摘要
根据万米特深井超高温超高压工况需求，开展超高强高韧套管合金化技术和制造工艺研究，开发出具有良好韧性、高温强度、抗挤毁和抗延迟断裂性能的BG155V超高强高韧套管，批量试制的性能检测结果表明屈服强度达到1100 MPa以上，0 ℃横向夏比冲击功平均值达到名义屈服强度的10%。对套管不同服役温度下强度、低温韧性以及微观组织进行了分析，发现采用热轧后控制冷却工艺的管体晶粒度达到11级，通过细小的晶粒保证材料良好韧性和抗延迟断裂性能，提升了万米特深井油气资源开发用套管安全服役的可靠性。
“特深井安全高效钻探技术与装备专题”编者按：地球深部探测是新世纪我国重大战略性科技计划，对解决资源、能源、环境问题具有十分重要的意义。特深井科学钻探作为地球深部研究的重要方法，面临着高温、高压、高地应力等极端复杂工况，对地面装备、井下工具，以及钻探材料等带来了巨大挑战。为此，编辑部组织了“特深井安全高效钻探技术与装备专题”，由王瑜教授、王志乔教授和张毅高级工程师等担任客座主编。本专题遴选11篇论文发表，内容涵盖特深井自动化装备、耐高温井下钻具及测控技术、抗高温耐蚀钻探材料等方面近年的研究成果。该专题的出版，有利于促进我国特深井科学钻探技术的发展。
我国经济和社会发展“十四五”规划要求加快深层油气资源利用，推动油气增储上产。目前国内8000 m以深的超深井数量逐步增多，部分油田正在开始建设万米深井油气资源开发，已经成功实施了多口超深井和特深
为解决万米井复杂地质条件所带来的套管失效风险，需要采用非标管柱设计以及超高强度套管，提升套管的强度和韧性，改善抗内压、抗挤毁、连接强度等实体性能，降低高温下套管性能的衰减，实现超深井、特深井管柱轻量化，提高管柱安全系数。为此，国内外各套管厂家和科研院所开发出150~155 ksi（1 ksi=6.89 MPa，下同）钢级高强度套管，通过对关键工艺的控制，实现150~155 ksi钢级套管的批量生产，可以满足超深油气井及地质复杂油气田的需
BG155V超高强高韧套管的化学成分最大值见
化学 成分 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | V+Nb+Ti |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 质量分数/% | 0.35 | 0.4 | 1.8 | 0.002 | 0.012 | 1.6 | 1.2 | 0.3 |
（1）炼钢：钢质的纯净度、夹杂物级别以及成分偏析的控制水平直接决定了材料的韧性和塑性。通过优化LF炉外精炼工序工艺参数、VD（真空脱气）分段吹氩搅拌工艺参数，实现钢中熔炼S含量平均值6.8 ppm（1 ppm=1/100万，下同），P含量平均值68 ppm，N含量平均值44 ppm，O含量平均值15 ppm，A、C夹杂物平均级别控制在0.5级以内，B、D类夹杂物控制在1.0级以内，通过高纯净度保证良好的韧性。
（2）连铸：高强度钢的合金含量较多，硬度较高，容易产生管坯缺陷，因此采用结晶器电磁搅拌工艺和凝固末端电磁搅拌工艺，减轻管坯枝晶偏析，同时投入6 mm管坯轻压下工艺以改善管坯枝晶偏析，有利于改善管体不同位置的合金元素分布以及韧性各项异性。
（3）轧管：采用穿孔-连轧-控制冷却-定径工艺，采用独有的热轧无缝套管在线组织性能调控装备平台对热轧管进行在线组织细化调控，抑制粗大晶粒组织的形成，改善材料的强韧性。同时针对高强钢合金高易导致管体内壁缺陷问题，结合材料高温塑性和变形抗力曲线对穿孔、连轧和定径工艺参数进行优化，防止套管内轧疤或内麻面的产生，管体尺寸精度提升，不圆度≤0.4%，壁厚不均度≤10%，保证套管具有较高的压溃强度。
（4）热处理：采用淬火+高温回火热处理工艺，淬火工序在宝钢第二代水淬装备平台上进行，该装备可以根据不同规格采用差异化的流量密度控制，并根据淬火效果实现管体全长分段淬火调控，消除局部淬火不均的问题。淬火后马氏体含量在95%以上，确保热处理后的管体全长和周向力学性能的稳定性，尤其是降低冲击韧性的波动范围。
（5）螺纹加工：采用高精度数控专用螺纹机床加工宝钢的BGT2C高气密封螺纹，并通过了ISO 13679 CAL Ⅳ试验评价。
对工业性生产的BG155V超高强高韧套管的力学性能进行分析，从
图1 BG155V力学性能统计分布
Fig.1 Statistical distribution of mechanical properties of BG155V casing
万米井的井底温度较高，可达到220 ℃甚至更高，套管材料在高温下会发生强度衰减，进而降低套管的抗挤毁和抗内压等实体力学性能，导致套管安全系数不足，存在失效的风险。为此对超高强高韧套管BG155V的高温强度进行研究，不同的温度条件下BG155V超高强高韧套管的高温强度结果见
图2 BG155V套管高温强度曲线
Fig.2 High temperature strength curve of BG155V casing
图3 BG155V套管韧脆转变温度曲线
