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1、石油天然气工业的发展与先进石油天然气用钢,西南石油大学材料科学与工程学院博士生课程讲座2李春福,前言,材料（material）：是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质的统称。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人 复合材料钢筋们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。由于多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。,前言,材料可按多种方法进行分类。按物理化学属性分
2、为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如半导体材料、超导材料、光电子材料、磁性材料等。,前言,材料科学（material science）：材料科学是上世纪60年代以后提出上世纪末的到国际公认的概念。研究材料的
3、组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。,前言,科学的定义：对一定条件下物质本质变化规律的研究和总结。科学是运用范畴、定理、定律等思维形式反映现实世界各种现象的本质和规律的知识体系，是社会意识形态之一。科学是人类智慧结晶的分门别类的学问。科学就是讲求证据，逻辑严密的人类认知。换言之科学应该是可以完全采用数学进行描述的学问。,前言,材料科学的形成是科学技术发展的结果。这是因为：第一，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的研究和了解；同时，冶金学
4、、金属学、陶瓷学等对材料本身的研究也大大加强，从而对材料的制备、结构和性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入，这为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。,前言,第二，在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料科学都已自成体系，它们之间存在着颇多相似之处，可以相互借鉴，促进本学科的发展。如马氏体相变本来是金属学家提出来的，而且广泛地用来作为钢热处理的理论基础。但在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变现象，并用来作陶瓷增韧的一种有效手段。,前言,第三，各类材料的研究设备与生产手段也有很多相似之处。虽然不同类型的材料各有专用测试设备与生产装置，但更多的是相同或相近的，如显微镜、电
5、子显微镜、表面测试及物理性能和力学性能测试设备等。在材料生产中，许多加工装置也是通用的。研究设备与生产装备的通用不但节约了资金，更重要的是相互得到启发和借鉴，加速了材料的发展。,前言,第四，科学技术的发展，要求不同类型的材料之间能相互代替，充分发挥各类材料的优越性，以达到物尽其用的目的。长期以来，金属、高分子及无机非金属材料学科相互分割，自成体系。由于互不了解，习惯于使用金属材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又对其不太了解，不敢问津。相反，习惯于用高分子材料的，也不想用金属材料或陶瓷材料。因此，科学技术发展对材料提出的新的要求，促进了材料科学的形成。,前言,第五，复合材料的发展，将各种材料
6、有机地联成了一体。复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合，通过材料科学的研究，可以对各种类型材料有一个更深入的了解，为复合材料的发展提供必要的基础。但是这些理由对于材料自身的不同学科融合，并不能从根本上解决问题。这中间存在着太多的难以融合的故事。,前言,众所周之，材料科学与工程是研究材料的成分、组织结构与性能及其制备方法之间的关系的一门学科。材料科学是建立在材料的物理结构和材料的化学热力学以及材料的性能学（包括结构材料的材料力学性能和功能材料的材料物理性能、化学性能）的基础之上。传统的材料科学是一门以实验室研究为主的实验学科。,前言,1998年我国根据国内外高等教育的现状，对本科专业设置进行
