CN102899573B - 一种高强度耐磨套管用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强度耐磨套管用钢，其以质量百分比计化学成分为：C：0.50-1.2％、Si：0.10-1.0％、Mn：0.40-1.0％、Ti：0.3-2.5％、P≤0.02％、S≤0.01％、Cr：0.5-1.5％、Mo：0.1-1.0％、Nb或V：0.1％以下，其余全部由Fe组成。所述高强度耐磨套管的制造方法，包括：进行电弧炉或转炉冶炼和二次精炼，并连铸成管坯；管坯在1200-1300℃之间加热轧制成无缝钢管；钢管在850-950℃保温1小时以上进行淬火，以及在600-750℃回火1小时以上；然后空冷。得到的高强度耐磨套管用钢得到的套管，其钢级为110ksi，而且经高温回火后仍具有较高的冲击韧性，其0℃冲击韧性值达到40J以上。可作为高强度耐磨损石油套管用于油气田开采。

Description

一种高强度耐磨套管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种套管用钢，特别是涉及用于油气田开采的高强度耐磨损石油套管用钢、套管及其制造方法。

背景技术

随着油田开发的进展，井深为4000m以上的深井、超深井以及超斜度井、水平井和大位移井大量出现，在这些油井的开发过程中套管在与钻杆管柱的长期接触过程中磨损相当严重。套管磨损的主要形式为偏磨，偏磨使套管横截面呈月牙形；偏磨后的套管在抗挤强度降低的同时其抗内压强度也随之降低，这不仅严重影响后续的钻井、完井及开采作业质量和安全性，还可能造成套管柱挤毁、变形及泄漏，引发井下事故，有时甚至造成全井报废。目前，减少套管磨损已成为亟待解决的难题。

现有技术中，尚未发现关于耐磨套管钢种成分设计的论述，仅有一些专利描述了通过对油套管进行表面热处理以增加其表面硬度，从而增强油套管耐磨性能的方法和装置，如JP2004300474A。另有一些专利描述了用于机械制造和采矿设备等方面的耐磨钢种，如US5236521A、JP58213858A和JP59064747A。

但这类钢种一般只强调耐磨性，而不考虑冲击韧性等油套管必须具备的性能。

CN101113509A描述了一种通过对油、套管进行氮化处理以增强油、套管耐磨性能和抗腐蚀性能的方法，通过该方法可在油套管表面形成一层0.5-2mm厚的渗氮层，该渗氮层可有效增加管体表面硬度同时可以在一定程度上改善管体抗腐蚀性能。

这种表面形成氮化层的方法一般能用于生产长径比大于30的管子，但不能适用于大口径套管的生产；该方法增加表面硬度的能力有限，无法完全满足套管在与钻杆接触过程中的耐磨损，同时一旦表面耐磨层磨损则容易在被磨损部位和其他部位表面耐磨层之间形成电偶腐蚀，从而产生局部腐蚀。

减少套管磨损，可以通过增强套管本身的耐磨性和降低套管与钻杆之间的摩擦系数两种方式。降低套管与钻杆之间的摩擦系数，可以通过添加润滑剂，此外也可通过在钻杆的接头处敷焊耐磨带以有效降低接头基体和套管的磨损。而增强套管耐磨性能则要从套管材料本身入手，通过套管材料的成分优化，在保证套管所需强度和韧性的基础上提高套管的硬度，以增强套管的耐磨性能。

因此，目前仍需要一种耐磨性能优良，而且强度高的套管用钢。

发明内容

本发明的目的在于向油田用户提供一种具有优良耐磨性能的高强度套管，以满足油田在深井超深井、超斜度井、水平井及大位移井开采过程中对耐磨套管的需求。

为实现满足高强度、耐磨套管的性能要求的目的，本发明的高强度耐磨套管用钢，其以质量百分比计化学成分为：C：0.50-1.2％、Si：0.10-1.0％、Mn：0.40-1.0％、Ti：0.3-2.5％、P≤0.02％、S≤0.01％、Cr：0.5-1.5％、Mo：0.1-1.0％、Nb或V：0.1％以下，其余全部由Fe组成。

优选地，C：0.51-1.15％。

优选地，Si：0.11-0.90％，更优选为0.11-0.50％。

优选地，Mn：0.40-0.90％，更优选为0.41-0.70％。

优选地，Ti：0.31-2.4％，更优选为0.32-2.4％。

优选地，P≤0.015％，S≤0.005％，优选P≤0.01％，S≤0.001％。

优选地，Mo：0.12-0.90％，更优选为0.3-0.7％。

优选地，Ti∶C为3∶5～5∶1，更优选为1∶1～3∶1。

优选地，所述钢中TiC陶瓷颗粒尺寸在5μm以下，以及TiC含量≤3％。

优选地，TiC含量为0.3-3％。

优选地，在本发明的成分体系中，首先将0.50％的碳和上述含量的Si、Mn、Cr及剩余的Fe等所组成的元素成分进行冶炼，随后在炼钢过程加入Ti、C粉通过原位合成生成3％以下，优选为0.3-3％的TiC颗粒相。为保证合金的强度同时达到耐磨性能，形成TiC颗粒所需要的Ti、C的比例为Ti∶C＝3∶5～5∶1，成分配比同时考虑一定的烧结。更优选所述TiC颗粒相的尺寸为5μm以下。

