專利名稱：具有優(yōu)良的可變機(jī)械性能的盤管以及通過連續(xù)熱處理生產(chǎn)這種管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的幾種實(shí)施方案都涉及盤管及熱處理盤管的方法。所述實(shí)施方案還涉及沿著所述盤管的長度方向具有特定或可變性能的盤管。
背景技術(shù)：
盤管是卷曲在卷軸上的長度連續(xù)的管，隨后當(dāng)執(zhí)行作業(yè)比如在井眼中使用時(shí)，該管將被展開。盤管可以由各種鋼制成，比如不銹鋼或碳鋼。盤管的外徑比如在約I英于至約5英于之間，壁厚在約0. 080英于至約O. 300英于之間，長度可達(dá)約50，000英尺。例如，通常的長度是約15，000英尺，但是長度可以在約10，000英尺到約40，000之間。盤管可以這樣生產(chǎn)，連接平金屬條以得到長度連續(xù)的平金屬，該平金屬可以送入制管廠的成形及焊接生產(chǎn)線(例如，ERW，激光或其它)，在此生產(chǎn)線上，平金屬條沿其長度被焊接以得到長度連續(xù)的管子，在管子退出焊接生產(chǎn)線后，被卷曲在卷軸上。在一些情況下，連接在一起的金屬條具有不同厚度，在這種狀況下得到的盤管被稱為“有錐度的盤管”，由于得到的管子的壁厚是變化的，該連續(xù)管具有變化的內(nèi)徑。生產(chǎn)盤管的另一方案是，它包括對外徑不等于最終外徑的管子進(jìn)行連續(xù)熱軋(比如，US6527056B2公開了一種生產(chǎn)盤管管柱的方法，其中在管柱的部分長度上外徑是連續(xù)變化或幾乎是連續(xù)變化的，W02006/078768公開了一種方法，其中退出制管廠的管子引入到鍛造工藝中，在該工藝下盤管的外徑減少了蓄意過大的盤管外徑，而成為額定外徑或目標(biāo)外徑，而EP0788850描述了一種鋼管減徑裝置的例子，前述每個(gè)專利中描述這樣的管子的所有內(nèi)容通過引用在此并入本申請)。前述這些方法能夠得到具有穩(wěn)定性能的盤管，因?yàn)樗龉茏邮怯猛徊牧线B續(xù)經(jīng)過同一工藝進(jìn)行生產(chǎn)的。因此，生產(chǎn)得到的管子的最終設(shè)計(jì)(比如尺寸和特性)是使用時(shí)管子需具備的所有條件的折中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的盤管具有沿長度方向的改善性能和變化性能。在一些實(shí)施方案中，盤管可以通過連續(xù)動(dòng)態(tài)的熱處理工藝(CDHT)進(jìn)行生產(chǎn)。在性能不恒定的意義上講，得到的新產(chǎn)品是“復(fù)合”管，產(chǎn)生具有獨(dú)特和最優(yōu)性能的復(fù)合盤管(例如，連續(xù)長度的管子，其能夠被卷曲到卷軸上，用于運(yùn)輸和展開用途)。連續(xù)長度的復(fù)合盤管的生產(chǎn)可以這樣實(shí)施，即通過引導(dǎo)事先生產(chǎn)的這樣的產(chǎn)品卷軸進(jìn)入連續(xù)動(dòng)態(tài)的熱處理生產(chǎn)線，以產(chǎn)生新的材料微觀結(jié)構(gòu)。所述熱處理是連續(xù)的，是因?yàn)楣茏右苿?dòng)，經(jīng)過相繼的加熱工藝和冷卻工藝，它是動(dòng)態(tài)的，因?yàn)樗軌蜻M(jìn)行修正，以對盤管的不同管節(jié)部分作出恒定變化的熱處理。連續(xù)盤管可以由更短的平金屬條制成，這些金屬條首尾相連，形成管子形式，并被縫焊，從而得到用于本發(fā)明所述工藝的起始盤管。所述起始盤管之后被導(dǎo)入CDHT工藝。CDHT改變微觀結(jié)構(gòu)，于是改善管體、縱向焊縫以及連接平金屬條的焊縫之間的性能以及使不均勻的性能達(dá)到最小化。
所述熱處理變量能夠連續(xù)調(diào)整，以產(chǎn)生不同的機(jī)械性能，抗腐蝕性能和/或沿盤管長度方向的微觀結(jié)構(gòu)。得到的復(fù)合盤管可以具有局部的性能增加或可選擇的性能，以允許在更深的深度下工作，局部增加的剛性以使縱向彎曲最小，期望在暴露給更高濃度的腐蝕環(huán)境的區(qū)域內(nèi)局部增大抗腐蝕性，或在特定位置具有性能變動(dòng)的任意修正設(shè)計(jì)。性能的這種變化會導(dǎo)致錐度的最小化或減小，改善疲勞壽命、保持更長距離的內(nèi)徑恒定、使條與條之間的不必要焊縫最少、減少重量、改進(jìn)檢測能力、管子容積和容量等。具體地，通過使管子的平均壁厚小于帶有錐度的管子的壁厚，能夠降低重量，原因是帶錐度的管子在一定區(qū)域內(nèi)增加壁厚，比如井頂位置的管節(jié)部分。帶錐度的管子的外徑(OD)通常保持恒定，而管子的內(nèi)徑(ID)發(fā)生改變以改變壁厚。例如，管節(jié)部分的壁厚的增大能夠降低管節(jié)部分的ID。因此，沒有錐度的管子的ID基本在整個(gè)管子上都是一樣的。由于具有基本恒定的ID，沿管子整個(gè)長度的ID能夠進(jìn)行檢測。例如，為了檢測ID，可以使用漂浮球。然而，所述漂浮球只能用于檢測帶錐度的管子的最小ID。另外，流過帶錐度的管子的流體流速(例如容積)受管子的最小ID的限制。因此，通過在管子的某些管節(jié)部分中不縮小ID而增加壁厚，也能夠增加管子的容積和容量。在一些實(shí)施方案中，提供一種處理管子的方法。所述方法可以包括提供管子的卷軸，從卷軸展開管子，對展開管子進(jìn)行熱處理以提供沿著展開管子的長度方向的變化性能，以及在熱處理之后卷曲管子。變化的性能可包括機(jī)械性能。