7、了调整，随着现代物理、化学以及科学技术的发展，高等教育中的材料类专业经过大幅度合并整合，形成了金属材料，无机非金属材料，高分子材料和复合材料四大类材料专业，并设置了泛含所有材料的宽口径的引导性大材料专业-材料科学与工程（80205Y）。与此同时，在学科建设中将分属于不同的一级学科的形形色色的材料类近三十个二级学科，整合形成材料科学与工程一级学科，以及相应的材料物理与化学，材料学和材料加工工程三个二级学科。以培养适应新世纪需求的材料类专业人才。,前言,2006年-2010年国内钢铁企业开始进行G3合金（Ni-Cr22-Fe20-Mo7-Cu2）的试制。到2010年底，宝钢已经开始进行批量生产镍基
8、合金油套管。但这种油套管的强度指标与P110油套管相近，抗拉强度900MPa、屈服强度650MPa，但延伸率只有15%左右，不能制备可膨胀管。高含硫酸性油气田中采用现有的G3合金作为可膨胀管材料是不恰当且不可能的。,前言,这种专业与学科的整合背景是与近几十年来材料科学与工程的发展密不可分的。但是，在新的大材料专业的本科生教育和新的一级学科下的研究生教育中的十几年的尝试中，由于对传统材料类专业教育的根深蒂固的影响以及对大材料问题的理解和认识的不同，在实施过程中出现了不少问题，其中最为突出的莫过于对固有的，知识体系分属于化学工程类的高分子材料等专业和隶属于冶金、机械类的金属材料等专业如何融合的问题
9、。以及新的专业课程设置中提出的固体物理、量子力学、统计力学设置的明确要求以及在材料科学基础、材料工程基础中不同类材料的知识如何融合问题。,前言,自1998年至今，在我国高等教育材料类院校的办学过程中，对于上述两个问题的争论从来就没有停止过。在材料科学与工程的高等教材体系中，大材料在微观尺度的融合尝试有之（如2006年余永宁编著的“材料科学基础”），倒退回各个专业方向的教材回潮同样也不少见。这种现象的并存是材料科学的理念自上世纪50-60年代形成以来，材料科学经过50-60年发展，从实验学科走向理论学科阶段的发展必然。,前言,这一点与上世纪初的物理学随着量子理论的诞生、完善从实验科学到理论科学和
10、上世纪末化学从实验科学到理论化学的发展经历非常相似。1998年诺贝尔化学奖授予美国化学家Walter.Kohn和英国化学家John A.Pople.，以表彰他们在理论化学上的贡献，其中Kohn创造了密度范函理论；.Pople.在量子化学计算上发展了新的计算方法。,前言,而量子力学理论和量子化学理论的完善，使得人们对材料科学中的材料结构的认识从惯常的“相结构”层次向“原子、电子结构”层次发展，而且化学中的物质结构的微观理论，化学键理论也恰恰可以作为材料的微观理论的极其重要的基础。,前言,实际上应该说，大材料的专业中包含的世界上的形形色色的材料是在原子结构层次上进行的统一。而量子力学对材料原子结构
11、的微观分析才是统一材料科学理论的基础。并且这种统一理论与材料的宏观性能之间建立起相应的关系，是靠统计热力学来完成的。因此，可以说，量子力学与统计热力学是材料科学与工程专业的重要的技术理论基础，是建立起材料微观结构与宏观性能之间关系的桥梁及枢纽。,前言,因此可以说，以量子力学和统计热力学为基础建立起的凝聚态物理理论、固体物理理论，以及由此构成的材料学，是现代材料科学的理论基础，是当前材料科学与工程学科发展的方向。目前，国内外材料的原子层次的结构设计计算的蓬勃发展恰恰表明了这一点。,前言,当然由于材料科学泛含得内容极其广泛，对材料科学中在相结构分析阶段形成的的林林佐佐的诸多概念完全采用量子概念下的
12、原子、电子理论分析和靠统计热力学建立起微观与宏观联系，来解释清楚这些问题不是一朝一夕能够完成的，这需要众多的材料科学工作者进行艰苦卓绝的努力。,1石油天然气工业的发展,近年来，国内外石油天然气的需求极大的促进了我国石油科技的进步，从深井（超过4000m）超深井（超过6000m）的钻探成功并找到高产油气资源，以及特深井（超过9000m）钻探，到复杂油气藏与高含酸性气体油气田开发等1-10，对钻采装备，配套工具，工艺技术都提出了更高的要求，,1石油天然气工业的发展,经过几十年的努力，我国在高技术钻采装备领域取得了一定的进展，如2008年我国宝鸡石油机械厂研制成功并投入使用的12000m在特深井钻机
13、，天钢、宝钢、攀长钢研制成功镍基合金G3油套管以及十一五期间可膨胀管、连续油管、套管钻井等新技术等方面的发展，都为石油天然气工业的高速发展提供了相应的技术支持11-22。,1石油天然气工业的发展,众所周知，石油天然气钻探开发以及石油装备、配套工具的进步，在很大程度上依赖钢铁等金属材料的发展。同样在最近二十年中，钢铁等金属材料领域的科学与工艺技术也得到了长足的进步，从上世纪后期的微合金化非调质钢、无间隙原子钢、双相钢的诞生与应用，,1石油天然气工业的发展,到上世纪末本世纪初通过热机械控制工艺(TMCP-Thermo Mechanical Control Process)获得超细晶粒钢23-28以
