CN101285151B - 具有高强韧性的石油套管及其生产方法 - Google Patents

具有高强韧性的石油套管及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高强韧性的石油套管及其生产方法,旨在提供一种能够满足油田深井或超深井开采条件需要的具有高强韧性的石油套管及其生产方法。按重量百分比的组成成分为:C:0.22~0.35%、Si:0.17~0.30%、Mn:0.45~0.60%、Cr:0.80~1.10%、Mo:0.70~1.10%、Al:0.015~0.040%、Ni<0.20%、Cu<0.20%、V:0.070~0.100%、Nb<0.050%、Ca<0.0015%、P<0.010%、S<0.003%,余量为铁。本发明的石油套管采用Cr-Ni-Mo-V合金系的调质钢种,该钢种经过热处理后可以获得超细板条马氏体基体上弥散分布一定数量的奥氏体韧性相,提高钢的强韧性,以适应承受深井或超深井带来的外挤载荷和轴向载荷。

Description

具有高强韧性的石油套管及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金工业的无缝钢管制造技术领域,特别涉及一种适用于深井或超深井用的具有超高强韧性的石油套管及其生产方法。
背景技术
随着油气田钻井深度的加大,温度和压力的提高,固定井口用石油套管服役的地质环境发生了显著变化,使用的力学条件也随之发生了相应变化,其所承受的外挤载荷和轴向载荷越来越高。美国石油协会标准所规定的V125等优质石油套管一般采用Cr-Mo-V系列合金钢种,由于该钢种石油套管的冶炼和轧制及热处理等工艺复杂,合金成分和制造工艺的不当,会造成石油套管的强度和韧性降低,不能承受深井或超深井带来的外挤载荷和轴向载荷,加剧了石油套管的损伤失效,而套管的损伤失效又极易导致井眼失稳、储层伤害、钻井及固井困难等复杂问题,使油田作业安全受到严重威胁,甚至导致毁井事故等重大经济损失。因此,油田对石油套管的性能提出了更高的要求。
目前,深井或超深井用石油套管要解决的问题就是超高强度与高韧性的匹配问题。高强韧性石油套管的性能不仅与采用的材料成份有关,也与其制造方法密切相关。众所周知,超高强度钢的冲击韧性取决于钢质的纯净度、组织的组成和细化程度。采用超纯净冶炼技术,以尽可能降低超高强度钢中的硫、磷杂质元素和气体含量,减少夹杂物数量,才可能获得满意的冲击韧性。采用适当的热处理工艺,在超高强度钢中获得以超细化板条马氏体为基体、弥散分布奥氏体韧性相为特征的显微组织,在轧制和矫直工艺过程中以获得高精度的石油套管尺寸和表面质量以及低残余应力为目标,这是实现超高强韧性石油套管的技术关键和有效途径。
但目前的石油套管所采用的钢种中硫、磷等杂质含量较高,金属组织中含有片状的夹杂物,金属在轧制过程中流动不均造成横向和纵向的机械性能 不一致。而且,在目前的石油套管的生产方法中,在热处理工艺中的淬火介质为水,容易造成开裂,同时,由于穿孔和轧制工艺以及热处理工艺和矫直方法不尽合理,不能获得最佳的强韧性匹配,并造成过高的残余应力,而且,套管的几何尺寸精度较差,这些都直接影响产品的抗挤毁等能力。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的不足之处,提供一种能够满足油田深井或超深并开采条件需要的具有高强韧性的石油套管。
本发明的另一个目的是提供一种能够满足油田深井或超深井开采条件需要,具有高强韧性的石油套管的生产方法。
本发明通过下述技术方案实现:
一种具有高强韧性的石油套管,其特征在于,按重量百分比的组成成分为:C:0.22~0.35%、Si:0.17~0.30%、Mn:0.45~0.60%、Cr:0.80~1.10%、Mo:0.70~1.10%、Al:0.015~0.040%、Ni<0.20%、Cu<0.20%、V:0.070~0.100%、Nb<0.050%、Ca<0.0015%、P<0.010%、S<0.003%,余量为铁。
其中主要合金元素的作用为:
C:0.22~0.35%,C为碳化物形成元素,可以提高钢的强度,太低时效果不明显,太高时会大大降低钢的韧性。
Mn:0.45~0.60%,Mn为奥氏体形成元素,可以提高钢的淬透性,增加钢中的残余奥氏体量,影响热轧组织的均匀性。
Cr:0.80~1.10%,铬可提高钢的机械性能、抗腐蚀性,以及提高淬透性,但其能使钢的回火脆性增加。
V:0.070~0.100%,能够细化晶粒,形成碳化物,提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时,其效果增加便不明显了,同时因为价格很高,所以要限制使用量。
Mo:0.70~1.10%,主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度,含量过高会降低钢的韧性。
Nb<0.050,主要是细化晶粒,显著改善高强钢的韧性。
Ni<0.20,主要提高钢的强韧性,改善钢的抗腐蚀能力,降低钢的脆性转变温度。
Cu<0.20,铜在合金钢中可以提高钢的强度和耐大气腐蚀性,加入量过 多会使钢变脆,一般不宜超过0.2%。
为了确保优异的强韧性匹配,本发明的石油套管的生产方法包括下述步骤:
(1)配料冶炼:采用海棉铁和废钢做炼钢原料,用电弧炉(EFA)熔化成钢水,经炉外精炼(LF)和真空(VD)脱气后,获得制造石油套管的钢水成分按重量百分比为:C:0.22~0.35%、Si:0.17~0.30%、Mn:0.45~0.60%、Cr:0.80~1.10%、Mo:0.70~1.10%、Al:0.015~0.040%、Ni<0.20%、Cu<0.20%、V:0.070~0.100%、Nb<0.050%、Ca<0.0015%、P<0.010%、S<0.003%,余量为铁。
(2)连铸连轧:将上述高纯净钢水连铸成圆坯,将冷却后的连铸坯在环形加热炉内加热,管坯加热炉温为1300~1320℃,之后,定心、穿孔、连轧、定减径、冷却、锯切;其中,热定心温度为1260~1270℃,热穿孔温度为1240~1250℃,连轧温度为1070~1120℃,定减径温度为910~930℃。
环形炉:
管坯加热温度:1280~1290℃,允许温差:±5℃。
穿孔工艺:
采用三辊锥形穿孔机,减小合金钢的穿孔剪切应变,防止毛管表面产生裂纹、折迭、离层等缺陷。取穿孔的延伸率为3.5~4.2、径壁比20~28、扩径率在35%以下,穿孔机的出口速度在0.9m/s以下,要求连铸圆管坯的直径公差≤±1.4%、椭圆度公差≤2.5%,保证毛管的几何尺寸和形状精度。穿孔温度为1240~1250℃。
连轧工艺:
连轧工艺目的在于将穿孔工序移送来的毛管进行减径、延伸并相应减壁,同时改善荒管内、外表面粗燥度,提高壁厚均匀性。
连轧时,毛管内表面在孔型顶部处与芯棒接触,而在侧壁处则不与芯棒接触。孔型顶部的金属,由于受轧辊的外压力和芯棒的压力作用而延伸,并在轴向延伸的同时产生圆周方向的宽展,而孔型侧壁的金属在孔型顶部金属延伸时也被拉伸,并相应在纵向产生拉缩。控制连轧各道工序的压下率,使荒管在连轧工艺中变形前后的有效横截面积之比为2.8~6.5,以保证石油套管的纵横向冲击功趋于一致。连轧的最大入口速度在1.5m/s以内,出口速度在3.5m/s以内,毛管与荒管的横截面积之比为3.7左右。连轧温度为1070~1120℃。
定减径工艺:
定减径过程是一个空心体连轧的过程,除了起定径的作用外,还要求有较大的减径率,工作机架数为24架。首先荒管在再加热炉加热至920℃~1050℃后出炉,在出炉辊道出口进行表面测温后,用20MPa的高压水除鳞装置去除来自连轧机组的荒管在轧制过程产生的氧化铁皮,然后在定减径机中轧制。定减径轧制温度为910~930℃,定减径轧制入口速度在0.5~1.4m/s之间、出口速度在0.51~7m/s之间,有效横截面积之比在1.5以内。
(3)热处理:将上述荒管采用淬火后再回火的热处理工艺。
所述淬火工艺为:将石油套管加热至940℃~920℃,保温30分钟,充分形成奥氏体,淬火介质为油性淬火液,以提高钢的强度和硬度。
所述回火工艺为:回火温度在640℃~660℃,保温2小时,采用空冷,细化晶粒,使组织均匀化,消除内应力,提高钢的韧性。