溫度、保溫時(shí)間、加熱速率、冷卻速率中至少一個(gè)能夠在展開管子的熱處理過程中進(jìn)行改變，以得到沿著展開管子的長度的變化性能。在一些實(shí)施方案中，用兩個(gè)或更多個(gè)熱處理對管子進(jìn)行熱處理(如，兩個(gè)淬火回火步驟)。管子在整個(gè)長度上可以具有基本恒定的壁厚。與傳統(tǒng)的沒有變化性能的管子相比，由于沿著管子的長度具有變化的性能，管子在壁厚上可以基本沒有變化，以保持特定用途下具有足夠的性能。在一些實(shí)施方案中，提供一種盤管。所述盤管包括具有第一組性能的管子的第一實(shí)質(zhì)部分，和具有第二組性能的管子的第二實(shí)質(zhì)部分，從而第一組性能的至少一個(gè)性能不同于第二組性能的至少一個(gè)性能。例如，由于基本相同的鋼成分以及基本相同的熱處理工序，在第一組性能的至少一個(gè)性能與第二組性能的至少一個(gè)性能之間的差異會大于至少一個(gè)性能的通常變化。所述第一組性能和第二組性能的至少一個(gè)性能包括屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、疲勞壽命、抗腐蝕性、晶粒度或硬度。例如，管子的第一實(shí)質(zhì)部分可以包括第一屈服強(qiáng)度，管子的第二實(shí)質(zhì)部分可以具有不同于(例如小于或者大于)第一屈服強(qiáng)度的第二屈服強(qiáng)度。由于沿著管子的長度的變化性能，與傳統(tǒng)的沒有變化性能的管子相比，管子的壁厚可以基本沒有變化，以保持特定用途下具有足夠的性能。管子在整個(gè)管子上可以具有基本恒定的壁厚。此外，管子可以具有在整個(gè)管子上的基本均勻的成分。管子可以包括焊接在一起的多個(gè)管節(jié)部分，所述多個(gè)管節(jié)部分的管節(jié)部分之一的至少一部分包括第一實(shí)質(zhì)部分，同管節(jié)部分的至少另一部分包括第二實(shí)質(zhì)部分。在一些實(shí)施方案中，提供一種用于井內(nèi)的盤管。該盤管可以包括連續(xù)長度的管子，該管子包括鋼材料，所述鋼材料沿著管子的整個(gè)長度具有基本均勻的成分。管子具有至少一個(gè)第一部分和至少一個(gè)第二部分，該第一部分構(gòu)造位于井頂位置，第二部分相對于第一部分位于朝向井底的位置。管子的第一部 分具有第一屈服強(qiáng)度，管子的第二部分具有第二屈服強(qiáng)度，第一屈服強(qiáng)度不同于(如大于或小于)第二屈服強(qiáng)度。在一些實(shí)施方案中，第一部分的屈服強(qiáng)度大于IOOksi或約為lOOksi，第二部分的屈服強(qiáng)度小于90ksi或約為90ksi。在其它實(shí)施方案中，管子還包括具有第三屈服強(qiáng)度的管子的第三部分，該第三屈服強(qiáng)度介于第一和第二屈服強(qiáng)度之間，所述第三部分位于第一和第二部分之間。然而，所述CDHT使得任何長度的管子能夠得到數(shù)個(gè)性能的組合(例如YS)。所述管子的長度可以在10000英尺和40000英尺之間(或約10000英尺至約40000英尺之間)。管子的第一部分的長度可以是在1000英尺(或約1000英尺)與4000英尺(或約4000英尺)之間。此外，管子可以具有多個(gè)焊接在一起的管節(jié)部分，每個(gè)管節(jié)部分具有至少1500英尺(或約1500英尺)的長度。每個(gè)管節(jié)部分的長度與用以形成管子的偏移焊縫之間的距離相關(guān)。在管子成形之后，管節(jié)部分可以被焊接在一起或者平金屬條被焊接在一起，之后成形為管子。所述管子可以具有基本恒定的壁厚。例如，第一部分具有第一壁厚，第二部分具有第二壁厚，第二壁厚與第一壁厚可以基本相同。第一部分具有第一內(nèi)徑，第二部分具有第二內(nèi)徑，第二內(nèi)徑與第一內(nèi)徑可以基本相同。在一些實(shí)施方案中，管子的外徑在I英寸至5英寸之間(或約I英寸至約5英寸之間)。管子的壁厚在O. 080英寸至O. 300英寸之間(或在約O. 080英寸至約O. 300英寸之間)。在其它實(shí)施方案中，管子沿其整個(gè)長度可以具有基本恒定的壁厚。管子沿著整個(gè)長度可以具有基本恒定的內(nèi)徑。在一些實(shí)施方案中，管子可以沒有錐度，而在其它實(shí)施方案中，管子具有至少一個(gè)錐度。


圖I是繞在卷軸上的盤管的示例。圖2是用來將管子卷曲在卷軸上以及從卷軸上展開管子的鉆塔(鉆探機(jī))的示例。圖3是連續(xù)動(dòng)態(tài)熱處理工藝的示意圖。圖4是使用連續(xù)動(dòng)態(tài)熱處理的方法的實(shí)施方案的流程圖。圖5是洛氏硬度(HRC)與回火周期的最大溫度的函數(shù)關(guān)系圖，回火周期包括分別以40°C /秒和1°C /秒進(jìn)行加熱和冷卻。圖6涉及三種盤管的必要機(jī)械性能與深度之間的函數(shù)關(guān)系圖，該三種盤管是無錐度的IlOksi管、四錐度(four tapered)的90ksi管和六錐度的80ksi管，所述深度從井面(O英尺)到井底(22，500英尺)；以及，圖中虛線表示沒有錐度的復(fù)合管的實(shí)施方案的機(jī)械特性。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及沿其長度具有可變性能的盤管及生產(chǎn)這種盤管的方法。在一些實(shí)施例中，可以使用連續(xù)動(dòng)態(tài)熱處理工藝(CDHT)來生產(chǎn)沿其長度具有可變性能的盤管。