14、及相变诱发塑性钢（TRIP）、孪生诱发塑性钢（TWIP）等先进高强度钢概念的推出29-36，到2009年我国开展的高性能钢的M3组织调控理论与技术研究37，对当代科学技术及各工业部门在技术进步、提高质量、节能减排都起得巨大的作用。,1石油天然气工业的发展,以汽车工业为例，近年来汽车工业在节能、安全、轻量化方面，对钢材的选用和新钢铁材料开发上走出了一条现代高科技之路，先进的汽车用钢，新一代的汽车用钢铁材料的理念提出，为汽车工业的发展注入了强大的生命力38-42。,1石油天然气工业的发展,石油天然气工业在现代新的先进钢铁材料应用上虽取得了一定的进展，如在抽油杆上使用非调质钢，石油天然气输送管道用钢
15、中引入针状铁素体管线钢概念等43。但总体上说，钢铁等金属材料在针对石油天然气工业提出的新理念新要求，从材料学科的角度缺乏相应的研究，从推广应用的角度缺乏总体要求与规划。以至于在石油天然气领域，从钻采装备的设计思想到材料的选用大多均延续着上世纪中后期的观念。,1石油天然气工业的发展,作为钢铁与金属材料重要的应用领域之一，作者认为应该在石油天然气工业中建立与当前先进的钢铁与金属材料相适应的石油天然气用钢的概念；最大限度的推广应用已经在其他领域中成功应用的先进钢铁材料；同时，结合石油天然气领域中的特殊需求设计开发新的石油天然气用钢，,1石油天然气工业的发展,已达到解决新世纪石油天然气安全高效开发，完
16、成深井、超深井、特深井，包括高含H2S和CO2的酸性油气田以及复杂油气藏开发和提高采收率等新技术中遇到的种种难题，降低开发成本，提高效益，同时达到节能减排，保护环境的目地。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,2.1钢铁材料发展的科学前沿新一代钢铁材料的研究谓新一代钢铁材料是指：充分利用人类一百多年来在物理冶金、化学冶金和力学冶金上的研究成果，使钢铁材料的合金化作用和生产工艺技术进步相结合，发展的新一代钢铁材料产品并进行的基础理论研究。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,目前的新一代钢铁材料的主要特征为：在充分考虑经济性的条件下，钢材具有高洁净度（钢中的杂质元
17、素S、P、O、N、H的总含量小于8010-6）、超细晶粒（钢的晶粒尺寸在0.110m间）、高均匀度（钢的化学成分、组织和性能均匀）的特征，强度比常用钢材提高一倍，钢材使用寿命增加一倍。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,并且在钢的化学成分制备工艺组织结构性能的关系中，重点强调了组织的主导地位，即其超细微观组织表现出优异的综合性能。新一代钢铁材料的基础理论研究，表现在两个方面：其一为超细晶粒理论和实现方法的研究，其二为M3组织调控理论及工艺技术的研究。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,超细晶粒钢的研究自近代和现代液态钢铁冶金生产至今，大量生产和使用的碳结钢(
18、约占钢产量70%)的屈服强度一直是200 MPa 级。人们从完整晶体铁的理想强度研究结果出发(S.S.Brenner 给出纯铁方向的实测抗拉强度为13.1 GPa)，认为钢的强度仍有很大的提高空间，尽管以往所应用的钢均是采用金属缺陷强化原理生产的。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,应该说，在人类使用钢材的一百多年的时间里，人们对钢中的强化机理(固溶强化、析出强化、位错强化、细晶强化等)已有了深刻的认识，但是，在通过合金化和工艺控制可以很好地获得所需要的性能这个问题上仍然有许多不明了之处。能否经济地提高其强度、减少钢材使用量，一直是国际上重点关注的问题。,2新一代钢铁材料发展
19、的科学前沿及先进高强度钢铁材料,在实现钢铁材料强度翻番的材料科学方法上，晶粒细化是最有效可行的方法。根据钢材的屈服强度与晶粒尺度关系的Hall-Petch公式：S0Kd-1/2多晶体的屈服强度S与晶粒平均直径d直接相关。因此细化晶粒是强化钢铁材料的重要手段之一。超细晶粒钢是当今世界钢铁材料技术领域的开发热点。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,研究表明26，如果将铁素体晶粒从工业生产的20m左右细化到微米级(5m 左右)，碳结钢的屈服强度可以从200 MPa 级提高到400 MPa 级；将微合金化钢的晶粒从工业生产的十几个m细化到2m左右，屈服强度可以由400 MPa 级提高
