两种套管钻井用钢的显微组织和力学性能

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【金属材料学实验】1-工程结构钢显微组织观察

C:0.13～0.19;Si:0.20～0.60;Mn:1.20～1.60; P≤0.030;S≤0.020;Ni≤0.30 ;Cu≤0.25
低合金结构钢
• Q345 （16Mn）热轧+退火 F+P
• C:0.13～0.19;Si:0.20～0.60;Mn:1.20～1.60；P≤0.030;S≤0.020;Ni≤0.30; Cu≤0.25
优质碳素结构钢
20钢淬火 M
C：0.15~0.25%；Si：0.17~0.37%；Mn：0.35~0.65%；S ≤0.045%; P ≤0.045%; Cr≤0.15%；Ni≤0.30%
优质碳素结构钢
35G 退火态 F+P 183HB
C：0.30~0.40%；Si：0.17~0.37%；Mn：0.50~0.80%； S ≤0.045%; P ≤0.045%; Cr≤0.30%；Ni≤0.30%
0.50～0.80 0.35
S 0.050 0.050 0.045 0.050 0.045 0.040 0.035 0.050 0.045 0.050
P 0.045 0.045
0.045
0.040 0.035 0.045
0.045
脱氧方法
F、b、Z F、b、Z F、b、Z F、b、Z
Z TZ F、b、Z
• 60、65、70、75等牌号属于高碳钢。它们经过淬火、回火后不仅强度、硬度提高，且弹性优良，常用来制造小弹簧、发条、钢丝绳、轧辊
普通碳素结构钢
Q235 退火态 F+P
C：0.12~0.22%；Si ≤0.30%；Mn：0.30~0.70%； S ≤0.05%; P ≤0.045%;
优质碳素结构钢

管线钢材的组织结构

管线钢材的组织结构管线钢材是一种重要的建筑材料，广泛应用于石油、天然气、水务等各种管道工程中。

它的组织结构对于保证管道的稳定性、耐久性和安全性起着关键作用。

下面我们将详细介绍管线钢材的组织结构。

首先，管线钢材的组织结构可以分为晶粒组织和套管组织两部分。

晶粒组织是指钢材内部的结晶颗粒排列方式，它直接影响着钢材的力学性能和物理性能。

较大的晶粒有助于提高钢材的韧性和强度，而细小的晶粒则有助于提高钢材的塑性和耐腐蚀性。

因此，在生产过程中，需要通过控制冶炼和热处理工艺，使得钢材的晶粒尽可能细小而均匀。

套管组织是指钢材内部的管壁结构，它主要包括细晶套管和粗晶套管两种。

细晶套管由于晶粒较小，材料的韧性和抗拉强度都较高，适用于承受较大冲击和压力的管道。

粗晶套管由于晶粒较大，材料的塑性较好，适用于对弯曲变形要求较高的管道。

根据不同的工程需求，选择合适的套管组织可以有效提高管线钢材的使用寿命和安全性。

其次，管线钢材的组织结构还与其碳含量和热处理工艺有关。

普通的碳钢管线材的碳含量较高，因此其晶粒较大，这种材料适用于一些普通的管道工程。

控制碳含量在较低水平的低碳钢管线材，由于其晶粒较小，可提高材料的韧性和抗腐蚀性能，适用于一些特殊环境下的管道工程。

钢材经过热处理工艺后，可以进一步改变其组织结构。

正火处理可以使晶粒更加均匀，并提高钢材的强度和韧性；淬火处理能够使晶粒变细，并提高钢材的硬度和强度，但会减低其韧性；回火处理可以减轻淬火带来的脆性，恢复钢材的韧性和塑性。

