lo lentamente.

4. Inspeção e teste

Finalmente, os tubos são inspecionados e testados para garantir que atendam aos padrões exigidos. Isso pode incluir inspeções visuais, testes de dureza, e testes ultrassônicos. Se os tubos passarem nesses testes, eles estão então prontos para serem usados como tripas de óleo.

Este é um esboço básico de como as carcaças de óleo de alta resistência e tenacidade são produzidas. Os processos reais podem ser mais complexos e variar dependendo dos requisitos específicos do invólucro.

vantagens

Maior durabilidade: A alta resistência e tenacidade desses invólucros de óleo permitem que eles suportem alta pressão e materiais abrasivos, aumentando sua vida útil e reduzindo a necessidade de substituições.
Segurança aprimorada: Estas propriedades também melhoram a segurança das operações de perfuração, pois reduzem o risco de falha do revestimento, que pode levar a acidentes catastróficos.
Custo-beneficio: Embora o processo de produção possa ser mais complexo e dispendioso, a maior durabilidade e segurança destes invólucros pode levar a poupanças de custos significativas a longo prazo.

Conclusão

A produção de revestimentos de petróleo com alta resistência e tenacidade é um aspecto crítico para garantir operações de perfuração seguras e eficientes. Embora o processo de produção possa ser complexo, os benefícios em termos de durabilidade, segurança, e a economia de custos fazem dele um investimento que vale a pena.

A invenção pertence à área técnica de fabricação de tubos de aço sem costura na indústria metalúrgica, e, em particular, refere-se a um revestimento de óleo com super alta resistência e tenacidade adequado para poços profundos ou poços ultraprofundos e um método de produção do mesmo.

para que a tinta seja absorvida na peça de trabalho Na superfície

Com o aumento da profundidade de perfuração em campos de petróleo e gás, o aumento da temperatura e pressão, o ambiente geológico do revestimento de petróleo usado para cabeças de poço fixas mudou significativamente, e as condições mecânicas utilizadas também mudaram de acordo. A carga de extrusão externa que suporta e as cargas axiais estão ficando cada vez maiores. Carcaças de óleo de alta qualidade, como V125, especificadas pelo padrão American Petroleum Institute, geralmente usam ligas de aço da série Cr-Mo-V. Devido à fundição complexa, processos de laminação e tratamento térmico de tripas de óleo deste tipo de aço, a composição da liga e o processo de fabricação não são apropriados. , fará com que a resistência e a tenacidade do invólucro de óleo diminuam, e não pode suportar a carga de extrusão externa e a carga axial trazida por poços profundos ou ultraprofundos, o que agravará os danos e falhas do invólucro de óleo, e o dano e a falha do revestimento levarão facilmente à falha do poço. Problemas complexos como instabilidade, danos no reservatório, dificuldades de perfuração e cimentação, etc., ameaçar seriamente a segurança das operações nos campos petrolíferos, e até levar a grandes perdas económicas, como acidentes de destruição de poços. Assim sendo, o campo petrolífero apresenta requisitos mais elevados sobre o desempenho do revestimento de petróleo.
Atualmente, o problema a ser resolvido para revestimentos de petróleo para poços profundos ou ultraprofundos é a combinação entre resistência ultra-alta e alta tenacidade. O desempenho do revestimento de óleo de alta resistência e tenacidade não está relacionado apenas à composição do material utilizado, mas também intimamente relacionado ao seu método de fabricação. Como todos sabemos, a resistência ao impacto do aço de ultra-alta resistência depende da pureza do aço, a composição e refinamento da estrutura. Tecnologia de fundição ultrapura é adotada para reduzir o teor de enxofre, elementos de impureza de fósforo e gases em aço de ultra-alta resistência, tanto quanto possível, e reduzir o número de inclusões, para que a resistência ao impacto satisfatória possa ser obtida. Usando um processo de tratamento térmico apropriado, a microestrutura caracterizada por martensita ripada ultrafina como matriz e fase dúctil de austenita dispersa é obtida em aço de ultra-alta resistência, e obtido durante o processo de laminação e endireitamento O tamanho e a qualidade da superfície da carcaça de óleo de alta precisão e a baixa tensão residual são as principais formas técnicas e eficazes de obter uma carcaça de óleo de ultra-alta resistência e tenacidade.

