CN104789875A - 155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法 - Google Patents

155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法。本发明制备的一种155ksi钢级高强韧性套管钢其化学成分按重量百分比:C 0.23~0.27%、Si 0.20~0.35%、Mn 0.45~0.60%、Cr 0.95~1.10%、Mo 0.75~0.85%、Nb 0.03~0.05%、V 0.07~0.12%、Al0.015~0.045%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素。本发明制备的高强度套管,主要用于超深油气井及地质复杂油气田使用,根据相关套管的性能要求,选择合理微合金化成分,保证该高强韧性套管钢性能稳定、强韧度匹配良好,满足国内外超深油气井及地质复杂油气田的需要。

Description

155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强韧性套管钢、套管及其制备方法,具体涉及一种155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法。
背景技术
随着石油资源日益匮乏,而油气需求量日益旺盛,为了获得更多的石油资源,对地质条件复杂、开采难度大的油田的开发加大;随着油井深度增加,井内温度和压力相应提高,固井完井用套管服役的地质环境发生了显著变化,对套管的综合力学性能、使用性能和寿命提出了更高要求,为了确保油井的运行安全,必须采用V155钢级的套管,还要兼具高韧性,对强韧性匹配提出了极高的要求,现有美国API标准的高钢级套管难以胜任;因此对非API标准的高强韧性套管V155的需求越来越旺盛。
一般情况下,金属材料难以兼顾高强度和高韧性,高强韧性套管,特别是155ksi及以上钢级套管的强度很高,韧性要求相应提高,因此,生产高强韧性套管极富挑战性,技术含量和附加值最高,同时又有高风险。全世界生产石油钢管的企业大都是技术最先进、最富盛誉的钢铁企业,其中只有少数企业能生产出性能稳定、强韧度匹配良好的高钢级套管。目前,国内只有几家企业能生产V150套管,但韧性不稳定,未见生产高强韧性套管V155的相关报道,仍需大量进口来满足石油开釆的需要。如何通过微合金化结合冶炼、轧制工艺及适当的调质工艺,开发出高强韧性的V155套管,满足国内外超深油气井及地质复杂油气田的需要,对保证油气开釆的稳定性和安全性,促进钢铁和石油2个领域又好又快发展有重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种155ksi钢级高强韧性套管钢。
155ksi钢级高强韧性套管钢,其化学成分按重量百分比:C 0.23~0.27%、Si 0.20~0.35%、Mn 0.45~0.60%、Cr 0.95~1.10%、Mo 0.75~0.85%、Nb 0.03~0.05%、V 0.07~0.12%、Al0.015~0.045%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素;
其中,残余元素中:Cu≤0.20%、Ni≤0.20%、Ti≤0.04%;杂质中:P≤0.010%、S≤0.003%、O≤0.0020%、N≤0.0080%;五害元素中:As≤0.020%,Sn≤0.010%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025%。
进一步的,为了得到更优的技术方案,上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的化学成分按重量百分比:C 0.24%、Si 0.20%、Mn 0.5%、Cr1.03%、Mo0.81%、Nb 0.036%、V 0.084%、Al 0.022%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素;其中,残余元素中:Cu 0.06%、Ni 0.04%、Ti 0.016%;杂质中:P 0.006%、S 0.002%、O 0.0014%、N 0.0057%;五害元素中:As 0.007%,Sn 0.002%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.014%;
