CN112708730B - 一种超高抗挤毁石油套管及其制造方法 - Google Patents

一种超高抗挤毁石油套管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高抗挤毁石油套管，其化学元素质量百分比为：C：0.08‑0.15％、Si：0.1‑0.4％、Mn：0.1‑0.3％、Cr：1‑1.5％、Mo：1‑1.5％、Nb：0.04‑0.08％、V：0.15‑0.25％、Ti：0.02‑0.05％、B：0.0015‑0.005％、Al：0.01‑0.05％、Ca：0.002‑0.004％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。此外，本发明还公开了上述的超高抗挤毁石油套管的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和连铸；(2)穿孔；(3)轧制；(4)控制冷却；(5)淬火+回火；(6)热定径和热矫直。

Description

一种超高抗挤毁石油套管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢管及其制造方法，尤其涉及一种石油套管及其制造方法。
背景技术
深井、超深井是近年来石油勘探开发领域开发越来越多的井况之一，为了保证高温高压开采开发的安全性，对管柱材料的强度提出了很高的要求。油气开在采用超深管柱的同时，还须承受高温，高压等物理载荷，例如：塔里木盆地中、深部巨厚高压盐层(高压地层)段套管需要采用较高的抗挤毁性能，因此，对于套管强度的要求显著提高。但提高强度的同时，材料的硬度会相应地增大，材料的韧性尤其是断裂韧性也会逐渐下降，并且材料对表面缺陷的敏感程度会进一步地增大，使套管在井下的高压环境中发生裂纹拓展，从而发生失效。金属材料的断裂韧性KIC是断裂力学中重要的材料机械性能指标，对于服役于复杂环境工况的高强度管材来说，断裂韧性尤为重要。因此为了保证生产使用的安全性，深井、超深井用的套管对强度和断裂韧性的要求很高。
例如：公开号为CN101586450，公开日为2009年11月25日，名称为“具有高强度和高韧性石油套管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种具有高强度和高韧性石油套管。在该专利文献所公开的技术方案中，其化学元素成分为：C：0.22～0.4％，Si：0.17～0.35％，Mn：0.45～0.60％，Cr：0.95～1.10％，Mo：0.70～0.80％，Al：0.015～0.040％，Ni<0.20％，Cu<0.20％，V：0.070～0.100％，Ca>0.0015％，P<0.010％，S<0.003％，余量为铁。需要指出的是，该专利文献所公开的技术方案中，钢种的强度虽然达到1100MPa，但是对断裂韧性并未给出具体指标。
又例如：公开号为CN106834970A，公开日为2017年6月13日，名称为“一种低合金超高强度钢及其制备无缝钢管的方法”的中国专利文献公开了一种低合金超高强度钢及其制备无缝钢管的方法。虽然该专利文献所公开的技术方案中所公开的技术方案中，钢种强度达到140ksi，但是其冲击韧性和断裂韧性很低，无法满足深井环境对套管的韧性要求。
再例如：公开号为CN101250671A，公开日为2008年8月27日，名称为“具有高强度和高韧性的石油套管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种具有高强度和高韧性石油套管的钢种。在该专利文献所公开的技术方案中，钢种的横向冲击韧性只有80J，冲击韧性也较低。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种超高抗挤毁石油套管，该超高抗挤毁石油套管具有超高强度、超高抗挤强度和高断裂韧性，可以满足深井、超深井油气田对油井管提出的强度、抗挤毁和断裂韧性的要求。
为了实现上述目的，本发明提出了一种超高抗挤毁石油套管，其化学元素质量百分比为：
C：0.08-0.15％、Si：0.1-0.4％、Mn：0.1-0.3％、Cr：1-1.5％、Mo：1-1.5％、Nb：0.04-0.08％、V：0.15-0.25％、Ti：0.02-0.05％、B：0.0015-0.005％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.002-0.004％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明所述的超高抗挤毁石油套管采用低碳的成分设计，减少了尺寸较大的Cr23C6以及Mo2C碳化物的形成，使Cr和Mo元素以固溶的形式存在，利用Cr、Mo的固溶强化效果和V、Nb、Ti的析出强化效果来获得良好的强度和断裂韧性。