因此，在管道工程中，根据具体的要求和使用环境，选择合适的热处理工艺，能够使管线钢材的组织结构达到最佳状态。

最后，为了保证管线钢材的组织结构符合设计要求，需要进行严格的质量控制和检测。

常用的检测方法包括金相检查、显微组织分析、力学性能测试等。

通过这些检测手段，能够评估钢材的晶粒尺寸、套管组织以及力学性能的指标，从而确保管线钢材的质量和可靠性。

综上所述，管线钢材的组织结构是保证其稳定性、耐久性和安全性的重要因素。

宝钢钻井用套管实物性能试验研究

2010年第2期宝　钢　技　术宝钢钻井用套管实物性能试验研究王　琍1,黄子阳1,宋生印2(1.宝山钢铁股份有限公司,上海　201900;2.中国石油天然气集团公司,陕西　西安　710065) 摘要:针对套管在钻井过程中受到不同程度磨损的情况,模拟套管均匀磨损和偏磨工况,采用全尺寸实物试验方法,对宝钢Φ139.7×9.17mm P110钻井用套管进行了拉伸失效和静水压试验研究。

研究结果表明:宝钢钻井用套管,在上、卸扣试验中螺纹和密封面未发生黏着磨损,拉伸失效载荷大于AP I BU L 5C2规定接头连接强度最小值17.7%,失效内压值大于AP I BUL 5C2规定最小内屈服强度46.7%。

对该产品进行了钻井试验,完成油层套管钻井井深1160m ,满足了油田使用要求。

关键词:套管;套管钻井;套管性能试验中图分类号:TG 142.1　文献标志码:B 文章编号:1008-0716(2010)02-0049-05Exper im en ta l Resear ch on Perform ance of Ba osteel ’s Ca s i n g for D r illi n gW AN G L i 1,H UAN G Ziyan g 1an d SON G Shen gyin2(1.Ba oshan I r on &Stee l C o .,L td.,Shangha i 201900,C h i na;2.C NPC ,X i ’an 710065,Shan xi ,C h i na ) Abstra ct:The experi m ental r esear ch on tensile f ailur e and hydr ostatic pr essur e of B a osteel ’s Φ139.7mm ×9.17mm P110casing f or drilling was m ade on the basis of the casing ’s abrasi on in var ying degrees in the drilling pr ocess .I n the r esear ch,the casing ’s homogeneous and eccentric abrasi onswere si mulated .The r e s ults show that the thread and seal s ur face doesn ’t get any galling during the make 2up and br eak 2out pr ocess ;the whole casing can support an additi onal 17.7%of the m ini m u m established connecti on tensi on str ength and an additiona l 46.7%of the m ini m u m internal yie ld pressur e value,which were set in the API BUL 5C2.No w the pr oduct has been tested in the drilling experi ment .It could reach a 1160m dee p oil well and can meet the oil field ’s r equir ements .Key wor ds:casing;casing f or drilling;casing pe r for m ance testing王　琍　教授级高工　63年生　年毕业于北京科技大学现从事油井管工艺技术、质量管理和新产品开发电话　6655　2　@0　前言套管钻井是指在钻井过程中,直接采用套管(取代传统的钻杆)向井下传递机械能量和水利能量,井下钻具组合接在套管柱下面,边钻进边下套管,完钻后作钻柱用的套管留在井内作套管完井用。