除非另有指明，本发明中的含量均为重量百分含量。

本发明的另一个目的是提供一种上述高强度耐磨套管用钢得到的高强度磨套管。所述套管，其钢级为110ksi，而且经高温回火后仍具有较高的冲击韧性，其0℃冲击韧性值达到40J以上。

本发明的又一个目的是提供上述高强度耐磨套管的制造方法。该方法包括：

上述高强度耐磨套管的制造方法，包括：

进行电弧炉或转炉冶炼和二次精炼，并连铸成管坯；

管坯在1200-1300℃之间加热轧制成无缝钢管；

钢管在850-950℃保温1小时以上进行淬火，以及在600-750℃回火1小时以上；

然后空冷。

采用上述成分和制造方法可以生产110ksi钢级的高强度耐磨损套管。与现有套管产品相比，本发明具有如下优点：

TiC弥散强化技术是以钢铁为基体，TiC陶瓷颗粒为增强体。采用本发明所述成分在冶炼过程通过原位合成技术在钢中通过Ti和C反应合成一定比例并均匀分布的TiC陶瓷颗粒，可以大幅度提高钢种的耐磨性；此外，原位生成的TiC陶瓷颗粒TiC与钢基体结合良好，尺寸在5μm以下，材料经高温回火后仍具有较高的冲击韧性，其0℃冲击韧性值均达到40J以上。

具体实施方式

以下对本发明的特点和有益效果进行较为详细的描述。

为了实现提供110ksi钢级的高强度耐磨损套管的目的，本发明的钢的元素成分选择理由如下：

C：0.50-1.2％

C是对提高钢种的强度、硬度以及形成TiC原位颗粒最有效的元素，但在马氏体不锈钢中C含量低于0.5％时这种效果不够明显，同时当C含量超过1.2％时容易导致冲击韧性明显下降。因此，本发明中控制C含量为0.50-1.2％，优选为0.51-1.15％。

Ti：0.3-2.5％

在原位合成TiC陶瓷颗粒为增强体的耐磨钢中，Ti的作用与C同等重要，TiC的原位析出能够明显大幅度提高钢种的耐磨性。但是当Ti含量低于0.3％时钢种耐磨性提高不明显，Ti含量高于2.5％时过多的TiC颗粒析出会对钢种的冲击韧性造成较大负面影响。因此，本发明中控制Ti含量为0.3-2.5％，优选为0.31-2.4％，更优选为0.32-2.4％。

另外，合适的Ti、C比可以提高合金的利用效率，避免C或者Ti在合金中的富余量过多而降低合金的性能，如果Ti∶C小于3∶5，则C的含量富余过多，降低合金的韧性；或者TiC的含量过少，则合金的耐磨性下降。如果Ti∶C大于5∶1，则Ti的含量富余过多，而造成合金的浪费；或者TiC的含量过多，则合金的韧性下降。因此，本发明中控制Ti∶C为3∶5～5∶1，更优选1∶1～3∶1。

Si：0.1-1.0％

Si是有效的脱氧剂，同时0.1％以上的Si对提高钢种的强度有益，但是过多的Si会造成钢种韧性的降低。因此，本发明中控制Si的含量在0.1-1.0％，优选为0.1-0.5％或0.11-0.9％。

Mn：0.40-1.0％

Mn能大幅提高钢种的强度和韧性，也是有效的脱氧剂，而且具有脱S的作用，但是过多的Mn也会促进碳化物的形成，从而降低钢种的韧性和耐腐蚀性。因此，本发明中控制Mn含量为0.40-1.0％，优选为0.40-0.90％，优选为0.40-0.7％。

P：0.02％以下、S：0.01％以下

P、S均为伴生的杂质元素。P、S对合金的热加工性能、纯净度产生有害影响，并且P、S含量分别在0.02％、0.01％以上时，对钢种的耐腐蚀性能产生明显的破坏作用。因而，本发明中控制P、S的含量分别在0.02％、0.01％以下，优选地P≤0.015％，S≤0.005％。

