创新故事｜给油气深井装“支架”——高性能膨胀管材研发纪实

来源：滚动播报

（来源：中工网）

科技日报记者 刘园园

2月中旬，重庆涪陵，施工团队忙着给一口页岩气井做“手术”——39根我国自主研发的高性能膨胀管材被送至井筒深处。这些管材犹如心血管中的支架，缓缓膨胀，直径增大，与破损套管紧密贴合，成功恢复井筒的完整性和承压能力。

其实，国产高性能膨胀管材并非初次登场。去年底，它们漂洋过海，在位于阿联酋阿布扎比的一口油气井中，顺利完成等井径膨胀管材作业，创下全球单次膨胀管材等井径作业最长世界纪录。

成绩的背后，是中国钢研科技集团有限公司（以下简称“中国钢研”）研发团队十多年攻关的艰辛。“我们构建了国产高性能膨胀管材全流程自主可控技术体系与产品矩阵，截至目前，已实现12种规格产品批量稳定生产。”中国钢研工程用钢领域首席专家刘清友近日接受科技日报记者采访时说，这一成果不仅从根本上扭转了对进口产品的依赖，还走出了国门。

“刚柔并济”

在数千米深的油气深井中，膨胀管材扮演着“定海神针”的角色。它能小尺寸下入、大尺寸服役，完成钻井护航、套管修复、井筒重构等多项任务。长期以来，大膨胀量膨胀管材相关核心技术被国外垄断，成为制约我国油气勘探的“卡脖子”难题。

“绝不能再被‘卡’住脖子！”中国钢研所属工程用钢研究院副院长贾书君回忆组建研发团队初衷时说。2012年，这支团队毅然踏上自主研发大膨胀量膨胀管材之路。

这谈何容易。“油气井下环境苛刻，管材膨胀前必须具备高塑性、高韧性，入井后才能顺利变形；膨胀后又必须拥有高韧性、高强度，方能安全服役。”刘清友解释，“‘鱼和熊掌兼得’已经很难了，我们却要同时实现高塑性、高韧性、高强度。”

说白了，就是要让钢材“刚柔并济”。但现实是，在制造膨胀管材的常用钢材中，马氏体钢强度高，塑性和韧性却一般；奥氏体钢塑性和韧性出色，强度又跟不上。显然，它们中任何一个都无法单独胜任。

团队一度陷入如何加工现有材料的困局中。深夜的实验室里，刘清友盯着两种钢材的数据沉思：“能不能让它们‘强强联手’？各取所长！”

思路有了，路还得一步步走。团队反复调试配方和热处理工艺。不添加任何贵金属，只用经济型合金体系，精准配比合金元素；严格调控各项热处理参数，确保工艺严丝合缝，让每种元素“各就各位”。

“除了调控好材料比例，我们还得精准控制管材制造过程中加热、保温、冷却的参数。”刘清友笑着打比方，“这就像顶级大厨做菜一样，不光得准备好‘食材’，还得掌握好‘火候’。”

终于，他们找到了“全能配方”。新管材内部形成一种奇特的复相组织：马氏体相负责扛起高强度，而一定量的逆转变奥氏体相则贡献高塑性与高韧性。三种看似矛盾的性能，竟在同一根管材上和谐共存。

实验室里，样品经受住了考验：膨胀前，它能从容应对不低于30%的大变形量；膨胀后，依然足够强韧。

贾书君看着测试数据，长舒一口气：“咱们的‘变形金刚’，成了！”

驯服“锰”虎

实验室里表现“完美”的样品，走向工业试制时，却遭遇“滑铁卢”。

那是2020年，为推动国产高性能膨胀管材技术转化落地，中国钢研牵头组建产学研用联合攻关团队，联合内蒙古包钢钢联股份有限公司钢管分公司和中国石油集团工程技术研究院有限公司，开启量产全链条系统攻坚。

