CN103695786B

CN103695786B - 一种耐蚀高抗挤石油套管及其生产方法

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Publication number: CN103695786B
Application number: CN201310111616.1A
Authority: CN
Inventors: 毕宗岳; 王军; 张峰; 张锦刚; 韦奉; 李周波; 赵坤; 何石磊; 王亮; 李远征; 王涛; 苏琬
Original assignee: Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
Current assignee: Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2033-04-01

Abstract

本发明公开了一种耐蚀高抗挤石油套管及其生产方法，其钢种的化学成分配比为：C：0.18~0.30wt%；Si：0.20~0.35wt%；Mn：0.90~1.30wt%；Cr：0~0.50wt%；Ti：0.01~0.07wt%；Mo：0.15~0.35wt%；V：0.01~0.05wt%；Ni：0~0.25wt%；Nb：0~0.05wt%；B：0.001~0.005wt%；Y：0.002~0.01wt%；P：≤0.008wt%；S：≤0.004wt%；余量为Fe。该套管采用“微合金化控轧控冷钢板+FFX成型+高频电阻焊接+焊缝碾压及退火处理+热张力减径+全管调质处理+热定径及热矫直”工艺制造而成。本发明的产品具有抗外压挤毁强度高、冲击韧性好、抗H₂S/CO₂/Cl^‑腐蚀性能优良的特点。

Description

一种耐蚀高抗挤石油套管及其生产方法

技术领域：

本发明属于石油套管领域，涉及一种石油天然气深井、超深井开采用套管，尤其是一种耐蚀高抗挤石油套管及其生产方法。

背景技术：

随着国民经济对油气资源需求的增加，许多深井、超深井及其他复杂地层油气井不断被开发，套管在这些油气井服役时，不仅要承受很高的外压载荷，还要承受高温及H₂S、CO₂、Cl^-腐蚀问题。如我国的新疆、四川等油气田，美国的南德克萨斯、巴罗马，加拿大的阿尔伯达等油气田。因此，开发具有一定耐蚀作用的高抗挤套管产品，来满足高温、高压、岩层蠕变及含有腐蚀介质等严酷井况的需求。

目前国内外耐蚀高抗挤石油套管以无缝管为主，无缝制管虽然可以生产大壁厚、高碳、高合金以及不锈钢套管，但采用连铸钢坯加热后穿孔成型，管坯尺寸精度低，且管坯表面易出现轧制裂纹、分层、氧化物夹杂等缺陷，抗外压挤毁性能较差。随着纯净钢、控轧控冷技术、高频电阻焊接技术、热张力减径技术、无损检测技术及计算机技术的发展，HFW(High Frequency Welding，即高频电阻焊)套管生产技术水平不断提升。HFW套管较无缝套管具有尺寸精度高、抗内、外压性能好、成本较低等优势，在国内外得到了广泛的应用。但是HFW焊缝区与母材的成分、组织结构及应力状态等方面存在明显的差异，导致焊缝区的冲击韧性及抗腐蚀性能较差。目前，主要通过焊缝热处理及全管热处理来消除焊缝区和母材的组织、性能差异。宝鸡钢管采用“微合金化控轧控冷钢板+FFX成型+高频焊接+焊缝碾压及退火处理+热张力减径+全管调质处理+热定径及热矫直+全管探伤”，开发出了SEW(Hot Stretch-reducing Electric Welded Pipe，即高频焊热张减)系列高抗挤套管产品。由于所用卷板系微合金钢经控轧控冷轧制而成，具有良好的强韧性及较高的尺寸精度；同时经焊缝退火处理、热张力减径及调质处理，一方面实现了同一规格母管生产系列规格热张力减径管的连续化高效生产，另一方面优化了焊缝区的组织及性能，使其与母材保持一致。因此，SEW工艺是制造耐蚀高抗挤石油套管较好的方法。

影响套管抗外压挤毁性能的因素很多，如外径与壁厚比值(即D/t)、管体屈服强度、外径不圆度、壁厚不均度、残余应力等。影响套管抗H₂S/CO₂/Cl^-腐蚀的材质因素主要有化学成分、制造方法、产品强度、硬度及其局部的变化、冷加工量、热处理状态、微观组织及其均匀性等。本发明通过严格控制夹杂物含量，并添加微量合金元素，采用控轧控冷工艺，将钢板的晶粒度控制在11级以上，壁厚不均度控制在-2％t～+2％t，确保钢板良好的强韧性及壁厚精度；钢管FFX成型过程中，尽量减少边缘的波动量，使钢带两边缘在进入挤压辊前尽量平行，保证两板边以“I”字型进行高频电阻焊接，并控制好挤压量、焊接速度、V型开口角等要素，确保焊接质量，进行内外毛刺清除、焊缝碾压及退火处理(实质是形变热处理)，确保焊缝区与周边平整，提高管坯外径精度，并消减焊缝区与母材的组织差异；HFW 管坯再经中频感应加热及经热张力减径，焊缝区尺寸缩减，焊接缺陷及位错消失，焊缝区与母材的组织趋于均匀一致；添加B、Y、Cr、Ni等元素，经调质处理，管体强韧性优良，且具有较好的抗腐蚀性能；在不影响套管调质性能的前提下，提高热定径及热矫直温度，最大限度减小残余应力对套管抗挤毁及抗腐蚀性能的影响。