20、到700 MPa 级。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,对于超细晶粒钢的获得方法，应该说在过去的数十年间最重要的钢铁技术进展之一是控轧控冷细化微合金钢的组织的技术。即所谓热机械控制工艺（TMCPThermo Mechanical Control Process)的工业方法，这种工艺方法是由热轧过程中，控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制(CR Control Rolling)的基础上，再实施空冷或控制冷却(加速冷却ACCAccelerated Cooling)的技术总称。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,高性能钢的M3组织调控理论与技术研究钢材的性能
21、与组织密切相关。钢铁材料的组织表征和有效控制逐渐从微米尺度深入到纳米尺度。钢铁材料的性能改善由106单位逐渐提高到109单位。“性能Giga化”与“组织控制的Nano化”相连，与“多相组织（Multi-phase）、亚稳组织（Meta-stable）、多尺度组织（Multi-scale）”的认知和控制密切相关。通常，人们认为对单一强化机理的认识已经深入到了原子尺度。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,但是实际上人们对钢铁材料由多个强化机制所共同作用结果，多种强化机制相互作用机制的认识还远远不足。多相（multiphase）组织亚稳（metastable）组织、多尺度（mult
22、i-scale）组织（M3）是认知钢铁材料行为与控制钢铁材料性能的关键因素，是目前钢铁材料学科发展的前沿。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,针对钢铁结构材料的现状与发展趋势，我国973钢铁材料三期项目（2009-）将研究“多相组织、亚稳组织、多尺度组织”M3组织的形成现象、规律和理论，并形成高性能钢生产和应用的控制技术。我国低合金钢生产和应用技术已经接近国际先进水平。第一代低合金钢（300500MPa级的铁素体/珠光体的C-Mn钢、Si-Mn钢、微合金钢等）和第二代低合金钢（500900MPa级的针状铁素体钢、贝氏体钢、马氏体钢等）是目前生产和应用量大面广的材料。,2新一代
23、钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,现代科技和工业发展需要更高韧性和塑性的高强度钢材，即第三代低合金钢，在保持高强度的同时，大幅度提高塑性或韧性，900MPa，低温 250J，30%，同时具有良好的加工性能的超高强度钢。三代低合金钢的组织变化见图1，第一代为F+P典型组织、第二代为B+F典型组织，第三代的组织调控的目标是获得“M3组织”。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,图1第一、二、三代低合金钢的组织变化图,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,2.2近几十年的新钢铁材料的发展及应用近年来，先进高强度钢（AHSS-Advanced high stre
24、ngth steels）,包括无间隙原子钢（IF）、双相钢（DP）、相变诱发塑性钢（TRIP）、孪生诱发塑性钢（TWIP）、复相钢（CP）、马氏体钢（MART）等已经成为汽车等高技术领域中的研究热点33。这类钢材具有良好的强塑性配合，是当代节能减排，降低制造业成本和能源消耗的的重要基础材料，见图2。下面介绍几种已经和可能在石油天然气领域应用的AHSS。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,图2各种先进高强度钢的强度和延伸率关系,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,非调质钢(Hot rolled high strength steel)非调质钢也称为微合金非调质钢
25、，是一种将轧制(或锻造)与热处理结合为一体，省去热处理调质(淬火+高温回火)工序的新型节能结构材料。它是伴随国际上能源短缺而发展起来的一种高效节能钢，其性价比远优于传统合金结构钢，可广泛用于装备制造业。自1972年联邦德国的蒂森（Thyssen）特殊钢公司推出第一个非调质钢钢种49MnVS3以来，由于非调质钢具有节约能源、简化生产工艺、降低成本等诸多优点，在各国得到了迅速发展。大量的非调质钢钢号不断涌现，尤其是国际上出于节能减排的今天非调质钢的推广应用更是具有重大的经济和社会效益。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,无间隙原子钢（interstitial-free steel
