新型膨胀套管材料研发及其商业前景

20世纪90年代膨胀套管技术的提出,成为了石油天然气钻采领域一次新的革命。2000年我国开始引进该技术,但目前国内外还只是普遍选用一般传统的钢铁材料进行应用,缺乏针对性研发,始终没有在材料研发上取得突破。2014年,北京科技大学尚成嘉教授带领其科研团队,成功开发了一种适宜膨胀套管应用特点的高延伸、高强度钢铁材料,并完成了全面的实验室研究工作,不久前百吨级的工业化试制也已经完成。由于具有低成本、高品质的特性,该项目的产业化研究已经获得国家科技支撑项目的支持,并且几家知名能源公司也都表现出了对该产品的迫切需求。     

0.23C-1.9Mn-1.6Si钢中的残余奥氏体对韧塑性的影响

采用优化的IQP工艺处理成分为0.23C-1.9Mn-1.6Si厚度为6.5 mm的低碳硅锰钢,制备出由亚温铁素体、马氏体以及残余奥氏体构成、抗拉强度为1000 MPa的多相组织高强钢。用SEM、XRD、拉伸以及示波冲击等手段对其显微组织和力学性能进行表征,并与同等抗拉强度的IQT钢和QT钢对比,研究了钢中残余奥氏体对韧塑性的影响。结果表明,在室温下IQP多相钢具有更高的冲击韧性、更好的延伸性能和强塑积,综合韧塑性要远优于其它钢种。该钢的性能,与其多相组织结构有密切的关系。大量弥散分布于铁素体和马氏体框架内的残余奥氏体在形变过程中发生TRIP效应,显著改善了钢的韧塑性,从而使其综合力学性能提高。     

膨胀管用钢的热处理工艺与扩径性能

研究了热处理后膨胀管试验钢的3个重要指标,加工硬化指数(n),厚向异性指数(r)和预应变后的性能,从而对它们的扩径性能进行评价.结果表明:试验钢的lnσ-lnε曲线遵循Hollomond公式的线性关系,热处理工艺可以提高试验钢的n值,使颈缩前的均匀变形能力得到提高.热处理后,试验钢的r值均大于1,不易产生局部颈缩,这对膨胀管非常有利.12％的预应变条件下,屈服强度显著增加,而抗拉强度变化不大,试验钢具备较高的变形能力且在预应变后达到普通油井套管的强度水平.通过综合考虑确定了膨胀管用钢的成分和热处理工艺.     

高延伸膨胀管用钢的力学性能及微观组织

 采用低碳低合金的成分设计开发了一种新型的膨胀管用钢。经优化的（α+γ）两相区退火工艺处理后,钢材呈现出强度高、延伸性能好、加工硬化能力强、冲击韧性以及高温力学性能优良等特点。常温条件下,该膨胀管材料的抗拉强度超过了700MPa,伸长率超过了40%,强塑积达到了30GPa·%,半厚冲击韧性超过了50J;300℃高温条件下,该类钢仍具有620MPa以上的抗拉强度,40%以上的伸长率以及25GPa·%以上的强塑积。采用SEM和XRD对材料的微观组织进行了表征,该类钢具有马氏体+残余奥氏体+铁素体的多相组织结构形貌。由于弥散分布的小尺寸残余奥氏体在形变过程中的TRIP效应,使得该类钢种在拉伸过程中获得了持续加工硬化的能力,从而获得了强度与塑性的优良结合。     

马氏体不锈钢回火过程中碳化物的演变规律及其对耐蚀性的影响

通过显微组织观察、能谱分析和硬度测试研究了1.4116马氏体不锈钢回火过程中碳化物的演变规律，采用盐雾腐蚀试验和电化学测试研究了不同温度回火后的耐蚀性。结果表明，回火温度超过500℃时，大量富Cr碳化物的析出是耐蚀性下降的根本原因。在580℃回火时，自腐蚀电位最低，耐蚀性最差，但回火温度超过600℃时，自腐蚀电位升高，耐蚀性得到明显改善。在实际生产中，不建议1.4116马氏体不锈钢在500～600℃进行回火。