CN111020369B - 耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管及制造方法 - Google Patents
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Abstract
耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管，钢中化学成分按重量百分比计含有：C0.14％～0.20％、Si0.20％～0.50％、Mn1.20％～1.60％、P≤0.015％、S≤0.008％、Cr0.35％～0.50％、Ni0.1％～0.2％、Mo0.25％～0.50％、V0.07％～0.12％、W0.30％～0.80％、Alt0.02％～0.05％、Ti0.02％～0.05％、Nb≤0.05％、Cu≤0.2％、N≤0.007％余量为Fe和杂质。本发明常温屈服强度≥862MPa，450℃高温屈服强度≥655MPa，可以作为高温下95ksi火驱稠油热采注气井油层段油井管的使用。
Description
技术领域
本发明属于无缝钢管生产技术领域，尤其涉及一种油田使用，且在450℃高温下性能达到95ksi级的火驱稠油热采无缝钢管及其制造方法。
背景技术
目前世界上的稠油资源比较丰富，约占世界剩余油资源的70％。如何有效开采稠油，使其成为可动力储量，是石油工业一直面临的问题。稠油粘度虽高，但对温度极为敏感，每增加10℃，粘度即下降一半。热力采油作为目前稠油开采的主要手段，能够有效升高油层温度，降低稠油粘度，使稠油易于流动，从而将稠油采出。目前常用的热力采油技术包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层(火驱)、热水驱等。
火驱即火烧油层作为一种颇具特点的热力采油工艺，是运用地下原油作为初级燃料，运用空气或者氧气等其他气体作为助燃剂，通过人工点火或自燃的办法使油层原油燃烧，使原油达到燃点温度以上。
火驱稠油热采通过注气井向油层注入压缩空气或富氧气体，原油中的重质成分在高温下发生裂解、降粘、蒸馏等复杂的物理、化学反应，裂解产物——焦炭作为燃料就地燃烧，形成具有蒸汽驱、水驱、混相驱等多种驱共同作用的驱油过程，最终把原油驱向生产井使其被采出。该工艺具有能量利用率高、技术限制少、适应性广等特点，是一种提高采收率的理想方法，最终的采取率可达到50％～80％。
在油层燃烧的过程中，注气井油层段油井管的使用环境温度一般在450℃～550℃，因此对这类油井管材料不仅要求在常温下具有高强度高韧性的要求，而且还要求管材在450℃高温下仍然具有较高的强度，因此为满足火驱稠油热采的需求，对用于稠油热采工艺的注气井油层段油井管应具有较高的高温强度。
申请号为CN00100635.5的中国专利文件(《超稠油热采井用高强度石油套管及其生产方法》)，其专利成分为：C 0.2～0.33％，Si 0.23～0.34％，Mn 0.8～1.2％，Cr 0.6～1.4％，Mo0.1～0.26％，Ni≤0.3％，Cu≤0.3％，P≤0.15％，S≤0.12％，余量为铁。此成分在300℃环境下其屈服强度不低于690MPa。适应温度为300℃，主要是用于蒸汽驱动的稠油热采用管，对火驱热采要求的450℃甚至更高的温度要求并无有效的高温性能。
申请号为CN01118706.9的中国专利文件(《一种稠油热采井用中等强度石油套管及其生产方法》)用Cr-Mo钢做为制管材料，钢种成份为：C：0.20-0.30％；Si：0.15-0.30％；Mn：0.60-1.10％；P≤0.02％；S≤0.015％；Ni≤0.30％；Cr：0.40-1.20％；Mo：0.060-0.20％；Cu≤0.30％，采用直接还原铁加优质废钢做为炼钢原料，连铸坯经热轧成无缝管后，经淬火加回火保证套管的强度和韧性，显微组织为：回火索氏体其屈服强度范围为：621-850Mpa，抗拉强度不低于760Mpa，延伸率不低于14.5％。其性能结果为常温性能，其主要应用范围也是蒸汽驱动的稠油热采井，并不能耐受到450℃以上的火驱热采井。
申请号为CN201810882941.0的中国专利文件(《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》)，其主要为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：0.040.1％；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％。从其试验的结果看，其应用范围也是局限于蒸汽驱动的稠油热采井，对更高温度的(450℃以上)火驱热采井无法适用。