或其化学成分按重量百分比:C 0.24%、Si 0.24%、Mn 0.48%、Cr0.97%、Mo0.78%、Nb 0.040%、V 0.078%、Al 0.028%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素;其中,残余元素中:Cu 0.05%、Ni 0.04%、Ti 0.021%;杂质中:P 0.007%、S 0.003%、O 0.0015%、N 0.0060%;五害元素中:As 0.007%,Sn 0.003%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.015%;
或其化学成分按重量百分比:C 0.26%、Si 0.25%、Mn 0.56%、Cr1.08%、Mo0.84%、Nb 0.046%、V 0.091%、Al 0.025%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素;其中,残余元素中:Cu 0.05%、Ni 0.08%、Ti 0.018%;杂质中:P 0.008%、S 0.002%、O 0.0018%、N 0.0066%;五害元素中:As 0.008%,Sn 0.004%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.017%。
上述所述套管钢的屈服强度:1069~1275MPa;抗拉强度≥1138MPa;0℃横向10×10mm“V”型冲击功≥60J;0℃纵向10×10mm“V”型冲击功≥80J;横纵向冲击韧度比≥0.75;延伸率≥16%;允许硬度变化HRC≤3.0。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法。
上述所述的155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法,包括以下步骤:
a、炼钢:以低五害元素的铁水、生铁和管头为原料,在电弧炉上进行冶炼,得到初炼钢水;
b、LF精炼和VD真空脱气处理:将初炼钢水进行LF精炼,精炼结束后进行钙处理;钙处理后进行VD真空脱气处理,在真空度≤67Pa下脱气处理15min,之后在真空度≤200Pa下脱气处理至少5min,再进行钙处理,钙处理后进行静吹处理,静吹时间≥15min,出钢,出钢温度1570~1585℃;
c、浇铸:将b步骤处理好后的钢浇铸成连铸圆坯。
上述步骤a中采用低五害元素的铁水、生铁和管头作为原料,是为了保证终点时As≤0.020%、Sn≤0.010%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025%。
上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法中,出钢过程加入复合脱氧剂CaBaAlSi1.5~2.5kg/t,Al块2~3kg/t进行强化脱氧;出钢前在钢包中加入石灰2.5~4.5kg/t,加入石灰由于初炼钢水初始温度高有利于渣料熔化,同时石灰可以提高炉渣碱度,利用出钢过程钢水的冲击搅拌和底吹Ar搅拌,钢包内进行脱硫,提高产品的脱硫率,缩短冶炼时间。
其中,通过精炼渣进行深脱硫、脱氧及吸附夹杂物的同时进行适量的钙处理,可以使钢中簇状夹杂物变成较大的复合非金属夹杂物,随后在VD真空处理过程中上浮去除;VD真空处理后进行适量的钙处理,可以使钢中未去除的细小非金属夹杂物变成低熔点球形夹杂物,使钢中的夹杂物改变性质。所以对上述所述b步骤中LF精炼结束后和VD真空处理结束后分别进行的钙处理为:用总Ca含量为50%的纯钙线进行钙处理,加入纯钙线量为0.08~0.10kg/t。
上述所述c步骤中浇铸成连铸圆坯,控制中间包浇注过热度,浇铸温度1525~1545℃;其中,浇铸过程中二冷曲线采用弱冷,比水量0.42~0.48Kg/t;搅拌采用结晶器电搅和末端电搅,结晶器电磁搅拌参数:电流200A、频率2.5Hz,末端电磁搅拌参数:电流150A、频率8.0Hz。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种155ksi钢级高强韧性套管钢制备的套管。
本发明所要解决的第四个技术问题是提供一种155ksi钢级高强韧性套管钢制备的套管的制备方法。
其中,上述所述的一种155ksi钢级高强韧性套管钢制备的套管的制备方法:包括以下步骤:
①、圆坯制造:采用上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法制备连铸圆坯;
②、制管:将浇铸好的连铸圆坯经环形加热炉加热;
③、热处理:将a步骤制成的管采用喷淋+内轴流水冷淬火,空冷回火热处理工艺,得到高强韧性套管。