钻井套管分类

钻井套管分类
钻井套管是石油钻井中的一种重要工具，其主要作用是保护井壁、防止井壁坍塌、控制井涌等。

根据不同的应用场景和要求，钻井套管可以分为多种类型。

1.套管分类
按照管道的直径和厚度的不同，可将套管分为多种类型。

一般来说，套管分为生产套管（生产钻井套管）、中间套管、防漏套管、固
井套管等。

2.套管材料分类
按照套管的材料不同，可将套管分为多种类型。

目前，套管的主要材料有碳钢、合金钢、不锈钢等。

其中，合金钢套管具有抗腐蚀性能优异、耐高温性好等特点，被广泛应用于海洋石油勘探等需要在极端环境下使用的场合。

3.套管用途分类
根据套管的用途不同，可将套管分为多种类型。

例如，生产套管用于油井生产过程中，起到固定地层和保护井眼的作用；防漏套管用于防止油井漏油；固井套管用于固井作业中等。

4.套管连接方式分类
按照套管的连接方式不同，可将套管分为多种类型。

目前，套管的连接方式主要有螺纹连接和非螺纹连接两种。

其中，螺纹连接具有连接简单、易于拆卸等优点，因此被广泛使用。

非螺纹连接则被广泛应用于高压、高温等特殊情况下的井下作业。

总之，钻井套管根据不同的分类标准，可以分为多种类型。

在实际的钻井作业中，选择合适的钻井套管类型，能够提高钻井的效率和安全性。

C110级油井管钢微观组织、力学性能和抗SSC性能研究

C110级油井管钢微观组织、力学性能和抗SSC性能研究高性能C110级抗硫化物应力开裂（SSC）无缝油井管是支撑严酷腐蚀环境油气资源开发的关键材料。

目前对该材料热处理工艺、马氏体微结构与使用性能之间关系的研究还不深入,认识尚不明晰,性能稳定性尚待提升。

为此,本文设计制备了C110级抗SSC油井管用28CrMo48VTiB钢,对试验钢进行了890℃淬火+（600720℃×3090 min）系列回火处理。

针对各样品,采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）和X射线衍射仪（XRD）等方法,对马氏体各微结构进行了表征;测试了拉伸、冲击和硬度等常规力学性能;通过双悬臂梁（DCB）试验,测试了SSC 扩展长度Δa浸泡时间t关系曲线、SSC扩展速率da/dt瞬时应力强度因子(KIapplied)关系曲线,测定了SSC停止扩展的临界应力强度因子KISSC;采用Devanathan-Stachurski氢渗透试验,分析了氢的扩散行为。

通过定量表征马氏体各微结构的强化贡献,揭示了强化机制,通过定量表征马氏体微结构与氢扩散、SSC萌生之间、晶界与SSC扩展之间的关系,揭示了抗SSC机理。

据此,开展了高性能C110级抗SSC油井管的工业试制。

结果表明:28CrMo48VTiB试验钢经890℃淬火+（600720℃×3090 min）系列回火处理,形成了回火马氏体组织。

该马氏体由Packet、Block和Lath各级亚结构组成。

X100级管线钢的微观组织与力学性能的关系

X100级管线钢的微观组织与力学性能的关系石油天然气输送管道发展趋势是采用大口径高压输送石油天然气并选用高强度级别的管线钢作为输送管道，这样既能大幅度降低管道建设成本、节约工程造价，又能提高管道输送设计压力。

继西气东输一线、二线工程后，为了实现我国的能源战略目标，各钢铁企业开始着手研发X100级及更高级别的管线钢。

到目前为止X100级管线钢尚处于研发试制阶段，现有研究表明，其微观组织主要由粒状贝氏体(GB)+针状铁素体(AF)+M/A岛状结构或下贝氏体(LB)+马氏体(M)+M/A岛状结构组成。

API5L将X100级管线钢的性能指标值暂定为屈服强度690MPa(SMYS)和抗拉强度760MPa(SMTS)。

国内关于X100管线钢的研究主要集中于管线钢的化学成分设计方面，采用相应地控轧控冷工艺(TMCP)或高温轧制工艺(HTP)得到力学性能满足要求的管线钢；国外的研究主要集中于X100管线钢的化学成分设计及其对微观组织的影响、板材轧制工艺参数。

对于X100管线钢的微观组织及其对力学性能的影响方面还缺乏深入的研究，并且评价出具有良好性能的微观组织对轧制工艺的制定具有重要的指导意义。

本文着重分析了国内外具有代表性的三家钢铁企业生产的X100级管线钢的微观组织的区别及其对力学性能的影响。

三种实验钢板的主要化学成分见表1。

根据ASTMA370-2002和ASTMA370-2005标准在钢管距焊缝180°母材部位取横向拉伸和冲击试样，并在MTS810型拉伸机和JB-800型冲击机上进行试验。

根据GB/T18658-2002(金属夏比冲击试验方法)取标准冲击试样，进行温度为20、0、-10、-20、-40和-60℃的系列冲击试验。

落锤试样在管材距焊缝1/4部位取横向落锤试样(DWTT)，试样尺寸为300mm×75mm×壁厚，缺口形式为标准压制V型缺口，实验设备型号为JL-30000，实验按API5L标准进行。

