CN102373372A

CN102373372A - 一种耐高温油井管用钢及其制造方法

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Publication number: CN102373372A
Application number: CN2010102604629A
Authority: CN
Inventors: 田青超; 董晓明
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: CN102373372B

Abstract

本发明涉及一种耐高温油井管用钢，其化学成分的质量百分比为：C：0.05-0.15％，Si：0.15～0.45％，Mn：0.3-0.6％，Cr：8.5-14.0％，N：0.004-0.016％，Al：0.01-0.05％；以及V≤0.15％，Ti≤0.05％，Nb≤0.05％，Mo≤1.5％，W≤1.5％中的至少三种；余量为Fe和不可避免的杂质。该耐高温油井管用钢的制造方法，包括：熔炼，连铸成圆坯或浇铸成方坯后轧制成圆坯；轧制成无缝钢管后进行正火，正火温度为900-1100℃，正火时间为30-120分钟；再进行高温回火，回火温度为680-750℃，回火保温时间为60-90分钟。这样得到的耐高温油井管用钢，在室温至600℃的使用温度范围内屈服强度均大于350MPa，氧化速度小于2μm/年。

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600℃的火驱采油用耐高温油井管用钢及其制造方法。

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，靠近油层的钢管的温度可高达600℃。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，高温的工作环境还会使普通钢管产生严重氧化而烧蚀。

申请号为200910199165.5的中国专利申请公开了一种耐高温油井管用钢及其制造方法，提供了使用温度高达500℃油井管的解决方案，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％；由于这种钢管Cr含量低，在超过500℃的条件下钢管会发生严重氧化。

现有的耐高温油套管产品主要以普碳钢、Cr-Mo钢或含W的Cr-Mo低合金钢为主，如公开号为CN1873041A、CN1401809A、CN1904120A公开的中国专利申请所设计产品的使用温度均低于400℃，耐高温氧化性能很差。上述产品的生产方法均采用了调质热处理工艺。

发明内容

鉴于火烧驱油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600℃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，本发明提供一种耐高温油井管用钢，其化学成分的质量百分比为：C：0.05-0.15％，Si：0.15～0.45％，Mn：0.3-0.6％，Cr：8.5-14.0％，N：0.004-0.016％，Al：0.01-0.05％；以及V≤0.15％，Ti≤0.05％，Nb≤0.05％，Mo≤1.5％，W≤1.5％中的至少三种；余量为Fe和不可避免的杂质。

优选地，V：0.06-0.15％，Ti：0.03-0.05％，Nb：0.01-0.05％，Mo：0.4-1.5％，W：0.8-1.5％。

优选地，为了进一步提高抗高温氧化性能，本发明钢的化学成分的质量百分比为：C：0.08-0.12％；Si：0.15～0.45％；Mn：0.3-0.5％；Cr：12-14.0％；N：0.004-0.011％；Al：0.01-0.04％；V≤0.12％；Nb：0.01-0.05％；Mo≤1.5％；W≤1.5％；Ti≤0.05％中的至少三种；余量为Fe和不可避免的杂质。

优选地，V：0.09-0.12％，Ti：0.03-0.05％，W：1.0-1.5％，Mo：0.4-1.5％。

以下是本发明油井管用钢的各化学成分的作用及其具体说明：

C：高温下易氧化脱碳，显著降低材料的高温性能，破坏氧化膜的连续性，按重量百分比，C含量不宜大于0.15％，但是C含量太低炼钢难度增大，提高生产成本，所以宜采用含碳量0.05-0.15％。

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0.15-0.45％。

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0.3-0.5％。

Cr：强碳氮化物形成元素，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，但含量过高成本增加，按重量百分比，宜采用含量8.5-14.0％。进一步提高抗高温氧化性能时，优选Cr：12-14％

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，按重量百分比，宜采用含量0.01-0.04％。

N：使Cr、Ti、Nb、V等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，含量高时热开裂倾向增大，按重量百分比，宜采用含量40-150ppm。

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。按重量百分比，宜采用含量≤0.15％，优选为0.06-0.15％，提高抗高温氧化性能时，优选V小于0.12％，更优选为0.09-0.12％。

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；若含量太高，易形成粗大的TiN。按重量百分比，宜采用含量≤0.05％，优选为0.03-0.05％。

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，按重量百分比，宜采用含量≤0.05％，优选为0.01-0.05％。

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，含量高时成本过高，按重量百分比，宜采用含量≤1.5％，优选为0.40-1.50％。

W：强碳化物形成元素，有利于提高材料的高温强度，含量高时成本过高，按重量百分比，宜采用含量≤1.5％，优选为0.8-1.5％。

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，采用正火+回火的热处理工艺生产，正火温度为900-1100℃，正火时间为30-120分钟；高温回火，回火温度为680-750℃，回火保温时间为60-90分钟。然后热定径、热矫直，热矫直温度≤450℃，优选为450-600℃。

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在600℃的高温屈服强度在350MPa以上，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；在600℃的高温环境下钢管表面可形成有效的氧化保护膜，年氧化腐蚀速度小于2μm/年，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。

