CN109161788A - 一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管及其制造方法 - Google Patents

一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管及其制造方法，该石油套管化学成分的重量百分配比为C：0.15‑0.25％；Si：0.10‑0.30％；Mn：≤0.5％；P：≤0.008％；S：≤0.005％；Cr：≤0.8％；Mo：0.1‑0.5％；Nb：0.05～0.1％；V：0.04‑0.1％；Al：0.005‑0.01％；Ca：0.001‑0.003％；B：0.001～0.002％；RE：0.0005～0.001％；余量为Fe和不可避免的杂质。采用高精度FFX辊式成型将卷板制成管坯，采用高频焊接技术进行焊接，然后对焊接后管坯在线快速加热到奥氏体化温度后，进行热机械轧制，并通过热张力减径工艺调整至规定管径和壁厚，再经特殊的全管体热处理、管端螺纹加工、静水压试验、接箍加工、喷标和涂漆处理后制成石油套管。该石油套管在常温至350℃温度下屈服强度≥770MPa、折损率≤10％，抗拉强度≥880MPa、折损率≤9％。

Description

一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管及其制造方法
技术领域:
本发明涉及一种低合金石油套管用钢及其生产方法，具体涉及一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管及其制造方法。
背景技术：
稠油作为一种非常规石油资源，在我国主要分布在准格尔盆地、松辽盆地、渤海湾盆地等，因黏度高、流动性差等特点，采用常规的方法难以开采。目前国内稠油主要采用注蒸汽吞吐法、蒸汽驱油法及火烧油层法等热采技术，其中新疆油田和辽河油田广泛采用注蒸汽开发稠油油藏。
有关热采井套管损坏的大量研究结论表明：套管损坏最主要原因是注蒸汽造成的高温，热应力大是热采井套管损坏的重要原因之一。例如：注热蒸汽作为稠油井提高采收率的主要途径，其注蒸汽的平均温度在320℃左右，高的达到350℃以上。由于高温蒸汽的注入，套管除受拉伸、内压、外挤等载荷外，还受到由热应力引起的压缩载荷，以及由于往复注汽、停注引起的压缩、拉伸的交变载荷，这种交变载荷最终造成套管弯曲变形、挤毁、拉断等。同时，高温蒸汽的存在，使不同形态的硫化物能够转化为硫化氢，加速了管柱的腐蚀损伤，严重影响了稠油热采区块的安全生产。因此，需要研究开发一种强度高、塑形好，抗高温蠕变的新型石套管材。
2011年10月12日公布的申请号为201110148660.0中涉及一种稠油热采井用高强度石油套管用钢及其制造方法，其成分设计未考虑腐蚀性能，Mn元素含量较高，虽热处理后强度满足P110钢级要求，但其韧性较低，屈服比均大于0.95，实例中冲击韧性无取样方向，不能切实反映最终产品的韧性。2013年07月10日公布的专利号为201310125942.8中涉及一种稠油热采井用抗H2S腐蚀专用套管及生产方法，该专利采用无缝管工艺生产，且成分设计中稀土含量并未考虑到HFW焊接问题。2014年09月1日公布的专利号为201410441145.5中涉及一种耐热高强套管用强及其制备工艺，化学成分设计中含有W、Hf等合金元素，在其制备工艺中高温、中温段保温时间过长，最短时间为150分钟，非常不利于套管的工业化批量生产。2016年09月07日公布的公布号为CN 105925883A的中国发明专利，公开了一种高强高韧N80Q石油套管及其制造方法，该制造方法制备的石油套管虽然强度韧性高，但是还不能满足高温注热蒸汽热采井。本发明提供的石油套管适用于高温注热蒸汽热采井，不仅可保证套管高温下的强度、塑韧性等服役性能，同时具有抗腐蚀性能和在高温循环应力下接头性能。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管及其制造方法，该石油套管从常温至350℃屈服强度≥770Mpa、折损率≤10％，抗拉强度≥880MPa、折损率≤9％；均符合API 5CT标准中P110钢级的力学性能要求范围。在350℃高温拉-压循环应力试验中，载荷比R＝-1，循环周次设定为10，实物产品石油套管接头的最大循环应力可用于对套管的高温服役寿命、腐蚀性能具有一定要求的注热蒸汽稠油热采井领域。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管，该石油套管用热轧卷板的化学成分为C：0.15-0.25％；Si：0.10-0.30％；Mn：≤0.5％；P：≤0.008％；S：≤0.005％；Cr：≤0.8％；Mo：0.1-0.5％；Nb：0.05～0.1％；V：0.04-0.1％；Al：0.005-0.01％；Ca：0.001-0.003％；B:0.001～0.002％；RE:0.0005～0.001％；余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明中设计合金成分选取说明：
C：碳是主要固溶强化元素，可与多种合金形成强化相，可提高钢的强度；但该发明要充分考虑卷板焊接性能和焊缝质量，同时有利于后续热处理工艺可弥补强度不足和高温性能。为实现本发明的目的将控制C含量范围，既要发挥强化作用，又不降低焊接、高温性能、腐蚀性能等性能，因而C设计范围为0.15％-0.25％。
Si：硅主要起脱氧作用，含量多时易形成硅氧夹杂物等，对韧性和抗腐蚀性能不利，故含量越低越好，将其限定在0.10-0.30％。
Mn：锰可显著提高钢的淬透性，提高钢的强度。但当含量多时容易形成带状组织，降低钢的抗H2S腐蚀性能。为达到发明的目的，设计范围为≤0.5％。