Ⅲ型载荷分量对 N80套管钻井用钢断裂韧性的影响

Ⅲ型载荷分量对 N80套管钻井用钢断裂韧性的影响孙福洋;杨旭;贠柯;丁勇;毕成【摘要】采用PLD－100微机控制电液伺服疲劳试验机、金相显微镜、SEM和EDS等，研究了不同III型载荷分量对N80套管钻井用钢断裂韧性的影响。

试验结果表明：N80钢由铁素体、上贝氏体和回火索氏体3种不同的显微组织构成。

由于断口形貌的不同，在不同III型载荷分量下，N80钢具有不同的总体断裂韧性；III型断裂韧性分量和I型断裂韧性分量之间呈线性相关性。

%The influence of different mode III loading component on the fracture toughness of N 80 casing-drilling steels was studied by PLD -100 electro-hydraulic servo fatigue testing machine , metallurgical microscope , SEM, EDS and soon.The results show that N 80 steel is composed of three different microstructure including ferrite , bainite and tempering sorbite .The N80 steel possesses different total fracture toughness under the different mode III loading component .This can be attributed to the fractography .The relationship between the mode III and mode I fracture toughness component is linear .【期刊名称】《管道技术与设备》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】4页(P6-8,16)【关键词】N80套管钻井用钢;III型载荷分量;断裂韧性;线性相关性【作者】孙福洋;杨旭;贠柯;丁勇;毕成【作者单位】西安特种设备检验检测院，陕西西安 710065;西安特种设备检验检测院，陕西西安 710065;西安特种设备检验检测院，陕西西安 710065;西安特种设备检验检测院，陕西西安 710065;西安特种设备检验检测院，陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TG142近年来，套管钻井技术引起了国内外石油企业的高度重视[1-2]。

钻井工具用钢4145H热处理工艺性能研究

１０５５
９１９．５
１４．５
９８８．５
８５９
１６．２５
１３３６．５
１２３０
１３．５
１２７２．５
１１６２．５
１４．２５
１２１４
１１０４．５
１５．２５
１１３１
１０２３
１４．２５
１０４５
９３３
１５．０
断面收缩率Ｚ／％
５１５１．５５５．５６０．５６０４６．５４９．５５１．５５３．５５７
表面硬度ＨＲＣ３５．５３６．０２９．１３２．６２４．７３７．６３７．９３４．８３２．５２９．５
试样材质ＣＳＰＳｉＭｎＣｒＮｉＭｏＣｕＶ３５ＣｒＭｏ０．３７０．００７００．０１８０．３１０．５００．８３０．０４００．１５０．０４６／４１４５Ｈ０．４６０．００８００．０１７０．３１１．１１０．７７０．１２０．２３０．０６９／
１．２末端淬透性通过原材料末端淬透性试验进行验证，绘制了
３５ＣｒＭｏ和４１４５Ｈ的淬透性曲线（图１）。
１原材料性能检测对比
对４１４５Ｈ和３５ＣｒＭｏ同规格的原材料圆钢，我们分别进行了化学成分、末端淬透性、非金属夹杂、晶粒度、低
图１末端淬透性曲线图
［收稿日期］２０１８－０１－２６

［基金项目］国家重点研发计划资助（２０１６ＹＦＣ０３０３３００）。［作者简介］夏玉曦（１９８５－），女，大学，助理工程师，主要从事金属材料性能的研究和开发新产品用钢。
引言
４１４５Ｈ属中等淬透性钢，热处理后有较好的强度和良好的综合力学性能，工艺性好，成材率高，最高使用温度为４２７℃。一般普遍用做石油钻探用钻铤钢，在工作时能承受各种力的作用，具备良好的力学性能，同时能应对服役环境中含有的硫化氢、二氧化碳等腐蚀溶液的侵蚀，具有良好的抗腐蚀能力。

