CN103352176B

CN103352176B - 基于应变设计的空冷型80h热采井套管及其生产工艺

Info

Publication number: CN103352176B
Application number: CN201310247055.8A
Authority: CN
Inventors: 王航
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: CN103352176A

Abstract

本发明公开了一种基于应变设计的空冷型80H热采井套管，其材料化学成分质量百分比分别为：C：0.20%-0.22%，Mn：1.0%-1.25%，Si：0.40%-0.50%，P<0.011%，S<0.004%，Cr：0.90%-1.0%，Mo：0.20%-0.25%，Ni：0.03%-0.04%，Nb：0.01%-0.02%，Al：0.01％-0.02%，B：0.001%-0.0015%；其余为基体元素铁。本发明还公开了该套管的生产工艺，包括热处理和冷却的步骤。该套管能够改善管材抵抗高温永久变形能力，减低套损，进而提高热采井套管服役过程中的安全可靠性。

Description

基于应变设计的空冷型80H热采井套管及其生产工艺

技术领域

本发明涉及石油管技术领域，特别涉及一种基于应变设计的空冷型80H热采井套管及其生产工艺。

背景技术

我国稠油资源储量丰富，分布很广，陆上稠油、沥青资源约占石油总资源量的20%以上。稠油开发方式中应用效果较好、最广泛的注蒸汽热力法的平均温度在320℃，最高达375℃。在注汽、采油过程中，套管受到周期性的压-拉应力作用，造成服役套管断裂、螺纹连接滑脱、变形等形式的套管损坏。据有关资料统计，采用N80、P110材质稠油热采井的套损率超过30%，局部区块达到70%。关于稠油热采井套管的变形、缩颈、剪切、断裂等破损形式说明如下：管材在服役中发生了塑性变形，造成管材的永久变形甚至断裂。因此，安全可靠的热采井套管材料不仅需要考虑管材的常温塑性变形行为，更应该考虑高温环境下的金属蠕变行为，变温循环作业中的管材的应变疲劳损伤行为，通过选取具有弹塑性行为、蠕变行为、应变强化、应力松弛等更加全面行为能力的管材，来满足稠油热采作业工况的需求。

现有技术中针对石油套管的研究主要在于提高其强度及韧性及降低生产成本的角度。其中针对提高稠油热采井开发的石油套管的强度上，主要考虑了热应力引起的套管断裂、螺纹连接滑脱、变形等塑性变形行为，通过提高管材的热强度及热稳定性来解决出现的套损问题，而对热应力引起的拉-压循环载荷造成的塑性应变累积损伤未予考虑，因而服役中的石油套管管材存在潜在的安全隐患。

发明内容

为了解决上述问题，本发明从热应力引起的拉-压循环载荷造成的塑性应变累积损伤的角度考虑，提出了一种能够抵抗高温永久变形能力，减低套损，进而提高热采井套管服役过程中的安全可靠性的基于应变设计的空冷型80H热采井套管及其生产工艺。

本发明提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管，其材料化学成分质量百分比分别为：C：0.20%-0.22%，Mn：1.0%-1.25%，Si：0.40%-0.50%，P<0.011%，S<0.004%，Cr：0.90%-1.0%，Mo：0.20%-0.25%，Ni：0.03%-0.04%，Nb：0.01%-0.02%，Al：0.01％-0.02%，B：0.001%-0.0015%；其余为基体元素铁。

本发明提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的生产工艺包括热处理和冷却的步骤；

所述热处理过程中，在奥氏体变形后在非再结晶区驰豫时间持续15s～30s后即采用空冷冷却；

所述冷却速度控制在1～10℃/s。

作为优选，所述驰豫时间持续20s。

本发明提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管通过对形成该热采井套管的材料中C、Mn、Si、P、S、Cr、Mo、Ni、Nb、Al、B的配比和热处理工艺过程的控制，使其在奥氏体变形后在非再结晶区驰豫一段时间后即进行空冷冷却，从热应力引起的拉-压循环载荷造成的塑性应变累积损伤的角度考虑，得到了能够改善管材抵抗高温永久变形能力，减低套损，进而提高的热采井套管的服役安全性，降低其塑性变形量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于套管柱应变设计的空冷型80H热采井套管粒状贝氏体组织的金相结构示意图。

具体实施方式

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管，其材料化学成分质量百分比分别为：

C：0.20%，Mn：1.15%，Si：0.42%，P：＜0.011%，S：＜0.004%，Cr：0.99%，Mo：0.22%，Ni：0.03%，Nb：0.016%，Al：0.012%，B：0.001%，其余为基体元素铁。