Cr：0.5-1.5％

Cr的添加能够提高钢种的淬硬性、强度和高温抗回火稳定性，同时还可以大幅提高钢种抗局部腐蚀和均匀腐蚀能力，但是Cr含量低于0.5％时效果不明显，Cr含量高于1.5％时合金成本增加。因此，本发明中控制Cr含量为0.5-1.5％，优选为0.55-1.45％。

Mo：0.1-1.0％

Mo的添加有助于提高钢种的韧性和强度，同时可以抑制钢种的高温回火脆性。但是Mo的含量过高，会导致成本大幅提高、因此，本发明中控制Mo的含量为0.1-1.0％，优选为0.12-0.9％，更优选为0.3-0.7％。

V、Nb：0.1％以下

Nb、V可以通过细化晶粒、析出强化改善钢种的强度和韧性，但当其含量超过0.1％时，其析出相过多，效果反而不明显，也增加钢种的合金成本。因此，本发明中选择性添加V或Nb，而且其含量在0.1％以下，优选为0.01-0.08％。

实施例

表1为试验钢的化学成分。

表1试验钢种的化学成分，wt％

注：A1-A6为本发明实施例，B1-B4为比较例。

试验钢经电弧炉或转炉和二次精炼以及连铸成管坯后，管坯在1200-1300℃之间加热轧制成无缝钢管，钢管再在850-950℃保温1小时淬火和600-750℃回火1小时以上后空冷得到试验钢管。

试验例1：力学性能

试验钢管，按照(GB/T228-2002)测定R_p0.2(屈服强度)、Rm(抗拉强度)、A_50.8(延伸率)以及硬度(HRC)等力学性能，其结果见表2。其中，冲击韧性是夏比纵向全尺寸V型缺口在0℃试验条件下的试验结果

试验例2：磨损性能

试验钢管按照GB/T12444-2006测量磨损性能，其中磨损条件为油润滑，1小时(里程2km)，摩擦副采用GCr15，试验载荷分别为15KG和30kg，其结果见表2。

表2试验钢种的力学和耐磨损性能

从以上数据可以看出，本发明钢种和常规110Ksi钢级的高强度套管及13Cr马氏体不锈钢产品相比，耐磨性能提高了5倍以上，常规力学性能方面均达到API5CT规范对于P110油套管钢的技术要求。

本发明钢种可以用于生产油气田开采的高强度耐磨套管，能够满足油田耐磨套管的生产需求，强度可以达到110ksi钢级。本发明所述钢种的开发对石油开采等能源行业具有重要意义，具有巨大的市场前景。

Claims (12)

1.高强度耐磨套管用钢，其以质量百分比计化学成分为：C：0.50-1.2％、Si：0.10-1.0％、Mn：0.40-1.0％、Ti：0.3-2.5％、P≤0.02％、S≤0.01％、Cr：0.5-1.5％、Mo：0.1-1.0％、Nb或V：0.1％以下，其余全部由Fe组成，其中Ti∶C为3∶5～5∶1，所述钢中TiC陶瓷颗粒相通过原位合成，其尺寸在5μm以下，以及TiC陶瓷颗粒相含量≤3％。

2.如权利要求1所述的高强度耐磨套管用钢，C：0.51-1.15％。

3.如权利要求1所述的高强度耐磨套管用钢，Si：0.11-0.90％。

4.如权利要求1-3任一所述的高强度耐磨套管用钢，Mn：0.40-0.90％。

5.如权利要求1-3任一所述的高强度耐磨套管用钢，Ti：0.31-2.4％。

6.如权利要求1-3任一所述的高强度耐磨套管用钢，P≤0.015％，S≤0.005％。

7.如权利要求1所述的高强度耐磨套管用钢，Mo：0.12-0.90％。

8.如权利要求1所述的高强度耐磨套管用钢，其特征在于，Ti∶C为1∶1～3∶1。

9.如权利要求1所述的高强度耐磨套管用钢，其特征在于，TiC含量为0.3-3％。

10.如权利要求1-3任一所述的高强度耐磨套管用钢，其钢级为110ksi，而且经高温回火后仍具有较高的冲击韧性，其0℃冲击韧性值达到40J以上。

11.用如权利要求10所述的高强度耐磨套管用钢制造套管的方法，包括：

进行电弧炉或转炉冶炼和二次精炼，并连铸成管坯；其中冶炼时，首先按照0.50％的碳含量和上述含量的Si、Mn、Cr及剩余为Fe所组成的元素成分进行，随后在炼钢过程加入Ti和C粉，通过原位合成得到≤3％的TiC颗粒相；

管坯在1200-1300℃之间加热轧制成无缝钢管；

钢管在850-950℃保温1小时以上进行淬火，以及在600-750℃回火1小时以上；

然后空冷。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所形成的TiC颗粒相为0.3-3％，颗粒尺寸在5μm以下。