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拉伸试样尺寸为
8. 9 mm ∀ 35 mm, 试验在
析在 VEGA\ T ESCAN 扫描电镜下进行。
CM T 5105 型拉伸试验机上进行 , 应变速率选择 1. 0 ∀ 10- 3 s - 1 。屈服强度确定方法参照美国石油学会标准 AP I Spec 5CT , 在拉伸曲线上取应变为 0. 5% 所对应的应力为屈服强度 , 拉伸试验完成后在 VE GA\ T ESCAN 扫描电镜 ( SEM ) 下观察断口形貌。冲击试样为夏比 V 型缺口试样 , 尺寸为 7. 5 m m ∀ 10 mm ∀ 55 mm 。取样方向为纵向, 数量为 3 个, 取平均值, 试验温度为 0 # , 试验设备为 84 型冲击试验机。硬度测试在 H RS 150 型数显洛氏硬度计上完成。疲劳试样如图 1 所示 , 为 AST M E647 标准 CT 试样。试样边长 30 mm, 厚 4. 8 mm ; 试样切口采用线切割加工, 钼丝直径 0. 1 m m, 线切割深度为 15 mm 。疲劳试验是在 P LD 100 型微机控制电液伺服疲劳试验机上进行, 试验温度为室温, 频率为 10 H z, 加载波形为正弦波。试验载荷范围为恒定值, 最大载荷 P m ax = 1. 4 kN, 试验应力比 R 分别为 0. 1, 0. 3, 0. 5, 0. 7, 裂纹扩展长度采用电位法微机辅助测试系统监测 ; 疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子K I 关系曲线采用七点递增法进行拟合。断口分
中图分类号 : T G115. 5 文献标志码 : A 文章编号 : 1000 3738( 2010) 01 0072 05
Microstructure and Mechanical Properties of Two Steels for Casing Drilling
XU Tian han1, 2 , FENG Yao rong3 , SONG Sheng yin3 , JIN Zhi hao2 , WANG Dang hui1
( 1. Co llege of M aterials Science and Engineeting , Xi an Shiyou U niv er sity , Xi an 710065, China; 2. Co lleg e of M ater ials Science and Eng ineering , Xi an Jiaoto ng U niver sity, Xi an 710049, China; 3. T ubular G oo ds Research Center o f CNP C, Xi an 710065, China)
摘要:
采用光学显微镜、扫描电镜、拉伸试验机、疲劳试验机等研究了套管钻井用钢 N80 和
K55 的显微组织和力学性能, 并进行了对比。结果表明: N80 钢显微组织主要由回火索氏体、铁素体及少量上贝氏体构成, K55 钢显微组织主要由珠光体和网状铁素体构成; N80 钢的抗拉强度与 K55 钢差别不大 , 但屈服强度比 K55 钢高约 40% , 而且 N80 钢的拉伸断口韧窝更细小, 更均匀 , 但伸长率低于 K55 钢的; 应力比对 N80 钢裂纹扩展速率的影响显著小于对 K55 钢的影响 , N80 钢的 K IC 比 K55 钢的更大; 因此, N80 钢具有更好的综合力学性能。关键词 : 套管钻井; K55 钢; N80 钢 ; 显微组织; 力学性能
表1
试验材料的化学成分 ( 质量分数)
Tab. 1 Chemical composition of tested materials( mass)
钢种 N 80 K 55 A PI S PE C 5CT - 2005 C 0. 38 0. 36 Si 0. 23 0. 32 Mn 1. 38 1. 51 P 0. 015 0. 025 ! 0. 030 S 0. 007 6 0. 008 5 ! 0. 030 Cr 0. 023 0. 028 Mo 0. 021 0. 025 -
1
1. 1
试样制备与试验方法
试样制备试验材料 K55、 N80 钢由中国石油天然气集团
满足 API Spec 5CT - 2005 标准对于石油套管用钢化学成分的要求。 1. 2 试验方法根据 GB/ T 13298 - 1991, 金相试样取样方向包括横向和纵向, 试样磨制抛光后 , 在 MEF 4M 型光学显微镜下观察夹杂物分布 ; 然后用 4% 硝酸酒精溶液进行浸蚀, 用显微镜及图像分析系统对组织进行观察分析。
%
Ni 0. 003 0. 004 V 0. 006 0. 006 Ti 0. 003 0. 004 Cu 0. 007 0. 007 -
