钢铁材料与石油天然气开发及井下.pptx

1、钢铁材料与石油天然气开发及井下工具用钢,李春福 西南石油大学 油气藏地质与开发工程国家重点实验室,目录,0预备知识 1、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料 2、石油天然气与钢铁材料-石油天然气用钢 3、先进钢铁材料 4、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景 5、石油钻采工具与设计选材,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,0、预备知识,一、钢

2、铁材料基础知识与现代钢铁材料,1.1钢铁材料基础知识 钢铁材料通常是指铁碳合金， 按含碳量的大小分类：含碳量(质量分数)大于2的为生铁；含碳量(质量分数)小于2的为钢。含碳量(质量分数)小于004的为工业纯铁。 按化学成分可将生铁分为：普通生铁和特种生铁（包括天然合金生铁和铁合金） 生铁 按用途可将生铁分为：炼钢用生铁和铸造用生铁； 碳的含量超过2%（一般是2.53.5）的铁碳合金称为铸铁。铸铁一般用铸造生铁经冲天炉等设备重熔，用于浇注机械零件。 按断口颜色一般可以把铸铁分为：灰铸铁、白口铸铁和麻口铸铁。 按化学成分一般可以把铸铁分为：普通铸铁和合金铸铁。 按生产工艺和组织性能可以把铸铁分为：

3、普通灰铸铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和特殊性能铸铁。,一、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料,1.1钢铁材料基础知识 钢的定义：钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.06%之间的铁碳合金的统称。 钢的化学成分可以有很大变化，只含碳元素的钢称为碳素钢（碳钢）；在实际生产中，钢往往根据用途的不同含有不同的合金元素，比如：锰、镍、钒等等，称为合金钢。 钢的分类: 化学成分分类-碳素钢，合金钢，微合金钢、低合金钢（合金含量小于5%），中合金钢（5-10%），高合金钢（大于10%）；Cr钢，Mn钢等，纯净钢，超级纯净钢等 用途分类：建筑用钢，结构钢、工具钢（碳素工具钢，合金工具钢，高速工具钢），轴

4、承钢，模具钢（冷作和热作模具钢）不锈钢（F/A/M/A+M双相不锈钢）超纯不锈钢等 按照晶粒尺度分类，常规晶粒（GB）、细晶粒钢和超细晶粒钢 按照制备及使用方式，热轧钢冷轧钢，相变诱发塑性钢TRIP钢、TWIP孪生诱发塑性钢以及易切削钢等钢,一、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料,钢的冶炼与轧制 冶炼与精炼（二次精炼、特种冶炼包括真空、重熔、离子轰击，VOD等） 钢的成型与控制：热轧与冷轧，热挤压与冷挤压，控制轧制控制冷却，TMCP热机械处理(Thermo-Mechanical Control Process)等 钢的常规化学和表面热处理： 热处理定义：将钢材加热到高温临界点以上使其奥氏体化后，然

5、后冷却的工艺过程 钢的退火：将钢材加热到高温临界点以上使其奥氏体化后，然后通过炉冷或者缓慢冷却的工艺过程 正火：将钢材加热到高温临界点以上使其奥氏体化后，然后在空气中冷却的工艺过程 淬火和回火：将钢材加热到高温临界点以上使其奥氏体化后，然后快速冷却的工艺过程较淬火，淬火后在加热到一定温度，是淬火后的钢材脆性降低的工艺过程（包括低温中温高温回火）,一、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料,钢的调质： 淬火加上高温回火得到强韧配合良好的索氏体组织的工艺方法被称为调质，的这是机械设计工程师中最常用的工艺方法名词，实际上是现代机械设计局限性的误区 钢的强韧化处理 （包括细晶超细晶处理，控轧控冷CC、热机械处

6、理TMCP） 钢的化学热处理： 包括渗碳、渗氮、渗铬、渗硼、渗铝、碳氮共渗、多元素复合渗等 钢的表面热处理包括： 1）感应加热表面处理，包括：高频、中频、工频 2）电化学脉冲表面处理 3） 激光表面处理 4）热喷涂表面处理（火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂） 5）表面滚压处理 6）发黑与磷化,一、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料,钢的基本组织： 铁的两种晶体结构：铁与铁 铁体心立方铁（铁的低温晶体结构溶碳量很低，7270.0218%） 铁-面心立方铁（铁的高温晶体结构） 铁素体，Ferrite，碳在铁体心立方铁中的固溶体,包括岛状、针状 渗碳体，铁与碳元素的化合物，Fe3C 奥氏体，Au

7、stenite，碳在铁面心立方铁中的固溶体 珠光体，Pearlite，铁素体与渗碳体的复相物，衍生组织细珠光体也叫索氏体，及细珠光体也叫屈氏体火托氏体 马氏体，Martensite，钢材淬火后的硬化组织，是碳在铁中的过饱和固溶体，包括低碳马氏体和高碳马氏体，也叫板条状马氏体和针状马氏体 回火马氏体，Tempered martensite： 现代先进钢铁材料,二、石油天然气与钢铁材料-石油天然气用钢,1钢铁材料在石油天然气开发中的重要地位 在是由天然气开发中铁材料是占据主导地位的结构材料，是石油天然气工业发展的物质基础 2、石油天然气用钢 石油天然气勘探、开发、储运过程中所应用的机械装备、工具、

8、管道用钢材的总称可分为 石油天然气装备用钢包括钻探钻井采油采气用的装备，如：钻机、抽油机、各种泵类，井口装置及储油罐体等 石油天然气管线用钢 包括钻井管柱中的钻杆、钻铤，完井管柱、输运管道等 石油天然气钻采工具用钢 包括钻井工具，完井工具以及修井工具等,二、石油天然气与钢铁材料-石油天然气用钢,石油天然气工业的发展对钢材提出了更高的要求 随着现代科学技术的发展，近年来，国内外石油天然气的需求极大地促进了我国石油天然气的科技的进步，包括油气勘探理论，钻井完井工艺技术以及开下测试技术等 钻探：从深井( 超过4 000 m) 、超深井( 超过6 000 m) 的钻探成功并找到高产油气资源，以及特深井