所述熱處理是連續(xù)的，原因是管子移動(dòng)經(jīng)過接續(xù)發(fā)生的加熱和冷卻處理，熱處理是動(dòng)態(tài)的，原因是它可以進(jìn)行修正，以對盤管的不同部分進(jìn)行不斷變化的熱處理。為了沿盤管的長度得到不同的機(jī)械性能，可以連續(xù)地調(diào)整熱處理變量。處理后的復(fù)合盤管至少具有管子的第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一組性能，第二部分具有第二組性能，從而第一組性能的至少一個(gè)性能不同于第二組性能的至少一個(gè)性能。在許多情形下，盤管會被掛在井內(nèi)，因此盤管應(yīng)足夠堅(jiān)固，從而能夠支撐相關(guān)軸向負(fù)荷；在其它情形下，盤管會在井內(nèi)被推拉，當(dāng)取出時(shí)，盤管要抵抗井內(nèi)的 摩擦力被拉出。在這些狀況下，盤管在井頂處的材料會承受最大的軸向負(fù)荷。另外，對于較深的井，盤管上部分的壁厚會加大，以承受軸向負(fù)荷(不論是懸掛還是推拉)。人們已經(jīng)使用帶錐度的管子以允許只增加盤管上部分的壁厚，從而減小盤管的總重。人們還使用具有更高機(jī)械性能的不同復(fù)合材料，來增加抗軸向負(fù)荷的性能，但是這些材料通常很貴，難以加工并具有較低的抗腐蝕性能。在其它情況下，盤管被在井內(nèi)推動(dòng)，這可能就有增加剛性的需求；此外為了使盤管的剛性達(dá)到最大，管子的特定規(guī)格可能需要提高機(jī)械性能。對于其它情況，井的一些區(qū)域處于不同的溫度和腐蝕性環(huán)境，所以要求盤管要能夠抵抗腐蝕環(huán)境。通過降低其它材料特性比如機(jī)械性能，能夠增強(qiáng)抗腐蝕性，增強(qiáng)抗腐蝕性與增加軸向抗力和剛性的目標(biāo)相反。盤管被服務(wù)公司使用，服務(wù)公司會在一個(gè)地方提供服務(wù)，之后將盤管取出，重新卷曲，并把它移動(dòng)到另一地方。圖I表示在卷軸14上的盤管12的示意圖，圖2表示能夠?qū)⒈P管12卷曲在卷軸14以及從卷軸上展開盤管并將管子12送進(jìn)井內(nèi)的鉆塔10。管子的性能和疲勞壽命涉及在每個(gè)服務(wù)操作中與管子的卷曲和展開相關(guān)的低循環(huán)疲勞。疲勞壽命通常會在平金屬的原始連接區(qū)域降低。此外，疲勞壽命還受到焊接工藝的機(jī)械性能和操作條件的影響。此處所述的是一種產(chǎn)品，其中通過特定的加工后，得到的盤管被稱為“復(fù)合”管，目的是盤管的每一部分都具有最佳的性能。由此，沿著管子的長度設(shè)計(jì)管子的性能，在合適的位置得到需要的性能，從而增加整體的疲勞壽命，增強(qiáng)抗腐蝕性，使重量最小。特定的工藝(例如⑶HT)是利用了這樣的事實(shí)，即材料特性會在適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蟀l(fā)生改變。因?yàn)樵谶B續(xù)的熱處理工藝中，熱處理基本是溫度與時(shí)間的組合，所以溫度和速度(包括加熱速率和冷卻速率)能夠動(dòng)態(tài)地進(jìn)行改變，以實(shí)質(zhì)上調(diào)整被處理的管子的每一部分的最終性能。該工藝的另一優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)樽罱K性能受最終溫度和時(shí)間周期的影響，如果在處理過程中發(fā)生問題，盤管的性能可以進(jìn)行修正(比如，修補(bǔ))，所以如果發(fā)生嚴(yán)重但可逆的損壞，可以使用熱處理來重新整修已經(jīng)用過的盤管，或者使用熱處理來改變已經(jīng)生產(chǎn)出的盤管的性能。這種類型的處理使得服務(wù)公司為既定的操作參數(shù)指定最佳盤管，而不論盤管將要工作的井的數(shù)量如何。如果修正后的盤管不能找到更多的井來服役，它就是過時(shí)的(例如，盤管不具有有效應(yīng)用的性能)，這時(shí)它的性能應(yīng)當(dāng)進(jìn)行改變，只要對盤管沒有不可逆的損壞。由此，本發(fā)明的工藝(例如CDHT)能夠產(chǎn)生可充當(dāng)新產(chǎn)品的獨(dú)特產(chǎn)品(比如盤管)、用于操作的新工藝以及新的服務(wù)。比如，修理舊的盤管或改變性能，所述獨(dú)特的產(chǎn)品能夠開辟新“服務(wù)”的可能性。在些實(shí)施例中，處理管子的方法包括提供管子的卷軸，從卷軸上展開管子，對展開的管子進(jìn)行熱處理以提供沿著展開管的長度的變化性能，以及在熱處理后將管子卷曲。圖3是說明一個(gè)實(shí)施例的示意圖。管子12從第一卷軸14a展開，在展開之后，管子12經(jīng)過由箱子20表示的⑶HT處理，然后在第二卷軸14b上重新卷曲。