本发明实施例1提供的基于套管柱应变设计的空冷型80H热采井套管的材料中各成分的作用分别如下：

C元素的作用主要是提高强度，在保证钢材必要强度的前提下，尽量降低碳的含量，以改善提高材料的塑性及韧性。

Mn元素的添加不仅起到固溶强化作用，同时能够细化钢的组织，提高材料的塑性和韧性，能够使本发明提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的材料具备较高的塑性变形能力。

Si元素的作用主要是脱氧，作用类似于添加的合金元素铝，能够提高材料的蠕变强度；同时抑制渗碳体Fe₃C的析出，提高过冷奥氏体的稳定性，避免回火脆性，但其含量过高会降低钢的塑、韧性。

P元素:有害元素，引起材料变脆，属于冶炼过程杂质，尽量降低。

S元素：同属有害元素，造成晶界脆化，尽量降低。

Cr元素添加能够提高材料基体的蠕变抗力，满足稠油热采套管高温长期环境下服役的要求。

Mo元素添加能够对高温晶界的滑移起到“拖拽”或“类拖拽”作用，提高了材料的高温组织稳定性。

Ni元素提高材料的塑性变形能力，与Mn相似，同时扩大奥氏体区域。

Nb元素在添加后，经过弛豫-相变析出，在基体组织中形成弥散的碳氮化物强化相，促进晶粒细化；形成的碳化物、碳氮化物，有的会部分固溶，如Nb（CN）；有的会完全固溶，如NbC；而有的不固溶，如NbN。固溶部分在加工后冷却的过程中析出，起到析出强化作用；不固溶部分在加热条件下仍以弥散细小的颗粒状态存在，起到阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒进而提高钢的韧性。

Al元素：提高抗氧化能力。

B元素添加可以与间隙氧、氮等杂质原子形成难溶化物，起到脱氧、去氮净化钢的作用。

上述各成分中，各元素除分别各自起到相应作用外，将其配比在一起，能够提高热采井套管的屈服强度、抗拉强度、塑性延伸率、应变硬化指数、蠕变强度，从而从热应力引起的拉-压循环载荷造成的塑性应变累积损伤的角度考虑，得到了能够改善管材抵抗高温永久变形能力，减低套损，进而提高的热采井套管的服役安全性，降低其塑性变形量，提高热应力作用下周期性拉-压循环寿命。

采用本发明实施例1提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的生产工艺包括加热→穿孔→连轧→托管→定减径→冷却工艺。其中，热处理过程中，在奥氏体变形后在非再结晶区驰豫20s后即冷却；冷却速度控制在1℃/s。

将基于应变设计的空冷型80H热采井套管的材料在奥氏体非再结晶区变形后，从阻碍新相长大角度将变形后奥氏体弛豫一段时间，然后立即采用空冷冷却。

其中，研究表明：热轧后的控冷工艺与动态CCT曲线接近，因而利用动态CCT曲线来确定空冷型80SH热采套管用钢的控冷工艺。取热轧态钢材在Gleeble-1500热模拟试验机上测定该种钢的动态CCT曲线。将试样加热到1050℃后保温5mins，然后降温到950℃变形，取变形速率2s^-1、定减径变形量15%模拟压缩，随后按照设定的典型冷速冷却，得到动态CCT曲线。在冷却过程中，当冷速达到1℃/s，出现贝氏体转变；冷速超过10℃/s，发生马氏体转变；因此奥氏体变形后，经15～30s时间弛豫，采用1～10℃/s之间的冷却速度，最终得到粒状贝氏体组织，如图1所示。

弛豫阶段虽然位错密度下降，但位错结构不断变化，析出相体积分数逐渐增加，应变诱导的合金碳化物NbC、VC析出颗粒为铁素体形核提供了形核位置，析出过程对铁素体形核的促进作用超过了位错密度减少的不利影响，最终得到细小均匀的粒状贝氏体相变组织。另外，奥氏体控制轧制变形过程中产生的增值位错及贝氏体相变产生位错的同时存在，使得经RPC加工后的材料具有良好的组织稳定性。