26、）,无间隙原子钢是上世纪80年代，借助于高新的冶炼技术和加工工艺而生产出来一种新型深冲薄板钢。由于在铁素体中几乎没有固溶的自由碳、氮之类的间隙原子存在，因而具有极为优良的冲压成型性能，故称为IF超深冲薄板钢。IF钢是在超低碳钢中加入适量的钛或铌，使钢中的碳、氮间隙原子完全被固定成碳、氮化物，钢中没有间隙原子存在而称之。IF钢具有高的塑性应变比（F值高）和应变硬化指数（n值高），故其成形性好，无时效，无屈服平台，是近期新开发的具有极优深冲性能的第三代冲压用钢，特别适用于形状复杂，表面质量要求特别严格的冲压件。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,双相钢（DP-dual-phase
27、 steels）双相钢是由马氏体或奥氏体与铁素体基体两相组织构成的钢。双相钢是低碳钢或低合金高强度钢或不锈钢经过两相区热处理或控控轧控冷而得到的，双相钢是在纯净的铁素体晶界或晶内弥散分布着奥氏体或马氏体相，因此其强度与韧性得到了很好的协调。双相钢的强韧性能主要由两相的相对比例决定的，其力学性能特点为拉伸应力-应变曲线呈光滑的拱形，无屈服点延伸；且具有高的加工硬化率，尤其是初始加工硬化速率；具有低的屈服强度和高的抗拉强度，成形后构件具有高的压溃抗力、抗撞击吸收能和高的疲劳强度；以及大的均匀的伸长率和总伸长率。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,最早的双相钢是双相不锈钢，从20世
28、纪40年代在美国诞生以来，到目前已经发展到第三代。其主要特点是屈服强度可达400-550MPa，是普通不锈钢的2倍，因此可以节约用材，降低设备制造成本。在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣（如海水，氯离子含量较高）的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高合金奥氏体不锈钢媲美。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,相变诱发塑性钢（TRIP-Transformation Induced Plasticity steel）在低碳钢中，加入一定量的合金元素Si、Mn等，通过相应工艺获得相变诱发效应，实现高的强塑性水平，这种钢称为
29、相变诱发塑性钢，简称TRIP钢。所谓相变诱发塑性是指钢材在深加工变形过程中随着变形诱发钢中残余奥氏体向马氏体转变而产生逐渐硬化，使得变形不再集中于局部，而是扩散至钢材整体达到均匀的这一现象。即Transformation-induced Plasticity Effect,简称TRIP效应。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,TRIP效应是延伸率高的亚稳奥氏体(富碳奥氏体)转变为具有附加机械能的马氏体的现象。TRIP钢是由铁素体、贝氏体、残余奥氏体组成的三相组织。在加工变形过程中，当变形累积至临界变形时，随着变形程度的继续增加，残余奥氏体逐渐转变为马氏体，直到这一转变全部完成
30、。此时，TRIP钢达到最强的相变强化效果。TRIP钢性能的变化范围为：屈服强度340860 MPa,拉伸强度6101080 MPa，伸长率()22%37%。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,孪生诱发塑性钢（TWIP-Twin induced plasticity steel）孪生诱发塑性是Grassel等1997年在研究Fe-Mn-Si-Al系TRIP钢时发现的，这种钢的化学成分(Wt%)大致为：；Mn5-35；Al小于3；Si小于3，另外还可以根据使用环境要求添加各种合金元素。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,这种钢的力学性能抗拉强度(Rm)在600-
31、1900MPa，拉伸时没有缩颈，延伸率(A)在30-95%，强塑积在50000MPa%以上，是高强韧性TRIP钢的两倍，冲击韧性值在实验温度很宽的区间（-196400）,甚至更大区间内都有很高的值29，其拉伸前后的试样见图3。除此之外TWIP钢是具有高的能量吸收能力传统深冲钢的两倍以上，在-196-200形变温度区间内没有低温脆性转变现象。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,图3 孪生诱发塑性钢试样拉伸断裂前后的对比图,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,孪晶诱导塑性钢在室温下其组织为奥氏体,在变形过程中将发生机械孪晶并诱导塑性(即TWIP效应),从而保证了其