Fig.3 Tough‑brittle transition temperature curve of BG155V casing
图4 BG155V套管在不同温度下的断口SEM形貌
Fig.4 Fracture SEM morphology of BG155V casing at different temperature
155 ksi钢级套管的屈服强度允许范围为1069~1206 MPa，强度控制范围较宽，套管不同位置的强度范围波动会直接影响套管的抗挤毁强度和抗内压强度等实体力学性能，因此为改善套管实体性能的稳定性，采用差异化的流量密度控制的分段淬火热处理工艺，实现管体全长分段淬火调控，提高全长力学性能稳定性。
图5 BG155V套管全长屈服强度分析
Fig.5 Full length yield strength analysis of BG155V casing
钢铁材料强化机制中细晶强化是唯一能够同步提高强度和韧性的强化机制。冲击韧性是表征套管材料裂纹萌生和拓展难易程度的有效方法，钢中的奥氏体晶粒细化后，晶界数量显著增加，管体中缺陷或者裂纹因晶粒取向角的差异拓展方向发生变化，抑制了沿晶开裂，降低了裂纹扩展速率，从而提高了材料的韧性。为了细化材料的奥氏体晶粒，BG155V套管采用独有的热轧无缝套管在线组织性能调控装备平台对热轧管进行在线组织细化调控，通过将热轧后的套管快速冷却到贝氏体相变区后空冷，增加相变过冷度，避免粗大的上贝氏体产生，细化轧态组织，从而使套管在重新加热调质后仍然具备较细的晶粒，从而提升材料的韧性。
图6 BG155V套管晶粒度
Fig.6 Grain size photograph of BG155V casing
采用立式挤毁试验机对BG155V超高强高韧套管的抗挤毁性能进行检测，该设备可以进行试样两段无约束条件下的抗挤毁性能检测，检测结果较常用的卧式挤毁试验机更接近于套管实际抗挤性能。Ø206.38 mm×17.25 mm规格BG155V超高强高韧套管的压溃强度均值达到172 MPa，满足塔科1井对五开套管抗挤毁性能的要求（见
| 钢级 | 规格/mm | 压溃强度/MPa | ||
|---|---|---|---|---|
| 最大值 | 最小值 | 平均值 | ||
| BG155V | Ø139.7×12.09 | 175.2 | 165.6 | 172 |
延迟断裂现象的产生是由于钢在环境中产生的氢向应力集中的部位扩散聚集，而这些应力集中的部位往往缺陷较多，氢扩散产生局部压力，与残余应力以及外加应力形成合力，当合力超过材料屈服强度时，就会产生断
延迟断裂行为是材料、环境、应力共同作用的结果，因此与材料的成分、组织、性能、加工，服役环境以及应力状态密切相关。合金元素中C的增加能够提高钢的延迟断裂敏感性；Si能够改善碳化物析出，降低裂纹扩散速度；Mn和S生成夹杂物易萌生裂纹；C、P、S、Si、Mn等元素的偏析会增大断裂敏感性；V、Ti、Mo、Cu可形成不可逆氢陷阱，降低可扩散氢浓度；Ni、Nb等元素可以细化晶粒，提高韧性，减少偏析，从而降低断裂敏感
常见的氢致延迟断裂试验评价方法包括：恒载荷/恒应变/恒位移试验，慢应变速率拉伸试验，冲杯试验，断裂力学试验，氢浓度测试。目前油井管行业对延迟开裂性能的研究尚未有统一的标准，用的比较多的是恒载荷试验方法，所采用的试样可加工缺口或预制疲劳裂纹模拟存在宏观缺陷的构件，也有采用光滑试样模拟良好构件。试验环境多种多样，如室温水、饱和水蒸气、NaCl水溶液、HCl水溶液等。
超高强高韧套管作业过程复杂，存在延迟开裂的风险，因此为保证实际服役的安全性，本文采用NACE TM0177标准A法恒载荷试验研究弱酸性环境下BG155V套管的抗延迟断裂性能，性能检验结果如
| 钢级 | 溶 液 | 气体 | pH值 | 载荷/MPa | 时间/h | 温度/℃ | 断裂情况 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BG155V | NACE TM 0177 A溶液 | 100% N2 | 2.7 | 1069×85% | 720 | 24 | 未断裂 |
| BG155V | NACE TM 0177 A溶液 | 100% N2 | 3.5 | 1069×85% | 720 | 24 | 未断裂 |
（1）针对万米深井超高温超高压工况开发的BG155V超高强高韧套管具备了优良的室温强度和韧性、低硬度、低温冲击韧性、高温拉伸强度、抗挤毁性能以及抗延迟断裂性能，满足万米深井油气资源对超高强套管的性能需求，有效提升了套管的安全系数。
（2）通过采用全新的超高强套管热轧后控制控冷工艺，实现了BG155V超高强高韧套管晶粒明显细化，晶粒度达到10.5~11.5级；BG155V套管的晶粒细化和低硬度控制显著提升了强韧性和抗延迟断裂性能，有利于提升万米井苛刻工况下套管长期服役的安全性。
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