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新产品开发
刘广华，陈松林，苏郑卿
(江苏常宝普莱森钢管有限公司，江苏常州213200 )
摘要：分析页岩气开采用套管的使用工况和失效形式，设计开发出CB140V 钢级页岩气套管，以$139.7
mmxl2.7 m m 规格为例，从材料设计、轧制工艺优化、热处理工艺研究、尺寸精度提升、抗挤毁能力研究等方面， 实现具有高强度、高籾性、高尺寸精度、高抗挤毁性能的页岩气套管开发，并顺利完成了油田试用，取得了良好 的效果。 关键词：套管；C B 140V ；页岩气；高强度；抗挤毁
DOl: 10.丨 9938/j.steelpipe. 1001 -2311.202 丨.2.34.37 开放科学（资源服务）标识码(OSID):
Development of CB140V Casing for Service
in High-strength Shale Gas Well
LIU Guanghua, CHEN Songlin, SU Zhengqing
(Jiangsu Changbao Precision Steel Tube Co., Ltd.，Changzhou 213200，China )
Abstract ： Analyzed here in the article are the service conditions and failure types of the casing as used for shale gas
production, based on which the CB140V casing for shale gas production is designed and developed. Taking the ^139.7 mmxl2.7 mm pipe as an example, the casing for shale gas production featuring hi-strength, hi-toughness, hi-dimensional accuracy and hi-collapse resistance is developed due to the efforts concerning such aspects as material design, rolling process optimization, research on heat tr
eatment process, and improvements on both dimensional accuracy and collapse resistance. The casing has successfully passed the trial operation in the oil field with satisfactory result.
Keywords : casing ； CB140V ； shale gas; high strength; collapse resistance
随着世界油气工业的发展以及各国对能源的战 略需求增大，自美国页岩气革命以来，直井和水平 井的压裂工艺已成为开发页岩气的关键因素，而压 裂作为一种关键的增产技术手段在页岩气开发过程 中已得到广泛应用〜3]。在压裂过程中，页岩气井的 生产套管出现了大量的变形损坏，严重影响生产。 根据相关文献分析套管损坏主要表现为套管 管体受到的外界非均匀载荷超出套管能力极限，导 致套管整体结构失稳，发生点变形，主要变形为剪 切变形和挤压变形。因此，在页岩气套管选型及套 管生产过程中，提高壁厚和屈服强度均可以提高抗 外压挤毁强度，能有效地减少套管变形。 刘广华（ 1980-)，男，硕士，工程师，首席主任工程 师，主要从事热轧无缝钢管的生产和研发工作。
抗挤毁性能作为套管的主要实物性能指标，起 着维持套管稳定性的重要作用。参考部分文献资 料，在钢管规格确定的情况下，影响抗挤毁性能的 主要参数是：外径椭圆度、壁厚均匀性、屈服强度 和残余应力。因此，在屈服强度达到钢级要求 的同时，控制好套管的几何尺寸精度并降低残余应 力，可以生产出具有较高抗挤毁强度的套管。
以中139.7 m m x l 2.7 m m 规格C B 140V 钢级套 管为例，从钢管生产过程中的尺寸控制、性能控 制等方面介绍了页岩气套管开发生产过程。根据 A P I T R 5C 3—2018《套管或油管的性能计算》，对于 $139.7 m m x l 2.7 m m 规格C B 140V 钢级套管，其适 用的抗挤毁强度h