9、( 超过9 000 m) 钻探， 钻井、建井、完井和修井新技术新工艺的产生如套管钻井、可膨胀管技术、连续油管技术等 复杂油气藏与高含酸性气体油气田开发，高含二氧化碳油气田，高含硫化氢油气田等 页岩气、煤层气、可燃冰的开发等 都对钻采装备、配套工具和工艺技术都提出了更高的要求。 这对石油天然气用钢提出了更高的要求，原有的钢材那与满足新的更高的要求 石油天燃气用钢,三、先进钢铁材料,石油天然气钻探开发以及石油装备、配套工的进步，在很大程度上依赖钢铁等金属材料的发展。 在最近20 年中，钢铁等金属材料领域的科学与工艺技术也得到长足的进步，从20 世纪后期的微合金化非调质钢、无间隙原子钢和双相钢的诞生

10、与应用，到20 世纪末21 世纪初通过热机械控制工艺获得超细晶粒钢以及相变诱发塑性钢( TRIP) 、孪生诱发塑性钢( TWIP) 等先进高强度钢概念的推出 到2009 年我国开展的高性能钢的M3 组织调控理论与技术研究，对当代科学技术及各工业部门的技术进步、节能减排都起到巨大的作用。 以汽车工业为例，近年来汽车工业在节能、安全和轻量化方面，为钢材的选用和新钢铁材料的开发开辟了一条现代高科技之路。 先进的汽车用钢，新一代汽车用钢铁材料的理念提出，为汽车工业的发展注入了强大的生命力,三、先进钢铁材料,石油天然气工业在现代新的先进钢铁材料应用上虽然取得了一定的进展，如在抽油杆上使用非调质钢，石油天

11、然气输送管道用钢中引入针状铁素体管线钢概念等。 但总体上说，在针对石油天然气工业提出的新理念、新要求，从材料学科的角度缺乏相应的研究，从推广应用的角度缺乏总体要求与规划。以至于在石油天然气领域，从钻采装备的设计思想到材料的选用大多延续着20 世纪中后期的观念。 作为钢铁与金属材料重要的应用领域石油天然气工业，应该在石油天然气工业中建立与当前先进的钢铁与金属材料相适应的先进石油天然气用钢的概念; 在石油天然气工业推广应用已经在其他领域中成功应用的先进钢铁材料; 结合石油天然气领域中的特殊需求设计开发新的石油天然气用钢，以解决新世纪石油天然气安全高效开发，包括深井、超深井、特深井钻探; 高含H2S

12、 和CO2的酸性油气田以及复杂油气藏开发; 提高采收率等新技术中遇到的种种难题。降低开发成本，提高经济效益，同时达到节能减排，保护环境的目的。,三、先进钢铁材料,新一代钢铁材料 新一代钢铁材料是指充分利用人类100 多年来在物理冶金、化学冶金和力学冶金上的研究成果，使钢铁材料的合金化作用和生产工艺技术进步相结合，发展的新一代钢铁材料产品并进行的基础理论研究。 其主要特征为: 在充分考虑经济性的条件下，使钢材具有高洁净度( 钢中的杂质元素S、P、O、N、H 的总质量分数小于8. 0 10 5 ) 、超细晶粒( 钢的晶粒尺寸在0. 1 10. 0 m 之间) 、高均匀度( 钢的化学成分、组织和性能

13、均匀) 的特征，强度、使用寿命比常用钢材提高1 倍。 并在钢的化学成分-制备工艺-组织结构-性能的关系中，重点强调组织的主导地位，即其超细微组织表现出的优异的综合性能。新一代钢铁材料的基础理论研究表现在2 个方面: 超细晶粒理论和实现方法的研究; M3 组织调控理论及工艺技术的研究。 多相（Multi-phase）、亚稳（Meta-stable）、多尺度（Multi-scale）（简称M3）,三、先进钢铁材料,国家重点基础研究发展计划（973计划）高性能钢的组织调控理论与技术基础研究项目 研究目标和内容。 该项目以提高钢的服役安全性为目标,研究提高钢的性能之组织调控理论和技术。 研究内容包括了

14、温度和应力作用下的亚稳奥氏体相变机制、 相变过程中碳扩散、 相变组织多尺度特征、 相变组织在温度-应力-腐蚀作用下的稳定性 获得高洁净度和高均匀度钢坯的化学冶金学和凝固技术基础。 建立以多相（Multi-phase）、亚稳（Meta-stable）、多尺度（Multi-scale）（简称M3）为特征的组织调控理论, 形成以第3代低合金钢、第3代汽车用钢和第3代马氏体耐热钢为代表的高性能原型钢技术,为大幅度提高建筑设施、汽车、能源装备的服役安全性奠定钢铁材料技术基础。,三、先进钢铁材料,近几十年的新型钢铁材料的发展及应用近年来，超细晶粒钢、先进高强度钢，包括无间隙原子钢( IF) 、双相钢( D

15、P) 、相变诱发塑性钢 TRIP) 、孪生诱发塑性钢( TWIP) 、复相钢( CP) 、马氏体钢( MART) 、低碳铝镇静钢( Mild) 、高强度IF钢( HSSIF) 、烘烤硬化钢( BH) 、各向同性钢( IS) 、碳猛钢( CMn) 、高强度低合金钢( HSLA)、不锈钢( Stainless) 和热冲压用钢( Bsteel)等( 见图1) 已经成为汽车等高技术领域中应用研究的热点。 这类钢材具有良好的强塑性配合，是当代节能减排，降低制造业成本和能源消耗的重要基础材料。,三、先进钢铁材料,超细晶粒钢 自近代液态钢铁冶金生产至今，大量生产和使用的碳结钢( 约占钢产量70%) 的屈服强