No entanto, os atuais tipos de aço usados em carcaças de petróleo contêm altas impurezas, como enxofre e fósforo, e a estrutura metálica contém inclusões escamosas. O fluxo desigual de metal durante o processo de laminação resulta em propriedades mecânicas inconsistentes nas direções horizontal e vertical. Além disso, no atual método de produção de revestimento de óleo, o meio de têmpera no processo de tratamento térmico é água, que é fácil de causar rachaduras. Ao mesmo tempo, devido ao processo irracional de perfuração e laminação, processo de tratamento térmico e método de alisamento, o melhor A força e resistência do invólucro combinam, e causar tensão residual excessiva, e a precisão da dimensão geométrica do invólucro é baixa, que afeta diretamente a capacidade do produto de resistir ao colapso.
Conteúdo da invenção

O objetivo da invenção é superar as deficiências da técnica anterior e fornecer um revestimento de petróleo com alta resistência e tenacidade que possa atender aos requisitos de poços profundos ou condições de produção paralela ultraprofundas em campos de petróleo..

Outro objetivo da presente invenção é fornecer um método de produção de um invólucro de óleo com alta resistência e tenacidade, que pode atender às condições de produção de poços profundos ou poços ultraprofundos em campos de petróleo.

A presente invenção realiza através do seguinte esquema técnico:
Uma carcaça de óleo com alta resistência e tenacidade, caracterizado por os componentes em percentagem em peso serem: C: 0.22-0.35%, Si: 0.17-0.30%, MN: 0.45-0.60%, CR: 0.80-1.10%, Mo: 0.70-1.10%, ao: 0.015-0.040%, Ni<0.20%, Cu<0.20%, V: 0.070-0.100%, NB<0.050%, como<0.0015%, P<0.010%, S<0.003% , e a balança é de ferro.
O papel dos principais elementos de liga é:
C: 0.22-0.35%. C é um elemento formador de carboneto que pode aumentar a resistência do aço. Se estiver muito baixo, o efeito não é óbvio, e se for muito alto, reduzirá muito a tenacidade do aço.
MN: 0.45-0.60%, Mn é um elemento formador de austenita, que pode melhorar a temperabilidade do aço, aumentar a quantidade de austenita retida no aço, e afetar a uniformidade da estrutura laminada a quente.
CR: 0.80-1.10%. O cromo pode melhorar as propriedades mecânicas, resistência à corrosão e temperabilidade do aço, mas pode aumentar a fragilidade do aço.
V: 0.070-0.100%, pode refinar grãos, formar carbonetos, e melhorar a resistência e tenacidade do aço. Mas quando o conteúdo atinge uma certa quantidade, o aumento em seu efeito não será óbvio. Ao mesmo tempo, porque o preço é alto, a quantidade de uso deve ser limitada.
Mo: 0.70-1.10%, principalmente através do reforço de carboneto e solução sólida para aumentar a resistência do aço, se o conteúdo for muito alto, a tenacidade do aço será reduzida.
NB<0.050 refina principalmente grãos e melhora significativamente a tenacidade do aço de alta resistência.
Ni<0.20 melhora principalmente a resistência e tenacidade do aço, melhora a resistência à corrosão do aço, e reduz a temperatura de transição frágil do aço.
Cu<0.20, o cobre na liga de aço pode melhorar a resistência e a resistência à corrosão atmosférica do aço, muita adição tornará o aço quebradiço, geralmente não mais do que 0.2%.

A fim de garantir uma excelente combinação de resistência e tenacidade, o método de produção do invólucro de óleo da presente invenção compreende as seguintes etapas:
(1) Fundição de ingredientes: Ferro esponja e sucata de aço são usados como matéria-prima para a siderurgia, derretido em aço fundido em um forno elétrico a arco (EFE), e o aço fundido para a fabricação de tripas de petróleo é obtido após o refino fora do forno (SE) e vácuo (DC) desgaseificação A composição por porcentagem em peso é: C: 0.22-0.35%, Si: 0.17-0.30%, MN: 0.45-0.60%, CR: 0.80-1.10%, Mo: 0.70-1.10%, ao: 0.015-0.040%, Ni< 0.20%, Cu<0.20%, V: 0.070-0.100%, NB<0.050%, como<0.0015%, P<0.010%, S<0.003%, e a balança é de ferro.