计算公式为塑形挤毁压力公
式，见公式（1)，该规格产品的理论抗挤毁强度可 以达到159.5 M P a 。C B 140V 钢级套管性能指标要
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期
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求见表1。
P^lY A D I t-D liD I t)2(1)
式中5%----规定的最低屈服强度，M P a;
D—套管外径，m m;
I—套管壁厚，m m。
表1CB140V钢级套管性能指标要求
屈服强度 /?,06/MPa 抗拉强度
R J M F a
伸长率
A/%自锁螺钉
蜗轮蜗杆副纵向
冲击功/J
硬度极
差HRC
抗挤毁
强度/MPa
965-1 172^1 034^1380^4彡172.4
注：冲击试验温度0 试样尺寸10 mmxlO mmx55 mm。
1主要技术指标
为了降低套管尺寸对抗挤毁强度和使用性能的 影响，对套管尺寸公差进行了严格设计，中139.7 m m x l2.7 m m规格套管几何尺寸要求见表2。
2钢种设计
首先需保证管体具有良好的屈服强度和抗拉强 度，确保管体强度指标达到设计要求；其次在保证 强度的前提下，尽可能提高管体韧性。参考国内合 金结构钢标准，并结合以往套管生产经验，综合考 虑，选择具有良好强靭性的C r M〇合金钢，并添加
表2 $139.7 mmxl2.7 mm规格套管几何尺寸要求
外径/mm壁厚/麵弯曲度/范围 不圆度范围 不均度(mnrm'1) 140.0-141.0 彡0.7012.0-14.0 彡1.50^1.2
少量的细化晶粒元素N b、V等合金元素。铬能增 加调质热处理钢的淬透性并有二次硬化的作用，可 提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆，经回火热 处理后具有良好的综合性能；钼在调质钢中不但能 够提高钢的淬透性，还具有良好的热强性，提高钢 的抗回火性或回火稳定性，使钢材可以在较高的温 度下回火，从而更有效地消除(或降低)残余应力，提高塑性；钒在钢中主要以碳化物的形式存在，其 主要作用是细化钢的组织和晶粒，但会降低钢的强 度和韧性，在结构钢中常和锰、铬、钥以及钨等元 素联合作用，在调质钢中能提高钢的强度和屈服 比，降低过热敏感性；铌在钢中也具有细化晶粒的 作用，微量铌可以在不影响钢的塑性和韧性的情况 下提高钢的强度，提高钢的冲击韧性并降低其脆性 转变温度。
4>139.7 m m x l2.7 m m规格套管化学成分设计目标见表3。
_________________表3中139.7 m m xl2.7 m m规格套管化学成分(质量分数)设计目标______________%_
C Mn P S Cr Mo Nb V
0.24-0.30 0.40-1.00 彡0.015 «0.0!0 0.80-1.50 0.30-0.80 0.20-0.50 0.10-0.20
3热轧生产
3.1工艺流程
E A F(高炉铁水+废钢)—炉外精炼—真空脱气— 连铸—连轧—缓冷—管坯检验—冷定心—管坯加 热—穿孔—乳管—再加热—定(减)径—冷却一调质 热处理—热矫直—压力矫直—管端锯切—目视检 验—尺寸检验―超声波探伤—管端磁粉—水压测 试—通径—车丝—螺纹检验—管拧—喷标—涂油— 包装入库。
3.2冶炼控制
为了降低钢中气体含量对钢韧性的影响，在管 坯冶炼过程中采取了真空脱气处理，其中《;(0)« 30x10'w(N)专80x10'w(H)«2x l O'另夕卜，为了降低非金属夹杂物对钢材强度和冲击韧性的影 响，冶炼过程中采取了钙处理，改善钢中夹杂物形 状，从而进一步保证钢管热处理后的综合性能。
刘广华等：高强度页岩气井开采用CB140V套管的开发3.3热轧控制
(1)为了保证热轧穿孔过程中毛管壁厚均匀 性，在生产条件有限的情况下，对管坯提前进行两
端冷定心，一方面提高穿孔过程的咬人条件，另一
方面保证咬人过程对中性，从而提高穿孔毛管的壁
厚均匀性。
(2)芯棒作为轧制过程的主要变形工具，是影 响荒管壁厚精度的主要工具；因此，对芯棒直度和
楠圆度提出了更高的要求，芯棒直度