16、度一直为200 MPa 级。人们从完整晶体铁的理想强度研究结果出发( S. S. Brenner 给出纯铁 111 方向的实测抗拉强度为13. 1 GPa) ，认为钢的强度仍有很大的提高空间，尽管以往所用的钢均是采用金属缺陷强化原理生产的。应该说，在人类使用钢材的一百多年的时间里，人们对钢中的强化机理( 固溶强化、析出强化、位错强化和细晶强化等) 已有了深刻的认识，但是，在通过合金化和工艺控制可以很好地获得所需要的性能这个问题上仍然有许多不明了之处。能否经济地提高其强度、减少钢材使用量，一直是国际上重点关注的问题。 在实现钢铁材料强度翻番的材料科学方法上，晶粒细化是最有效可行的方法。根据钢材的

17、屈服强度与晶粒尺度关系的Hall-Petch 公式: s = 0 +kd 1 /2， 多晶体的屈服强度s与晶粒平均直径直接相关。 因此，细化晶粒是强化钢铁材料的重要手段之一。,三、先进钢铁材料,如果将铁素体晶粒从工业生产的20 m 左右细化到微米级( 5 m ) ， 碳结钢的屈服强度可以从200 MPa 提高到400 MPa; 将微合金化钢的晶粒从工业生产的十几个微米细化到2m 左右， 屈服强度可以由400 MPa 提高到700 MPa。 超细晶粒钢的获得方法， 在过去的数十年间最重要的钢铁技术进展之一 是控轧控冷细化微合金钢组织的技术， 即所谓热机械控制工艺的工业方法。 这种方法是在热轧过程

18、中控制三个因素 即加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制的基础上， 再实施空冷或控制冷却的技术总称。 1998-2003的国家973项目完成，并在全国实施使得50%产量的我国的低合金钢板的屈服强度提高了一倍。,三、先进钢铁材料,非调质钢 非调质钢也称为微合金非调质钢，是一种将轧制( 或锻造) 与热处理结合为一体，省去热处理调质( 淬火+ 高温回火) 工序的新型节能结构材料。 它是伴随国际上能源短缺而发展起来的一种高效节能钢，其性价比远优于传统合金结构钢，可广泛用于装备制造业。 自1972 年联邦德国的蒂森( Thyssen) 特殊钢公司推出第1 个非调质钢钢种49MnVS3 以来，由于非调质钢具

19、有节约能源、简化生产工艺和降低成本等诸多优点，在世界各国得到迅速发展。 大量的非调质钢钢号不断涌现，尤其是国际上处于节能减排的今天，非调质钢的推广应用更是具有重大的经济效益和社会效益。 在井口装置上的应用（后述）,三、先进钢铁材料,双相钢 双相钢是由马氏体或奥氏体与铁素体基体两相组织构成的钢。 双相钢是低碳钢或低合金高强度钢或不锈钢经过两相区热处理或控轧控冷而得到的， 双相钢在纯净的铁素体晶内或晶界弥散分布着奥氏体或马氏体相，因此其强度与韧性得到很好协调。 双相钢的强韧性能主要由两相的相对比例决定，其力学性能特点为拉伸应力-应变曲线呈光滑的拱形，无屈服点延伸，且具有高的加工硬化率，尤其是初始加

20、工硬化速率; 具有低的屈服强度和高的抗拉强度，成形后构件具有高的压溃抗力、抗撞击吸收能和高的疲劳强度以及大且均匀的伸长率。 目前，第3 代双相钢的ReH达400 550 MPa ( 为普通不锈钢的2 倍) ，因此可以节约用材，降低设备制造成本。 在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣( 如海水，氯离子含量较高) 的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高合金奥氏体不锈钢媲美,三、先进钢铁材料,相变诱发塑性钢 在低碳钢中，加入一定量的合金元素Si、Mn等，通过相应工艺获得相变诱发效应，实现高的强塑性水平，这种钢称为相变诱发塑性钢，简称TRIP

21、 钢。 所谓相变诱发塑性是指钢材在深加工变形过程中随着变形的产生诱发钢中残余奥氏体向马氏体转变而产生逐渐硬化，使得变形不再集中于局部，而是扩散至钢材整体达到均匀的这一现象，简称TRIP 效应。 TRIP 钢是由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成的三相组织。在加工变形过程中，当变形累积至临界变形时，随着变形程度的继续增加，残余奥氏体逐渐转变为马氏体，直到这一转变全部完成。此时，TRIP 钢达到最强的相变强化效果。 TRIP 钢性能的变化范围如下。 ReH: 340 860 MPa， Rm: 610 1 080 MPa， 伸长率: 22% 37%。,三、先进钢铁材料,孪生诱发塑性钢 Grassel 等

22、1997 年在研究Fe-Mn-Si-Al 系TRIP 钢时发现的，这种钢的化学成分是: W ( C) 为0. 03% 1. 5%，W ( Mn) 为15% 35%，Al 小于3%，Si 小于3%，另外还可以根据使用环境要求添加各种合金元素。 这类钢的Rm为600 1 900 MPa，拉伸时无缩颈，伸长率可高达30% 95%，强塑积在50 000 MPa%以上，是高强韧性TRIP 钢的2 倍，冲击韧度值在很宽的温度区间( 196 400 ) 都有很高的值，除此之外，TWIP 钢具有高的能量吸收能力，可达传统深冲钢的2 倍以上，在 196 200 形变温度区间没有低温脆性转变现象。 其试样的拉伸断