寒冬腊月，北疆大雪纷飞、气温骤降，第一炉试制的连铸钢坯就在这样的天气里出了炉。

“谁都没想到，刚出炉的钢坯还没开始轧制，就裂了。”中国钢研工程师童帅在钢铁厂生产线上全程跟踪膨胀管材工业试制流程，发现情况不对，他立即报告。

接到消息后，刘清友的心立刻揪了起来。尽管团队预判过从实验室走向生产线可能会出现问题，但等他和专家们一起火急火燎地赶到现场，眼前的景象依然超出他的想象——长达12米的连铸钢坯，近八成开裂，有些钢坯竟然从头裂到尾。

遭此打击，团队里难免有人泄气。刘清友的一番话稳定了“士气”：“不要害怕出现问题，在工业试制阶段，问题出现得越早越好、越多越好。”

大家紧急开会，一轮一轮分析探讨，像侦探一样排查每一个环节。最终，他们从材料成分机理的角度“揪”出了元凶——锰。

原来，膨胀管材中的锰含量远高于普通钢材，它是管材实现“刚柔并济”的关键元素。“但锰含量高了，也有‘副作用’。”刘清友解释，“钢坯在寒冷的车间里快速冷却时，内部应力瞬间爆发，来不及释放，就把自己给‘撑’裂了。”

“在设计配方中，锰已经是最低值了。再减，韧性和塑性就保不住了。”贾书君告诉记者，最简单的应对方案，就是在连铸钢坯出炉后，尽可能降低它们的冷却速度。

如何让钢坯慢点冷？只能从工艺下手。

团队想出了一连串“土办法”：出炉后，将钢坯先送进保温坑和缓冷坑，为其创造缓慢、均匀的降温环境；把钢坯整整齐齐堆在一起，让它们“抱团取暖”；还不够，再给钢坯盖上厚厚的保温棉，像穿上棉袄……

几招下去，冷却速度明显降了下来。钢坯有了足够的时间，把内部应力一点一点“吐”出来，不再跟自己较劲。

大家感叹：这只“锰”虎，总算被驯服了。

“火候”创新

刚治好钢坯开裂的“心病”，生产又卡在另一道坎上。

普通钢坯回火，2小时搞定。可膨胀管材的钢坯，一进回火炉就是10个小时。

“整整5倍的时间。”刘清友回忆，这不仅让生产效率大打折扣，更麻烦的是，钢坯长时间“霸占”回火炉，还会扰乱钢铁厂生产线的正常排产。

大家心急如焚。可回火这道工序又极其重要——淬火后的钢坯虽然强度上去了，但性子太“脆”，必须靠回火来“驯服”，增加韧性。这是膨胀管材“刚柔并济”的关键一环。

怎么才能在保证钢坯性能前提下，把回火时间压下来？

“一把火烧得慢，那咱们就烧两把火！”一次研讨会上，刘清友凝视工艺流程图良久说道。这一想法让大家一愣，但随即又眼前一亮：“对啊，这样效率不就上来了嘛。”

按照新思路，他们把原本漫长的一步回火拆成两段：第一把火，温度调高，让合金元素迅速归位、高效聚集；第二把火，温度降下来，促使合金元素各居其位，精准形成所需的逆转变奥氏体相。

理论可行，实践却不易。

为了找准两把火的温度，团队进行了数十轮试验。每一炉钢坯回火出炉，都要经历严格的金相分析、性能测试。数据记录本越堆越厚，温差控制越来越精准。

“那段时间，每天从早上8点忙到晚上11点，周末也顾不上休息。时刻紧盯炉温仪表，精准记录温度、时间、冷却等核心参数，逐组分析、反复调试，全力优化热处理工艺。”说起当时的场景，童帅记忆犹新。

经过反复试验验证，大家终于将原本10小时的单步回火压缩成“两把火”，总共只需2小时，与普通钢坯回火时间相当，膨胀管材的生产效率大大提升。

凭借这一“火候”上的创新，研发团队打通了高性能膨胀管材批量生产的最后堵点。

如今，国产高性能膨胀管材应用已覆盖国内外20余个油气田，累计超500井次，应用成本相比进口产品下降30%至50%。

“国产高性能膨胀管材的成功研发，实现了油气勘探关键材料的自主可控。”刘清友说，“未来，我们将坚持自主创新，持续为我国深层油气开发提供核心材料支撑，夯实国家能源安全底座。”