中国专利CN1317480C公开了一种高强度石油套管及其制造方法，其壁厚不均度＜15％、外径不圆度＜0.5％、残余应力＜160MPa、延伸率≥12％、0℃全尺寸冲击功≥33J、管体晶粒度≥6级；中国专利CN101984124A公开了一种耐蚀抗挤毁套管，其制造工艺为无缝轧管，与本发明的焊接制管相比，成本较高。本发明添加了稀土元素Y，并采用SEW工艺生产的高抗挤套管综合性能优良：壁厚不均度＜2％、外径不圆度＜0.3％、残余应力≤80MPa、0℃冲击功≥100J、延伸率＞26％，抗外压挤毁强度超API TR5C3标准50％以上，且具有较好的抗H₂S/CO₂/Cl^-腐蚀性能。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高抗挤且具有一定抗H₂S/CO₂/Cl^-腐蚀的石油套管，以满足需要高抗挤兼顾抗H₂S/CO₂/Cl^-腐蚀的井况需求。

本发明采用的技术方案如下：

一种耐蚀高抗挤石油套管，该石油套管的化学成份如下：C：0.18～0.30wt％；Si：0.20～0.35wt％；Mn：0.90～1.30wt％；Cr：0～0.50wt％；Ti：0.01～0.07wt％；Mo：0.15～0.35wt％；V：0.01～0.05wt％； Ni：0～0.25wt％；Nb：0～0.05wt％；P：≤0.008wt％；S：≤0.004wt％；余量为Fe。

所述石油套管的化学成份中还含有B：0.001～0.005wt％；Y：0.002～0.01wt％。

所述石油套管的屈服强度880～960MPa；抗拉强度≥946MPa；抗挤强度≥115MPa；延伸率＞26％；0℃冲击功：≥100J；残余应力：≤80MPa。

一种耐蚀高抗挤石油套管的制备方法，按照如下步骤：(1)微合金化控轧控冷钢板、(2)FFX成型、(3)高频电阻焊接、(4)焊缝碾压及退火处理、(5)热张力减径、(6)全管调质处理、(7)热定径及热矫直、(8)全管探伤检测、水压试验、通径处理、车丝扣后检查入库。

所述步骤(1)微是采用壁厚偏差在-2％t～+2％t的微合金化控轧控冷钢板为原料，钢板的化学成份如下：C：0.18～0.30wt％；Si：0.20～0.35wt％；Mn：0.90～1.30wt％；Cr：0～0.50wt％；Ti：0.01～0.07wt％；Mo：0.15～0.35wt％；V：0.01～0.05wt％；Ni：0～0.25wt％；Nb：0～0.05wt％；B：0.001～0.005wt％；Y：0.002～0.01wt％；P：≤0.008wt％；S：≤0.004wt％；余量为Fe。

上述各化学元素的成分设计原理如下：

C：提高淬透性元素，能有效保证钢的强度，但含量过高，将影响钢的冲击韧性和焊接性能，因此控制其含量为0.18～0.30wt％。

Si：固溶于铁素体以提高钢的强度，含量过高将影响钢的延展性和冲击韧性，因此控制其含量为0.20～0.35wt％。

Mn：提高钢的淬透性元素，可溶于铁素体起强化作用，但含量过高时偏析严重，有损套管的抗挤性能和抗腐蚀性能，因此控制其含量为0.90～1.30wt％。

Cr：提高淬透性及强碳化物形成元素，回火时析出碳化物可以提高钢的强度，但含量过高时会增大钢的回火淬性，因此控制其含量为0～0.50wt％。

Mo：提高钢的淬透性及回火稳定性元素，钢种添加一定量的Mo，有利于保持钢的高强度和高韧性，且对抗腐蚀性能有利，但含量过高会降低钢的韧性，并增加成本，因此控制其含量为0.15～0.35wt％。

Nb：主要通过元素固溶和Nb(CN)析出强化来细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，改善焊接性能，过高会增加成本，因此控制其含量为0～0.05wt％。