23、裂前、后对比及扭转结果见图2。孪晶诱导塑性钢在室温下其组织为奥氏体，在变形过程中将发生机械孪晶并诱导塑性( 即TWIP 效应) ，从而保证了其优良的强塑性能。 十几年来，TWIP 钢已经发展了3 代，第1代为Fe-25Mn-3Al-3Si， 第2 代为高强度的Fe-0. 6C-18-23Mn; 第3 代为根据使用环境要求开发的TWIP 钢。,三、先进钢铁材料,超级不锈钢 近几十年来，超级不锈钢的产生是人类应用材料的一大进步， 超级不锈钢实际上是指在特殊腐蚀环境中具有高抗腐蚀性能，在一定程度上可以代替镍基合金等高性能、有特殊性能的不锈钢； 超级不锈钢是一种含有约6%钼的特种不锈钢， 代表性的超级

24、不锈钢包括： 25-6 Mo( 25Ni-23Cr-5. 5Mo-0. 2N) 、27-7 Mo INCOLOY 合金) 等， 超级不锈钢具有远超普通不锈钢的耐高温、耐腐蚀的性能。从某种意义上说，超级不锈钢超越了以往的不锈钢范畴 其发展趋势具有替代或部分替代具有抗高温、抗特殊环境腐蚀的镍基合金的可能。 近年来，超级不锈钢同样向着更精细的特殊成分设计、超高洁净度、超高均匀性( 成分、组织和性能)和高的性价比方向发展,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,4.1、先进石油天然气用钢 4.1.1、深井、超深井钻探中的材料科学问题及解决前景 万米钻机的研制成功。使得我国钻探12000m的超深井

25、成为现实，而钻探超深井用的超高强度钻杆钻挺目前的API标准中不存在。 高强度超高强度管杆材料的需求，促使钢铁工业向这一方向努力； 油套管钢理论的困惑（如：套管的抗挤毁问题的J-T(建增-太和)公式遇到的井下温度高于150度超深井时出现问题：诸如屈服强度随温度升高降低，出现蓝脆现象等）； 先进钢铁材料的发展和材料设计理论的进展 给先进的石油天然气用钢的理论设计提供了可能和借鉴。 比如采用超高强度的TWIP钢就有可能解决这个问题，实际中还会的解决相应的工艺问题。（如奥氏体的加工问题） 以超细晶粒钢的获得为例介绍,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,4.1.2可膨胀管技术用钢中的材料科学问

26、题及其解决前景 1）膨胀管技术和膨胀管专用钢 亿万奇、壳牌、威德福等公司在全世界开展的膨胀管技术服务中主要是利用J55套管进行的膨胀套管补贴和利用316L不锈钢为基管的膨胀筛管完井，在等井径井方面已经于2007年利用其开发的六年的LSX-30膨胀管专用钢套管进行了1000英尺的概念井的完井工作； 在我国，近年来主要是利用J55套管进行的膨胀套管补贴和利用316L不锈钢为基管的膨胀筛管完井，这包括中石化的863项目组和中石油的大部分油气田； 在利用大膨胀率膨胀管封堵、处理复杂钻井中漏失及窄压力窗口等方面的问题、乃至等井径挂尾管和等井径井的完井方面的应用几乎还是空白。 其中的重要原因之一，是我国的

27、膨胀管材料研发落后，缺少研发具有自主知识产权的，低成本高性能的膨胀管专用材料。 到目前为止，国内外膨胀管材料的选用： 仍然处于主要在现有的API套管中寻找材料，并一直停留在J55钢级的低强度级别范围内，且这种钢管材的膨胀率均小于25%；不适合复杂钻井和等井径井技术中对膨胀管的膨胀性能要求。,4、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,可膨胀管技术的发展需要可膨胀管专用钢材： 目前API石油套管中不能满足可膨胀管技术对钢材的膨胀性能要求， 现代钻井技术（包括：酸性油气田开发、复杂钻井和等井径技术，特别是高含硫化氢环境下的）需要可膨胀管专用钢； 国内外现有的膨胀管专用钢材的研发尚处于初期阶段，尚

28、不成系列，不能满足膨胀管技术对钢材的要求，主要有： 国外：壳牌公司用六年时间完成的LSX-30可膨胀管专用钢； 国内的膨胀管材料研发只有天大的小尺寸焊缝管，限制在不锈钢类双相钢和TRIP钢的中， 且抗SSCC的膨胀管用钢和大尺寸膨胀管专用钢材世界上还是空白；这极大的限制了可膨胀管技术的发展。 国内外的膨胀管用钢成本高，价格昂贵（膨胀管基本价格在10000-20000元/M），缺少大尺寸无缝管和大规模的工业生产，很难实现可膨胀管技术的复杂钻井应用和终极目标-等井径完井技术，在钻井行业中很难推广应用。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,2）膨胀管技术对钢材的基本要求 总则：钢管在井下目

29、标深度可以通过现行井场提供的动力顺利膨胀成功，达到钻井工程所需要的膨胀率，并能够长期保持稳定的工作性能。 原理：根据塑性变形的体积不变原理,在套管补贴中井下套管膨胀，直径增大约15%-20%、壁厚减小2% -5%、长度缩短约8%， （1）在实际钻井工程中，不同井况井下套管膨胀的极限不同，等井径技术则需要膨胀率在30%左右； （2）膨胀力应该不大于现有的钻机可提供的动力； （3）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中对于石油套管钢级的技术要求，同时膨胀后的钢管的抗挤毁强度不会因为膨胀变形而下降； （4）较低的包申格