此外，本发明所述超高抗挤毁石油套管采用低锰的成分设计改善成分偏析，防止在管体内壁出现合金富集的成分偏析带，造成局部组织和碳化物分布不均，从而提高材料的断裂韧性指标；同时为了改善低碳成分体系淬透性不足而导致淬火后马氏体比例低的问题，加入B和Ti提高淬透性，提高材料中的组织均匀性以改善断裂韧性和强度。
关于各个化学元素的设计原理具体如下所述：
C：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，C为碳化物形成元素，其可以提高钢的强度。当C的质量百分比低于0.08％时，会使得钢的淬透性降低，从而降低钢的强度，然而，当C的质量百分比高于0.15％时，则会显著地恶化钢的偏析，从而也会造成钢的韧性的降低。为了达到石油套管的高强度高韧性的要求，本发明所述的超高抗挤毁石油套管将C的质量百分比控制在0.08～0.15％。在一些优选的实施方式中，C的质量百分比可以进一步控制在0.1-0.15％。
Si：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，Si固溶于铁素体，其可以提高钢的屈服强度，但是Si的添加量不宜过高，质量百分比太高的Si会恶化钢的加工性和韧性，然而质量百分比低于0.1％的Si会使得石油套管容易氧化。基于此，本发明所述的超高抗挤毁石油套管将Si的质量百分比控制在0.10～0.40％。
Mn：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，Mn为奥氏体的形成元素，其可以提高钢的淬透性。当Mn的质量百分比小于0.1％时，钢的淬透性会显著降低，从而降低钢中马氏体的比例，进而降低钢的强度；当Mn的质量百分比大于0.3％时，钢中的组织偏析又会显著增加，会降低钢的断裂韧性。基于此，本发明所述的超高抗挤毁石油套管将Mn的质量百分比控制在0.1～0.3％。
Cr：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，Cr强烈提高淬透性元素，强析出物形成元素，回火析出时析出物可以提高钢的强度，但若Cr的质量百分比高于1.5％时容易在晶界析出粗大M23C6析出物，降低韧性。而当Cr的质量百分比低于1％时，则会使得淬透性不足，无法保证淬火效果。基于此，在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中控制Cr的质量百分比在1-1.5％。在一些优选的实施方式中，Cr的质量百分比可以进一步控制在1-1.4％。
Mo：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，Mo要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性。由于本案中的碳的质量百分比较低，因此，当添加Mo的质量百分比超过1.5％时，Mo难以与C形成更多的碳化物析出相，强度无显著变化。但一旦Mo的质量百分比低于1％时，则不利于使得本发明所述的超高抗挤毁石油套管的强度就无法达到140ksi的要求。因此，本发明所述的超高抗挤毁石油套管中将Mo的质量百分比控制在1～1.5％。在一些优选的实施方式中，Mo的质量百分比可以进一步控制在1-1.4％。
Nb：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，Nb是钢中细晶和析出强化的元素，可弥补因碳含量降低而引起的强度下降。当Nb的质量百分比小于0.04％时，其添加作用并不明显，当Nb的质量百分比大于0.08％时，其则容易形成粗大的Nb(CN)，从而降低钢的韧性。基于此，本发明所述的超高抗挤毁石油套管将Nb的质量百分比控制在0.04～0.08％。在一些优选的实施方式中，Nb的质量百分比可以进一步控制在0.06-0.08％。
V：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，V是典型的析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，V的质量百分比小于0.15％时，其强化效果难以使得本案的超高抗挤毁石油套管的强度达到140ksi。但若V的质量百分比高于0.25％时，则容易形成粗大的V(CN)，从而降低韧性。基于此，本发明所述的超高抗挤毁石油套管将V的质量百分比控制在0.15～0.25％。在一些优选的实施方式中，V的质量百分比可以进一步控制在0.2-0.25％。
