CN102071361A

CN102071361A - 一种耐高温油井管用钢及其制造方法

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Publication number: CN102071361A
Application number: CN2009101991655A
Authority: CN
Inventors: 田青超; 岳磊; 董晓明; 蔡志鸿; 李铮; 丁维军; 黄子阳
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Shanghai Baosteel Trading Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Shanghai Baosteel Trading Co Ltd
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-05-25

Abstract

一种耐高温油井管用钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.02～0.31％；Si：0.15～0.68％；Mn：0.2～1.48％；Cr：2.0～4.0％；V：0.05～0.20％；Ti：0.001～0.05％；Nb：0.001～0.05％；Al：0.001～0.07％；Mo：0.05～0.9％；W：0.2～1.755；N：0.002～0.05％；Ca：0.001～0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。耐高温油井管的制造包括：将经过冶炼、连铸及轧制得到的无缝钢管进行淬火回火工艺或正火回火工艺；进行淬火回火工艺时，淬火温度是880～960℃，淬火时间为30～90分钟，回火温度为620～710℃，回火保温时间为30～90分钟；进行正火回火工艺时，正火温度为880～1100℃，正火时间为10～60分钟，回火温度为620～710℃，回火保温时间为30～90分钟。这样得到的油井管具有优异的高温拉伸性能、高温持久性能、高温氧化性能和优良的抗CO₂腐蚀能力，可以很好地满足火烧油田采油用管苛刻环境的要求。

Description

一种耐高温油井管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种石油天然气井油井管用钢，特别是涉及一种使用温度达500℃的经济型火烧油田用耐高温油井管及其制造方法。

背景技术

稠油在世界油气资源中占有较大的比例。我国稠油资源丰富，辽河油田、克拉玛依油田、胜利油田及大港油田等油区是我国主要的稠油开发区，稠油开采的潜力很大。在稠油的开采过程中，为了使油层温度升高，降低稠油粘度，使稠油易于流动，从而将稠油采出，存在蒸汽吞吐、蒸汽驱、热水驱、火烧油层等热力采油的方法。其中，火烧油层火驱采油是燃烧地层的一部分原油以提高稠油采收率的最具潜力的热采技术之一。火驱采油过程涉及到相邻的两口井，其中注气井将空气或氧气注入地层点火使原油燃烧，采油井将火烧后可开采的原油采出。火驱原油过程是多种机制综合起作用的结果，如热裂解、混相驱动、气驱、岩石及油层流体的热膨胀作用、地下流体的重力分离作用、蒸汽导致油层岩石相对渗透率及毛细力的变化等。

在火烧原油过程中，高温火焰和套管以及油管接触传热，钢管的温度可高达500～700℃。高温不仅会使材料软化，而且还会使钢管氧化减薄；燃烧加热过程、停烧以及采油过程中的冷却不仅会使套管受到非常大的拉-压应力，而原油燃烧所产生的大量的二氧化碳会使钢管产生二氧化碳腐蚀。

现有的耐高温油套管产品主要以普碳钢、CrMo钢或含W的CrMo钢为主，如公开号为CN1873041A的中国专利申请公开了一种耐高温隔热油管用钢及其制造方法，其化学成分为：C：0.05～0.25％，Si：0.1～0.6％，Mn：0.1～1.0％，Cr：0.5～2.0％，V＜0.05％，Al＜0.05％，Nb＜0.05％，Mo：0.1～1.0％，W：0.1～1.0％。这种油管用钢的化学成分较为简单，可含的V含量较低，这种钢适用于在350℃以下使用的较低钢级的耐高温油套管产品，如API标准的N80钢级的套管产品。然而，这些产品400℃以上的耐高温氧化、持久性能很差，并且，由于Cr含量低，材料的抗二氧化碳腐蚀能力也不能满足用户的使用要求。公开号为CN1401809A的中国专利申请公开了一种抗二氧化碳腐蚀的低合金油套管，其化学成分为C：0.01～0.3％，Si：0.14～1.0％，Mn：0.1～2.0％，Cr：0.5～5.0％，Al：0.005～0.1％，Mo：0.01～1.0％，W：0～1.0％，Cu：0.05～2.0％，Ni：0.05～1.0％。所用合金中含有Cu、Ni，而不含Nb、V等合金元素，耐高温氧化性能较差。公开号为CN1904120的中国专利申请公开了一种高温抗腐蚀隔热油管用钢，其化学成分为C：0.01～0.15％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.4～1.0％，Cr：0.5～3.0％，Mo：0.1～1.0％，W：0.1～1.0％，Cu：0.1～1.0％，Ni：0.1～1.0％。该合金同样不含Nb、V等合金元素，耐高温氧化性能较差。上述产品的生产方法均采用了调质热处理工艺。