(2) Fundição e laminação contínua: O aço fundido de alta pureza mencionado acima é continuamente fundido em um tarugo redondo, e o tarugo de lingotamento contínuo resfriado é aquecido em um forno de aquecimento anular. A temperatura do forno de aquecimento de tarugos tubulares é 1300-1320 ° C. , laminação contínua, redução de diâmetro fixo, resfriamento, e serrar; entre eles, a temperatura de centralização do calor é 1260-1270 ° C, a temperatura de perfuração quente é 1240-1250 ° C, a temperatura de laminação contínua é 1070-1120 ° C, e a temperatura fixa de redução do diâmetro é 910-910 °C 930 °C.
Forno circular:
Temperatura de aquecimento do tubo vazio: 1280~1290℃, diferença de temperatura permitida: ±5℃.

Processo de perfuração:

Um perfurador cônico de três rolos é usado para reduzir a tensão de cisalhamento da liga de aço e evitar defeitos como rachaduras, dobrando, e delaminação na superfície do capilar. A taxa de alongamento do piercing é 3.5-4.2, a relação diâmetro-parede é 20-28, a taxa de expansão do diâmetro está abaixo 35%, a velocidade de saída da máquina perfurante está abaixo de 0,9 m/s, e a tolerância do diâmetro da peça bruta do tubo redondo de fundição contínua deve ser ≤±1,4% , Tolerância à ovalidade ≤ 2.5%, para garantir o tamanho geométrico e a precisão da forma do capilar. A temperatura de perfuração é 1240-1250°C.
Processo de laminação contínua:
O objetivo do processo de laminação contínua é reduzir o diâmetro, estender e reduzir a parede do tubo capilar transferido do processo de perfuração, e ao mesmo tempo melhorar a rugosidade das superfícies internas e externas do tubo vazio e melhorar a uniformidade da espessura da parede.
Durante a laminação contínua, a superfície interna do capilar está em contato com o mandril no topo do passe, mas não na parede lateral. O metal no topo do furo é estendido devido à pressão externa do rolo e à pressão do mandril, e se expande na direção circunferencial enquanto se estende axialmente, enquanto o metal na parede lateral do furo também se expande quando o metal no topo do furo se estende. É esticado e correspondentemente encolhe na direção longitudinal. Controle a taxa de redução de cada processo de laminação contínua, de modo que a relação entre a área transversal efetiva do tubo vazio antes e depois da deformação no processo de laminação contínua seja 2.8 Para 6.5, de modo a garantir que a energia de impacto vertical e horizontal do invólucro de óleo tenda a ser consistente. A velocidade máxima de entrada da laminação contínua está dentro de 1,5m/s, a velocidade de saída está dentro de 3,5 m/s, e a razão entre a área da seção transversal do tubo capilar e o tubo branco é de cerca de 3.7. A temperatura de laminação contínua é 1070~1120℃.
Processo de redução de diâmetro fixo:
O processo de dimensionamento e redução é um processo de laminação contínua de corpos ocos. Além do papel de dimensionamento, também requer uma grande taxa de redução, e o número de estandes de trabalho é 24. Primeiro, os tubos de resíduos são aquecidos de 920°C a 1050°C no forno de reaquecimento e depois liberados. Depois de medir a temperatura da superfície na saída da mesa de rolos, um dispositivo de descalcificação com água de alta pressão de 20 MPa é usado para remover os tubos de resíduos da unidade de laminação contínua durante o processo de laminação. Escala, em seguida, laminado em um moinho de dimensionamento e redução. A temperatura de laminação de dimensionamento é 910-930°C, a velocidade de entrada do rolamento de dimensionamento está entre 0,5-1,4 m/s, a velocidade de saída está entre 0,51-7m/s, e a proporção efetiva da área da seção transversal está dentro 1.5.
(3) Tratamento térmico: o processo de tratamento térmico de têmpera e revenimento é adotado para o tubo vazio acima mencionado.
O processo de extinção é o seguinte: aquecendo o invólucro de petróleo a 940° C. a 920° C. e mantê-lo aquecido por 30 minutos para formar totalmente a austenita. O meio de têmpera é um líquido de têmpera oleoso para aumentar a resistência e a dureza do aço.