Ti：强碳化物形成元素，形成的TiN、TiC在均热和再加热过程中均可阻止奥氏体晶粒长大，含量过高易形成粗大的TiN。因此控制其含量为0.01～0.07wt％。

V：碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，可以在回火的过程中进一步达到析出强化的效果，可以有效钉轧位错的运动，阻碍滑移系的开动，提高套管抗挤性能。宜采用含量0.01～0.05wt％。

Ni：提高淬透性元素，可提高钢的强度而不显著降低其韧性。还可以提高钢的抗硫化氢性能，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气腐蚀。宜采用含量0～0.25wt％。

B：提高淬透性元素，可以和N生成BN，阻止奥氏体晶粒长大，但含量过高，容易沿晶界析出硼化物，降低材料的韧性以及抗硫化氢性能，宜采用含量0.001～0.005wt％。

Y：细化晶粒、强化晶界，延迟晶界上的裂纹扩展，提高抗晶间腐蚀性能。宜采用含量为0.002～0.01wt％。

所述步骤(3)中钢管焊接时，V型开口角设定为3～5°、挤压量设定为0.3t～0.6t、焊接速度设定为15～30m/min，焊后即时进行内、外焊缝毛刺清除、焊缝碾压及退火处理，退火温度为850～1000℃，改善焊缝区组织及尺寸精度。

所述步骤(5)采用中频感应加热方式，将焊管以20～60℃/s的加热速率快速升温到管材Ac3温度以上，然后以0.5～2.8m/s的速度进入热张力减径机组减径到所需规格的管坯，焊缝区及母材晶粒发生动态再结晶，晶粒度达11级以上，管体组织均匀一致。

所述步骤(6)是采用淬火+高温回火处理，淬火采用水淬工艺，淬火温度为890～950℃，保温时间为30～80min，淬火冷速为40～100℃/s；回火温度为590～700℃，回火保温时间为50～120min。

所述步骤(7)中，热定径温度≥550℃，热矫直温度≥500℃，控制套管的外径不圆度＜0.3％，壁厚不均度＜2％。采用X射线应力分析仪及切口法测得套管的残余应力均低于80MPa。

与现有技术相比，本发明具有显著进步，具体表现在：

1)管坯尺寸精度高：由于采用微合金化控轧控冷钢板作原料，通过FFX成型和高频电阻焊接，并对焊缝内、外毛刺进行修整及碾压，壁厚不均度＜2％，外径不圆度＜0.3％。2)管体残余应力低：通过添加Cr、Ni、Mo等元素提高管体高温回火稳定性，将回火温度控制在590～700℃，套管残余应力≤80MPa。3)套管抗外压挤毁强度高、冲击韧性好、抗腐蚀性能好：采用微合金化控轧控冷+HFW焊接微合金+焊缝碾压及退火处理+热张力减径+调质处理，确保焊缝区与母材组织的均匀一致及高的强韧性，套管抗外压挤毁强度超过APITR5C3标准50％以上，优于同类无缝管及焊管产品。此外，较普通调质焊接套管具有更好的抗H₂S/CO₂/Cl^-腐蚀性能。4)生产成本低：采用微合金化控轧控冷及热张力减径工艺，可以将钢板的壁厚偏差控制在-2％t～+2％t；采用FFX成型及热张力减径工艺，可以将管坯的外径偏差控制在-0.15％D～+0.15％D。相比同规格、同重量的无缝套管，SEW耐蚀高抗挤石油套管下井深度增加了5％以上，无形中为用户节约了5％以上的采购成本。此外，SEW耐蚀高抗挤石油套管成材率也较无缝套管高。

附图说明

图1为HFW管坯热张力减径前焊缝区SEM形貌；

图2为成品管焊缝区SEM形貌；

图3-1为结构残余应力测试位置示意图，图3-2为A-A面剖视图；

图4为耐蚀高抗挤石油套管外表面残余应力分布图；

图5为耐蚀高抗挤石油套管内表面残余应力分布图；

图6为耐蚀高抗挤石油套管电化学极化曲线图；

图7为耐蚀高抗挤石油套管垂直焊缝HIC腐蚀形貌(×10)；

图8为耐蚀高抗挤石油套管垂直焊缝SSCC腐蚀形貌(×10)。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

1)参见图1、2、3-1、3-2、4、5、6、7、8，本发明的实施例及对比例化学成分见表1。

表1实施例与对比例化学成分(wt％)

