深井页岩气开采用BT135VRE 套管的研发

张行刚，米永峰，郭志文，魏 淼，裴福莉，贾冬梅，余泽金

（内蒙古包钢钢联股份有限公司，内蒙古 包头 014010）

与常规天然气相比，页岩气具有单井产量低、开采寿命长、生产周期长、产量稳定的特点［1-9］。页岩气开采井多为大斜度井和水平井，特别是在完井期间水平井需要对20 段左右的井段分别进行射孔和储层改造，同时套管在下井过程中受到反复的拉伸、压缩的交变载荷，众多因素使管体承受的非均匀载荷超出套管所能承受的最大非均匀载荷，引起套管整体结构失稳，从而发生点变形。为了满足页岩气开采要求，需研发出超高强度、高韧性油套管，要求其具有优良的综合性能，如高的抗拉强度及连接强度、优异的抗挤毁性能及良好的密封性能，而核心要求是套管在拥有超高强度的同时还具有良好的韧性［10-13］。某公司开发了一种深井页岩气开采用BT135VRE 套管，现介绍其开发情况。

1 钢种成分设计

1.1 钢种成分设计依据

与普通套管的C-Mn 系低合金设计相比，Cr-Mo 系设计可提高钢的淬透深度和组织均匀性，从而提高其硬化指数，并保证管体性能的均匀稳定；此外还可提高钢的回火温度，降低管体的残余应力。高强度高韧性套管要求具有良好的强韧性匹配，即在保证高强度的同时还要保证其有高的韧性，特别是保证横向冲击韧性高，使得材料具有良好的止裂性能。采用Cr-Mo-V 系中碳钢，尽量降低P、S 和残余元素Sn、As、Pb、Sb、Bi 及气体［H］、［O］、［N］形成的有害夹杂对材料韧性的影响。P、S 是弱化晶界的脆化元素，残余元素会使钢材产生红脆、表面裂纹和回火脆性倾向，而气体易引发钢材出现裂纹，因此要净化钢质，尽量控制上述元素及气体的含量。RE 元素有微合金固溶强化的作用，能够净化钢液，改善非金属夹杂物的形态，减少点腐蚀和强化晶界等作用，从而提高钢材的冲击韧性和抗硫化氢腐蚀性能，但RE 含量过高会形成大的夹杂物团絮，因此RE 元素的含量应适量。

1.2 钢种成分设计目标

基于钢种成分设计依据，采用C-Mn-Cr-Mo-V-Ce 钢系［1］，设计钢种为BT135VRE，化学成分要求见表1。

表1 BT135VRE 套管的化学成分（质量分数）要求 %

2 工业试制

BT135VRE 套管的试制工艺流程为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→精炼→真空处理→圆坯连铸→定尺切割→堆垛缓冷→管坯加热→锥形辊穿孔机穿孔→连轧管机轧管→定（减）径→冷床冷却→定尺锯切→调质处理→矫直→无损探伤→水压试验→通径检测→螺纹加工→包装入库。

3 试制结果及分析

试制的页岩气用BT135VRE 套管的规格分别为Φ141.0 mm×13.50 mm 管体和Φ161.0 mm×25.00 mm 接箍。采用Φ200 mm 合格坯料在Φ159 mm PQF 连轧管机组进行轧制，热处理采用调质工艺（淬火温度为890～920 ℃，水淬，回火温度为650～680 ℃，采用合适的保温时间），最后加工成特殊螺纹成品套管。先检验产品的各项力学性能，同时按照API RP 5C5—2017《套管和油管接头评价程序推荐作法》CAL IV 级试验要求进行5 种极限公差样品的上/卸扣试验，以及螺纹抗黏结试验、过扭矩试验、极限内压/外压试验等。

3.1 常规力学性能

BT135VRE 套管管体的拉伸性能检验结果见表2，冲击韧性检测结果如图1 所示。其中，Φ141.0 mm×13.50 mm 管体的冲击试样为横向半尺寸试样，Φ161.0 mm×25.00 mm 接箍的冲击试样为横向全尺寸试样，试验温度都为0 ℃。

表2 BT135VRE 套管管体的拉伸性能检验结果

图1 BT135VRE 套管的冲击韧性检测结果

从表1 可以看出，试制的BT135VRE 套管管体和接箍的拉伸性能满足设计产品要求，接箍比管体的拉伸强度稍高，这更有利于提高螺纹连接强度；拉伸强度在70 MPa 以内波动，说明材料成分控制均匀，热处理炉炉温控制精准，保证了全管体轴向和径向上性能的波动范围小；断后伸长率在20%以上，说明该材料的延展性较好。从图1 可以看出，按照API Spec 5CT—2018《套管和油管规范》冲击小尺寸试样折算原则（半尺寸试样折算系数为0.55），全尺寸试样冲击值100 J 折算成半尺寸试样为55 J，80 J 折算成半尺寸试样为44 J，BT135VRE管体和接箍冲击韧性都良好，管体0 ℃横向冲击功（半尺寸试样）≥55 J 和接箍0 ℃横向冲击功（全尺寸试样）≥100 J 所占比例均达到了80%以上，管体冲击功不低于44 J，接箍冲击功不低于80 J，剪切面积百分比都为100%，说明该材料具有良好的止裂性能。