O processo de têmpera é o seguinte: a temperatura de têmpera é 640° C. a 660°C., preservação de calor para 2 horas, o resfriamento a ar é usado para refinar os grãos de cristal, homogeneizar a estrutura, eliminar o estresse interno, e melhorar a tenacidade do aço.
(4) O tubo de resíduos após o tratamento térmico acima é submetido a tratamento térmico de dimensionamento e endireitamento térmico, e finalmente detecção de falhas para obter o invólucro de petróleo acabado.
A fim de minimizar a tensão residual do invólucro de óleo, reduzir a tensão residual causada pelo dimensionamento, melhorar o tamanho e a precisão da circularidade do invólucro de óleo, e melhorar as propriedades mecânicas do invólucro de óleo, a temperatura de dimensionamento está entre 550 e 600 °C Durante o período, a velocidade de saída de dimensionamento do tubo de esgoto está entre 1.2 e 2,4m/s.
No processo de alisamento térmico, a redução do limite elástico de 1.55 Para 1.75 vezes (a redução do limite elástico é o ponto de partida da deformação plástica da superfície do tubo de aço) e a temperatura de endireitamento apropriada são selecionadas para reduzir a tensão residual gerada pelo processo de endireitamento. Melhore a circularidade e a retidão do invólucro de óleo e melhore o desempenho do invólucro de óleo. A temperatura ideal determinada por cálculo teórico e experimento é de 450-580°C, mas no processo real, por uma questão de segurança, a temperatura de alisamento térmico está entre 500°C-540°C.
A fim de melhorar o desempenho do revestimento de óleo, uma faixa de controle de precisão geométrica rigorosa foi estabelecida. A precisão geométrica do invólucro atende aos seguintes requisitos: o erro de diâmetro é ± 0,8% do tamanho do diâmetro, o erro de espessura da parede é de ± 8% do tamanho da espessura da parede, e a elipse O erro de retilineidade da extremidade do tubo é de ± 0,5%, o erro de retilineidade da extremidade do tubo é de 1,5 mm/m, e o erro de retilineidade do corpo do tubo é 1,0 mm/m.
O invólucro de óleo fabricado pelo método de produção da invenção pode atingir o grau de aço V150. Os indicadores alcançados pelas propriedades mecânicas do invólucro de óleo são os seguintes:
Força de rendimento: 1057~1210MPa
Resistência à tração: ≥1180MPa
Resistência ao impacto: Energia de impacto Charpy longitudinal em escala real ≥ 80J
Energia de impacto Charpy transversal em escala real ≥ 75J
Alongamento: ≥16%
O desempenho geral do invólucro (tome φ244,48×15,11 como exemplo)
Resistência anti-colapso do corpo do tubo: ≥80MPa;
Resistência ao deslizamento: ≥2800KN;
Força de escoamento no tubo: ≥115 MPa;
Estresse residual: ≤200MPa.
Dimensões geométricas do invólucro de óleo;
Faixa de diâmetro: 242.52mm~246,43 mm;
Fora da redondeza: ≤1,2 mm;
espessura da parede: -8.0%t~8,0%t;
Linearidade: extremidade do tubo 1,5 mm/m, corpo do tubo 1,0 mm/m.
A presente invenção tem o seguinte efeito técnico:
1. O óleo tubo de revestimento da presente invenção adota sistema de liga Cr-Ni-Mo-V grau de aço temperado e revenido, que pode obter uma certa quantidade de tenacidade de austenita dispersa na matriz de martensita de ripa ultrafina após a fase de tratamento térmico, melhorar a resistência e a tenacidade do aço para se adaptar para suportar a carga de extrusão externa e a carga axial trazida por poços profundos ou ultraprofundos.
2. No método de produção da presente invenção, através da formulação racional de processos como perfuração e laminação, os grãos de cristal do aço podem ser refinados ao máximo, e defeitos estruturais podem ser evitados.
3. No método de produção da presente invenção, a seleção do processo de tratamento térmico é razoável, e é possível formar uma martensita ripada de ordem submícron como uma matriz, uma partícula de segunda fase em nanoescala como fase de fortalecimento da precipitação e uma certa quantidade de austenita com alta estabilidade. A estrutura composta multifásica da fase tenaz garante excelente combinação de resistência e tenacidade.
4. No método de produção da presente invenção, o processo de alisamento térmico é razoavelmente formulado, o que pode minimizar a tensão residual do invólucro.
5. Uma faixa de controle de precisão geométrica rigorosa foi formulada, o que pode melhorar o desempenho do invólucro de óleo a um custo razoável.