其中,上述套管的制备方法中,合格连铸坯经环型加热炉加热,加热段温度:1210~1270℃,均热段温度:1240~1260℃,加热保温时间≥2.8h,出料节奏55s/支。
热处理采用喷淋+内轴流水冷淬火,空冷回火热处理工艺,其中淬火和回火的工艺参数如下:
淬火:装入方式按1支/齿装入,步进周期65秒,淬火炉温度:945~965℃,出炉管温:890~910℃,喷淋水量:≥2500m3/h,时间30秒,内轴流水量:≥1200m3/h,时间30秒。
回火:装入方式按1支/齿装入,步进周期65秒,回火温度:665~685℃,出炉管温:615~625℃,空冷。
本发明制备的一种155ksi钢级高强韧性套管钢及用该高强度钢制备的套管,主要用于超深油气井及地质复杂油气田使用,根据相关套管的性能要求,选择合理微合金化成分实现良好强韧性匹配,保证该高强韧性套管钢性能稳定、强韧度匹配良好,满足国内外超深油气井及地质复杂油气田的需要。
具体实施方式
155ksi钢级高强韧性套管钢,其化学成分按重量百分比:C 0.23~0.27%、Si 0.20~0.35%、Mn 0.45~0.60%、Cr 0.95~1.10%、Mo 0.75~0.85%、Nb 0.03~0.05%、V 0.07~0.12%、Al0.015~0.045%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素;
其中,残余元素中:Cu≤0.20%、Ni≤0.20%、Ti≤0.04%;杂质中:P≤0.010%、S≤0.003%、O≤0.0020%、N≤0.0080%;五害元素中:As≤0.020%,Sn≤0.010%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025%。
上述所述套管钢的屈服强度:1069~1275MPa;抗拉强度≥1138MPa;0℃横向10×10mm“V”型冲击功≥60J;0℃纵向10×10mm“V”型冲击功≥80J;横纵向冲击韧度比≥0.75;延伸率≥16%;允许硬度变化HRC≤3.0。
上述所述的155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法,包括以下步骤:
a、炼钢:以低五害元素的铁水、生铁和管头为原料,在电弧炉上进行冶炼,得到初炼钢水;
b、LF精炼和VD真空脱气处理:将初炼钢水进行LF精炼,精炼结束后进行钙处理;钙处理后进行VD真空脱气处理,在真空度≤67Pa下脱气处理15min,之后在真空度≤200Pa下脱气处理至少5min,再进行钙处理,钙处理后进行静吹处理,静吹时间≥15min,出钢,出钢温度1570~1585℃;
c、浇铸:将b步骤处理好后的钢浇铸成连铸圆坯。
上述步骤a中采用低五害元素的铁水、生铁和管头作为原料,是为了保证终点时As≤0.020%、Sn≤0.010%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025%。
上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法中,出钢过程加入复合脱氧剂CaBaAlSi1.5~2.5kg/t,Al块2~3kg/t进行强化脱氧;出钢前在钢包中加入石灰2.5~4.5kg/t,加入石灰由于初炼钢水初始温度高有利于渣料熔化,同时石灰可以提高炉渣碱度,利用出钢过程钢水的冲击搅拌和底吹Ar搅拌,钢包内进行脱硫,提高产品的脱硫率,缩短冶炼时间。
其中,通过精炼渣进行深脱硫、脱氧及吸附夹杂物的同时进行适量的钙处理,可以使钢中簇状夹杂物变成较大的复合非金属夹杂物,随后在VD真空处理过程中上浮去除;VD真空处理后进行适量的钙处理,可以使钢中未去除的细小非金属夹杂物变成低熔点球形夹杂物,使钢中的夹杂物改变性质。所以对上述所述b步骤中LF精炼结束后和VD真空处理结束后分别进行的钙处理为:用总Ca含量为50%的纯钙线进行钙处理,加入纯钙线量为0.08~0.10kg/t。
上述所述c步骤中浇铸成连铸圆坯,控制中间包浇注过热度,浇铸温度1525~1545℃;其中,浇铸过程中二冷曲线采用弱冷,比水量0.42~0.48Kg/t;搅拌采用结晶器电搅和末端电搅,结晶器电磁搅拌参数:电流200A、频率2.5Hz,末端电磁搅拌参数:电流150A、频率8.0Hz。
其中,上述所述的一种155ksi钢级高强韧性套管钢制备的套管的制备方法:包括以下步骤:
①、圆坯制造:采用上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法制备连铸圆坯;