发明内容

鉴于火烧油田对耐高温油井管的新要求，本发明的目的在于提供一种使用温度范围为室温至500℃的耐高温石油用管及其生产方法，以满足火驱采油对油井管提出的耐高温、耐腐蚀的性能需求。

为了实现上述目的，本发明提供一种抗挤毁耐高温油井管用钢，其化学成分的质量百分比为：C：0.02～0.31％；Si：0.15～0.68％；Mn：0.2～1.48％；Cr：2.0～4.0％；V：0.05～0.20％；Ti：0.001～0.05％；Nb：0.001～0.05％；Al：0.001～0.07％；Mo：0.05～0.9％；W：0.2～1.75％；N：0.002～0.05％；Ca：0.001～0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。

为了进一步提高耐磨性，本发明钢的一个优选成分为高碳低氮系列，其化学成分的质量百分比为：C：0.18～0.31％；Si：0.15～0.68％；Mn：0.2～1.48％；Cr：2.0～4.0％；V：0.05～0.10％；Ti：0.001～0.05％；Nb：0.001～0.05％；Al：0.001～0.07％；Mo：0.05～0.45％；W：0.2～0.6％；N：0.002～0.008％；Ca：0.001～0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。

为了进一步提高高温性能，本发明钢的另一个优选成分为高氮低碳系列，其化学成分的质量百分比为：C：0.02～0.15％；Si：0.15～0.68％；Mn：0.2～1.48％；Cr：2.0～4.0％；V：0.07～0.20％；Ti：0.001～0.05％；Nb：0.001～0.05％；Al：0.001～0.07％；Mo：0.05～0.9％；W：1.2～1.75％；N：0.015～0.05％；Ca：0.001～0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。

以下是本发明的油井管用钢的各化学成分的作用及其具体说明：

C：为了减轻水淬开裂的敏感性，按重量百分比，C含量不宜大于0.31％，但是C含量太低将有损材料的强度，所以宜采用含碳量0.02～0.31％。

Si：固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时会损失塑性和韧性，按重量百分比，宜采用硅含量为0.15～0.68％。

Mn：主要溶于铁素体起强化作用，用来提高钢的淬透性，但含量太高时偏析严重，按重量百分比，宜采用Mn含量为0.2～1.48％。

Cr：能够强烈提高淬透性元素，强碳化物形成元素，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于提高材料的高温强度、耐氧化性能和抗二氧化碳腐蚀性能，但含量过高时析出粗大M₂₃C₆碳化物，丧失其有利效果且成本增加，按重量百分比，宜采用含量2.0～4.0％。

V：强碳氮化物形成元素，钒的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，可以在回火过程中进一步达到析出强化的效果，可以有效地提高材料的高温强度和持久强度。按重量百分比，宜采用含量0.05～0.2％。

Ti：强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC，从而在均热和再加热过程中可以阻止奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒，有利于提高材料的高温强度和持久强度；若含量太高，易形成粗大的TiN。按重量百分比，宜采用含量0.001～0.05％。

Nb：强碳氮化物形成元素，可以细化晶粒及具有析出强化的作用，有利于提高材料的高温强度和持久强度，按重量百分比，宜采用含量0.001～0.05％。

Al：传统脱氧固氮元素，形成AlN，可以细化奥氏体晶粒，有利于提高材料的高温强度和持久强度，按重量百分比，宜采用含量0.001～0.07％。

Mo：强碳化物形成元素，可以有效地提高钢的回火稳定性，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于提高材料的高温强度和持久强度，含量高时成本过高，按重量百分比，宜采用含量0.05～0.9％。

W：强碳化物形成元素，有利于提高材料的高温强度和持久强度，含量高时成本过高，按重量百分比，宜采用含量0.2～1.75％。

N：使Ti、Nb、V合金形成稳定的氮化物，可以有效的提高钢的耐高温软化性能，提高材料的高温强度和持久强度，含量高时热开裂倾向增大，按重量百分比，宜采用含量20～500ppm。

Ca：可以净化钢液，促使MnS球化，提高材料的抗挤性能，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物，宜采用含量0.001～0.008％，同时钙硫含量的比值Ca/S＞1。

本发明的石油套管的制造方法如下：按照本发明的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯。热轧后获得的无缝钢管，可采用两种热处理工艺生产，一种为淬火和回火工艺，水淬，淬火温度：880～960℃，淬火时间：30～90分钟；高温回火，回火温度：620～710℃，回火保温时间30～90分钟；另一种为正火和回火工艺，正火温度：880～1100℃，正火时间：10～60分钟；高温回火，回火温度：620～710℃，回火保温时间30～90分钟。然后热定径、热矫直，热矫直温度大于450℃。