32、优良的塑性。十几年来TWIP钢已经发展了三代，第一代为Fe-25Mn-3Al-3Si，第二代高强度的的Fe-0.6C-18-23Mn；第三代为根据使用环境要求开发的TWIP钢。,2新一代钢铁材料发展的科学前沿及先进高强度钢铁材料,超级不锈钢近几十年来超级不锈钢的产生是人类应用材料的一大进步，超级不锈钢实际上是指在特殊腐蚀环境中具有高抗腐蚀性能，在一定程度上可以代替镍基合金等高性能的、有特殊性能的不锈钢，是一种含有约6%钼的特种不锈钢，代表性的包括25-6 Mo（）、27-7 Mo（INCOLOY 合金）等，具有远超普通不锈钢的耐高温，耐腐蚀的性能，从某种意义上说超级不锈钢超越了以往的不锈钢范畴
33、，其发展趋势具有替代或部分替代具有抗高温、抗特殊环境腐蚀的镍基合金的可能。近年来超级不锈钢的发展同样向着更精细的特殊成份设计；超高结净度；超高均匀性（成份、组织和性能）；具有高的性价比方向发展。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,现代石油天然气工业的勘探开发向着深井超深井和特深井和复杂油气藏及稠油方向的发展，采油采气工程向着提高采收率的方向发展。新型钻采工业装备和钻完井技术的不断涌现，对钢铁材料提出来了更高的要求。使这一领域中材料研究开发工作面临着更新的挑战，,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,这中间包括：超深井、特深井、稠油井的钻探开发
34、中随着井深的增加，井下温度的升高（可达到350以上）所需要的耐一定高温的超高强度钢钻具和油套管，以及开发抗高含酸性气体的抗H2S腐蚀的油套管材料，以及可膨胀管、连续油管所需要的特殊材料等。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,这些材料的研制开发涉及到如下的材料科学问题：1）井下温度超过150后带来的钢材长期在井下使用中的组织不稳定性问题，如碳素钢和低合金结构钢中在200300温度范围内出现的应变失效导致的蓝脆现象；2）钢材的屈服强度随温度升高变化导致的油套管抗挤毁强度的变化；,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,3）高含H2S和CO2酸性油气
35、田的油套管钢SSCC损坏机理以及开发所需的高性价比的特殊钢铁材料的物理冶金问题；4）可膨胀管材料井下膨胀过程中的动态形变和动态回复，以及动态应变失效问题；5）大口径连续油管制造中的新钢种开发和反复使用中的柔性油管的组织稳定性问题；,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,6）新型钻采装备、工具制造应用中减重和节能降耗涉及到的材料科学问题；7）大口径高钢级的长输管线（X80-X120）钢的新钢种开发以及焊缝管中焊接金属理论与工艺问题；8）提高采收率的三次采油中提高采油机械装备的效率、工作寿命和节能减排涉及的材料科学问题等等。这里需要进行针对石油天然气工程问题进行的材料科学与
36、工程基础和制备技术的研究，以及相应的行业规范，国家标准改进等。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,3.1现代石油天然气开发中的材料科学问题现代石油天然气工程和装备技术的进步迫切要求材料科学解决以下问题：3.1.1 适用于新的石油天然气工业应用的材料设计问题这里包括钢材的组织结构设计、材料热力学设计以及材料的电子结构设计包括采用我国科学家提出的余氏理论和程氏理论以及采用刘贵立等提出的采用格林函数递归法以及采用D电子理论和密度泛函法进行的材料电子结构设计；采用嵌入原子理论进行的材料设计等，这方面是当代材料科学的前沿，是反映一个领域在科学性先进性的体现，也是材料科学顶端的
37、皇冠，从理论上解决材料设计的根本问题。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,3.1.2 深井、超深井、特深井和稠油井开发带来的材料科学问题3.1.2.1 适用于深井、超深井开发和特深井勘探超高强度钢的研制开发对于深井、超深井和特深井遇得到的最大挑战恐怕就是目前的超高强度钢的力学性能难于满足钻井完井工作的需要。考虑到钻机吊钩的负荷问题目前的深井超深井以及大斜度井和超长水平井的钻探采用的钻铤、钻杆多用低密度的碳纤维复合材料、高强度铝合金或钛合金制造44，,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,但是上述三种材料制造的钻杆都存在着较大的问题，影响着这种