P、S：硫、磷含量越低对钢的抗腐蚀越有利，因此，限定P：≤0.008，S：≤0.005，以保证钢实现抗蠕变性能、抗H2S腐蚀性能指标。
Cr：铬提高淬透性，改善钢的强韧性，也提高钢的抗氧化性。因此控制铬含量≤0.8％。
Mo：强碳氮化物形成元素，可提高钢的淬透性、回火稳定性和高温蠕变性能，细化晶粒和提高抗腐蚀性能；但价格高，添加过多增加成本。因此，本发明将其含量控制在0.1-0.5％之间。
Nb：加入铌能够形成C、N化合物，细化晶粒，提高钢的淬透性、强韧性；但价格高，添加过多增加成本，因而本发明控制其含量在0.05～0.1％。
V：可提高材料的强度和韧性，同时提高材料高温性能，含量控制在0.04-0.1％。
Al铝能够在腐蚀中可形成氧化铝保护膜，还可提高钢表面的膜稳定性和抗腐蚀性能。因而将其含量控制在Al：0.005-0.01％。
Ca：钙可与硫形成硫化物，改善硫化物夹杂的形态。本发明将Ca含量设计范围为0.001-0.003％。
B：加入B元素可提高钢的淬火性、增加晶界激活能等作用，改善钢的高温强度。为达到发明目的控制B含量为0.001-0.002％。
稀土RE：加入稀土元素能改善改善焊接性能、非金属夹杂物形态、增加晶界激活能等作用，提高钢的腐蚀性能和高温性能。为达到发明目的控制稀土RE含量为0.0005-0.001％。
本发明石油套管的制造方法，包括：
步骤1：将原料铁水和废钢经过冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸成坯、热机械轧制和冷却后制成优质卷板，随后将卷板纵剪、铣边，经FFX弯曲成型和HFW焊接制成直缝焊管，焊后及时修整内外焊缝毛刺，使焊道与管体内外表面齐平、光滑；
步骤2：采用中频感应以30-50℃/s加热，将HFW焊管管坯快速加热至管材的奥氏体化温度1000-1100℃，然后进入热张力减径机轧辊机组，减径至所需规格的套管管坯；
步骤3：控制热张力减径后管坯进入水箱前的温度≥900℃，利用在线淬火装置对管坯进行内喷外淋的在线淬火处理，喷水速度为300～800立方米/小时，内喷外淋时间为15s，使管坯显微组织的马氏体组织含量≥95％；
步骤4：利用多步式在线中频感应加热炉，将在线淬火后管坯以20℃/s～30℃/s升温速率加热至650℃～700℃回火，中频感应加热保温时间约2min，然后空冷至室温；
步骤5：在线回火后进行天然气炉全管体回火处理，将机械性能最终调整至技术要求指标范围，加热温度为400℃～500℃，热处理时间为60min；
步骤6：用回火后余温运送进入热矫直机进行矫直，温度控制为350-500℃；进矫直机的入口温度≥350℃；
步骤7：全管体无损探伤合格后进行管端车丝、接箍拧接、静水压试验、内表面喷砂清洁、内表面底漆和面漆喷涂、涂层最终固化、上保护环、喷标和涂漆制成成品套管。
所述石油套管的晶粒度为9～10级。
本发明的有益效果：
(1)本发明的石油套管在常温下屈服强度≥852MPa，抗拉强度≥956MPa，屈强比≤0.90，延伸率≥23％；在350℃下高温屈服强度≥770MPa，抗拉强度为≥880MPa，不但具有常温下的高强度、高塑韧性，而且具有抗高温蠕变性能。
(2)本发明的石油套管在350℃高温拉-压循环应力下，载荷比R＝-1，循环周次设定为10的条件下进行试验，石油套管接头的最大循环应力可完全满足注热蒸汽稠油热采井对套管的要求。
(3)本发明通过热张力减径后的余热在线淬火、在线中频回火和全管体中温回火，缩短了热处理时间，提高了生产效率，从而达到降本增效的效果。
具体实施方式:
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
按照表1的化学成分准备原料，原料重量百分比为：高炉铁水80％，优质废钢20％。
具体制造工艺流程：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→板坯连铸→控制轧制成卷板→钢带纵剪→FFX成型→HFW焊接→热张减径→锯切→在线淬火→高温中频加热回火→进炉中温回火→冷床→矫直→探伤→车丝扣。
其实施例结果见下表1、表2、表3和表4。表1为试验钢的熔炼化学成分，表2为常温下套管的力学性能及腐蚀性能，表3为不同高温下套管的力学性能，表4为350℃下拉-压循环应力的实物套管的接头性能。
由表1可以看出：本发明通过在炼钢中降低卷板中S、P等有害元素含量和MnS等夹杂物的存在，以提高钢水的洁净度；添加Mo、Nb、V、B、RE等元素合金，细化晶粒，提高强度和韧性，同时增强了管材的高温热稳定性、硫化氢应力腐蚀开裂抗力，保证了管坯的内在质量和综合机械性能。
从表2和表3可以看出：采用本发明所述的化学成分和工艺，生产的试验注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管的强韧性匹配优异，高温力学性能稳定，强度折损率低，同时具有良好的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能。
从表4可以看出：采用本发明的石油套管实物套管接头，在350℃温度下，载荷比R＝-1，循环周次设定为10，可证明石油套管接头的拉-压循环应力高于热采井中一般产生的热应力。
因此，采用本发明所述的化学成分和工艺，生产的一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管的高温拉伸性能优异，实物性能完全能满足注热蒸汽稠油热采井使用性能要求。
表1试验钢的熔炼化学成分
表2本发明常温下套管的力学性能及腐蚀性能
注：SSC试验依据NACE TM 0177-2005中A法A溶液进行试验。
表3不同高温下套管的力学性能
表4 350℃温度下拉-压循环应力的实物套管接头高温性能