本发明实施例1提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的表征参量测试结果如下：

屈服强度σ_s=620MPa；

抗拉强度σ_b=728MPa；

塑性延伸率=28%，均匀延伸率=9.5%；

应变硬化指数n=0.15；

蠕变强度即300℃、280MPa载荷下服役1200h，其塑性变形量小于0.3%；

低周疲劳性能：热应力作用下周期性拉-压循环寿命30cycles，（其中3cycles/year）。

实施例2

本发明实施例2提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管，其材料化学成分质量百分比分别为：

C：0.21%，Mn：1.22%，Si：0.43%，P：＜0.011%，S：＜0.004%，Cr：0.96%，Mo：0.23%，Ni：0.032%，Nb：0.014%，Al：0.016%，B：0.0012%，其余为基体元素铁。

采用本发明实施例2提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的生产工艺中，热处理过程中，在奥氏体变形后在非再结晶区驰豫25s后即采用空冷冷却；冷却速度控制在8℃/s。

本发明实施例2提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的表征参量测试结果如下：

屈服强度σ_s=627MPa；

抗拉强度σ_b=735MPa；

塑性延伸率=24%，均匀延伸率=9.2%；

应变硬化指数n=0.15；

蠕变强度即300℃、300MPa载荷下服役1200h，其塑性变形量小于0.3%；

低周疲劳性能：热应力作用下周期性拉-压循环寿命32cycles，（其中3cycles/year）。

实施例3

本发明实施例3提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管，其材料化学成分质量百分比分别为：

C：0.22%，Mn：1.06%，Si：0.42%，P：＜0.011%，S：＜0.004%，Cr：0.95%，Mo：0.25%，Ni：0.032%，Nb：0.014%，Al：0.013%，B：0.001%，其余为基体元素铁。

采用本发明实施例2提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的生产工艺中，热处理过程中，在奥氏体变形后在非再结晶区驰豫30s后即采用空冷冷却；冷却速度控制在10℃/s。

本发明实施例3提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的表征参量测试结果如下：

屈服强度σ_s=629MPa；

抗拉强度σ_b=732MPa；

塑性延伸率=26.5%，均匀延伸率=9.0%；

应变硬化指数n=0.14；

低周疲劳性能：热应力作用下周期性拉-压循环寿命31cycles，（其中3cycles/year）。

实施例4

本发明实施例4提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管，其材料化学成分质量百分比分别为：

C：0.21%，Mn：1.20%，Si：0.40%，P：＜0.011%，S：＜0.004%，Cr：0.92%，Mo：0.24%，Ni：0.031%，Nb：0.012%，Al：0.013%，B：0.001%，其余为基体元素铁。

采用本发明实施例4提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的生产工艺中，热处理过程中，在奥氏体变形后在非再结晶区驰豫15s后即采用空冷冷却；冷却速度控制在2℃/s。

本发明实施例4提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的表征参量测试结果如下：

屈服强度σ_s=625MPa；

抗拉强度σ_b=734MPa；

塑性延伸率=26%，均匀延伸率=8.9%；

应变硬化指数n=0.15；

实施例5

本发明实施例5提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管，其材料化学成分质量百分比分别为：

C：0.20%，Mn：1.05%，Si：0.46%，P：＜0.011%，S：＜0.004%，Cr：0.96%，Mo：0.23%，Ni：0.032%，Nb：0.014%，Al：0.010%，B：0.001%，其余为基体元素铁。

采用本发明实施例5提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的生产工艺中，热处理过程中，在奥氏体变形后在非再结晶区驰豫15s后即采用空冷冷却；冷却速度控制在6℃/s。

本发明实施例5提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管的表征参量测试结果如下：

屈服强度σ_s=614MPa；

抗拉强度σ_b=716MPa；

塑性延伸率=29%，均匀延伸率=9.2%；

应变硬化指数n=0.15；

本发明提供的基于应变设计的空冷型80H热采井套管能够改善管材抵抗高温永久变形能力，减低套损，进而提高热采井套管服役过程中的安全可靠性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于应变设计的空冷型80H热采井套管的生产方法，所述基于应变设计的空冷型80H热采井套管的材料化学成分质量百分比分别为：C：0.20％-0.22％，Mn：1.0％-1.25％，Si：0.40％-0.50％，P<0.011％，S<0.004％，Cr：0.90％-1.0％，Mo：0.20％-0.25％，Ni：0.03％-0.04％，Nb：0.01％-0.02％，Al：0.01％-0.02％，B：0.001％-0.0015％；其余为基体元素铁，所述方法包括热处理和冷却的步骤；

其特征在于，

所述冷却过程采用动态CCT曲线进行控制，所述冷却速度控制在1～10℃/s。

2.根据权利要求1所述的方法，所述驰豫时间持续20s。