在一定實(shí)施例中，變化的性能包括機(jī)械性能。例如，所述機(jī)械性能可以包括屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、彈性模量、韌度、斷裂韌性、硬度、晶粒度、疲勞壽命、疲勞強(qiáng)度。許多機(jī)械性能彼此相關(guān)，比如斷裂韌性、硬度、疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度都涉及拉伸性能。所述可變化的性能可以包括抗腐蝕性?？垢g性可以包括抗硫化物應(yīng)力斷裂性能(SSC)。硫化氫(H2S)在液體(例如H2O)中溶解，通過PH值和H2S在溶液中的量可以測量腐蝕環(huán)境。通常，壓力越高，H2S在溶液中的量越大。溫度也可以發(fā)生作用。因此，在井內(nèi)的位置越深，就會經(jīng)受更高的壓力和更高的H2S濃度。由此，就需沿著管子的長度朝著管子井底方向的部分增強(qiáng)管子的抗腐蝕性。比如，通常大約井的底部75%具有最不利的腐蝕環(huán)境。因此，在一些實(shí)施例中，管子長度的底部75%比管子長度的頂部25%具有較低的機(jī)械性能和更高的抗腐蝕性。通常，抗腐蝕性與機(jī)械性能有關(guān)。比如，國際標(biāo)準(zhǔn)NACE MR0175/IS0155156號附錄A(A. 2. 2. 3鉆管)“石油天然氣工業(yè)一油氣作業(yè)中于含H2S環(huán)境下使用的材料”，該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容通過引用在此整體并入，該標(biāo)準(zhǔn)表明抗腐蝕性與機(jī)械性能直接相關(guān)。特別地，附錄A列出了一些材料，基于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和/或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)，在規(guī)定的冶金學(xué)、環(huán)境學(xué)和機(jī)械條件下，這些材料具有在H2S環(huán)境下抗SSC的合格性能。附錄A表明，環(huán)境的惡劣程度從區(qū)域I至區(qū)域3增加(增加了 H2S分壓和/或ph降低)，極限屈服強(qiáng)度(YS)的推薦值減小。例如，惡劣程度低的區(qū)域1，YS < 130ksi (HRC < 30)，惡劣程度中等的區(qū)域2，YS < IlOksi (HRC< 27)，惡劣程度很高的區(qū)域3 (HRC < 26或者HRC < 25. 4時(shí)最大API5CT等級是T95)，在所有區(qū)域下合適的推薦材料是Cr-Mo淬火回火鋼。表I對比了用于盤管的標(biāo)準(zhǔn)鋼產(chǎn)品和進(jìn)行淬火回火處理后的鋼，所述標(biāo)準(zhǔn)鋼具有鐵素體和珠光體微觀結(jié)構(gòu)以及變化的晶粒度。由于微觀結(jié)構(gòu)的一致性，所述淬火回火鋼的抗腐蝕性優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。80ksi到IlOksi盤管的抗腐蝕性例如按照ISO 15156降低。表I :
等級80 等級90110抗腐蝕性
(YS 85 ksi) (YS 95 ksi) ^Γ )(因微觀結(jié)構(gòu))
標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)_鐵素體+珠光體+貝氏體__低
g 品—晶粒尺寸(GS) 80 > GS 90 > GS 110(不均勻的微觀結(jié)構(gòu))
I 淬火回回火馬氏體$^η7；η^
I 火處理碳尺寸(CS) 80 > CS 90 > CS 110
的位錯(cuò)密度 80 <90 <110___
抗腐蝕性 φ^
(因YS)I ^ 中低_在熱處理過程中，在淬火回火處理下，微觀結(jié)構(gòu)將從鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。由淬火回火工藝得到的微觀結(jié)構(gòu)被NACE推薦為抗SSC的高強(qiáng)度鋼管。此外，由于回火導(dǎo)致碳晶粒細(xì)化，從而增加了韌性。由于珠光體或甚至貝氏體組織的消除，局部硬度變動(dòng)減少，而所述變動(dòng)會導(dǎo)致類似輥軋材料中出現(xiàn)的偏析。局部增強(qiáng)的硬度對于抗腐蝕性是不利的。此外由于管子各部分之間的焊縫減少，疲勞壽命也可以增加，通過熱處理增強(qiáng)了焊縫區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，和/或機(jī)械性能的降低。各種鋼成分可以用在此處所述的方法中。此外，各種鋼成分可以用在淬火回火工藝中。鋼成分可以包括比如碳-鎂、鉻、鑰、硼和鈦、或其組合。鋼成分可以例如根據(jù)線速度、水溫和壓力、產(chǎn)品厚度等進(jìn)行選擇。作為舉例，鋼成分包括
鉻軸承鋼盤管包括O. 23-0. 28wt % (或大約O. 23至大約O. 28wt % )碳，I. 20-1. 60wt. % (或大約 I. 20 至大約 I. 60wt. % )鎂，O. 15—0. 35wt. % (或大約 O. 15至大約 O. 35wt. % )硅，O. 015O. 070wt. % (或大約 O. 015 至大約 O. 070wt. % )鋁，少于 O. 020wt. % (或大約 O. 020wt. % )磷，少于 O. 005wt. % (或大約 O. 005wt.)硫，和
0.15—0. 35wt. % (大約 O. 15 至大約 O. 35wt. % )鉻;碳-鎂鋼盤管包括O. 25-0. 29wt % (或大約O. 25至大約O. 29wt % )碳，
1.30-1. 45wt. % (或大約 I. 30 至大約 I. 45wt. % )鎂，O. 15—0. 35wt. % (或大約 O. 15 至大約 O. 35wt. % )硅，O. 015O. 050wt. % (或大約 O. 015 至大約 O. 050wt. % )鋁，少于