6. O meio de têmpera no processo de tratamento térmico da presente invenção é um líquido de têmpera oleoso, o que pode evitar defeitos como rachaduras na superfície do tubo de aço.
Maneiras detalhadas
A presente invenção será descrita em detalhes abaixo em conjunto com exemplos específicos.
A presente invenção será descrita em detalhes abaixo tomando como exemplo a produção de revestimento de óleo φ244,48×15,11.
Exemplo:
Ferro esponja e sucata de aço são usados como matéria-prima para a siderurgia, e derretido em aço fundido em um forno elétrico a arco. Depois de refinar fora do forno e desgaseificar a vácuo, os componentes do aço fundido para fabricação de invólucros de petróleo são: C: 0.22-0.35%, Si: 0.17-0.30%, MN: 0.45-0.60%, CR: 0.80-1.10%, Mo: 0.70-1.10%, ao: 0.015-0.040%, Ni<0.20%, Cu<0.20%, V: 0.070-0.100%, NB<0.050%, como<0.0015%, P<0.010%, S<0.003%, e a balança é de ferro.
O aço fundido acima é continuamente fundido em um tarugo redondo. Aqueça o tarugo de fundição contínua resfriado no forno de aquecimento de anel, a temperatura do forno de aquecimento de tarugos de tubo é 1310°C, depois disso, centralização, A galvanização pode aumentar a resistência à corrosão do tubo de aço e prolongar a vida útil, laminação contínua, dimensionamento e redução, resfriamento, serrar; entre eles, a centralização do calor é 1265°C , a temperatura de perfuração quente é 1245°C, a temperatura de laminação contínua é 1100°C, e a temperatura fixa de redução do diâmetro é 920°C. É rapidamente resfriado a 450°C pelo método de resfriamento de leito e sopro, e serrar. O processo de tratamento térmico de têmpera e revenimento é adotado para o tubo vazio acima: têmpera a 930°C (líquido de extinção oleoso), têmpera a 645°C. Após dimensionamento térmico a 560°C, alisamento térmico a 520°C, e detecção final de falhas, o invólucro de óleo acabado é obtido.
No processo de perfuração, a taxa de alongamento é 3.7, a taxa de expansão do diâmetro é 28%, e a velocidade de saída da máquina perfurante é de 0,7 m/s. No processo de laminação contínua, a razão entre a área da seção transversal efetiva do tubo estéril antes e depois da deformação por laminação contínua é 4.3, a velocidade de entrada é 1,2 m/s, e a velocidade de saída é 2,9 m/s. No processo de diâmetro fixo e reduzido, a razão da área da seção transversal efetiva é 1.2, a velocidade de entrada é 0,9m/s, e a velocidade de saída é 1,3 m/s. A velocidade de saída de dimensionamento do tubo vazio é de 1,8 m/s. No processo de alisamento térmico, o coeficiente de redução de endireitamento é 1.6 vezes a redução do limite elástico.
As propriedades mecânicas do invólucro de óleo produzido pelo método acima podem atingir os seguintes indicadores:
Força de rendimento: 1109MPa;
Resistência à tração: 1213MPa;
Resistência ao impacto: Energia de impacto Charpy longitudinal em escala real: 121J;
Energia de impacto Charpy horizontal em grande escala: 114J;
Alongamento: 17%.
O desempenho geral do invólucro:
Resistência ao colapso do tubo: 93.1MPa;
Resistência ao deslizamento: 3208KN;
Força de escoamento no tubo: 130.6MPa;
Estresse residual: 162.31MPa.
Dimensões geométricas do invólucro de óleo:
Faixa de diâmetro: 245.90mm~246,20 mm;
Fora da redondeza: ≤0,6 mm;
espessura da parede: -4.5%t~7,0%t;
Linearidade: extremidade do tubo 1,2 mm/m, corpo do tubo 0,9‰.

O revestimento de óleo produzido através do projeto do tipo de aço da invenção e o controle razoável de várias condições de processo podem atender aos requisitos de resistência e tenacidade de poços profundos ou poços ultraprofundos. Controle a deformação do rolamento e o tratamento térmico, obter efeitos como o fortalecimento da precipitação, refinamento de grãos e fortalecimento de transformação de fase, melhorar a resistência e tenacidade do aço, e resolver o problema de rachaduras fáceis no tratamento térmico de tubos de aço sem costura de liga de aço. Usando métodos de processamento de dimensionamento térmico e endireitamento térmico, a baixa tensão residual exigida pelos tubos de aço sem costura é resolvida, e a flexão, deformação elíptica, e a precisão dimensional dos tubos de aço sem costura são controladas.