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1、石油天然气钻采装备中的材料科学问题与先进石油天然气用钢（APGS）,李春福 油气藏地质与开发工程国际重点实验室（西南石油大学）,Page 2,目录,1、引言 2、石油天然气钻采装备中的材料科学问题2.1.现代石油天然气工业发展对钻采装备提出的新要求2.2.现代石油天然气钻采装备发展对材料的要求2.3.现代石油天然气钻采装备中的材料选择 3、现代石油天然气钻采装备中的材料与AHSS钢3.1.材料科学的发展与AHSS钢3.1.1.AHSS钢的物理冶金基础1）超细晶粒理论2）钢的组织调控理论3.2.AHSS钢的种类与石油天然气用钢3.3.先进石油天然气用钢的材料设计1)材料的热力学设计2)电子结构设
2、计）,Page 3,目录,4、先进的石油天然气用钢APGS4.1.超深井钻完井及新技术用钢的困惑（理论问题）4.2.可膨胀管用钢的研发及材料设计理论问题4.3.连续油管用钢的研发及材料设计理论问题4.4.极端环境条件下的油套管钢与合金的研发与材料设计理论问题 5、钻采装备中的表面工程与表面的仿生学理论5.1.金属表面的陶瓷涂层5.1.1.金属表面的纳米涂层5.1.2.纳米掺杂陶瓷涂层5.1.3.纳米掺杂陶瓷涂层用于螺杆与稠油热采5.2.金属的镀层与先进的化学镀层方法5.3.采油装备的表面的仿生学理论与应用 6、结束语,Page 4,1、引言,石油天然气钻采装备,石油天然气钻采装备与材料：,石油
3、天然气钻采装备是指在油气开发过程中必须的各种设施、设备。如钻机、钻挺钻杆、油套管、采油树、抽油杆、抽油机、作业机、罐车、泵车，以及集输设施等。,石油天然气钻采装备中的材料科学问题,石油天然气钻采装备与材料的选用与设计是一个重要的科学问题； 石油天然气钻采装备与材料的选用应满足石油天然气开发工程的要求，包括：强度、塑性、耐磨损、耐腐蚀以及其他的特殊要求和足够的使用寿命； 石油天然气钻采装备用钢的材料设计问题（包括材料的热力学设计和材料的电子结构设计）,Page 5,2、石油天然气钻采装备中的材料科学问题,石油天然气地质与开发工程的进展,2.1.现代石油天然气工业发展对钻采装备提出的新要求,找油找
4、气理论的发展 4000-8500米深层油气田的发现- 10000米以上的深层找油找气工程的开展,新形势下对石油钻采装备和材料的设计要求,万米钻机的研制成功。使得我国钻探12000m的超深井成为俄现实，而钻探超深井用的超高强度钻杆钻挺目前的API标准中不存在。 高强度超高强度管杆材料的需求，促使钢铁工业向这一方向努力； 油套管钢理论的困惑（如：套管的抗挤毁问题的J-T公式遇到的井下温度高于150度超深井时出现问题：诸如屈服强度随温度升高降低，出现蓝脆现象等）； 材料设计理论的进展给先进的石油天然气用钢的理论设计提供了可能和借鉴。,Page 6,2、石油天然气钻采装备中的材料科学问题,膨胀管技术和
5、膨胀筛管技术,2.2.现代石油天然气钻采装备发展对材料的要求1,膨胀管技术对套管材料提出的强塑积大于30000MPa%的要求. 可膨胀筛管提出的割缝尖端的良好止裂性能； 膨胀管材料搞的形变硬化率和高得的抗回复及抗应变时效功能,连续油管技术,连续油管技术对材料提出的强韧性 高的挠度要求； 多次使用过程中抗老化功能,Page 7,2、石油天然气钻采装备中的材料科学问题,超深井的钻探开发,2.2.现代石油天然气钻采装备发展对材料的要求2,超深井的钻探开发用的钻杆钻挺需要屈服强度大于750MPa的超高强度钢 同时要求具有高的抗扭转性能 具有高的抗磨损性能. 足够的抗高温能力,极端条件下的油气田环境钻完
6、井及采油装备,在酸性油气环境中具有高的抗腐蚀性能(包括抗全面腐蚀、局部腐蚀能力)， 高的抗SSCC硫化物应力腐蚀能力 足够的强度和塑性,Page 8,2、石油天然气钻采装备中的材料科学问题,套管钻井技术,2.2.现代石油天然气钻采装备发展对材料的要求3,高的抗挤毁强度 高的抗扭转强度 高的强韧性能 高得耐磨损性能,稠油开采技术,足够的高温强度 耐热性能及抗热疲劳性能足够的抗蚀性能,Page 9,2、石油天然气钻采装备中的材料科学问题,选材原则1：工程实际要求,2.3.现代石油天然气钻采装备中的材料选择1,This is a dummy text. Please ignore the follo
7、wing content as it is dummy text. This is definitely some dummy text. The text here is meaningless as it is used to fill this slide.,选材原则2:节能减排及降低装备成本,This is a dummy text. Please ignore the following content as it is dummy text. This is definitely some dummy text. The text here is meaningless as it
8、 is used to fill this slide.,Page 10,2、石油天然气钻采装备中的材料科学问题,已有材料的选用优先原则,2.3.现代石油天然气钻采装备中的材料选择2,This is a dummy text. Please ignore the following content as it is dummy text. This is definitely some dummy text. The text here is meaningless as it is used to fill this slide.,特殊需求材料的设计开发,This is a dummy te