②、制管:将浇铸好的连铸圆坯经环形加热炉加热;
③、热处理:将a步骤制成的管采用喷淋+内轴流水冷淬火,空冷回火热处理工艺,得到高强韧性套管。
其中,上述套管的制备方法中,合格连铸坯经环型加热炉加热,加热段温度:1210~1270℃,均热段温度:1240~1260℃,加热保温时间≥2.8h,出料节奏55s/支。
热处理采用喷淋+内轴流水冷淬火,空冷回火热处理工艺,其中淬火和回火的工艺参数如下:
淬火:装入方式按1支/齿装入,步进周期65秒,淬火炉温度:945~965℃,出炉管温:890~910℃,喷淋水量:≥2500m3/h,时间30秒,内轴流水量:≥1200m3/h,时间30秒。
回火:装入方式按1支/齿装入,步进周期65秒,回火温度:665~685℃,出炉管温:615~625℃,空冷。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述,并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
①炼钢
采用低五害元素的铁水、生铁和管头作为原料,保证终点As≤0.020%、Sn≤0.010%;且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025%。
出钢过程强化脱氧,脱氧剂加入量:CaBaAlSi 1.5~2.5kg/t,Al块2~3kg/t;出钢前在钢包内加入石灰2.5~4.5kg/t。
LF精炼冶炼钢水,将成分调整为按质量百分比计包括:C 0.23~0.27%、Si 0.20~0.35%、Mn 0.45~0.60%、Cr 0.95~1.10%、Mo 0.75~0.85%、Nb 0.03~0.05%、V 0.07~0.12%、Al0.015~0.045%,Cu≤0.20%,Ni≤0.20%,Ti≤0.04%,P≤0.010%,S≤0.003%,O≤0.0020%,N≤0.0080%;As≤0.020%、Sn≤0.010%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025%,其余为Fe、残余元素和杂质的合格钢水。
保证白渣时间≥20min,使钢中夹杂物得到充分上浮;同时采用二次钙处理工艺,LF精炼结束后和VD真空处理结束后分别喂入总Ca含量50%的纯钙线进行钙处理,喂入纯Ca线量0.08~0.10kg/t。
精炼后在真空度≤67Pa下脱气处理15min,之后在真空度≤200Pa下脱气处理5min以上,真空脱气处理后再次进行钙处理,钙处理后进行静吹处理,在钢液面微动情况下静吹时间≥15min,并控制出钢温度1570~1585℃,出钢。
浇铸成连铸圆坯,控制中间包浇注过热度,浇铸温度1525~1545℃;二冷曲线采用弱冷,比水量0.42~0.48Kg/t;采用结晶器电搅和末端电搅,结晶器电磁搅拌参数:电流200A、频率2.5Hz,末端电磁搅拌参数:电流150A、频率8.0Hz。实际控制成分如表1:
表1  化学成分  单位:%
②制管:
合格连铸坯经环型加热炉加热,加热段温度:1210~1270℃,均热段温度:1240~1260℃,加热保温时间≥2.8h,出料节奏55s/支。
③热处理:
采用喷淋+内轴流水冷淬火,空冷回火热处理工艺。
淬火:装入方式按1支/齿装入,步进周期65秒,淬火炉温度:945~965℃,出炉管温:890~910℃,喷淋水量:≥2500m3/h,时间30秒,内轴流水量:≥1200m3/h,时间30秒。
回火:装入方式按1支/齿装入,步进周期65秒,回火温度:665~685℃,出炉管温:615~625℃,空冷。
④最终产品性能检测结果如下
产品力学性能如表2:
表2  产品力学性能

Claims (9)

1.155ksi钢级高强韧性套管钢,其特征在于:其化学成分按重量百分比:C 0.23~0.27%、Si 0.20~0.35%、Mn 0.45~0.60%、Cr 0.95~1.10%、Mo 0.75~0.85%、Nb 0.03~0.05%、V0.07~0.12%、Al 0.015~0.045%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素;
其中,残余元素中:Cu≤0.20%、Ni≤0.20%、Ti≤0.04%;杂质中:P≤0.010%、S≤0.003%、O≤0.0020%、N≤0.0080%;五害元素中:As≤0.020%,Sn≤0.010%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025%。