申请号为CN201810446674.2的中国专利文件(《一种稠油热采井用油井管及制造方法》)，其发明主要涉及一种稠油热采井用油井管及制造方法，该油井管化学成分按重量百分比计为：C 0.37％0.42％，Si 0.15％0.30％，Mn 0.60％0.80％，P≤0.02％，S≤0.01％，Cr 0.8％1.5％，Nb 0.04％0.06％，Ti 0.04％0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质。优点是：成本较低，易于实现工业化批量生产；通过亚温淬火+超高温回火+表面渗铝的热处理工艺，使钢管的组织得以精细与均匀化，耐腐蚀性能大大提高。从其成分设计思路可以看出，其主要是考虑到钢种的经济性和耐腐蚀性，高温性能并不突出，适用于温度要求不高的蒸汽驱稠油热采井，对与更高温度的(450℃以上)火驱热采井无法适用。
期刊论文《火驱稠油热采井TP90H一9Cr套管热处理工艺优化试验研究》中公布的钢种为对TP90H-9Cr，钢种成分设计为：C 0.08％0.12％，Si 0.20％0.50％，Mn 0.30％0.60％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr 8.00％10.00％，Mo 0.85％-1.05％，Ni≤0.30％，V0.18％-0.25％，Nb 0.06％0.10％，Al≤0.015％，N 0.03％-0.07％，此钢种适用于450℃以上火驱热采井油井管使用，但成分设计上采用的是高合金钢的成分设计，加入了9％左右的Cr、1％左右的Mo，在成本上没有优势，缺乏竞争力。
发明内容
本发明提供了一种耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管及制造方法，其常温屈服强度达到862MPa以上，450℃高温屈服强度可以达到655MPa以上水平，0℃纵向V型冲击吸收能量达到40J以上。本发明可为火驱稠油热采工艺的注气井油层段油井管提供所需的材料。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管，钢中化学成分按重量百分比计含有：C0.14％～0.20％、Si 0.20％～0.50％、Mn 1.20％～1.60％、P≤0.015％、S≤0.008％、Cr0.35％～0.50％、Ni 0.1％～0.2％、Mo 0.25％～0.50％、V 0.07％～0.12％、W 0.30％～0.80％、Alt 0.02％～0.05％、Ti 0.02％～0.05％、Nb≤0.05％、Cu≤0.2％、N≤0.007％余量为Fe和不可避免的杂质。
钢管常温屈服强度≥862MPa。
钢管450℃高温屈服强度≥655MPa。
为使油井管材料具有高强度高韧性，且具备优异的高温强度，在成分设计上考虑加入加入了Cr、Mo、W等合金元素，本发明成分设计理由如下：
C：是确保钢强度的重要元素。为提高淬透性，以达到屈服强度大于862MPa的强度，C必须在0.14％以上。如C大于0.20％，则钢的塑性、韧性会下降。因此，C的优选范围为0.14～0.20％，更加优选含量范围为0.14～0.18％。
Si：是有效的脱氧元素，含量过低会缺乏脱氧效果，过高又会降低钢的韧性，因此，选择0.2％～0.5％作为Si的合金含量范围。
Mn：提高钢的强度，提高淬透性，适量的锰可以与钢种残余的硫元素形成熔点高的MnS，防止钢的热脆现象，但过高的锰有增加钢晶粒粗化和回火脆性敏感性的危害，因此选Mn含量控制在1.20％～1.60％。
Cr：在调质钢中可以提高淬透性，使钢经淬火回火后具有良好的综合力学性能，但其也有增加钢回火脆性的倾向，所以应与Mo等元素配合使用。其含量在0.20％以上时其效果能够明显体现，因此考虑加入0.35％～0.50％的量。
Mo：可以起到提高钢的淬透性、提高热强性、防止回火脆性等作用。Mo含量在0.20％以上时其效果明显，考虑到Mo属于贵重金属，因此上限设定为0.50％以下。
W：在钢中主要是增加回火稳定性、红硬性、热强性，并能在钢中形成难熔碳化物，在较高温度回火或使用时能缓解碳化物的聚集过程，保证材料具有较高的高温强度，因此考虑加入0.30％～0.80％的量。
V:在钢种能够增强淬透性，细化铁素体晶粒度，且V能够有效提高钢的高温稳定性。经实践发现，本专利中V含量控制在0.07％～0.12％为宜，过低的V无法发挥作用，超过0.12％V的提升作用不明显，且成本增加，因此本发明中将V的含量控制在0.07％～0.12％。
