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连续油管CT80生产技术产业化和CT90~CT130品种研发

一、需求背景、国内外相关情况介绍

连续油管技术由连续管、连续油管作业工艺和连续油管装置组成,与常规作业方式相比,连续油管技术具有高效、安全、环保等优势,是目前石油工业中先进的油气田作业方式。连续油管技术自60年代初在石油工业开始应用,经过50多年的发展,国外已经广泛应用于修井、完井、增产、钻井、管道集输等作业。

1962年,诞生了世界第一台连续油管设备。1963年,连续油管被应用于石油行业,给油气勘探开发带来了革命性的发展。国内自1977年引进第一台连续管作业机,到 2006年之前主要用于冲砂、洗井、解堵、气举等简单作业。2007年之后,随着国内自主连续管作业机和配套工具的开发,作业工艺得到了较大的发展,注氮排液、泡沫冲砂、速度管柱等应用得到推广。近年来,国内对于

连续管压裂、钻井以及完井的需要非常迫切,低渗透油气田和非常规气的高效开发,给连续管酸化压裂和钻井提供了前所未有的机遇。连续管作业时承受着拉、压、弯、挤、涨、冲刷等复杂应力冲击,长期服役于严苛腐蚀的环境。产品要求可重复多次使用,每次卷绕和放出时要经历3次弯曲和3次拉直,产生大塑性变形。产品服役条件对产品生产和应用提出了苛刻的技术要求。

连续油管技术在北美及发达地区得到了快速发展和广泛应用。截至2020年,全球已有2470余台CTU,中国在岗作业有90台。在北美地区,连续油管应用最为广泛,年消耗量占全球的60%以上,年增长率10%-15%,材质最高达130ksi。国内连续油管年需求量在10000吨左右,其中进口量占1/3,国内生产量占2/3,国内需求钢级主要为:CT70~CT110(其中以CT80为主)。

我国新疆、塔里木、西南等油田的超深井(6000~9000m)数量快速增长,CT110连续管已经不能完全满足超深井对下入深度、承载等方面的作业需求;此外,我国页岩气井主要以大位移水平井为主,且水平段的长度、水平段的压裂段数和压裂压力不断提高,最大水平段长度已达6000m以上。连续管作为水平井通(洗)井、传输射孔、钻磨桥塞等作业的重要工具,对连续管的强度、承压、下入深度等方面提出了更高的要求。因此,国内油田为满足作业需求,对CT130连续管产品的开发和应用设备及技术的攻关迫在眉睫。



二、需求内容描述

连续油管是一种可缠绕在大直径卷筒上,具有高强度、高韧性、耐腐蚀的挠性油管,单根长度可达几千米,工作压力可达60MPa。连续油管的循环加卸载会导致低周疲劳(LCF)损坏或强度性能软化(包辛格效应),以及作业环境介质的恶劣,材料还应具有良好的耐腐蚀性能。包钢为了发挥资源优势,提升产品档次和价值效益,2010开始投建具有国内外先进技术的2250mm热轧机组,2013年投产运行,致力开发汽车钢、管线钢以及工程机械高强钢等高附加值产品。充分利用2250mm装备优势,不断提升技术研发水平,目前包钢管线钢产品已实现了品种系列化稳定生产,在市场上形成了良好的品牌效应。但连续油管的开发在包钢还属于空白产品,连续油管从热轧原料、焊接、以及多次盘绕、展开的作业特性技术复杂、难点较多,本着引以自用、快速研发、快出成果的方案,开展对外合作研发的思路,实现连续油管在包钢产线的稳定化生产。

1.具体要求

1)包晶钢微合金化成分设计

为了保证产品具有良好的强韧性,产品成分设计需要优先考虑包晶钢微合金化的体系方案,按照目前稀土钢板材公司奥钢联铸机生产包晶钢微合金成分设计的钢种,连铸过程液位波动大,不具备稳定连续性生产,需要攻关解决。

2)非金属夹杂物要求严格

为了保证产品具有良好的耐疲劳性能和耐腐蚀性能,行业内连续油管非金属夹杂物各类级别均要求≤0.5级,目前稀土钢板材公司生产高级别产品非金属夹杂物控制情况来看,A、B、C达标率能达到85%以上,而D类夹杂物达标率为零,所以D类夹杂物的控制需要攻关解决。

3)耐腐蚀性能的研究

连续油管井下作业环境复杂,还要承受酸液的腐蚀,材料应具备较高的抗腐蚀能力。对于采用包晶钢+微合金成分系设计的连续油管用钢还没有腐蚀试验数据积累,开发与应用过程中进行研究攻关。

4)耐低周疲劳性能的研究

连续油管的循环使用要求产品具有良好的耐疲劳性能。目前没有相关产品的研究数据,需要研发攻关。

5)高强度薄规格钢带的焊接性能的研究

连续油管作业过程中经历多次弯曲和矫直,不仅钢管原料需要较好的强韧性,钢管成型焊接区和钢管之间的环焊区均需保证较好的强韧性,材料的焊接工艺和焊接区域的性能需要研发攻关。