按照本发明的成分设计及其工艺得到的油井管用钢制成的耐高温套管不仅具有优异的高温拉伸性能，能有效地抵抗外部环境不确定因素引起的短时高温过载，提高套管的使用性能；而且拥有优良的高温持久性能，能有效抵御长时间高温条件下因材料蠕变而导致的套损现象，如脱扣、断裂等；不仅具有优良的抗高温氧化性能，能有效减缓因氧化减薄导致的套管承载能力下降的问题，还具有优良的抗CO₂腐蚀能力，可以很好地满足火烧油田采油用管苛刻环境的要求。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进行较为详细的说明。

按照表1所示的不同实施例的化学成份质量百分比制备本发明若干油井管。其制造方法如下：

按照本发明的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯。热轧后获得的无缝钢管，可采用两种热处理工艺生产，一种为淬火和回火工艺，水淬，淬火温度：880～960℃，淬火时间：30～90分钟；高温回火，回火温度：620～710℃，回火保温时间30～90分钟；另一种为正火和回火工艺，正火温度：880～1100℃，正火时间：10～60分钟；高温回火，回火温度：620～710℃，回火保温时间30～90分钟。然后热定径、热矫直，热矫直温度大于450℃。

通过不同的热处理工艺，使屈服强度在室温至高温500℃的使用温度范围内都符合API标准同一钢级，例如80级(552～758MPa)或110级(758～965MPa)钢的要求。

实施例1

具有表1中实施例1所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8×9.19mm套管。

然后，再进行正火和回火工艺。淬火工艺采用水淬，淬火温度：920℃，淬火时间：40分钟；进行高温回火，回火温度：640℃，回火保温时间60分钟。得到屈服强度在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准110钢级(758～965MPa)要求的钢，如表2所示。

进行正火和回火工艺。正火温度：1000℃，正火时间：60分钟；进行高温回火，回火温度：650℃，回火保温时间60分钟。得到屈服强度在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准110钢级(758～965MPa)要求的钢，如表2所示。

实施例2

具有表1中实施例2所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8×9.19mm套管。

然后，再进行正火和回火工艺，淬火工艺采用水淬，淬火温度：900℃，淬火时间：60分钟；进行高温回火，回火温度：700℃，回火保温时间90分钟。得到屈服强度在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准80钢级(552～758MPa)要求的钢，如表2所示。

或者进行正火和回火工艺时，正火温度：1100℃，正火时间：30分钟；进行高温回火，回火温度：710℃，回火保温时间90分钟。得到屈服强度在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准80钢级(552～758MPa)要求的钢，如表2所示。

实施例3

具有表1中实施例3所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8×9.19mm套管。

再进行淬火和回火工艺，淬火工艺采用水淬，淬火温度：890℃，淬火时间：45分钟；进行高温回火，回火温度：630℃，回火保温时间30分钟。得到屈服强度在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准110钢级(758～965MPa)要求的钢，如表2所示。

实施例4

具有表1中实施例4所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8×9.19mm套管。

然后，再进行正火和回火工艺，淬火工艺采用水淬，淬火温度：880℃，淬火时间：45分钟；进行高温回火，回火温度：650℃，回火保温时间60分钟。得到屈服强度在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准80钢级(552～758MPa)要求的钢，如表2所示。

或者进行正火和回火工艺时，正火温度：1100℃，正火时间：60分钟；进行高温回火，回火温度：640℃，回火保温时间90分钟。得到屈服强度在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准80钢级(552～758MPa)要求的钢，如表2所示。

实施例5

具有表1中实施例5所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8×9.19mm套管。

再进行淬火和回火工艺，淬火工艺采用水淬，淬火温度：960℃，淬火时间：60分钟；进行高温回火，回火温度：620℃，回火保温时间60分钟。得到在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准110钢级(758～965MPa)要求的屈服强度的钢，如表2所示。

或者进行正火和回火工艺时，正火温度：1000℃，正火时间：90分钟；进行高温回火，回火温度：680℃，回火保温时间30分钟。得到在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准80钢级(552～758MPa)要求的屈服强度的钢，如表2所示。

实施例6

具有表1中实施例6所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯，热轧后获得的无缝钢管Φ177.8×9.19mm套管，进行正火和回火工艺时，正火温度：900℃，正火时间：90分钟；进行高温回火，回火温度：620℃，回火保温时间90分钟。得到在室温至高温500℃的使用温度范围内符合API标准80钢级(552～758MPa)要求的屈服强度的钢，如表2所示。