30、效应、以满足套管膨胀后的抗挤毁强度不会有较大的降低；,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,（5）较小的钢管的壁厚差和不圆度，以满足膨胀管均匀膨胀的膨胀极限要求和锚定膨胀管的技术要求； （6）对于工作在腐蚀油气田环境中的膨胀管，膨胀后具有高的抗油气田腐蚀能力，这里包括抗酸性腐蚀（CO2腐蚀，H2S腐蚀和H2S/ CO2腐蚀)能力; （7）这里专门强调一下膨胀管用钢膨胀后的抗SSCC能力，对于普通钢管材料几乎是一个无法解决的问题，因为膨胀管用钢膨胀形变后的残余应力等，会使得钢材的抗SSCC能力大幅度降低，因此在高含H2S的油气田，膨胀管技术的应用采用目前的钢管无法解决； （8）对于稠油热

31、采环境中工作的膨胀管，还要求膨胀管用钢具有高的抗高温性能，尤其是在稠油热采温度长期工作的抗蠕变能力； （9）所开发的钢材具良好地，可以实现工业化的加工性能，和加工手段，这里包括热加工和冷加工两个方面。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,这就要求膨胀管用钢： （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： 对于套管补贴、小尺寸的尾管悬挂（如侧钻井的4英寸尾管悬挂），井场动力能够满足屈服强度稍高（可达到400-550MPa）的膨胀管材料； 对于大尺寸的套管膨胀，（如处理复杂钻井中的等井径技术，套管尺寸可达812英寸）由于井场动力限制，大尺寸的膨胀套管材料的屈服

32、强度应该尽量的降低（250-400MPa）， （2）应该具有较高的均匀变形能力和加工硬化性能， （3）膨胀管用钢膨胀后应该具有一定的抗腐蚀性能，特别是针对高含硫化氢环境下的可膨胀管用钢的膨胀形变后的抗卤化物应力腐蚀开裂能力；,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,这就要求膨胀管材料必须具有： 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； 较高的钢管厚向异性指数r值。 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机械性能要求 为满足膨胀管用钢在酸性腐蚀条件下的高抗酸性腐蚀，尤其是抗SSCC要求； 还必须改变常规钢材的形变微观机制， 尽可能的采

33、用单一的相组织，如： 单一的奥氏体或者单一的铁素体组织,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,膨胀管用钢钢管膨胀过程的形变参数和厚向异性系数讨论 钢材是幂指数硬化材料，钢材应变硬化率n、应变硬化指数K、应变速率敏感指数m和钢管的厚向异性系数r的数值高低是是膨胀管膨胀形变能否成功的几个重要指标。 膨胀管在井下温度场条件下进行均匀膨胀形变，要求钢材伴随着形变产生的加工硬化率要高，对于应变速率敏感性要低，这是保证膨胀管膨胀成功的关键和膨胀后的套管的力学性能的关键； 同时，管子的内外径同时膨胀变形，管子膨胀变形中的的厚向异性问题也是钢管能够顺利成型的关键。 因此，钢材的应变硬化率n和厚向异性系

34、数r，以及这两个参数相关的力学性能指标和应变硬化指数K、应变速率指数m等材料参数以及这些参数随钢材组织结构以及井下温度场的变化状况也是膨胀管用钢物理冶金的重要问题。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,3）膨胀管用钢的技术要求 （1）应变硬化指数n： Hollomon塑性拉伸变形的真应力真应变关系式=Kn中的指数：n被称为应变硬化指数。 n值的物理意义：是指材料均匀变形的能力。大多数金属材料n为0.10.5 n值大则意味着材料加工硬化严重，材料的变形易于从变形区向未变形区、从大变形区向小变形区传递；宏观表现为，材料应变分布的均匀性好，不易进人分散失稳。n 值对金属变形，尤其是胀形类变

35、形影响很大； n值是组织结构敏感性参数，n与材料的层错能大小有关，层错能高的材料，n 值小；层错能低的材料，n值大；只有滑移变形而无相变的稳定态材料如20钢，n 几乎是常数； 变形 过程中产生马氏体相变的亚稳态材料，如不锈钢、TRI P钢等，n与应变量有关，且呈抛物线型变化；只有层错孪晶组织而无相变的中高锰钢，如TWIP钢，n与应变量呈线性变化,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,（2）应变硬化系数K值： Hollomon塑性拉伸变形的真应力真应变关系式=Kn中的系数： K被称为应变硬化系数。 K值通常将其作为金属材料 刚度或强度的衡量指标。 K值作为幂指型硬化模型的重要参数之一,对

36、管材胀形成形件的厚度分布均匀性有重大影响,且随着K值的增大,液压成形管壁厚分布越均匀,即K值越大,材料成形能力越好。 K值是一个与强度指标关系密切的参量，主要受控于材料的抗拉强度值。 K值与材料的抗拉强度呈线性关系。 K值随基体和第二相的变化趋势正好同n相反。可以认为，n和K值客观地反映了金属本身固有的强韧配合特性. 由K 值与抗拉强度 和n 值之间的解析关系式可知, K 值可作为衡量金属成形性能的综合指标。其不仅能反映 n值所能反映的材料性能, 如金属材料抵抗进一步塑性变形的能力、局部失稳极限应变等, 还反映材料均匀塑性变形范围内所能承受的局部极限拉伸载荷大小。,四、石油天然气发展中的材料科

37、学问题及解决前景,（3 ）应变速率敏感指数(strain rate sensitivity exponent) 塑性变形时材料的流变应力对于应变速率的敏感性参数，亦即当应变速率增大时材料强化倾向的参数，也叫材料的应变速率强化指数，其表达式 为： 式中为材料的流变应力； 为应变速率，B为材料常数； m值是表达金属的超塑性特性的极其重要的指标。对于普通金属材料，m=0.020.2；而对于许多超塑性金属材料，m=0.30.9； m值的大小对金属材料塑性性能影响很大，是以延伸率的大小来表示金属材料的塑性性能的一个补充，高m值是金属产生大塑性变形的条件， m值的变化受形变金属的变形速度、变形温度、晶粒度