2.解决内容及意义

1)在低成本开发理念下,不同钢级产品的成分设计、控轧控冷工艺、以及良好强韧匹配的力学性能控制的协同调配的研究。

2)钢质纯净度冶炼工艺和包晶钢连铸工艺稳定性的研究。

3)薄规格热轧钢带板形的控制研究,满足下游分条制管和管体成品的验收要求。

4)产品成型性(焊接性能、柔韧性)和应用性能(耐腐蚀性能、疲劳性能)的研究。

通过以上四方面的研究,全方面的解决了连续油管从材料设计、生产工艺、质量控制、下游加工成型以及应用性能(耐腐蚀性能和耐疲劳性能)全流程的技术难点,形成系统性理论和实践基础,对于其它新产品的开发,能够起到触类旁通、举一反十的作用,对于快速提高包钢产品档次意义重大。

3.实现目标及技术参数

1)产品保证低屈强比(≤0.85)控制,采用包晶钢成分系生产,保证浇铸过程液位的稳定性,实现产品的稳定、连续生产,连浇炉数达到3炉及以上。

2)严格控制钢中有害元素(P≤0.010%、S≤0.005%、H≤0.0002%、O≤0.0030%、N≤0.0045%)和非金属夹杂物A、B、C、D均≤0.5级的稳定控制,各项(典型产品CT80及以上牌号)性能满足标准要求,板型满足下游制管和管体成品的验收要求。

3)建立合适的产品成分体系和控轧控冷工艺,保证产品的耐腐蚀性,保证耐疲劳周期≥500次,每卷产品可重复使用20~35次。

4)建立炼钢-连铸-轧制的全流程生产工艺规程,实现钢水洁净度、铸坯质量和成品缺陷的严格控制,保证产品质量和服役过程的安全性。

5)实现CT80的工业化生产和批量化稳定应用,完成CT90、CT110以及CT130产品的工业试制,产品性能满足标准要求。


三、现有基础情况

1.项目开展的工作

前期已完成文献调研和市场产品的分析,并初步了解CT80连续油管用热轧钢带的成分及工艺设计,现阶段所做的工作:

(1)资料文献总结

连续油管(Coiled Tubing,简称CT),又被称作挠性油管,盘管或蛇形管,是相对于用螺纹连接下井的常规油管而言的,其总长度可达到几百米或几千米。具有如下要求:

1)高强度。连续油管在井下需要承受拉、压、扭、弯复合荷,且管体内外有高达20~70MPa的液体或气体压力,因此要求管体强度高。

2)塑性好。连续油管在井下作业一次至少需要塑性变形6次,每卷油管可重复使用20~35次,一般要求材料的伸长率不小于26%,屈强比不大于0.85。

3)耐蚀性。连续油管在井下作业时,油气中可能含有H2S、CO2、Cl-、HO等腐蚀性介质,当用于酸化作业时,还要承受注入酸液的腐蚀,因此,对其耐腐蚀性能也有一定要求。

(2)实物剖析情况

通过对产品的化学成分、力学性能和显微组织分析,初步确定材料的是以包晶C+(Cr+Nb+Ti+Mo+Cu)成分系设计。

2.项目所处的阶段

连续油管在包钢属于研发储备类新产品,现阶段为基础文献学习和市场产品的分析,还未投入工业化小批量试制。

3.投入资金和人力

包钢内部具有完善的技术研发机构和团体,钢联股份有技术中心和生产厂的技术部,两者有效配合协作,能够高效的解决产品研发生产技术问题。

4.仪器设备

技术中心具有以研究为基础的光学金相显微镜、高倍扫描显微镜和透射显微镜等分析手段,中试四辊可逆热轧机组一套以及工艺齐全的热处理炉和焊接研究设备,同时拥有CNAS认证的物理化学性能检验室。生产厂配备方便快捷的化学成分和力学性能的检验室,满足现场生产判定的需要。

5.生产条件

包钢稀土钢板材公司拥有炼铁、炼钢、2250mm热轧现代化先进的装备,完全具备连续油管的生产条件。


四、对技术方要求

为了快速推进产品开发进度,希望与国内相关重点科研机构或重点院校进行交流合作,合作方在产品管线钢或连续油管开发领域具有一定的经验或者行业内具有一定的知名度,揭榜机构具有一定的科研能力和实验设备。


五、产权归属、利益分配等要求

甲方:内蒙古包钢钢联股份有限公司

乙方:技术方

1、著作权:

(1)本项目开发的技术资料属甲方所有。转让所获利益归甲方。

(2)出版著作和有关文献时,出版所获利益归甲方。

2、甲方可以无偿把该项研究成果推广应用到包钢内部其它项目研发中,甲、乙双方不得单独向第三方转让。

3、以上各项,除单方条款外,其余各项如发生利益时,双方均需另行签约。

4、以上条款和知识产权协议是指研究该项目新形成的技术成果。


六、实测要求

各级连续油管实验材料和工业生产的原料标准满足API SPEC 5ST 《连续油管规范》要求。


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