随着油井深度增加,井内温度和压力相应提高,固井完井用油套管服役的地质环境发生了显著变化,对油套管的综合力学性能、使用性能和寿命提出了更高要求,特别是对强韧性匹配提出了极高的要求,现有美国API标准的高钢级油套管难以胜任。本文开展超深井用石油套管的成分设计、热变形、热矫直、热处理工艺及相关基础研究,为企业开发高强高韧的V150油套管提供技术支撑。根据超深井用V150油套管用钢的目标性能要求,利用人工神经网络技术开展了合金成分设计,确定了高强高韧V150钢的成分范围。对实验钢的热变形行为进行了全面而系统的研究,补偿了应变、摩擦以及变形热对流变应力的影响,基于2种不同模型构建了本构方程,绘制出了实验钢的热加工图。系统研究实验钢在连续冷却过程中的相变行为,测定了实验钢的CCT图,综合利用CCT图、温度场模拟、微观组织观察,分析了不同冷却方案的组织转变。系统研究了高强高韧油套管用钢的热处理工艺和强韧化机理,获得0℃横向冲击功达到130J的调质工艺。运用ANSYS/LS-DYAN软件建立三维有限元模型,实现无缝钢管热矫直过程的三维动态模拟。研究常规淬火+充分回火、常规淬火+不充分回火、亚温淬火+回火对油套管低温韧性及韧脆转变温度的影响。主要结论如下：1.确定V150钢的成分范围(质量分数,%)：0.25～0.28C,0.25～0.30Si,0.90～1.10Cr,0.9～1.10Mn,0.5～0.65Mo,0.07～0.10V,0.0015～0.005Ca, Cu≤0.1,Ni≤0.2,A1≤0.03,P<0.01,S<0.005。预测的性能值为：Rt0.7=1064MPa,Rm=1127MPa,A=19.7%；CVN=115J,完全满足超深井用油套管的强韧性要求。2.基于strain-compensated Arrhenius模型构建的流变应力方程,考虑了应变、摩擦力和温度效应对流变应力影响,可准确预测材料在实验范围内的流变应力,预测值与实验值的相关系数R=0.99456,AARE=4:730%。综合流变应力等高线图以及加工图,得出材料的最佳热变形工艺区间：变形温度为1110℃～1200℃,变形速率为0.03～2.4s-1,在该区域内热变形会发生动态再结晶,能量耗散系数峰值为37.5%。3.测得了实验钢的CCT图,Ac1为778.4℃,Ac3为828.2℃,当冷却速度为0.05Φ0.5℃/s时,转变产物为多边形铁素体、珠光体和少量贝氏体的混合组织,在1℃/s～5℃/s的冷却速度范围,转变产物为贝氏体,当冷却速度大于5℃/s时,转变产物为马氏体。合适的分级控冷工艺会对减小钢管淬火应力产生很好的效果,能够抑制孪晶马氏体,得到B/M复相组织、M/A复相组织,可较好抑制裂纹形成和扩展。根据CCT图分析得出的组织转变与实际淬火组织一致,表明所测CCT图较为准确,可用于指导高强高韧油套管的热处理工艺。4.奥氏体化温度和回火工艺对实验钢的组织性能影响较大,在890℃保温30min水淬,经1次和2次650℃/45min回火后,在强度满足150ksi钢级要求的前提下,0℃横向冲击功分别达到100J、110J。亚温淬火可以显著提高实验钢的冲击韧性,800℃/30min亚温淬火后,经1次和2次640℃/45min回火的0℃横向冲击功分别为120J、130J,强度仍然满足150ksi钢级要求。5.矫直管经过第1对矫直辊时,横截面的应力应变呈轴对称分布,经过第2、3对矫直辊时,钢管横截面的应力应变分布对称性较差。内表面周向残余应力的有限元模拟值在-130～-480MPa间波动,实测值在-189～-489MPa间变化,模拟值与实验值吻合较好。第2对矫直辊的压扁量为最重要的压扁矫正控制因子,3对辊压扁量的较优组合依次为1.4mm、4.0mm、2.6mm,椭圆度少于0.4%。压弯量为最重要的矫直控制因子,压弯量、压扁量、倾斜角的最优组合分别为45mm、4.0mm、31°,采用优化的矫直参数后,矫直管的不平度大大降低,管端1m内≤1/1000mm,管体≤1/1500mm,完全能满足高尺寸精度产品要求。6.结合能量法和形貌分析法确定常规淬火+充分回火、常规淬火+不充分回火、亚温淬火+回火等3种典型热处理工艺对应的低温韧性及韧脆转变温度,分别为-37℃、-2℃、-73℃。亚温淬火组织经过回火后,碳化物均匀析出,大部分α铁素体等轴化,少量未溶铁素体的存在,不仅未降低材料的整体强度,还能抑制微裂纹的产生和扩展,因此有较好的低温韧性。