0.020wt. % (或大約 O. 020wt. % )磷，少于 O. 005wt. % (或大約 O. 005wt.)硫；硼-鈦鋼盤管包括O. 23-0. 27wt % (或大約O. 23至大約O. 27wt % )碳，
1.30-1. 50wt. % (或大約 I. 30 至大約 I. 50wt. % )鎂，O. 15—0. 35wt. % (或大約 O. 15至大約 O. 35wt. % )硅，O. 015O. 070wt. % (或大約 O. 015 至大約 O. 070wt. % )鋁，少于 O. 020wt. % (或大約 O. 020wt. % )磷，少于 O. 005wt. % (或大約 O. 005wt.)硫，O. 010—0. 025wt. % (或大約 O. 010 至大約 O. 025wt. % )鈦，O. 0010—0. 0025wt. % (或大約 O. 0010 至大約 O. 0025wt. % )硼，少于 O. 0080wt. % (或大約 O. 0080wt. % )氮和 Ti 與N的比大于3. 4 (或大約3. 4);和馬氏體不銹鋼盤管包括O. 12wt% (或大約O. 12wt% )碳，O. 19wt. % (或大約O. 19wt. % )鎂,0. 24wt. % (或大約 O. 24wt. % )娃，11. 9wt. % (或大約 11. 9wt. % )絡(luò)，O. 15wt. % (或大約 O. 15wt. % )鈳，O. 027wt. % (或大約 O. 027wt. % )鑰，少于 O. 020wt. %(或大約 O. 020wt. % )磷,少于 O. 005wt. % (或大約 O. 005wt.)硫。鑰可以添加到上述鋼成分中，一些鋼成分可以組合為B-Ti-Cr，以改進(jìn)淬火性。在下面的實(shí)施例中例子I描述的是鉻軸承鋼。在些實(shí)施例中，為了得到沿盤管長度方向的可變性能，在對展開盤管進(jìn)行熱處理的過程中，至少溫度、保溫時(shí)間、加熱速率和冷卻速率之一可以進(jìn)行改變。在一些實(shí)施例中，作為沿管子的長度具有可變性能的結(jié)果，管子的壁厚基本沒有變化，與傳統(tǒng)的沒有可變性能的管子相比，能夠保持特定場合具有足夠的性能。所述管子甚至沿整個(gè)管子具有基本恒定的壁厚(比如管子沒有錐度)。用于形成管子的管節(jié)部分的平金屬條比如可在1500英尺至3000英尺之間(或大約1500英尺和大約3000英尺)。具有更薄厚度的平金屬條可以長于具有更大厚度的平金屬條。然而，如果需要壁厚有額外的變化，平金屬條可以更短，以允許壁厚上的額外變化。因此，如果針對壁厚的每個(gè)變化所需的平金屬條的長度短于平金屬條的最大可能長度，那么就需要額外的焊接接頭。如前所述，額外的焊接接頭會減少疲勞壽命。因此，如此處所述，通過使壁厚的變化數(shù)量達(dá)到最小，能夠減少焊接接頭的數(shù)量。例如，每個(gè)管節(jié)部分能夠具有最大化的長度。在一些實(shí)施例中，管子沒有少于1500英寸長的管節(jié)部分。在其它實(shí)施例中，沿管子的整個(gè)長度，管節(jié)部分的平均長度大于2500英尺。在其它實(shí)施例中，管節(jié)部分的平均長度大于有錐度變化的管子的長度。在一些實(shí)施例中，盤管的起始部分在工藝的一端被展開，之后，管子移動(dòng)，連續(xù)經(jīng)歷熱處理工藝，并在另一端再次被卷曲。卷軸裝置可設(shè)計(jì)成卷軸速度可迅速變化，它們能夠 移動(dòng)以追隨盤管運(yùn)動(dòng)，從而改變每單位時(shí)間內(nèi)管子的縱向單元的卷曲或展開速度，甚至更快速(飛速卷曲)。CDHT本身可以包括一系列加熱和冷卻裝置，這些裝置能夠容易地改變材料的加熱和冷卻速率。在一個(gè)實(shí)施例中，材料被動(dòng)態(tài)地淬火和回火，圖4表示該方法200的流程示意圖。方法200可以包括淬火步驟、中間步驟和回火步驟。在步驟模塊202中，起始材料的盤管被展開。在步驟模塊204中，管子移動(dòng)，經(jīng)過加熱單元，之后，在步驟模塊206中，用室外水淬火。加熱單元能夠調(diào)整功率，以當(dāng)管子的外徑和壁厚變化時(shí)，補(bǔ)償變化的質(zhì)量流，保持生產(chǎn)率穩(wěn)定。當(dāng)回火周期調(diào)節(jié)時(shí)，如果線速度被改變，它也可以調(diào)整功率，保持淬火溫度恒定，但是最終性能不同。在步驟模塊208中，管子進(jìn)行干燥?；鼗鸩襟E可以包括加熱單元和保溫單位。例如，在步驟模塊210中，可以對管子進(jìn)行回火處理，在步驟模塊212中，可以對管子進(jìn)行冷卻。保溫單元的支架可以被打開并通風(fēng)，于是它們能夠快速地改變保溫的總長(例如時(shí)間)，同時(shí)，它們可能快速地改變保溫溫度。在保溫流程的出口處，放置不同的氣冷裝置，以將管子冷卻到不再有進(jìn)一步冶金變化的卷曲溫度。對溫度和速率的控制使得能夠估計(jì)成品盤管的精確性能，這相對于某些傳統(tǒng)的盤管是有優(yōu)勢的，因?yàn)閷τ趥鹘y(tǒng)的盤管，只能在卷軸的末端實(shí)施檢測并測量性能。對于某些傳統(tǒng)盤管，在熱軋卷供應(yīng)機(jī)處的熱軋以及在電阻焊(ERW)成形過程中的冷成形工藝用不太精確的模式估計(jì)機(jī)械性能。在步驟模塊214中，管子被卷曲到卷軸上。得到的盤管可以具有各種構(gòu)造。在一些實(shí)施例中，盤管包括具有第一組性能的管的第一實(shí)質(zhì)部分，和具有第二組性能的管的第二實(shí)質(zhì)部分，從而第一組性能的至少一個(gè)性能不同于第二組性能的至少一個(gè)性能。