(4)上述热处理后的荒管经热定径和热矫直处理,最后探伤,得到成品石油套管。
为了最大限度地降低石油套管的残余应力,减小定径所产生的残余应力,提高石油套管的尺寸和圆度精度,改善石油套管的力学性能,定径温度在550~600℃之间,荒管的定径出口速度在1.2~2.4m/s之间。
在热矫直工艺中,选择1.55~1.75倍的弹性极限压下量(弹性极限压下量为钢管表面塑性变形的起点)和适宜的矫直温度,减小矫直加工所产生的残余应力,提高石油套管的圆度和直线度,改善石油套管的性能。理论计算和实验确定的最佳温度为450~580℃,但在实际工艺中,为安全起见,热矫直温度在500℃~540℃之间。
为了提高石油套管的性能,制定了严格的几何精度控制范围,套管的几何尺寸精度满足如下要求:直径误差为±直径尺寸的0.8%,壁厚误差为±壁厚尺寸的8%,椭圆度误差为±0.5%,管端的直线度误差为1.5mm/m,管体的直线度误差为1.0mm/m。
通过本发明的生产方法制造的石油套管能达到V150钢级。所述石油套管的力学性能达到的指标如下:
屈服强度:1057~1210MPa
抗拉强度:≥1180MPa
冲击韧性:纵向全尺寸夏比冲击功≥80J
          横向全尺寸夏比冲击功≥75J
延伸率:≥16%
套管整体性能(以φ244.48×15.11为例)
管体抗挤毁强度:≥80MPa;
滑脱强度:≥2800KN;
管体内屈服强度:≥115MPa;
残余应力:≤200MPa。
石油套管的几何尺寸;
直径范围:242.52mm~246.43mm;
不圆度:≤1.2mm;
壁厚:-8.0%t~8.0%t;
直度:管端1.5mm/m,管体1.0mm/m。
本发明具有下述技术效果:
1.本发明的石油套管采用Cr-Ni-Mo-V合金系的调质钢种,该钢种经过热处理后可以获得超细板条马氏体基体上弥散分布一定数量的奥氏体韧性相,提高钢的强韧性,以适应承受深井或超深井带来的外挤载荷和轴向载荷。
2.在本发明的生产方法中,通过穿孔和轧制等工艺的合理制定,能够最大限度地细化钢的晶粒,避免组织缺陷。
3.本发明的生产方法中热处理工艺选择合理,能够形成以亚微米级板条马氏体为基体、以纳米级第二相粒子为析出强化相和一定数量的稳定性高的奥氏体为韧性相的多相复合组织,确保优异的强韧性匹配。
4.在本发明的生产方法中,合理制定了热矫直工艺,能够最大限度地降低套管的残余应力。
5.制订了严格的几何精度控制范围,在成本合理的情况下,能够提高石油套管的性能。
6.本发明热处理过程中的淬火介质为油性淬火液,能够避免钢管表面出现裂纹等缺陷。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明详细说明。
以下以φ244.48×15.11石油套管的生产为例对本发明进行详细说明。
实施例:
采用海棉铁和废钢做炼钢原料,用电弧炉熔化成钢水,经炉外精炼和真空脱气后,得到制造石油套管的钢水成分按重量百分比为:C:0.22~0.35%、Si:0.17~0.30%、Mn:0.45~0.60%、Cr:0.80~1.10%、Mo:0.70~1.10%、Al:0.015~0.040%、Ni<0.20%、Cu<0.20%、V:0.070~0.100%、Nb<0.050%、Ca<0.0015%、P<0.010%、S<0.003%,余量为铁。
将上述钢水连铸成圆坯。将冷却后的连铸坯在环形加热炉内加热,管坯加热炉温为1310℃,之后,定心、穿孔、连轧、定减径、冷却、锯切;其中,热定心为1265℃,热穿孔为1245℃,连轧温度为1100℃,定减径温度为920℃,采用冷床加吹风冷却方式快速冷却到450℃,锯切。将上述荒管采用淬火后再回火的热处理工艺:在930℃淬火(油性淬火液),在645℃回火。经过560℃热定径,520℃热矫直,最后探伤,得到成品石油套管。
在穿孔工艺中,延伸率为3.7,扩径率为28%,穿孔机的出口速度为0.7m/s。在连轧工艺中,荒管连轧变形前后的有效横截面积之比为4.3,入口速度为1.2m/s,出口速度为2.9m/s。在定减径工艺中,有效横截面积之比为1.2,入口速度为0.9m/s,出口速度为1.3m/s。荒管的定径出口速度为1.8m/s。在热矫直工艺中,矫直压下系数为1.6倍的弹性极限压下量。