38、、组织状态、加工硬化、回复、晶粒形状和内应力等的影响。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,（4）厚向异性指数r： 也叫做塑性应变比，是指的金属薄板试样单轴拉伸到产生均匀塑性变形时，试样标距内宽度方向的真实应变与厚度方向的真实应变之比。 r值是评价金属薄板深压延性能的重要材料参数.是金属薄板塑性各向异性的一种度量;它反映出金属薄板在其平面内承受拉力或压力时抵抗变薄或变厚的能力，是与多晶体材料中结晶择优取向有关。 对于钢管的厚向异性指数r，是表征了钢管直径方向上的真应变 和钢管壁厚方向的真应变 之比。也是钢管胀形性能评定的重要指标。 目前金属材料的厚向异性指数r的测量只能在板料中进行，

39、GB/T5027-2007金属材料 薄板和薄带塑性应变比（r值）的测定 中规定了具体做法。 但是这种与板材的厚向异性指数r值与管材膨胀或涨形时的厚向异性指数r之间关系并不清楚。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,钢管的厚向异性指数r 对于钢管的厚向异性指数r，表征了钢管直径方向上的真应变 和钢管壁厚方向的真应变 之比；但是管材的r的测定方法没有标准。 金属管材发生膨胀变形时，由于钢材的厚向异性，在圆周各方向形变存在差异，r就是这种差异的具体表征，当r值较大时钢管的厚向比周向难以变形，这对钢管膨胀是有利的； 安徽工大专利200710021708.5提供了一种管材的厚向异性指数r的测定

40、方法。 是利用金属管材的拉伸试验准确的检测出所拉管材的厚向异性指数值。具体测定方法为：将金属管材单轴拉伸力作用下，将带塞棒管材试样拉伸到均匀塑性变形阶段，当达到规定的工程应变15到20水平时，测量标距长度和管材外径的变化，并利用塑性变形前后体积不变原理和变形理论建立的壁厚变化模型，计算管材变形后的管壁厚度值，确定金属管材的厚向异性指数r值。目前只能对小口径管测试，还没有被认可。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,研究证明：用n值单一指标反映金属薄壁管膨胀成型性能，因忽视了成型过程中材料的应变速率强化效应，故存在一定的片面性。对于塑性高的材料膨胀成型过程中，塑性流动应力和应变的变化规

41、律，主要取决于n值和m值的数值大小。 具有大m值的材料，因m值的局部强化作用，缩颈开始后试样截面变化平缓，有可能出现大延伸，有利于材料胀类成型。 在冷轧薄板成型性评定时，产品质量(拉胀性能)的评价可以用简单的单轴拉伸指标(n值和m值)。一般认为材料成型过程中，高应力往往不是考虑的主要因素，关键是材料的分配应变能力。因此，n值和m值是两个同等重要的拉胀类成型参数。 膨胀管的膨胀性能优劣评定方法：建议参照评定金属薄板的拉延与胀形的综合成形性能国际通行试验方法-锥杯试验（GB/T 15825.6-2008），采用管材钢球膨胀破裂时的平均直径D与管材原始直径D0的比值(膨胀管的极限膨胀比例：=D/D0

42、) 来表征管材膨胀成型性能。钢球的直径和膨胀破裂是的压力可作为参考值。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,（5）钢材的包申格效应（Bauschinger effect）对钢管膨胀后抗挤毁性能的影响 钢材的包申格效应：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 , 则屈服强度降低的一种物理现象。 膨胀管在井下温度场条件下进行膨胀变形后，在长期的工作环境中，会承受地层应力的挤压作用，这就要求膨胀后的套管保持高的抗挤毁强度。如所周知，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

43、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，因此，钢材的包申格效应对于膨胀管抗挤毁强度的影响，也是膨胀管钢材必须考虑的物理冶金问题。 膨胀管用钢的成分、组织、结构以及膨胀时应变量的大小对钢材的包申格效应有着重大的影响，这同样是膨胀管专用钢材设计必须考虑的物理冶金问题。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,（6） 膨胀套管的壁厚差和椭圆度及焊缝对膨胀性能的影响 石油套管的基本制造加工方式目前主要有两种，一种是采用热轧方式制备的无缝钢管；另一种是采用高频直缝焊管（ERW）。 热轧无缝钢管按照API-5CT表针要求套管的壁厚差相差公称尺寸12.5%，同时出现一定的椭圆

44、度，即使采用最先进的浮动芯棒技术，热轧工艺造成的壁厚差和椭圆度也难以消除，这对于膨胀管的膨胀成形近膨胀后的性能保障是不利的， 采用小尺寸钢管热轧后的冷拔技术和大尺寸钢管高精度的热挤压加工技术制造膨胀管套管，可以使管子的壁厚差减小到2.5%以内。这样就可以保证膨胀管膨胀后的性能要求； 高频直缝焊管（ERW）： ERW焊缝管价格低廉，焊缝管的壁厚差和圆度均优于无缝钢管，但是焊缝及热影响区性能与基管性能的差异是这种钢管的致命伤，焊缝管的几何无缝化处理和物理无缝化处理工艺的发展，这种差异会逐步缩小，但是完全消除是不可能的，具国际膨胀管会议统计这种钢管造成的膨胀失效率为15%左右。,四、石油天然气发展中

45、的材料科学问题及解决前景,（7）膨胀管钢管膨胀后的径向回弹 膨胀套管的膨胀后的径向回弹是膨胀管膨胀（薄壁筒胀形）过程中不可避免的物理现象。膨胀管在膨胀后 , 套管在发生膨胀变形的同时也会发生一定的弹性回弹 , 如果回弹较大 , 必然影响膨胀后套管的正常使用。因此膨胀管膨胀后的回弹率的高低也是影响膨胀管膨胀成功的关键问题之一。 在膨胀管膨胀（薄壁筒胀形）过程中，建立膨胀参数参数与欧洲后套管回弹率之间的映射关系、 准确预测膨胀套管的回弹率和掌握其回弹规律，进而控制回弹量就显得尤为重要。 针对膨胀管钢在变形过程中应变硬化指数发生改变的特点 以准确预测膨胀管回弹为目标 借助于应力应变关系，从而准确地预