Ti：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，Ti是强碳氮化物的形成元素，其能够显著地细化钢中奥氏体晶粒，可以弥补因碳含量降低而引起的强度下降。若Ti的质量百分比＞0.05％，容易形成粗大的TiN，这样会降低材料的韧性。而若Ti的质量百分比＜0.02％，Ti则不能充分地与N反应形成TiN，则钢中的B就会与N反应形成BN的脆性相，从而降低材料的韧性。基于此，在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中将Ti的质量百分比控制在0.02～0.05％。在一些优选的实施方式中，Ti的质量百分比可以进一步控制在0.03-0.05％。
B：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，B也是可以显著提高钢的淬透性的元素。在本案中，由于C的质量百分比较低，因而，添加B元素可以解决因C的质量百分比降低而带来的淬透性差的问题。然而，当B的质量百分比低于0.0015％时提高钢的淬透性的作用并不显著；当B的质量百分比高于0.005％，则易于形成BN脆性相，从而降低钢的韧性。基于此，在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中将B的质量百分比控制在0.0015～0.005％。在一些优选的实施方式中，B的质量百分比可以进一步控制在0.0015-0.004％。
Al：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，Al是良好的脱氧固氮元素，可细化晶粒。因此，本发明所述的超高抗挤毁石油套管中将Al的质量百分比控制在0.01～0.05％。
Ca：在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，Ca可以净化钢液，促使MnS球化，提高断裂韧性，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物。因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的Ca元素的质量百分比限定在0.002-0.004％。
进一步地，在本发明所述的超高抗挤毁石油套管，其各化学元素质量百分比还满足下列各项的至少其中之一：
C：0.1-0.15％；
Cr：1-1.4％；
Mo：1-1.4％；
Nb：0.06-0.08％；
V：0.2-0.25％；
Ti：0.03-0.05％；
B：0.0015-0.004％。
进一步地，在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，在其他不可避免的杂质中：S≤0.003％。
进一步地，在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，其中Ca和S元素的质量百分含量满足Ca/S≥2。
进一步地，在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，在其他不可避免的杂质中：N≤0.008％，并且/或者P≤0.015％。
进一步地，在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，其微观组织为回火索氏体。
进一步地，本发明所述的超高抗挤毁石油套管还可以含有下述各化学元素的至少其中之一：0＜Ni≤0.2％、0＜Cu≤0.2％，0＜Re≤0.1％；以进一步提高石油套管的性能。
进一步地，在本发明所述的超高抗挤毁石油套管中，其性能指标满足下列各项的至少其中之一：屈服强度为965～1173MPa，抗拉强度≥1034MPa，延伸率≥20％，断裂韧性KIC值≥150MPa.m1/2，0℃横向夏比冲击功≥120J，韧脆转变温度≤-60℃，抗挤毁性能超出API标准25％以上。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述的超高抗挤毁石油套管的制造方法，通过该制造方法可以获得具有超高强度、超高抗挤强度和高断裂韧性的石油套管，从而可以满足深井、超深井油气田对油井管提出的强度、抗挤毁和断裂韧性的要求。
为了实现上述目的，本发明提出了上述的超高抗挤毁石油套管的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼和连铸；