此外，盤管可以具有多于兩個(gè)實(shí)質(zhì)部分的部分。例如，盤管可以包括具有第三組性能的管的第三實(shí)質(zhì)部分，于是第三組性能的至少一個(gè)性能不同于第一組性能的至少一個(gè)性能以及不同于第二組性能的至少一個(gè)性能。此處所述的實(shí)質(zhì)部分可以是具有足夠尺寸(例如長度)的部分，以能夠?qū)υ摬糠值闹辽僖粋€(gè)性能進(jìn)行測量。在一些實(shí)施例中，盤管的至少一個(gè)性能連續(xù)變化(例如，在無數(shù)個(gè)部分的附近)。在一些實(shí)施例中，管子的第一實(shí)質(zhì)部分具有1000英尺至4000英尺之間的第一長度(或約1000英尺至約4000英尺之間)，管子的第二實(shí)質(zhì)部分具有至少4000英尺(或至少約4000英尺)的第二長度。第一和第二實(shí)質(zhì)部分也可以為其它各種長度。在一些實(shí)施例中，第一和第二組性能的至少一個(gè)性能包括屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度、疲勞壽命、疲勞強(qiáng)度、晶粒尺寸、抗腐蝕性、彈性模量、硬度或者本文所述的任何其它性能。此外，機(jī)械性能(如屈服強(qiáng)度)的變化能夠?qū)е卤P管重量的變化。在一些實(shí)施例中，作為沿管子的長度具有可變性能的結(jié)果，管子的壁厚基本沒有變化，與傳統(tǒng)的沒有可變性能的管子相比，能夠保持特定場合具有足夠的性能。所述管子甚至沿整個(gè)管子具有基本恒定的壁厚。在一些實(shí)施例中，管子具有整體基本均勻的成分。例如，管子為焊接在一起的管節(jié)部分組成，這些管節(jié)部分在成分上沒有重大差異(例如，管節(jié)的成分基本類似)。所述管節(jié)部分或者為(I)看起來焊接在一起的管節(jié)部分，因?yàn)樗麄冇善綏l焊接、成形為管并縱向焊接而成，或者為(2)即在管子成形并縱向焊接在一起之后焊接在一起的管節(jié)部分。
實(shí)施例下述實(shí)施例用于證明本發(fā)明的⑶HT及由此得到的盤管的各個(gè)實(shí)施例的益處。例如，如下所述，盤管被熱處理以得到整體特性均勻的盤管。這些實(shí)施例只是示意性地描述，不應(yīng)理解為對本發(fā)明實(shí)施方案的范圍的限制。實(shí)施例I作為例子，要淬火和回火的鋼包括足夠的碳、鎂，并可以包括鉻或鑰或硼與鈦的組合，并且在不同溫度下進(jìn)行淬火和回火。各種其它的鋼成分比如前面所述的，也可以以類似的方法進(jìn)行淬火和回火。在下面的實(shí)施例中，盤管由下述成分組成，即大約O. 23至大約O. 28wt %的碳，大約I. 20至大約I. 60wt. %的鎂，大約O. 15至大約O. 35wt. %的娃，大約O. 015至大約O. 070wt. %的鋁，少于大約O. 020wt. %的磷，少于大約O. 005wt.的硫，和大約O. 15至大約O. 35wt. %的鉻。每種元素的數(shù)量是由鋼成分的總重決定的。實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)和工地實(shí)驗(yàn)用來測量與淬火和回火周期相應(yīng)的材料性能。長度的選擇必須保證均勻的溫度(每個(gè)狀況下都大于40英尺，在工地實(shí)驗(yàn)時(shí)材料連續(xù)移動(dòng)經(jīng)過加熱及冷卻單元，在實(shí)驗(yàn)室模擬情況時(shí)，材料是靜態(tài)的。)通過感應(yīng)加熱以40°C /秒加熱到最高溫度，然后以1°C /秒的速度在空氣下冷卻，材料經(jīng)受不同最高溫度的回火循環(huán)(見圖5，表示以材料的洛氏硬度C標(biāo)準(zhǔn)(HRC)測量的硬度的變動(dòng)與最高溫度之間的函數(shù)關(guān)系)。圖5的Tl是參照溫度(該實(shí)施例下大約1050° F)，其得到約27. 5HRC的硬度。該參照溫度及其得到的硬度根據(jù)鋼的成分不同會有不同。這些特定周期在最高溫度下不具有保溫時(shí)間(例如，材料不在最高溫度下保持任何有效時(shí)間)，但是可以采用處于較低溫度并保持更長時(shí)間的等同周期。材料事先進(jìn)行水淬，得到同樣的起始硬度水平和主要由馬氏體組成(大于體積的80% )的微觀結(jié)構(gòu)。通過采用這些回火周期，最終性能(如屈服強(qiáng)度)可被控制在80至140ksi之間，得到不同的成品。如圖5硬度與溫度的函數(shù)關(guān)系圖的斜率所示，如果使最高溫度變動(dòng)超過700C (例如，圖5的帶陰影線的三角形)，則產(chǎn)生硬度變動(dòng)的四個(gè)點(diǎn)(拉伸強(qiáng)度大約Ilksi的變化)。拉伸強(qiáng)度與硬度有關(guān)，這種關(guān)系的討論例如可參見Prentice Hall 1998年第4版H. Pollack著的《材料科學(xué)與冶金學(xué)》第96頁表3 ;表明22. 8HRC等同于118ksi，26. 6HRC等同于129ksi。3. 8HRC的硬度差對應(yīng)拉伸強(qiáng)度的IIksi。某些其它淬火回火鋼也具有類似的關(guān)系。這種溫度變化要比回火爐的控制能力大得多，該實(shí)施例說明，可在管子的任一點(diǎn)控制拉伸強(qiáng)度具有小于Ilksi的變化。