附图说明

图1是本发明的实施例1钢的表面氧化形貌扫描电镜图。

图2是本发明的实施例3钢的表面氧化形貌扫描电镜图。

图3是对比例2钢的表面氧化形貌扫描电镜图。

具体实施方式

表1示出了本发明与现有技术的成分对比；

表2示出了实施例与对比例的化学成分(wt％)；

表3示出了实施例与对比例的热处理工艺和力学性能。

表1实施例与对比例化学成分(wt.％)

	C	Si	Mn	Cr	N	Al	Mo	W	V	Ti	Nb
												实施例1	0.15	0.35	0.48	8.5	0.012	0.04	0.45		0.15		0.05
实施例2	0.05	0.40	0.60	9.5	0.008	0.05		0.8	0.06	0.05
												实施例3	0.08	0.45	0.50	12.0	0.016	0.04	1.50		0.12		0.05
实施例4	0.12	0.15	0.30	14.0	0.004	0.01	0.40	1.5		0.03	0.01
												实施例5	0.10	0.30	0.40	13.1	0.09	0.02		1.0	0.09	0.05	0.03
对比例1	0.13	0.33	0.52	6.5	0.004	0.04	0.51
												对比例2	0.28	0.30	0.40	9.5	0.011	0.03	0.43		0.13		0.03

表2实施例与对比例热处理工艺和力学性能

根据本发明的石油套管可以采用如表1所示的不同实施例的化学成份质量百分比。

本发明的石油套管的制造方法如下：具有表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，采用正火+回火的热处理工艺生产，正火温度：900-1100℃，正火时间：30-120分钟；高温回火，回火温度：680-750℃，回火保温时间60-90分钟。然后热定径、热矫直，热矫直温度在450℃以上。

本发明的钢成分和热处理工艺，使屈服强度在室温至高温600℃的使用温度范围内都大于350MPa，年氧化速度小于2μm/年，具体如表3所示。

以实施例1、实施例3为例，通过上述方法制备Φ177.8×9.19套管，经热处理后性能见表2。通过表2可以看到，根据本发明的石油套管在室温和600℃的高温下都具有优良的高温力学性能和抗氧化减薄性能。

实施例1、实施例3的钢，在600℃的高温空气环境条件下保温2400小时后的表面氧化膜形貌见图1-2。由图可见，和空气接触的表面都形成了良好的氧化保护膜。较高Cr含量的实施例3表面覆盖着由Cr₂O₃纳米颗粒形成的氧化保护膜，而较低Cr含量的实施例1在Cr₂O₃氧化保护膜的表面局部还长有细长的Fe₂O₃晶须。

对比例1的Cr含量过低，而对比例2中C含量过高，虽然高温下力学性能较好，但表面无法形成有效的氧化保护膜，见图3。图3给出对比例1在600℃的高温的空气环境条件下保温2400小时后的表面氧化膜形貌。表面由疏松的片状Fe₂O₃组成，无法阻止氧化过程中的离子交换过程，氧化速度较本发明大10倍以上。

与现有技术相比，采用本发明的方法生产的石油套管具有优异的耐高温与耐腐蚀性能，在室温至高温600℃的使用温度范围内屈服强度都大于350MPa，在600℃下氧化速度小于2μm/年。另外，本发明钢管的生产成本适中，具有重大的经济和社会效益。

Claims

1.一种耐高温油井管用钢，其化学成分的质量百分比为：C：0.05-0.15％，Si：0.15-0.45％，Mn：0.3-0.6％，Cr：8.5-14.0％，N：0.004-0.016％，Al：0.01-0.05％；以及V≤0.15％，Ti≤0.05％，Nb≤0.05％，Mo≤1.5％，W≤1.5％中的至少三种；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，V：0.12-0.15％，Ti：0.03-0.05％，Nb：0.01-0.05％，Mo：0.4-1.5％，W：0.8-1.5％。

3.如权利要求1所述的耐高温油井管用钢，其特征在于，C：0.08-0.12％；Mn：0.3-0.5％；Cr：12-14.0％；N：0.004-0.011％；Al：0.01-0.04％；及V：0.09-0.12％，Nb：0.01-0.05％，Ti：0.03-0.05％，Mo：0.4-1.5％，W：1.0-1.5％中的至少一种。

4.如权利要求1～3任一所述的耐高温油井管用钢的制造方法，包括：

将前述化学成分的钢水进行熔炼，连铸成圆坯或浇铸成方坯后轧制成圆坯；

轧制成无缝钢管后进行正火，正火温度为900-1100℃，正火时间为30-120分钟；再进行高温回火，回火温度为680-750℃，回火保温时间为60-90分钟。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在回火工艺后，进行热矫直的温度为大于450℃。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在回火工艺后，进行热矫直的温度为450-600℃。

7.如权利要求4～6任一所述的方法制造的耐高温油井管，在室温至600℃的使用温度范围内屈服强度均大于350MPa，氧化速度小于2μm/年。