Alt：Al是炼钢中良好的脱氧剂，同时能够起到细化钢的晶粒，提高钢的强度。本发明中要求Alt含量控制在0.02％～0.05％，即保证了脱氧效果，又能起到细化晶粒的作用。
Ti：钛与碳、氮形成的碳、氮化物可起到延缓奥氏体晶粒长大，提高强韧性的作用，但钛的含量高于0.05％时作用不明显，且容易导致夹杂物超标，故本发明中限定钛的含量范围为0.02％～0.05％。
Cu：在钢中当超过0.2％时高温下的铜会侵蚀坯料晶界，并延晶界扩散，形成微裂纹，因此铜含量必须控制在0.2％以下。
N：N虽然能在钢中起到固溶强化和沉淀强化作用，但由于其不形成碳化物，容易生成氮化铁并析出，导致淬火时效和形变时效，显著降低塑性和韧性，因此必须严格控制N元素含量，本发明中N≤0.007％为宜。
耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管的制造方法，
钢水经转炉冶炼、炉外精炼、连铸、连轧得到管坯，得到的管坯经过环形炉加热，加热温度为1250℃～1270℃，加热后穿孔并经过轧管机轧制、定径机定径成型；
对轧制成型的钢管进行调质处理，淬火温度为910℃～940℃，钢管在淬火炉内加热时间控制在60±20min，回火温度为660℃～690℃，回火炉内加热时间控制在75±20min，钢管出回火炉后进行带温矫直，矫直后温度不得低于165℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)使用本发明工艺制造的钢管具有常温屈服强度≥862MPa，450℃高温屈服强度≥655MPa的性能特点，完全可以作为高温下95ksi火驱稠油热采注气井油层段油井管的使用。
2)本发明产品成分配方成本低，与文献《火驱稠油热采井TP90H一9Cr套管热处理工艺优化试验研究》中提到的1Cr9Mo火驱稠油热采注气井油层段油井管相比，考虑加入的是少量的Cr、W、Mo元素，大量减少了Cr和Mo金属的使用，比传统的1Cr9Mo火驱稠油热采注气井油层段油井管的制造成本低，产品更具有市场竞争力。
3)本发明工艺制造的无缝钢管的综合力学性能优良，还可拓展应用于桥梁、机械、建筑等领域，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1是本发明钢管调质后组织金相图(×500)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：
耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管，钢中化学成分按重量百分比计含有：C0.14％～0.20％、Si 0.20％～0.50％、Mn 1.20％～1.60％、P≤0.015％、S≤0.008％、Cr0.35％～0.50％、Ni 0.1％～0.2％、Mo 0.25％～0.50％、V 0.07％～0.12％、W 0.30％～0.80％、Alt 0.02％～0.05％、Ti 0.02％～0.05％、Nb≤0.05％、Cu≤0.2％、N≤0.007％余量为Fe和不可避免的杂质。
钢管常温屈服强度≥862MPa。
钢管450℃高温屈服强度≥655MPa。
耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管的制造方法，
钢水经转炉冶炼、炉外精炼(LF+VD/RH)、连铸、连轧得到管坯，得到的管坯经过环形炉加热，加热温度为1250℃～1270℃，加热后穿孔并经过轧管机轧制、定径机定径成型；
为得到均匀细小组织，对轧制成型的钢管进行调质处理，淬火温度为910℃～940℃，钢管在淬火炉内加热时间控制在60±20min，回火温度为660℃～690℃，回火炉内加热时间控制在75±20min，钢管出回火炉后进行带温矫直，矫直后温度不得低于165℃。钢管可进行冷旋转矫直，但矫直后应在比规定最终回火温度低30℃～50℃的温度下进行应力消除处理，此制度下可得到。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，经转炉冶炼、炉外精炼(LF)、真空处理(VD)、连铸、连轧得到管坯，再经加热→穿孔→连轧→定径→调质处理。本发明实施例及对比例钢(期刊论文钢种TP90H一9Cr)的成分见表1，制作工艺参数见表2。本发明实施例及对比例的主要性能指标见表3-表5。
表1本发明实施例及对比例钢的成分(wt％)
| 示例 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | V | W | Alt | Ti | Cu | Nb | N |