椭圆度矣0.3 m m。在轧制生产之前，对芯棒直度和
椭圆度进行逐支检验和压力矫直，并剔除最终无法
满足要求的芯棒，保留直度和椭圆度最好的8支芯
棒投入生产使用。
(3)为了改善定(减)径过程钢管椭圆度，在微 张力定(减)径孔型设计过程中，充分发挥丨4机架
微张力定(减)径机的设备特点，控制单架最大减径
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率不超过3%，总减径量不超过15%，椭圆度系数 不超过1.03%，同时增加成品机架个数，使用两架 规圆机架将钢管充分规圆，以减小椭圆度。
3.4热处理控制
热处理不但是影响钢管力学性能的主要工序，也是影响高强度、高韧性套管直度的重要工序，为 了在热处理过程中控制这两个重要控制指标，一方 面从热处理工艺方面着手对C B140V的热处理工艺 进行充分研究，通过延长回火保温时间，按照常规 回火时间的1.5倍设计，经过多次热处理小试样工 艺试验和重复性试验验证，最终确定一组较为合理 的淬火+回火热处理T艺进行车间生产应用。另一 方面，生产之前对热处理设备进行检查和维修，保 证热处理热电偶测温准确可靠、水泮设备托轮中心 线一致、矫直辊角度一致、矫直辊辊面与管体包络 紧密贴合。同时矫直过程增加了钢管的残余应力，为了降低其影响，对矫直温度也进行了严格控制。热处理工艺及矫直温度见表4。
表 4 $139.7 mmxl2.7 mm 规格 CB140V 钢级套管
热处理工艺及矫直温度
淬火
淬火
方式
回火
矫直
温度/尤温航保温时间，
min
温度保温时间
/min
消防演习
890±10 30水淬580±5 100400〜480
4性能试验及分析
4.1几何尺寸检验
抽检10支套管的几何尺寸和直度，具体检测 结果见表5。从统计结果来看，外径、壁厚、椭圆 度、壁厚不均度完全达到设计目标；钢管经过热旋 转矫直，钢管直度也能够满足设计目标要求。目标 对比结果见表6。
表5 *139.7 mmxl2.7 m m规格CB140V钢级套管几何尺寸统计
试样编号
外径/mm椭圆度/
mm
壁厚/mm壁厚
不均度/mm
最大弯曲度/
(mm*m-1)象限1象限2象限3象限4象限1象限2象限3象限4
1140.62140.72140.49140.620.2313.2512.7213.4112.470.940.6 2140.44140.57140.58140.720.2812.7712.7412.7613.070.330.8 3140.75140.69140.32140.660.4313.2512.3613.2813.471.110.7 4140.63140.57140.54140.740.2012.4612.9613.3912.610.930.9 5140.54140.80140.51140.580.2913.1312.6812.4113.250.84 1.0 6140.67140.74140.29140.700.4512.4212.9313.1613.380.960.9 7140.57140.64140.28140.620.3612.7213.0213.2213.010.500.8 8140.79140.63140.55140.580.2413.1212.4213.3713.200.950.7 9140.64140.73140.35140.850.5012.8212.4113.1013.140.730.8 10140.29140.72140.70140.520.4313.1212.6912.4413.070.680.9
表64M39.7 mmxl2.7 m m规格CB140V钢级套管尺寸结果对比
项目
外径Ann1壁厚/mm弯曲度/
弹性钢>脱模剂原料范围不圆度范围不均度(mm*m_1)实测数据140.28-140.850.20〜0.5012.36 〜13.470.33-1.110.6〜1.0
设计目标140.0-141.0在0.7012.0-14.0彡1.50^1.2
4.2室温力学性能
中139.7 m n i x l2.7 m m规格C B140V钢级套管的 力学性能数据见表7。常温拉伸性能、0 1冲击性 能，均达到了设计要求。
金相组织为晶粒细小的回火索氏体，晶粒度达 到 10 级，0>139_7 m m x l2.7 m m 规格 C B140V 钢级套管金相组织如图1所示。另外取一支试样委托第 三方实验室进行抗挤毁强度试验，受到试验设备安 全条件限制，试验压力已经达到了表1中抗挤毁数 值目标，抗挤毁强度已经达到了 172.9 M P a，该委 托第三方实验室进行抗挤毁强度试验的钢管仍未出 现挤毁变形迹象，试验顺利通过。