2)该套管的几何精度控制范围如下：

以规格为Φ139.7mm×9.17mm套管为例。外径：139.65～139.98，外径不圆度：＜0.3％；壁厚：9.15～9.33，壁厚不均度：＜2.0％。

3)该套管采用焊缝碾压及退火处理，退火温度为850～1000℃。

4)该套管采用中频感应加热方式，将HFW焊管以20～60℃/s的加热速率加热至Ac3温度以上，然后以0.5～2.8m/s的速度进入轧辊机组进行热轧减径，得到所需规格的管坯。

5)该套管采用淬火+高温回火处理，淬火采用水淬工艺，淬火温度为890～950℃，保温时间为30～80min，淬火冷速为40～100℃/s；回火温度为590～700℃，回火保温时间为50～120min。套管经回火炉保温后出炉，经滚道运送进入热定径机及热矫直机，进热定径机的入口温度≥550℃，进热矫直机的入口温度≥500℃，利用X射线应力分析仪及切口法测得套管的残余应力≤80MPa。实施例与对比例具体工艺参数及力学性能对比见表2。

表2实施例与对比例具体工艺参数及力学性能对比(wt％)

经该方法生产的高抗挤套管，其抗外压挤毁强度≥115.0MPa，较API TR5C3标准值高出50％。采用高温高压釜通腐蚀介质模拟油气田CO₂腐蚀环境，来评价带焊缝试样在CO₂环境中的腐蚀速率，测试结果表明试样在模拟环境中的腐蚀速率≤0.25mm/a，且试验全过程未发生CO₂局部腐蚀。带焊缝试样在3.5％NaCl水溶液中极化168h，未出现焊缝沟槽腐蚀；带焊缝试样在硫化氢饱和5％NaCl+0.5％醋酸混合溶液中腐蚀96h，试验全过程未出现HIC裂纹，其中裂纹敏感率(CSR)、裂纹长度率(CLR)、裂纹厚度率(CTR)均为零；带焊缝试样在不低于85％σ_s(屈服强度)应力水平下，在硫化氢饱和5％NaCl+0.5％冰乙酸混合溶液中腐蚀720h，试验全过程未出现SSCC裂纹。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种耐腐蚀高抗挤石油套管，其特征在于，该石油套管的化学成份的配比为：C：0.18～0.30wt％；Si：0.20～0.35wt％；Mn：0.90～1.30wt％；Cr：0～0.50wt％；Ti：0.01～0.07wt％；Mo：0.15～0.35wt％；V：0.01～0.05wt％；Ni：0～0.25wt％；Nb：0～0.05wt％；P：≤0.008wt％；S：≤0.004wt％；B：0.001～0.005wt％；Y：0.002～0.01wt％；余量为Fe。

2.如权利要求1所述石油套管，其特征在于：所述石油套管的屈服强度：861～960MPa；抗拉强度：≥935MPa；抗挤强度：≥115MPa；0℃冲击功：≥100J；残余应力：≤80MPa。

3.一种耐蚀高抗挤石油套管的制备方法，其特征在于，按照如下步骤：(1)微合金化控轧控冷钢板、(2)FFX成型、(3)高频电阻焊接、(4)焊缝碾压及退火处理、(5)热张力减径、(6)全管调质处理、(7)热定径及热矫直、(8)全管探伤；

所述步骤(1)是采用壁厚偏差在﹣2％t～+2％t的微合金化控轧控冷钢板为原料，钢板的化学成份如下：C：0.18～0.30wt％；Si：0.20～0.35wt％；Mn：0.90～1.30wt％；Cr：0～0.50wt％；Ti：0.01～0.07wt％；Mo：0.15～0.35wt％；V：0.01～0.05wt％；Ni：0～0.25wt％；Nb：0～0.05wt％；B：0.001～0.005wt％；Y：0.002～0.01wt％；P：≤0.008wt％；S：≤0.004wt％；余量为Fe；

所述步骤(3)中钢管焊接时，V型开口角设定为3～5°、挤压量设定为0.3t～0.6t、焊接速度设定为15～30m/min，焊后即时进行内、外焊缝毛刺清除、焊缝碾压及退火处理，退火温度为850～1000℃，使焊缝区与周边平整。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)采用中频感应加热方式，将焊管以20～60℃/s的加热速率快速升温到管材的Ac3温度以上，然后以0.5～2.8m/s的速度进入热张力减径机组减径到所需规格的管坯，焊缝区及母材晶粒发生动态再结晶，晶粒度达11级以上，管体组织均匀一致。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)是采用淬火+高温回火处理，淬火采用水淬工艺，淬火温度为890℃～950℃，保温时间为30～80min，淬火冷速为40～100℃/s；回火温度为590～700℃，回火保温时间为50～120min。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，热定径温度≥550℃；热矫直温度≥500℃，控制套管的外径不圆度＜0.3％，壁厚不均度＜2％。