| 1 | 0.15 | 0.21 | 1.22 | 0.006 | 0.002 | 0.37 | 0.27 | 0.08 | 0.08 | 0.31 | 0.025 | 0.02 | 0.08 | 0.002 | 0.002 |
| 2 | 0.16 | 0.35 | 1.45 | 0.012 | 0.006 | 0.42 | 0.39 | 0.15 | 0.10 | 0.68 | 0.032 | 0.03 | 0.1 | 0.003 | 0.004 |
| 3 | 0.18 | 0.47 | 1.33 | 0.011 | 0.005 | 0.45 | 0.32 | 0.18 | 0.09 | 0.42 | 0.035 | 0.04 | 0.01 | 0.002 | 0.0045 |
| 4 | 0.17 | 0.25 | 1.41 | 0.013 | 0.004 | 0.39 | 0.43 | 0.14 | 0.08 | 0.37 | 0.041 | 0.02 | 0.02 | 0.001 | 0.0047 |
| 5 | 0.15 | 0.41 | 1.35 | 0.100 | 0.003 | 0.40 | 0.29 | 0.13 | 0.11 | 0.38 | 0.030 | 0.04 | 0.09 | 0.002 | 0.0059 |
| 6 | 0.17 | 0.38 | 1.38 | 0.009 | 0.005 | 0.43 | 0.31 | 0.16 | 0.09 | 0.52 | 0.033 | 0.03 | 0.13 | 0.003 | 0.032 |
| 7 | 0.19 | 0.48 | 1.58 | 0.014 | 0.007 | 0.49 | 0.49 | 0.18 | 0.12 | 0.79 | 0.045 | 0.04 | 0.18 | 0.004 | 0.00 6 |
| 对比例 | 0.10 | 0.35 | 0.45 | 0.015 | 0.005 | 9.0 | 0.95 | 0.20 | 0.22 | - | 0.010 | - | - | 0.08 | 0.05 |
注：余量为铁及不可避免杂质。
表2本发明产品的制造工艺参数
表3本发明产品的力学性能(常温下的拉伸性能)
| 成分编号 | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 延伸率/％ |
| 1 | 875 | 993 | 19 |
| 2 | 924 | 1038 | 17 |
| 3 | 911 | 1026 | 18 |
| 4 | 918 | 1035 | 17.5 |
| 5 | 888 | 1002 | 18.5 |
| 6 | 899 | 1018 | 18 |
| 7 | 942 | 1057 | 16 |
| 对比例 | 724 | 855 | - |
表4本发明产品的力学性能(450℃下的高温拉伸性能)
表5本发明产品的力学性能(0℃下的全尺寸冲击性能)
Claims (2)
1.耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比计含有：C 0.14％～0.19％、Si 0.20％～0.50％、Mn 1.58％～1.60％、P≤0.015％、S≤0.008％、Cr 0.35％～0.50％、Ni 0.1％～0.2％、Mo 0.25％～0.50％、V 0.07％～0.12％、W 0.68％～0.80％、Alt 0.02％～0.05％、Ti 0.02％～0.05％、Nb≤0.05％、Cu≤0.2％、N≤0.007％余量为Fe和不可避免的杂质；
钢管450℃高温屈服强度≥655Mpa；
所述的耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管的制造方法，包括如下方法；
钢水经转炉冶炼、炉外精炼、连铸、连轧得到管坯，得到的管坯经过环形炉加热，加热温度为1250℃～1270℃，加热后穿孔并经过轧管机轧制、定径机定径成型；
对轧制成型的钢管进行调质处理，淬火温度为910℃～940℃，钢管在淬火炉内加热时间控制在60±20min，回火温度为660℃～690℃，回火炉内加热时间控制在75±20min，钢管出回火炉后进行带温矫直，矫直后温度165℃-320℃。
2.根据权利要求1所述的耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管，其特征在于，钢管常温屈服强度≥862MPa，抗拉强度≥930MPa，延伸率≥14％。
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