2.根据权利要求1所述155ksi钢级高强韧性套管钢,其特征在于:其化学成分按重量百分比:C 0.24%、Si 0.20%、Mn 0.5%、Cr1.03%、Mo0.81%、Nb 0.036%、V 0.084%、Al 0.022%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素;其中,残余元素中:Cu 0.06%、Ni 0.04%、Ti 0.016%;杂质中:P 0.006%、S 0.002%、O 0.0014%、N 0.0057%;五害元素中:As 0.007%,Sn 0.002%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.014%;
或其化学成分按重量百分比:C 0.24%、Si 0.24%、Mn 0.48%、Cr0.97%、Mo0.78%、Nb 0.040%、V 0.078%、Al 0.028%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素;其中,残余元素中:Cu 0.05%、Ni 0.04%、Ti 0.021%;杂质中:P 0.007%、S 0.003%、O 0.0015%、N 0.0060%;五害元素中:As 0.007%,Sn 0.003%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.015%;
或其化学成分按重量百分比:C 0.26%、Si 0.25%、Mn 0.56%、Cr1.08%、Mo0.84%、Nb 0.046%、V 0.091%、Al 0.025%,其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素;其中,残余元素中:Cu 0.05%、Ni 0.08%、Ti 0.018%;杂质中:P 0.008%、S 0.002%、O 0.0018%、N 0.0066%;五害元素中:As 0.008%,Sn 0.004%,且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.017%。
3.根据权利要求1或2所述155ksi钢级高强韧性套管钢,其特征在于:所述套管钢的屈服强度:1069~1275MPa;抗拉强度≥1138MPa;0℃横向10×10mm“V”型冲击功≥60J;0℃纵向10×10mm“V”型冲击功≥80J;横纵向冲击韧度比≥0.75;延伸率≥16%;允许硬度变化HRC≤3.0。
4.用权利要求1~3任一项所述的155ksi钢级高强韧性套管钢制造的套管。
5.权利要求1~3任一项所述的155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法:其特征在于:包括以下步骤:
a、炼钢:以低五害元素的铁水、生铁和管头为原料,冶炼,得到初炼钢水;
b、LF精炼和VD真空脱气处理:将初炼钢水进行LF精炼,精炼结束后进行钙处理;钙处理后进行VD真空脱气处理,在真空度≤67Pa下脱气处理15min,之后在真空度≤200Pa下脱气处理至少5min,再进行钙处理;钙处理后进行静吹处理,静吹时间≥15min,出钢,出钢温度1570~1585℃;
c、浇铸:将b步骤处理好后的钢浇铸成连铸圆坯。
6.根据权利要求5所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法,其特征在于:出钢过程加入脱氧剂CaBaAlSi 1.5~2.5kg/t,Al块2~3kg/t进行强化脱氧;出钢前在钢包中加入石灰2.5~4.5kg/t。
7.根据权利要求5所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法,其特征在于:所述b步骤中钙处理为:用总Ca含量为50%的纯钙线进行钙处理,加入纯钙线量为0.08~0.10kg/t。
8.根据权利要求5所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法,其特征在于:所述c步骤中浇铸温度1525~1545℃。
9.权利要求4所述的套管的制备方法:其特征在于:包括以下步骤:
①、圆坯制造:采用权利要求5~8任一项所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法制备连铸圆坯;
②、制管:将浇铸好的连铸圆坯经环形加热炉加热;
③、热处理:将a步骤制成的管采用喷淋+内轴流水冷淬火,空冷回火热处理工艺,得到高强韧性套管。
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