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表7 $139.7 mmxl2.7 mm 规格GB140V 钢级套管的力学性能
试样编号屈服强度/
MPa
抗拉强度/ MPa
伸长率/
%
0 X I 纵向 10 mmxlO mmx 55 mm 1 2 3冲击功/j 平均值硬度极差
HRC
11 0751 14016109113120114 2.421 0601 13516110105127114 2.631 0351 09518129124107120 3.04
1 050
1 115
17
128
119
123
123
2.8
图1 $139.7 mmxl 2.7 mm 规格CB 140V 钢级套管金相组织 4.3
智能化信报箱
用户使用与评价
该批CB 140V 钢级页岩气套管经过特殊螺纹接
头加工之后，供给国内某油田生产试用，在井上服 务人员的跟踪、指导下，顺利完成了套管下井、固 井、完井作业，整个过程中未出现任何异常套损， 得到客户的好评和认可。
5结语
(1)
此次开发的CB 140V 钢级高强度、高靭
性、高尺寸精度、高抗挤毁套管取得了初步成功， 产品各项技术参数均达到设计目标；
(2)
该产品经过油田客户的使用验证，能够满 足油田页岩气开发生产用套管的使用要求；
(3) CB 140V
钢级页岩气套管的开发生产，为
国内外页岩气开发生产用套管提供了新的选择渠 道；
(4) CB 140V
钢级页岩气套管研究开发的成
功，为其他更高钢级页岩气套管的开发生产提供了 研究基础和方向，主要体现在高强度、高初性、高 尺寸精度、高抗挤毁性能。
6参考文献
[1]张炜烽.非常规油气井套损机理及套管设计研究[D ].北
京：中国石油大学，2016.
[2] 赵红琴，陈方文，卢双舫，等.我国页岩气开采技术及
前景展望[■)].地球科学前沿，2018, 8(7): 1215-1223.[3] 郭梁柱.页岩气开采过程中关键技术研究[J ].中国石油
和化工标准与质f t , 2019, 39(24): 215-216.
[4] 门曜旭，韩礼红，杨尚谕，等.页岩气井套管研究现状
[J ].云南化工，2020 , 47(3): 27-30.
[5] 席岩，李军，柳贡慧，等.页岩气水平井多级压裂过程
中套管变形研究综述[J ].特种油气藏，2019，26(1): 1-6.
[6] 余夫，董晓明.页岩气井用生产套管的优化设计[J ].宝
钢技术，2018(5): 24-27.
[7] 余夫，史伟.页岩气井套管变形失效原因分析[J ].石油
管材与仪器，2018, 4(3): 35-38.
[8] 史彬，陈敏，饶晓东，等.页岩气井套管损坏原因分析
及认识[J ].钢管，2018, 47(3): 66-71.
[9] 余夫.页岩气井生产套管变形分析及选材建议[_!].宝钢
技术，2018(2): 75-78.
[10] 董晓明，张忠铧，孙文.深井和页岩气开发用超高强
度高靭性套管的研制[J ].钢管，2016, 45(4): 27-32.[11] 高霞，肖国章，关尚虎，等.我国高抗挤套管研究和
生产现状[J ].焊管，2015, 38(8): 60-65.[12] 江勇，吴永莉，焦丽峰.石油套管抗挤毁解决方案及
发展[J ].钢管，2016, 45(2): 59-66.
[13] 谢建雷.套管柱失效分析及性能提高措施研究[D ].青
岛：中国石油大学(华东），2015.
[14] 娄琦，张广路，张丹，等.套管抗挤毁强度主要影响
因素试验研究[J ].石油矿场机械，2012, 41(6): 38- 42.
[15] 李连进.套管的残余应力对抗挤毁强度的影响[j ].重型
机械，2005( 1): 19-22.
[16] 李勤，张传友，肖功业.高抗挤毁石油套管的试制[J ].
钢管，2004, 33(4): 28-31.
(收稿日期：2020-08-18；修定日期：2020-11-10)
刘广华等：高强度页岩气井开采用CB 140V 套管的开发钢管2021年4月第50卷第2
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