46、测膨胀管钢的回弹规律。研究回弹规律应考虑膨胀管形变的屈服准则对回弹的影响 ；考虑应变硬化指数对回弹影响；分析变形过程中各段的硬化指数对回弹的影响，也是膨胀管技术必须要进行的研究问题。 膨胀套管的膨胀后的径向回弹大小与钢材的强度密切相关，是受钢材的组织结构控制的。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,（8）膨胀管用钢的抗腐蚀问题 （钢管膨胀变形与抗腐蚀之间关系） 膨胀管大膨胀率形变后，呈现的性能和组织结构变化为： 形变后的力学性能：由于形变导致的加工硬化，使的钢材的强度升高，包括抗拉强度、屈服强度，塑性下降，残余应力和各向异性出现； 形变后的组织：形成带状组织，形变之前的等轴晶粒，被压

47、瘪，伸长成为带状，带状的比率随着形变量加大而加剧，可能出现形变织构； 形变后的结构：晶体被破坏，内部的位错密度升高，形成胞状亚结构，形成微观裂纹乃至宏观裂纹；,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,这一切均会导致钢材的抗腐蚀能力降低， 尤其是抗酸性腐蚀（CO2、H2S腐蚀）的能力急剧降低； 特别是对于抗应力腐蚀，钢材形变后由于形变缺陷的增多，抗应力腐蚀能力降低非常显著，在高含H2S环境中这一点是致命的。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,（9）膨胀管用钢的良好的冷热加工性能 膨胀管用钢的热加工性能 膨胀管用钢必须具有了良好的的热加工性能包括热锻、热轧以及热挤压和热卷取性能，

48、这就要求膨胀管用钢的热加工温度范围不宜过窄； 良好的焊接性能要求膨胀管用钢具有恰当的碳当量和良好的焊后热处理工艺的适应性； 膨胀管用钢的冷加工性能 钢材的切削性能决定着钢管螺纹加工的难易程度和螺纹精度，这就要求作为膨胀管的钢材，必须具有较好的冷加工性能。 对于特殊要求的膨胀管用钢为改善钢材的冷加工性能，可以进行适当的改善切削性能的热处理。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,4）、膨胀管用钢设计基本原则 （1） 膨胀管专用钢设计中的问题1-对膨胀管用钢的总体要求： 钢管在井下目标深度可以顺利膨胀成功，根据塑性变形的体积不变原理,井下套管膨胀，直径增大约15%-20%、壁厚减小2% -

49、5%、长度缩短约8%，在实际工程中，不同井况井下套管膨胀的极限不同，等井径技术约在30%左右；膨胀力应该不大于现有的钻机可提供的动力； 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中对于石油套管钢级的技术要求，同时膨胀后的钢管的抗挤毁强度不会因为膨胀变形而下降； 在油气井腐蚀环境中膨胀后的套管应仍具有高的抗腐蚀性能；包括在一般油气田腐蚀环境和酸性油气田腐蚀环境； 这就要求膨胀管用钢总体必须达到： 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，较高的加工硬化性能（较高的应变硬化指数n值，较好的应变硬化系

50、数K值和高且稳定的应变速率指数m值），较低的包申格效应、较小的钢管的壁厚差和不圆度以及膨胀后具有高的抗油气田腐蚀能力和钢管生产过程具有的良好地热技工和冷加工能力。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,（2）膨胀管专用钢材设计准则 膨胀管专用钢成分设计的准则： 膨胀管专用钢化学成分应遵循：微碳、低碳设计原则，Nb、Ti、V和Re复合微合金化原则，主要利用低成本的Mn、Si合金元素和少量Cr元素原则，洁净钢或超洁净钢的S、P、O、H、N元素原则。 膨胀管专用钢的强化方式设计准则： 膨胀管专用钢的强化主要采用固溶强化、微合金化定碳、弥散强化和析出强化、复相强化原则和形变强化（包括应力诱发相

51、变）原则、抗腐蚀性尤其是抗应力腐蚀原则和先进的的再结晶控制热加工（热挤压和热轧）。 膨胀管专用钢组织设计准则： 膨胀管专用钢组织应该尽可能的采用铁素体基体和奥氏体基体原则、双相和复相组织原则，； 表征膨胀性能参数设计准则：抗SSCC膨胀管用钢的单一奥氏体或铁素体原则 高应变硬化指数n、应变硬化系数K、高应变速率敏感性指数m和高厚向异性指数r准则。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,5）、新型膨胀管专用钢的研制 （1）、我们的膨胀管技术和材料研究历经 自2003年作者开始从事膨胀管材料的研究，2008年初以来，作者在国家重点实验室预研项目的支持下与天津大学、河北工业大学合作，分别对：

52、 现有API套管中的膨胀管材料的筛选与改性、膨胀管膨胀过程的理论分析和非线性有限元仿真、适用于膨胀管的先进高强度钢的开发等方面进行了系统的研究。并在适用于膨胀管用的先进高强度钢的开发和膨胀管膨胀过程的理论分析和非线性有限元仿真等方面取得了较大的进展。 开发出4类9种低成本的膨胀管用钢铁材料。并成功的进行了606mm-21912mm无缝钢管的小规模试制和膨胀率最高达50%的膨胀试验。并对钢管膨胀前和经过34%膨胀后的组织结构和性能进行了测试研究，目前已经可以进入中等生产规模的钢管制备和现场应用实验中。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,20082012年，西南石油大学李春福等利用孪生