(2)穿孔；
(3)轧制：控制终轧温度为900～950℃，终轧后进行张力减径，温度为850～900℃；
(4)控制冷却：进行在线水冷，冷却速度为15～25℃/s，冷却至600-650℃，然后空冷至室温；
(5)淬火+回火：其中淬火温度为900～950℃，保温时间为30～60min；回火温度为650～700℃，保温时间为50～80min；
(6)热定径和热矫直。
在本发明所述的制造方法中，考虑到本案的钢种为低碳钢种，高温变形抗力较小，因此，在步骤(3)中控制终轧温度在900-950℃，张力减径温度在850-900℃，以有利于细化晶粒提高断裂韧性。
此外，在步骤(3)后设置步骤(4)，通过对套管外表面进行冷却，且控制冷却速度为15～25℃/s，冷却至600-650℃，从而可以改善材料的强度和断裂韧性。本案发明人通过大量研究发现，现有技术中由于生产过程中未采用控冷工艺，导致其在生产过程中处于高温状态，由此，在高温向低温冷却后的微观组织为铁素体+珠光体或贝氏体以及魏氏组织，而奥氏体晶粒较粗大，使得材料的强度和冲击韧性均较低，而且晶粒尺寸具备遗传性，材料经过后续的调质热处理工序后晶粒粗大导致韧性和塑性较低。而本发明所述的技术方案则采用轧后控冷工艺，增加了材料的过冷度，抑制了粗大的铁素体+珠光体和上贝氏体组织以及魏氏组织的形成，并且以15-25℃/s的冷速冷却至600-650℃后，使材料组织转变为较细的贝氏体组织，细化了晶粒，改善了材料成分的均匀性，从而显著提高了材料的强度和韧性，也有利于改善抗挤毁性能。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，圆坯在1260～1290℃下均热，均热后穿孔，穿孔温度为1180～1240℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，控制连铸拉速为1.6～2.0m/min。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(6)中，热定径温度为500～550℃。
本发明所述的超高抗挤毁石油套管及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的超高抗挤毁石油套管具有超高强度和较高的断裂韧性，其性能指标满足下列各项的至少其中之一：屈服强度为965～1173MPa，抗拉强度≥1034MPa，延伸率≥20％，断裂韧性KIC值≥150MPa.m1/2，0℃横向夏比冲击功≥120J，韧脆转变温度≤-60℃，抗挤毁性能超出API标准25％以上。
此外，本发明所述的制造方法除了同样具有上述优点以及有益效果外，其还具有操作简单，易于实现大规模的生产制造，以及良好的经济效益的优点。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明所述的超高抗挤毁石油套管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-5以及对比例1-5
实施例1-5的超高抗挤毁石油套管以及对比例1-5的对比套管采用以下步骤制得：
(1)按照表1所列的成分进行冶炼和连铸，控制连铸拉速为1.6-2.0m/min。
(2)穿孔：圆坯在1260～1290℃下均热，均热后穿孔，穿孔温度为1180～1240℃。
(3)轧制：控制终轧温度为900～950℃，终轧后进行张力减径，温度为850～900℃。
(4)控制冷却：进行在线水冷，冷却速度为15～25℃/s，冷却至600-650℃，然后空冷至室温。
(5)淬火+回火：其中淬火温度为900～950℃，保温时间为30～60min；回火温度为650～700℃，保温时间为50～80min。
(6)热定径和热矫直：热定径温度为500～550℃。
表1列出了实施例1-5的超高抗挤毁石油套管以及对比例1-5的对比套管的各化学元素的质量百分配比。
表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S以及N以外的其他不可避免的杂质)
Figure GDA0002401962610000071
Figure GDA0002401962610000081
表2列出了实施例1-5的超高抗挤毁石油套管以及对比例1-5的对比套管的具体工艺参数。
表2.
Figure GDA0002401962610000082
Figure GDA0002401962610000091
表3列出了实施例1-5的超高抗挤毁石油套管以及对比例1-5的对比套管的测试结果。
表3.