38、钻杆的广泛使用：低密度的碳纤维复合材料钻杆壁厚大、水力效率差，而水力效率是超深井钻探的主要指标；铝合金钻杆同样壁厚大水力效率差且温度高于120屈服强度急剧下降；钛合金钻杆重量轻力学性能好抗冲蚀性能优越，但价格昂贵且柔性过大,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,这些都是超深井和特深井钻探中的难以解决的问题。因此开发低密度的超高强度钢钻杆和钻铤就成了当前深井、特别是超深井和特深井钻探钻具和钻铤钻杆的重要课题。当前的的第二代TWIP钢，可达到700-900MPa、可高达1400-1900MPa，值可高达30-90%。这里需要对,高强度的第二代TWIP钢进行恰当的成分设计和钻
39、杆钻铤制备工艺的工业探索，假以时日应该在不远的将来（1-3年）可以完成适用于超深井特深井的钻探用的钻铤和钻杆。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,3.1.2.2 深井、超深井、特深井和稠油井开发带来的钢材组织失稳和抗挤毁强度变化（钢材的屈服强度随温度升高变化）对于4000m以上的深井、6000-9000m的超深井、稠油井的开发和9000m以上的特深井勘探。按照地层温度随井深的变化3/100m的规律和稠油热采的开发方式，这类井的井下温度一般均在150-350之间。对于以往浅层石油天然气的开发由于井深较浅，井下和井筒温度一般均处于淬火钢低温回火的低温限150以下。对于井
40、下工作的钻采装备及油套管钢的力学性能没有产生明显的影响，因此长期以来API标准中从未考虑温度对油套管组织结构变化和对抗挤毁强度的影响。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,作者已有的研究已经证明45，对于常规的油套管钢J55、N80、P110等套管钢均是碳钢和低合金钢制造，根据钢级的不同多数属于低碳或中碳钢的范畴，其组织多为铁素体/珠光体组织。这种钢在300附近会由于应变时效产生抗拉强度、硬度升高，而延伸率、断面收缩率下降的蓝脆现象。因此在进行超深井和特深井钻探和完井选材过程中必须考虑一点。同时这类钢均存在随井下温度升高组织结构变化造成钢材的屈服强度变化问题。因此作者
41、认为，按照API中套管抗挤毁强度的Jianzeng-Taihe公式46在计算套管钢的抗挤毁强度时就必须考虑钢材的屈服强度随温度的变化状况。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,3.1.2.3 膨胀管材料和井下膨胀过程中的动态回复和动态应变失效可膨胀管技术是二十一世纪标志性的新型钻井修井技术。可膨胀管技术包括实体膨胀管和可膨胀筛管两种，是通过膨胀锥，对处于井下不同深度和油气藏不同开采方式（可能是冷采或热采）的50-350温度场中的可膨胀管进行膨胀变形，使可膨胀管贴紧井壁的新型钻井和修井工艺方式。这就要求作为可膨胀管的金属材料应该具有很高的强度、良好的塑性和优良的加工硬化
42、能力，一般以强塑积表示，（可膨胀管材料的强塑积应该大于30000MPa%），,同时，由于可膨胀管膨胀施工是在50-350的井下温度场环境进行的膨胀变形，属于金属材料温加工变形的范畴。处于这种温度场内的金属形变，在发生金属材料的形变加工硬化的同时，还同时发生着动态回复软化过程。对含有碳、氮小尺度溶质原子的钢中，当形变温度和应变速率恰当时，还能发生动态应变时效的物理过程。这就要求制备可膨胀管的钢材除了具有上述力学性能要求之外还要求钢材具有较高的抗动态回复和动态应变失效的能力。作者已有的研究工作证明45，,针对膨胀率低于20%可膨胀管基管可采用的J55钢，J55钢在上述温度范围内，动态应变时效导致的
43、强度上升，塑性下降，从25的室温拉伸断裂时，J55钢的延伸率高达34.5%，到300的24%，J55钢的延伸率下降了10.5%左右，很可能在深井超深井和热采井条件下造成开裂导致膨胀失败。对于可膨胀筛管采用的316L不锈钢由于钢材本身屈服强度随温度急剧下降，对于井下温度场中的应用可能导致可膨胀筛管的抗挤毁强度太低，进而导致防砂失败。,因此开发适应大膨胀率和井下温度场条件下动态形变和具有一定抗井下介质腐蚀的可膨胀管用钢是顺利推广可膨胀管技术的当务之急。国际上Shell公司最先推出可膨胀管用钢LSX80其强塑积达到30000MPa%以上，我国刘文西教授的研究组推出低碳的高膨胀率（20%以上）TRIP
44、钢（Mn10Cr13Ni3Si2NRe）和低膨胀率（20%以下）双相钢（MnSiCrMo）两类可膨胀管合金，其强塑积均达到30000 MPa%以上24。,近年来作者在研究TWIP钢制备可膨胀管的工作中发现，可以根据施工井下条件，基于第二类或者第三类TWIP钢进行成分设计，作者为制备大膨胀率的抗腐蚀可膨胀管材料，开发的第三代TWIP钢（20 Mn24Cr5Ni2Al2Mo）屈服强度在400MPa以上，加工硬化率n值高达0.4351，抗拉强度在800MPa以上，延伸率接近70%，强塑积达到50000MPa%以上。并且这种钢具有较强的抗回复和抗应变失效能力。这类钢材同样可以适用于连续油管的制备，尤其