Claims (4)

1.一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管，其特征在于：所述石油套管用热轧卷板的化学成分为C：0.15-0.25％；Si：0.10-0.30％；Mn：≤0.5％；P：≤0.008％；S：≤0.005％；Cr：≤0.8％；Mo：0.1-0.5％；Nb：0.05～0.1％；V：0.04-0.1％；Al：0.005-0.01％；Ca：0.001-0.003％；B：0.001～0.002％；RE：0.0005～0.001％；余量为Fe和不可避免的杂质。
2.制造权利要求1所述的一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括：
步骤1：将原料铁水和废钢经过冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸成坯、热机械轧制和冷却后制成优质卷板，随后将卷板纵剪、铣边，经FFX弯曲成型和HFW焊接制成直缝焊管，焊后及时修整内外焊缝毛刺，使焊道与管体内外表面齐平、光滑；
步骤2：采用中频感应以30-50℃/s加热，将HFW焊管管坯快速加热至管材的奥氏体化温度1000-1100℃，然后进入热张力减径机轧辊机组，减径至所需规格的套管管坯；
步骤3：控制热张力减径后管坯进入水箱前的温度≥900℃，利用在线淬火装置对管坯进行内喷外淋的在线淬火处理，喷水速度为300～800立方米/小时，内喷外淋时间为15s，使管坯显微组织的马氏体组织含量≥95％；
步骤4：利用多步式在线中频感应加热炉，将在线淬火后管坯以20℃/s～30℃/s升温速率加热至650℃～700℃回火，中频感应加热保温时间约2min，然后空冷至室温；
步骤5：在线回火后进行天然气炉全管体回火处理，将机械性能最终调整至技术要求指标范围，加热温度为400℃～500℃，热处理时间为60min；
步骤6：用回火后余温运送进入热矫直机进行矫直，温度控制为350-500℃；进矫直机的入口温度≥350℃；
步骤7：全管体无损探伤合格后进行管端车丝、接箍拧接、静水压试验、内表面喷砂清洁、内表面底漆和面漆喷涂、涂层最终固化、上保护环、喷标和涂漆制成成品套管。
3.根据权利要求2所述的一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管的制造方法，其特征在于：所述石油套管在常温至350℃温度下屈服强度≥770Mpa、折损率≤10％，抗拉强度≥880MPa、折损率≤9％。
4.根据权利要求2所述的一种注热蒸汽稠油热采井用耐高温石油套管的制造方法，其特征在于：所述石油套管在350℃高温拉-压循环应力下，载荷比R＝-1，循环周次设定为10的条件下进行试验，石油套管接头的最大循环应力
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