9、xt. Please ignore the following content as it is dummy text. This is definitely some dummy text. The text here is meaningless as it is used to fill this slide.,Page 11,3、现代石油天然气钻采装备中的材料与AHSS钢,材料科学的发展,3.1.材料科学的发展与AHSS钢,材料科学研究的尺度 （现代实验仪器的进步，是的材料从宏观光学纤维组织-介观的原子晶体-微观的电子结构，材料科学的理论革命进展） 材料设计、材料计算发展（量子力学、统
10、计力学为材料科学计算设计提供了理论方法的可能） 纳米材料的启迪，微米级、亚微米级和纳米级晶粒制备只除了明确的方向。,钢铁工业的发展与AHSS钢的产生,上世纪后半夜，随着现代科学技术的发展 ，被人认为属于夕阳产业的钢铁工业和金属冶炼加工工业，伴随着先进的高强度钢的概念和理论的产生，焕发出了第二个春天。 到目前为止AHSS钢种纷纷问世，极大的 改变了汽车工业航天航空工业等等的发展。,Page 12,3、现代石油天然气钻采装备中的材料与AHSS钢,超高强度钢铁材料的研制,现代石油天然气工业的发展给钢铁材料退出了新的要求,This is a dummy text. Please ignore the
11、following content as it is dummy text. This is definitely some dummy text. The text here is meaningless as it is used to fill this slide.,极端环境条件下的新型金属材料研发应用,This is a dummy text. Please ignore the following content as it is dummy text. This is definitely some dummy text. The text here is meaningless
12、 as it is used to fill this slide.,Page 13,3、现代石油天然气钻采装备中的材料选择与AHSS钢,Advanced High Strength Steels（AHSS）钢的概念,3.1.1.AHSS钢的物理冶金基础,先进高强度钢，也称为高级高强度钢，其英文缩写为AHSS（Advanced High Strength Steel）。 国际钢铁协会( IISI) 先进高强钢应用指南第三版中将高强钢分为传统高强钢(Conventional HSS) 和先进高强钢(AHSS) 。,High Strength Steels and Advanced High St
13、rength Steels（AHSS）,传统高强钢主要包括碳锰(C -Mn) 钢、烘烤硬化(BH) 钢、高强度无间隙原子(HSS -IF) 钢和高强度低合金(HSLA) 钢； AHSS 主要包括双相(DP) 钢、相变诱导塑性(TRIP) 钢、马氏体(M) 钢、复相(CP) 钢、热成形(HF) 钢和孪晶诱导塑性(TWIP) 钢； AHSS的强度在500MPa到1500MPa之间，具有很好吸能性，,Page 14,3、现代石油天然气钻采装备中的材料与AHSS钢,1）超细晶粒理论,3.1.1.AHSS钢的物理冶金基础,晶粒尺度小于50m的钢成为超细晶粒钢，晶粒尺寸50-100m的钢材称为细晶粒钢.
14、超细晶粒钢的理论基础是钢的屈服强度与晶粒尺度之间的Hall-Petch关系 多晶体屈服强度s与晶粒平均直径d之间的关系可用霍尔-佩奇公式描述： os =0 +kd-1 /2式中0、 k与晶体类型有关的常数 采用热机械处理（TMCP）的方式 及新一代控轧控冷方式制备.,2）钢的组织调控理论,以提高钢的服役安全性为目标，提高钢的性能之组织调控理论和技术。 包括：温度和应力作用下的亚稳奥氏体相变机理、相变过程中碳扩散、相变组织多尺度特征、相变组织在温度应力腐蚀作用下的稳定性、以及获得高洁净度和高均匀度钢坯的化学冶金学和凝固技术基础。 建立以“多相（Multi-phase）、亚稳（Meta-stabl
15、e）、多尺度（Multi-scale）”（简称M3）为特征的组织调控理论，形成以第三代低合金钢、第三代汽车用钢和第三代马氏体耐热钢为代表的高性能原型钢技术，为大幅度提高建筑设施、汽车、能源装备的服役安全性奠定钢铁材料技术基础。,Page 15,2、石油天然气钻采装备中的材料科学问题,传统的TMCP(Thermo Mechanical Control Process）技术,1）超细晶粒钢,是将钢坯加热到11501050温度，在再结晶区或未再结晶区给予大压下进行轧制，然后再根据轧件的不同，进行不同温度区段的冷却。通常根据不同钢种，控制钢板950-600温度范围的变形量，达到奥氏体状态的控制和进一步
16、由这种受控态奥氏体发生相变的控制。 TMCP目的是改善钢板组织状态，细化奥氏体晶粒，使碳化物在冷却过程中于铁素体中弥散析出，提高钢板强度和综合机械性能。,新一代TMCP(Thermo Mechanical Control Process）技术,NGTMCP的中心思想是： (1)在奥氏体区间，趁热打铁，在适于变形的温度区间完成连续大变形和应变积累，得到硬化的奥氏体； (2)轧后立即进行超快冷，使轧件迅速通过奥氏体相区，保持轧件奥氏体硬化状态； (3)在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却； (4)后续依照材料组织和性能的需要进行冷却路径的控制。,Page 16,3、现代石油天然气钻采装备中的材料选择与AHSS钢,Page 17,3、现代石油天然气钻采装备中的材料与AHSS钢,1）AHSS钢的种类,3.2.AHSS钢的种类与石油天然气用钢,AHSS 主要包括双相(DP) 钢、相变诱导塑性(TRIP) 钢、马氏体(M) 钢、复相(CP) 钢、热成形(HF) 钢和孪晶诱导塑性(TWIP) 钢。,石油天然气用钢,