53、诱发塑性机制和低碳微合金化和铁素体复相组织的强韧化机制和高纯微碳铁丝体不锈钢成功的开发出了4大类九种膨胀管用钢，一类为TWIP钢，另一类为低碳微合金化高强铁素体复相钢，第三类为TRIP钢；第四类为铁素体不锈钢。 a、具有高强塑性抗腐蚀的TWIP钢 b、低成本的TWIP钢（ c、低成本低碳微合金化高强度铁素体复相钢 D、抗腐蚀的低成本低碳微合金化高强度铁素体复相钢 2012年上半年根据普光气田提出的抗高含H2S/CO2和Cl7“膨胀管用钢的开发要求，利用先进钢铁材料和先进石油天然气用钢铁材料的概念，开发了如下抗硫化物应力腐蚀（SSCC）和硫化物应力开裂（SSC）用钢 a、抗三高（ H2S/CO2

54、和Cl高）油气田腐蚀膨胀管用钢（专利申请：一种抗三高（ H2S/CO2和Cl高）油气田腐蚀膨胀管用铁素体不锈钢及钢管制备方法） b抗高含硫化氢SSCC膨胀管用钢（专利申请：一种抗高含硫化氢SSCC大膨胀率膨胀管用铁素体不锈钢及钢管制备方法） C、抗高含硫化氢和二氧化碳SSCC膨胀管用钢（专利申请：一种抗高含硫化氢和二氧化碳SSCC大膨胀率膨胀管用铁素体奥氏体双相不锈钢及钢管制备方法） d、抗中含H2S油气田SSCC膨胀管用钢（专利申请：一种抗中含H2S油气田SSCC膨胀管用形变诱发铁素体钢及钢管制备方法） E、抗高含CO2油气田膨胀管用钢（专利申请：一种抗高含CO2油气田膨胀管用钢及钢管制备方

55、法）,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,上述钢种的开发准则和理论依据 根据先进石油天然气用钢铁材料的理论基础： 钢的纯净化，热机械处理（Thermomechanical Control Process ,TMCP）、超细晶粒化和组织调控“多相(Multi-phase)、亚稳(Meta-stable)、多尺度(Multi-scale)”(简称M3)理论 铁素体不锈钢的发展随着真空氧气脱碳（VOD）法 （ vacuum oxygen decarburization）氩氧混吹（AOD ）炉外精炼法的发展，高纯铁素体不锈钢此得了非常大的进展，克服了原来的脆性高等弱点，成为不锈钢发展的热门，

56、且铁素体不锈钢无应力腐蚀倾向，形变后抗SSCC能力仍很强（我们的实验结果） 同样的采用形变诱发铁素体复相组织利用其针状铁素体的抗SCC性能的理论是开发出的抗低中含硫油气田腐蚀的低微碳膨胀管用钢基础 低成本原则的发展，炉外精炼技术，TMCP技术，低碳微碳和低合金化微合金化技术，铁素体不锈钢的低Cr无镍技术是保证低成本的关键,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,新型膨胀管专用钢的研制 实例1、抗酸性腐蚀的TWIP钢 是一种在含酸性介质（H2S、CO2）油气田和具有腐蚀介质条件下应用的大膨胀率可膨胀管用钢，设计原理：利用孪生形变诱发塑性获得高的强韧配合和孪生形变后的高抗腐蚀性能 这种钢材的

57、实例：为20Mn24Cr5Ni2Al2SiMoRe， 其化学成分(wt%)为：C:0.=0.21、Mn：24.4、Cr：4.61、Ni：1.84、Al：1.82、Si：0.902、Mo：0.405、Nb：0.014、Re：0.21、S：0.008、P：0.005。 图1为实例钢经过热轧后空冷和热轧后重新与105030分加热水冷固溶处理后的拉伸曲线， 图2为与图6对应的真应力真应变曲线以及不同塑形区域的加工硬化指数n的计算结果。 表2为热轧后空冷和热轧后固溶105030分水冷的机械性能表：,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,图1实例钢热轧后105030分水冷试样的不同温度条件拉伸试验

58、结果 图2对应的真应力-真应变曲线以及不同塑形区域的加工硬化指数n的计算结果,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,表2为热轧后空冷和热轧后固溶105030分水冷极其膨胀34%后的机械性能表： 图3为为例1钢热轧后105030分水冷的试样的金相和TEM组织照片 图4例1钢热轧后105030分水冷的试样的为x射线衍射分析结果。,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,图3a）200倍，b）TEM.c）d）电子衍射 图4固溶和不同温度拉伸XRD,4、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,抗CO2腐蚀性能 表3不同温度压力条件下的试验用钢CO2腐蚀性能腐蚀数据 图5腐蚀随时间变化,

59、四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,通过对比形变前后的极化曲线图6发现，在相同电位下形变孪晶消除后只有退火孪晶的TWIP钢的阳极电流密度比形变孪晶消除前的阳极电流密度要大，说明形变孪晶消除后TWIP钢的腐蚀比形变孪晶消除前严重；同时，孪晶消除后TWIP钢的自腐蚀电位比孪晶消除前的自腐蚀电位有所降低，并且自腐蚀电流在孪晶消除后也比在孪晶消除前要大，说明通过形变后形变孪晶的增加使TWIP钢的耐蚀性能提升。间表4,四、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,发明的TWIP钢的形变后抗硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）性能 表5 不同设计成分的发明的TWIP钢应力腐蚀敏感性系数计算结果 图5为发明TWIP钢材的SSRT实验结果,4、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景,20Mn24Cr5Ni2Al2SiMoRe通过热力学成分设计，电炉冶炼、稀土铝铁合金脱氧加上二次精炼，开坯热挤后空冷或1050 固溶，获得具有纯净度高的、抗拉强度为7001100MPa、屈服强度为350600MPa、延伸率为4085%、强塑积40000MPa%、加工硬化指数为0.30-0.6的，厚向