3.2 金相组织

高钢级管材对非金属类夹杂物异常敏感，实现高强度无缝钢管的高韧性特别是保证横向冲击韧性，关键在于减少非金属夹杂物数量、变性夹杂物形态、细化夹杂粒度。因此在冶炼过程中，通过采用洁净钢冶炼技术，并辅以RE 元素的净化钢液和改善夹杂物形态的作用，从而控制钢液中气体、有害元素的含量以及非金属夹杂物的水平。检测试制的页岩气用BT135VRE 套管的非金属夹杂物，发现球状氧化物类夹杂物（D 类）细系为1.0 级、粗系为0.5 级，单颗粒球状夹杂物（DS 类）为0.5 级，其余都为0，这说明夹杂物控制良好。

BT135VRE 套管的晶粒度及金相组织如图2 所示。图2（a）～（b）所示为通过苦味酸显示的热处理态管体和接箍的原始奥氏体晶粒度，管体晶粒度为10.5 级，接箍晶粒度为10 级；管体晶粒度比接箍稍细，但总体相差不大，这与管体横向冲击韧性比接箍横向冲击韧性高相对应。这是因为钢管规格小、壁厚薄，轧制过程中温度下降快，终轧温度低，而同样坯型轧制管体料要比接箍料压缩比大得多，在多道次轧制过程中的压下量大，这有可能使钢管发生多次动态再结晶，从而细化组织。从图2（c）～（d）可以看出，管体与接箍的组织都为典型的回火索氏体，细小的碳化物弥散地分布在基体上，没有异常组织。

图2 BT135VRE 套管的晶粒度及金相组织

BT135VRE 是中碳Cr-Mo-V 系钢，高温回火时会析出大量合金碳化物。用扫描电镜分析管体和接箍，结果如图3 所示。从图3 可以看出，析出物中含有合金Cr 元素，这些析出相弥散地分布在基体中，在高温回火时可以阻碍晶界的移动，保持亚结构的稳定，起到钉扎晶界的作用，保证材料在高温回火后具有较高强度及高韧性［14-15］。

图3 BT135VRE 套管的扫描电镜分析结果

3.3 高温拉伸性能

从地表开始，每下降100 m 温度升高约3 ℃，如果设计井深为7 000 m，最低温度约为235 ℃。根据SY/T 6268—2017《套管和油管选用推荐方法》，材料在150 ℃时的屈服强度应不低于室温条件下的91%，200 ℃时的屈服强度应不低于室温条件下的90%。BT135VRE 套管的高温拉伸性能见表3。从表3 可以看出，BT135VRE 套管的高温拉伸性能优异；与室温时相比，管材在200 ℃时的屈服强度下降约9%，满足SY/T 6268—2017 要求。

表3 BT135VRE 套管的高温拉伸性能

3.4 实物抗挤毁性能评价

对于高钢级套管，由于其地质条件复杂、下井深度深，因此其不仅要具有高的强度和韧性，还要具有良好的抗挤毁性能。通过控制BT135VRE 套管的外径椭圆度、壁厚不均度、残余应力等，保证了材料的抗挤毁性能。进行BT135VRE 套管外压至失效试验，3 个试样的压溃值分别为191.7 MPa，196.8 MPa，193.9 MPa，都比API Bull 5C2—1999《套管、油管和钻杆使用性能》推荐值（142.5 MPa）高36.30%以上，达到设计要求。

3.5 全尺寸实物性能评价

试制的BT135VRE 套管的直度、圆度等精度高，满足特殊螺纹加工要求。成品套管在中国石油集团石油管工程技术研究院按照API RP 5C5—2017 标准CAL IV 级试验要求，进行5 种极限公差样品的上/卸扣试验，以及螺纹抗黏结试验、过扭矩试验、极限内压/外压试验等。依据API RP 5C5—2017 标准对试制的特殊螺纹接头试样进行了3 次上扣2 次下扣试验，螺纹及密封面均未发生螺纹黏结现象。设计的高性能气密封BJC-II 特殊螺纹极限公差试样均通过了A 系（拉伸/压缩+内压/外压+180 ℃温度）试验，80%VME 等效应力常温B系、95%VME 等效应力常温B 系、90%VME 等效应力高温（180 ℃）B 系（拉伸/压缩+内压+弯曲）试验，95%VME 等效应力常温和90%VME 等效应力高温（180 ℃）C 系（拉伸+内压）试验，都未发生结构失效及密封泄漏现象。高性能气密封特殊螺纹的BT135VRE 套管的CAL IV 级试验结果如图4 所示。

图4 高性能气密封特殊螺纹的BT135VRE 套管的CAL IV 级试验结果

4 结语

基于中碳Cr-Mo-V 系合金化技术辅以RE 元素，通过洁净钢冶炼和借助PQF 连轧管机的工艺优势，制备出非金属夹杂物级别低、组织均匀、尺寸精度高、力学性能优异的页岩气用BT135VRE 套管，成品套管通过了API RP 5C5—2017 标准CAL IV 级试验。2020 年BT135VRE 成品套管已在西南页岩气某区块顺利完成了下井试验。