45、是对于我国尚不具备制造能力的大口径连续油管（21/2“以上的），采用这种材料极有可能填补国内在大口径连续油管制造的空白。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,3.1.3 高含酸性气体油气田开发中的材料科学问题高含H2S和CO2的酸性油气田，由于H2S和CO2这两种酸性气体对钢材具有强烈的腐蚀作用（H2S常常导致油套管钢的严重硫化物应力腐蚀-SSCC破坏，CO2常导致油套管钢严重的局部溃疡型腐蚀），往往会导致灾难性事故发生，因此高含H2S和CO2油气田的开发国内外普遍采用了偏安全、价格昂贵的镍基合金G3（00Cr22Ni48Mo7Cu）和Super 13-25Cr的不锈
46、钢作为油套管材料。而我国是镍、铬资源匮乏国家，且国际镍价格攀升，故镍基合金和不锈钢油套管用于高酸性油气田的开发成本不断提高；对于低产油气田采用高合金的油套管造成的开发成本的攀升可能使油气田开发经济效益成为负数。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,因此，对于高含H2S和CO2油气田寻找和开发抗酸性气体腐蚀的价格低廉的油套管钢，就成为急需解决的工程及基础研究问题。这里涉及到酸性气体对钢材的腐蚀机理和H2S导致钢材SSCC破坏的根本原因的探索，以及相应的合金设计理论和制备技术的进步。作者多年来对油气田酸性气体腐蚀的研究成果已经证明47，目前国内外普遍采用的H2S和CO2分
47、压概念存在着严重的理论问题，由此导致的材料选择和防腐设计和实际工程脱节。而已有的在H2S环境中导致SSCC产生的硬度、强度极限HR22，已经被采用纯净钢冶炼方法制备的高强度钢突破，而采用高纯净钢冶炼的铁素体超级不锈钢（00Cr30Mo2）就具有不比镍基合金差的抗SSCC能力48-49。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,3.2 先进石油天然气用钢（APGS）的开发和规范的建立石油天然气工业是钢铁材料的重要应用领域，近年来随着科学技术的发展，对石油天然气用钢提出了更高的要求。作者建议，应该引入先进石油天然气用钢的概念，这里包括先进高强度钢在这一领域的引入和新的特殊石油
48、天然气需求用钢的开发研制，国家和石油天然气总公司，应组织力量加强这一领域用钢的基础和应用研究，逐步建立起相应的行业规范。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,在石油天然气领域中推广应用新一代钢铁和先进高强度钢（AHSS），开发特殊用钢，对于提高钻采装备的性能，减轻钻采装备的重量，节能减排，安全高效的钻探开发深井超深井和特深井、开发复杂油气藏（包括高含硫的酸性油气田），降低油气田开发成本具有重要的作用，是提高我国石油天然气领域，尤其是石油天然气装备科技水平的重要基础。因此，作者建议国家应该在石油天然气领域应该建立新的石油天然气用钢规范。这种规范应当包括以下两点：,3 现
49、代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,第一，新一代钢铁和先进高强度钢（AHSS）在石油天然气工程中的合理引入与推广应用，这里包括已有的先进高强度钢（AHSS）引入石油天然气领域时必须先期进行的替代原有材料的基础实验研究和工业试验研究，以及在试用基础上在石油天然气井的钻完井设计、装备的设计制造中尽可能的应用新一代钢铁和先进高强度钢（AHSS）。石油院校中的石油工程，石油机械以及材料学院系在教学理念中应对学生先进石油天然气用钢（APGS）的渗透。,3 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢,以油气井的井口装置中的油套管接口为例。油气井的井口装置除了特殊高含腐蚀介
50、质的油气井之外，多数常规井为了保证其综合机械性能均采用35CrMo钢经过调质(淬火+高温回火）后加工制成作者在从事材料与石油天然气工程结合的工作中，在新疆油田建议采用综合机械性能不低于35CrMo钢调质的非调质钢37MnV钢代替35CrMo钢调质件。这里材料的价格降低以及省略调质的淬火+高温回火工序，为井口装置油套管接口的制造成本降低了30%以上,如果我国类似的油气井井口装置油套管接口若都能采用非调质钢制造，对于油气田的节能减排、效益的提升经具有重要的作用。,第二，组织石油天然气领域和相应的高等院校、研究院所进行石油天然气领域特殊用钢的基础理论和开发研究。如超深井、特深井钻具用用超高强度钢的研