對于沒有經(jīng)過熱處理的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，沿著熱軋卷的長度的機(jī)械性能的變動(dòng)可以為llksi，而且最高可達(dá)15ksi，于是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的機(jī)械性能可以沿著管子的長度變化，但是該變化是不可控的。另外，對于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這些性能隨著形成的管子的直徑不同而不同；而對于⑶HT管這些性能能夠保持化學(xué)恒定。如圖所示，在熱處理工藝的動(dòng)態(tài)控制下得到的復(fù)合管可以具有精確選擇的性能，所述性能在管子的每一部分以可控的方式發(fā)生變化。對于該工藝中使用的材料的校正曲線允許通過記錄溫度在管子的每個(gè)點(diǎn)控制精確的性能。在其它成分的管子上作的類似試驗(yàn)?zāi)軌蛴靡援a(chǎn)生校正曲線，該曲線隨后被用以得到⑶HT工藝的工藝參數(shù)，從而生產(chǎn)出沿著管子的長度具有選擇性能的盤管。另外，可以使用回火模式來選擇處理?xiàng)l件，通過改變比如時(shí)間 和溫度這樣的參數(shù)，這些條件能夠產(chǎn)生沿管的長度的選擇性能。例如，1945年的美國礦業(yè) 學(xué)院學(xué)報(bào)第223-249頁Hollomon等著的“回火鋼的時(shí)間-溫度關(guān)系” 一文描述了典型的回 火模式方法。Hollomon描述了，對井淬火材料進(jìn)行回火處理后得到的最終硬度(馬氏體的 百分比很高)是時(shí)間-溫度方程式的函數(shù)，而時(shí)間-溫度方程式隨著鋼的類型不同而不同。 在時(shí)間和溫度的任意組合的回火之后以及產(chǎn)生一些實(shí)驗(yàn)性數(shù)據(jù)之后，這種模式能夠用來計(jì) 算材料的最終硬度。在用實(shí)驗(yàn)性數(shù)據(jù)修正所述模式之后，能夠產(chǎn)生回火エ藝的校正曲線。為了動(dòng)態(tài)改變所述性能，使用感應(yīng)加熱、空氣冷卻或改變保溫時(shí)間能夠使溫度快 速上升或者快速降低(如果回火周期利用溫度和保溫時(shí)間，不只是如圖5所示的那樣僅利 用溫度)。該エ藝能夠用來產(chǎn)生具有可變性能的獨(dú)特盤管產(chǎn)品，如下面的實(shí)施例所示的那 樣，為了使其用途最優(yōu)，所述性能能夠發(fā)生改變。與熱軋的微觀結(jié)構(gòu)相比，熱處理后的微觀 結(jié)構(gòu)能夠更加精細(xì)和均一，這能夠改善腐蝕性能和疲勞性能。熱處理還能釋放材料在成形 過程(例如，熱軋和管子成形)產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。實(shí)施例2 在某些場合，還需要盤管在高達(dá)22500尺于深的井內(nèi)工作。管子的最小壁厚可以 是0. 134”，管子的OD可以是2. 00”。材料還可以在含H2S的環(huán)境中具有良好的性能和疲勞 壽命。如果管子被設(shè)計(jì)成承受軸向負(fù)荷、沒有錐度變化而且具有70%的安全系數(shù)，則材 料具有至少IlOksi的特定最小屈服強(qiáng)度(SMYS)0. 70xSMYS = A (面積)x L (長度)x 密度 /A = Lx 密度SMYS = L x密度/0. 70 = 22，500 英尺x (0. 283 磅 /英寸 3) x (12英寸 /英尺)/0. 70SMYS = 110, OOOpsi所述密度值估算為鐵的密度，大約0. 283磅/英寸3。這表明，如果管子的屈服強(qiáng) 度被設(shè)計(jì)為llOksi，則在井頂處的橫截面將能夠承受盤管的重量。如果同樣的盤管由SMYS 為90或SOksi的材料制成，則有可能需要在盤管的上部長度作出錐度，以增強(qiáng)阻カ面積 “A”(例如，與更靠近井底的盤管部分相比，盤管更靠近井面的部分的壁厚増加。)圖6表示 從井底(22500英尺)到井面(0英尺)對于110，90和SOksi的盤管所需要的機(jī)械性能的 完整線(見圖6的實(shí)線)。如圖6所示，通過實(shí)施壁厚的變化(例如錐度)(壁厚通常局限 于由軋鋼機(jī)產(chǎn)生的數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)厚度)，得到的帶錐度的盤管可以由110，90或SOksi的材料制 成(當(dāng)整個(gè)盤管只由一種類型的材料制造時(shí))。如果復(fù)合盤管具有隨著如圖6的虛線所示進(jìn)行改變的性能，由于所示性能改變而 改善了盤管的整體性能，如下面表II所示，則能夠進(jìn)行井內(nèi)作業(yè)。在表II內(nèi)就相關(guān)疲勞壽 命和泵壓(就復(fù)合管計(jì)算的)的估算是由用于預(yù)測服役壽命的模式和目前標(biāo)準(zhǔn)模式?jīng)Q定 的。例如，如圖6所示，管子在大約4000英尺的深度具有的屈服強(qiáng)度可以為至少llOksi，在 大約6500英尺的深度具有的屈服強(qiáng)度為至少90ksi，在大于約6500英尺的深度，屈服強(qiáng)度 為至少80ksi。表II:^實(shí)施例錐度焊接內(nèi)部焊相對I相對I相對I ssc抗I成本變化接頭瘤是否重量泵壓疲勞力數(shù)量清除壽命
權(quán)利要求