对比例1

具有表1中对比例1所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯，热轧后获得的无缝钢管Φ177.8×9.19mm套管，进行淬火和回火工艺，淬火温度：920℃，淬火时间：30分钟；进行高温回火，回火温度：685℃，回火保温时间60分钟。得到的钢，室温力学性能为80钢级，但高温下力学性能为55钢级，比80钢级低一个钢级，如表2所示。

对比例2

具有表1中对比例2所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯，热轧后获得的无缝钢管Φ177.8×9.19mm套管，进行正火和回火工艺，正火温度：1000℃，正火时间：30分钟；进行高温回火，回火温度：650℃，回火保温时间60分钟。得到的钢，室温力学性能为80钢级，但高温下力学性能为55钢级，比80钢级低一个钢级，如表2所示。

表1实施例与对比例化学成分(wt.％)

	C	Mn	Si	Cr	Mo	W	V	Ti	Nb	N	Al	Ca
													实施例1	0.31	0.20	0.27	2.52	0.05	0.20	0.08	0.005	0.001	0.002	0.001	0.005
实施例2	0.18	1.48	0.20	4.0	0.45	0.40	0.10	0.01	0.02	0.004	0.05	0.004
													实施例3	0.25	0.80	0.68	2.0	0.3	0.60	0.05	0.03	0.05	0.008	0.04	0.003
实施例4	0.02	0.48	0.15	2.25	0.4	1.22	0.20	0.001	0.01	0.015	0.03	0.002
													实施例5	0.15	1.20	0.36	2.5	0.90	1.45	0.07	0.03	0.005	0.035	0.07	0.001
实施例6	0.07	0.78	0.45	3.0	0.2	1.75	0.14	0.05	0.02	0.05	0.04	0.008
													对比例1	0.25	0.80	0.33	3.1	0.4					0.004	0.04
对比例2	0.1	0.80	0.30	2.2	0.4	0.3	0.03		0.03	0.015	0.03

表2实施例与对比例热处理工艺和力学性能

通过表2可以看到，根据本发明的石油套管在室温和500℃高温的强度均可满足套管的性能要求。

对比例1不含W、V、Ti、Nb等合金元素，而对比例2中V过低，它们的室温力学性能为80钢级，但高温下力学性能却比80钢级低一个钢级，为55钢级。

从表2的实验结果来看，本发明的钢种高温力学性能较对比钢明显优越，使用本发明的钢种和制造方法，所制备的耐高温套管不仅具有优异的高温拉伸性能，有效的抵抗外部环境不确定因素引起的短时高温过载，提高套管的使用性能，而且拥有优良的高温持久性能，有效抵御长时间高温条件下因材料蠕变而导致的套损现象，如脱扣、断裂等；不仅具有优良的抗高温氧化性能，有效减缓因氧化减薄导致的套管承载能力下降的问题，还具有优良的抗CO₂腐蚀能力，可以很好地满足火烧油田采油用管苛刻环境的要求。

虽然以上通过具体实施例介绍了本发明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明构思前提下，还可以有更多变化或改进的其他实施例，这些变化和改进都应属于权利要求要求保护的范围。

Claims

1.一种耐高温油井管用钢，其化学成分按重量百分比计为：

C：0.02～0.31％；Si：0.15～0.68％；Mn：0.2～1.48％；Cr：2.0～4.0％；V：0.05～0.20％；Ti：0.001～0.05％；Nb：0.001～0.05％；Al：0.001～0.07％；Mo：0.05～0.9％；W：0.2～1.75％；N：0.002～0.05％；Ca：0.001～0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的耐高温油井管用钢，其特征在于，C：0.18～0.31％；N：0.002～0.008％。

3.如权利要求1所述的耐高温油井管用钢，其特征在于，C：0.02～0.15％；N：0.015～0.05％。

4.一种耐高温油井管，其化学成分按重量百分比计为：

5.如权利要求4所述的耐高温油井管，其特征在于，C：0.18～0.31％；N：0.002～0.008％。

6.如权利要求4所述的耐高温油井管，其特征在于，C：0.02～0.15％；N：0.015～0.05％。

7.如权利要求4～6所述的耐高温油井管的制造方法，包括如下步骤：

将所述化学成分经过冶炼、连铸及轧制得到的无缝钢管进行淬火回火工艺，其中，淬火温度是880～960℃，淬火时间为30～90分钟，回火温度为620～710℃，回火保温时间为30～90分钟。

8.如权利要求7所述的耐高温油井管的制造方法，包括如下步骤：将所述化学成分经过冶炼、连铸及轧制得到的无缝钢管进行正火回火工艺，其中，正火温度为880～1100℃，正火时间为10～60分钟，回火温度为620～710℃，回火保温时间为30～90分钟。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，还包括热矫直，热矫直温度大于450℃。