Figure GDA0002401962610000092
Figure GDA0002401962610000101
由表3可以看出，本案各实施例的性能满足下列各项的至少其中之一：屈服强度为1030～1150MPa，抗拉强度≥1090MPa，延伸率≥22％，断裂韧性KIC值≥205MPa.m1/2，0℃横向夏比冲击功≥126J，韧脆转变温度≤-60℃，抗挤毁性能超出API标准40％以上，由此说明本案各实施例非常适合制成深井、超深井开采用的石油管。
而反观对比例，对比例1中的C、Cr和Mo，超出了本案所限定的范围，对比例2中未添加B和Ti，对比例3中的成分与实施例3一致，但是未采用轧后控冷工艺，对比例4中的Mn、V、Nb超出了本案所限定的范围，使得对比例1-4的对比套管的至少一项力学性能未能达到高强度、高抗挤毁且高断裂韧性石油套管的标准，且综合表现均不如本案各个实施例的超高抗挤毁石油套管。而对比例5中Ca/S不满足Ca和S元素的质量百分含量满足Ca/S≥2，因此，对比例5的性能参数相较于对比例1-4较好，但是其综合表现不如本案各个实施例的超高抗挤毁石油套管。
综上所述，本发明所述的超高抗挤毁石油套管具有超高强度和较高的断裂韧性，其性能指标满足下列各项的至少其中之一：屈服强度为965～1173MPa，抗拉强度≥1034MPa，延伸率≥20％，断裂韧性KIC值≥150MPa.m1/2，0℃横向夏比冲击功≥120J，韧脆转变温度≤-60℃，抗挤毁性能超出API标准25％以上。
此外，本发明所述的制造方法除了同样具有上述优点以及有益效果外，其还具有操作简单，易于实现大规模的生产制造，以及良好的经济效益的优点。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种超高抗挤毁石油套管，其特征在于，其化学元素质量百分比为：
C：0.08-0.13％、Si：0.1-0.4％、Mn：0.1-0.3％、Cr：1-1.5％、Mo：1-1.5％、Nb：0.04-0.08％、V：0.15-0.25％、Ti：0.02-0.05％、B：0.0015-0.005％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.002-0.004％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；其中Ca和S元素的质量百分含量满足Ca/S≥2；
所述超高抗挤毁石油套管的断裂韧性KIC值≥150MPa.m1/2，韧脆转变温度≤-60℃；
所述超高抗挤毁石油套管采用下述步骤制得：
(1)冶炼和连铸；
(2)穿孔；
(3)轧制：控制终轧温度为900～950℃，终轧后进行张力减径，温度为850～900℃；
(4)控制冷却：进行在线水冷，冷却速度为15～25℃/s，冷却至600-650℃，然后空冷至室温；
(5)淬火+回火：其中淬火温度为900～950℃，保温时间为30～60min；回火温度为650～700℃，保温时间为50～80min；
(6)热定径和热矫直。
2.如权利要求1所述的超高抗挤毁石油套管，其特征在于，其各化学元素质量百分比还满足下列各项的至少其中之一：
C：0.1-0.13％；
Cr：1-1.4％；
Mo：1-1.4％；
Nb：0.06-0.08％；
V：0.2-0.25％；
Ti：0.03-0.05％；
B：0.0015-0.004％。
3.如权利要求1所述的超高抗挤毁石油套管，其特征在于，在其他不可避免的杂质中：S≤0.003％。
4.如权利要求1所述的超高抗挤毁石油套管，其特征在于，在其他不可避免的杂质中：N≤0.008％，并且/或者P≤0.015％。
5.如权利要求1所述的超高抗挤毁石油套管，其特征在于，其还含有下述各化学元素的至少其中之一：0＜Ni≤0.2％、0＜Cu≤0.2％，0＜Re≤0.1％。
6.如权利要求1所述的超高抗挤毁石油套管，其特征在于，其微观组织为回火索氏体。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的超高抗挤毁石油套管，其特征在于，其性能指标还满足下列各项的至少其中之一：屈服强度为965～1173MPa，抗拉强度≥1034MPa，延伸率≥20％，0℃横向夏比冲击功≥120J，抗挤毁性能超出API标准25％以上。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的超高抗挤毁石油套管的制造方法，其特征在于，其包括步骤：
(1)冶炼和连铸；
(2)穿孔；
(3)轧制：控制终轧温度为900～950℃，终轧后进行张力减径，温度为850～900℃；
(4)控制冷却：进行在线水冷，冷却速度为15～25℃/s，冷却至600-650℃，然后空冷至室温；
(5)淬火+回火：其中淬火温度为900～950℃，保温时间为30～60min；回火温度为650～700℃，保温时间为50～80min；
(6)热定径和热矫直。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，圆坯在1260～1290℃下均热，均热后穿孔，穿孔温度为1180～1240℃。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，控制连铸拉速为1.6～2.0m/min。
11.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(6)中，热定径温度为500～550℃。
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