公司石油管材研究所提供 , 取自套管接箍部分 , 以管材形式提供。试样从管壁上截取 , 其截取和加工要保证不影响材料性能 , 疲劳 CT 试样采用线切割方式加工。试验材料的化学成分如表 1 所示, 可见能
Key words: casing drilling ; K 55 steel; N80 steel; micr ostructure; mechanical pro per ty
0
引
言
[ 1]
时发生的井涌等, 增强了井眼的稳定性 , 呈现出良好的发展前景 [ 3- 4] 。由于在实际应用过程中 , 套管钻井技术使得套管的工作条件和环境更加恶劣, 所以也给套管的综合性能提出了更高的要求[ 5] 。尽管也有文献对 N80 等套钻井管用钢进行研究
2
2. 1
试验结果与讨论
显微组织
结果发现 K55 、 N80 钢中的夹杂物均较少, 有极少量长条状和球状夹杂物, 同时也能发现少量点状夹杂物。通过能谱分析可知长条状的为 MnS, 球状的为氧化物, 点状的也为氧化物。根据 GB/ T 10561- 2005 判定, K55 钢的硫化物为 0. 5 级 , 球状氧化物为 0. 5 级 , 点状氧化物也为 0. 5 级; 而 N80 钢的硫化物为 0. 5 级, 球状氧化物为 0. 5 级 , 点状氧化物为 1. 0 级。从表 1 可以看出 , K55、 N80 钢的硫含量和磷含量差别不大 , 均远小于 A PI Spec 5CT 2005 对于石油套管用钢硫含量和磷含量的控制值, 尤其是硫含量, 仅仅为标准规定的 25% ~ 30% , 这是其夹杂物少的主要原因。观察发现 K55 、 N80 钢横向试样和纵向试样显微组织区别不大 , 说明其组织分布均匀。由图 2 可见, N80 钢显微组织明显比 K55 钢的更细 , N80 钢的晶粒度达到 8. 0 级。 N80 钢显微组织主要由回火索氏体、铁素体和上贝氏体构成。回火索氏体为该钢的主要组织 , 约占组织总量的 70% , 在图 2 中呈灰色 , 是由白色铁素体和黑色渗碳体构成; 白色团块状及不规则状组织为铁素体, 约占组织总量的 20% 。另外, 还可以看见部分呈羽毛状上贝氏体组织 , 含量较少 , 不足组织总量的 10% 。由图 3( a) 可见 , 其上贝氏体组织的长度超过 20 m 。
Abstract: By means of optical microscopy, SEM , tensile testing machine and fatig ue testing machine, the
micro str uctur e and mechanical pro per ties of N 80 and K55 steels fo r casing drilling wer e studied and co mpar ed. T he results show t hat t he micr ostr ucture of N 80 st eel co nsisted of temper ed sorbit e, ferr ite and a small amount of upper bainite, the micro st ruct ur e of K55 steel mainly consisted of pearlite and netlike fer rite. T her e w as little differ ence in tensile strength between the N80 and K 55 steels, but the y ield str eng th of N80 st eel w as 40% hig her than that o f K55 steel. T he tensile fr actur e dimple of N 80 steel w as finer and more homog eneo us than that of K 55 steel, but the elong ation of N 80 steel w as lo wer than that of K 55 steel. T he ef fect of the stress ratio on fat igue crack g ro wth r ate of N 80 steel w as much less than o n that o f K 55 steel, and K IC o f N 80 steel w as hig her than that of K55 steel. So the co mpr ehensive mechanical pro per ties of N 80 steel w as better than those of K 55 steel.
[ 6]
套管钻井已被证明是一种降低成本、解决钻井时出现各种复杂事故的有效办法
[ 2]