1.一種處理管子的方法，所述方法包括 提供管子的卷軸； 從卷軸上將管子展開； 對展開的管子進(jìn)行熱處理，以提供沿著展開管子的長度的方向的變化性能；和 在熱處理后卷曲管子。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述變化的性能包括機(jī)械性能。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中溫度、保溫時(shí)間、加熱速率和冷卻速率中的至少一個(gè)在展開管子的熱處理過程中發(fā)生改變，以沿著展開管子的長度方向提供變化的性能。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述管子在整個(gè)管子上具有基本恒定的壁厚。
5.一種盤管包括 管子的具有第一組性能的第一實(shí)質(zhì)部分；和 具有第二組性能的管子的第二實(shí)質(zhì)部分，從而第一組性能的至少一個(gè)性能不同于第二組性能的至少一個(gè)性能。
6.如權(quán)利要求5所述的盤管，其中第一和第二組性能的至少一個(gè)性能包括屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、疲勞壽命、晶粒度、抗腐蝕性或硬度。
7.如權(quán)利要求5所述的盤管，其中所述管子具有在整個(gè)管子上的基本恒定的壁厚。
8.如權(quán)利要求5所述的盤管，其中所述管子具有在整個(gè)管子上的基本均勻的成分。
9.如權(quán)利要求5所述的盤管，其中管子的第一實(shí)質(zhì)部分具有第一屈服強(qiáng)度。管子的第二實(shí)質(zhì)部分具有不同于第一屈服強(qiáng)度的第二屈服強(qiáng)度。
10.如權(quán)利要求5所述的盤管，還包括多個(gè)焊接在一起的管節(jié)部分，其中所述多個(gè)管節(jié)部分中的一個(gè)管節(jié)部分的至少一部分具有第一實(shí)質(zhì)部分，該同一管節(jié)部分的至少另一部分具有第二實(shí)質(zhì)部分。
11.一種用于井內(nèi)的盤管，包括 沿著管子的整個(gè)長度，管子的連續(xù)長度包括具有基本均勻成分的鋼材料，其中管子具有其結(jié)構(gòu)位于井頂?shù)闹辽俚谝徊糠?，和相對于第一部分位于朝向井底的至少第二部分；? 其中管子的第一部分具有第一屈服強(qiáng)度，管子的第二部分具有第二屈服強(qiáng)度，第一屈服強(qiáng)度不同于第二屈服強(qiáng)度。
12.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中管子還包括管子的第三部分，該第三部分具有位于第一和第二屈服強(qiáng)度之間的第三屈服強(qiáng)度，所述第三部分位于第一部分和第二部分之間。
13.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中管子具有焊接在一起的多個(gè)管節(jié)部分，每個(gè)管節(jié)部分具有長度至少約1500英尺。
14.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中所述第一部分具有第一內(nèi)徑，第二部分具有和第一內(nèi)徑基本相同的第二內(nèi)徑。
15.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中所述第一部分具有第一壁厚，第二部分具有與第一壁厚基本相同的第二壁厚。
16.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中所述管子具有長度在約10000至約40000之間。
17.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中所述第一部分的屈服強(qiáng)度大于約lOOksi，第二部分的屈服強(qiáng)度少于約90ksi。
18.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中所述管子具有沿管子整個(gè)長度基本恒定的壁厚。
19.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中所述管子的外徑在約I英寸至約5英寸之間。
20.如權(quán)利要求11所述的盤管,其中所述管子的壁厚在約O.080英于至約O. 300英寸之間。
21.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中所述管子具有沿著管子整個(gè)長度的基本恒定的內(nèi)徑。
22.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中所述管子沒有錐度。
23.如權(quán)利要求11所述的盤管，其中所述管子具有至少一個(gè)錐度。
全文摘要
本發(fā)明涉及沿長度方向具有改善的性能和變化的性能的盤管，通過連續(xù)動(dòng)態(tài)的熱處理工藝(CDHT)生產(chǎn)所述盤管。盤管可以從卷軸上展開、經(jīng)過CDHT處理并卷曲到卷軸上。CDHT工藝可以生產(chǎn)“復(fù)合”管，于是沿管子的長度方向的管子的性能可以有所選擇地改變。例如，管子的性能能夠沿著管子的長度方向有選擇地修正，用于使用管子的特定用途。
文檔編號E21B17/20GK102618709SQ20121002083
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者B·A·瑞徹特, J·邁特, M·瓦爾德斯 申請人:特納瑞斯盤管有限公司