采用上述方法生产的石油套管的力学性能达到的指标如下:
屈服强度:1109MPa;
抗拉强度:1213MPa;
冲击韧性:纵向全尺寸夏比冲击功:121J;
          横向全尺寸夏比冲击功:114J;
延伸率:17%。
套管整体性能:
管体抗挤毁强度:93.1MPa;
滑脱强度:3208KN;
管体内屈服强度:130.6MPa;
残余应力:162.31MPa。
石油套管的几何尺寸:
直径范围:245.90mm~246.20mm;
不圆度:≤0.6mm;
壁厚:-4.5%t~7.0%t;
直度:管端1.2mm/m,管体0.9‰。
通过本发明的钢种设计和对各种工艺条件的合理控制生产的石油套管能够满足深井或超深井的强韧性要求。控制轧制变形和热处理,获得沉淀强化、细化晶粒和相变强化等效果,提高钢材强度与韧度,解决了合金钢无缝钢管的热处理易产生裂纹问题。运用热定径和热矫直加工方法,解决无缝钢管所要求的低残余应力,控制了无缝钢管的弯曲、椭圆变形、尺寸精度。

Claims (7)

1.一种具有高强韧性的石油套管的生产方法,其特征在于,包括下述步骤:
(1)配料冶炼:采用海棉铁和废钢做炼钢原料,用电弧炉熔化成钢水,经炉外精炼和真空脱气后,获得制造石油套管的钢水成分按重量百分比为:C:0.22~0.35%、Si:0.17~0.30%、Mn:0.45~0.60%、Cr:0.80~1.10%、Mo:0.70~1.10%、Al:0.015~0.040%、Ni<0.20%、Cu<0.20%、V:0.070~0.100%、Nb<0.050%、Ca<0.0015%、P<0.010%、S<0.003%,余量为铁;
(2)连铸连轧:将上述钢水连铸成圆坯,将冷却后的连铸坯在环形加热炉内加热,管坯加热炉温为1300~1320℃,之后,定心、穿孔、连轧、定减径、冷却、锯切得到荒管;其中,热定心温度为1260~1270℃,热穿孔温度为1240~1250℃,连轧温度为1070~1120℃,定减径温度为910~930℃;
(3)热处理:将上述荒管采用淬火后再回火的热处理工艺,所述淬火工艺为:将荒管加热至920℃~940℃,保温30分钟,淬火介质为油性淬火液;所述回火工艺为:回火温度在640℃~660℃,保温2小时,采用空冷;
(4)上述热处理后的荒管经热定径和热矫直处理,最后探伤,得到成品石油套管。
2.根据权利要求1所述的石油套管的生产方法,其特征在于,步骤(4)定径工艺中的热定径温度为550~600℃,热矫直处理工艺的热矫直温度为500℃~540℃。
3.根据权利要求1所述的石油套管的生产方法,其特征在于,在步骤(2)的穿孔工艺中,延伸率为3.5~4.2,径壁比20~28,扩径率控制在35%以下,穿孔机的出口速度在0.9m/s以下,要求连铸圆管坯的直径公差为+1.4%~-1.4%,椭圆度公差≤2.5%。
4.根据权利要求1所述的石油套管的生产方法,其特征在于,在步骤(2)的连轧工艺中,控制连轧各道工序的压下率,使荒管在连轧工艺中变形前后的有效横截面积之比为2.8~6.5,连轧的最大入口速度在1.5m/s以内,最大出口速度在3.5m/s以内。
5.根据权利要求1所述的石油套管的生产方法,其特征在于,在步骤(2)的定减径工艺中,定减径轧制的入口速度为0.5~1.4m/s,出口速度为0.51~7m/s,有效横截面积之比控制在1.5以内。
6.根据权利要求1所述的石油套管的生产方法,其特征在于,在步骤(4)的热定径工艺中,荒管的热定径出口速度为1.2~2.4m/s。
7.根据权利要求1所述的石油套管的生产方法,其特征在于,套管的几何尺寸精度满足如下要求:直径误差为±直径尺寸的0.8%,壁厚误差为±壁厚尺寸的8%,椭圆度误差为±0.5%,管端的直线度误差为1.5mm/m,管体的直线度误差为1.0mm/m。
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