CN116640994B

CN116640994B - 一种渗氮油管和渗氮套管及其制备方法

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Publication number: CN116640994B
Application number: CN202310629000.7A
Authority: CN
Inventors: 苏小东; 黄岩岗; 秦进; 李亮; 巩朋涛
Original assignee: YANAN JIASHENG PETROLEUM MACHINERY CO Ltd
Current assignee: YANAN JIASHENG PETROLEUM MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2023-05-30
Filing date: 2023-05-30
Publication date: 2024-01-12
Anticipated expiration: 2043-05-30
Also published as: CN116640994A

Abstract

本发明涉及石油套管技术领域，尤其涉及一种渗氮油管和渗氮套管及其制备方法，渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：C0.24％～0.29％、Si 0.20％～0.40％、Mn 0.40％～0.70％、P≤0.015％、S≤0.008％、Cr 1.15％～1.30％、Mo 0.15％～0.25％、Al 0.30％～0.45％、V 0.05％～0.10％、Re 0％～0.10％、O+H+N≤0.0080％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过控制渗氮油管和渗氮套管的化学成分在上述质量百分比内，可以使得渗氮油管和渗氮套管屈服强度级别可分别达到80ksi、95ksi、110ksi、125ksi要求，使得其具有良好的强度、塑性、韧性、耐蚀性和耐磨性等综合性能。

Description

一种渗氮油管和渗氮套管及其制备方法

技术领域

本发明涉及石油套管技术领域，尤其涉及一种渗氮油管和渗氮套管及其制备方法。

背景技术

在油气资源开采过程中，普遍存在各种腐蚀介质，油管和套管的腐蚀已成为其寿命降低从而导致早期失效的主要原因。一些油田的开采环境往往存在CO₂/Cl^-等复杂环境，防止油管和套管腐蚀的最主要的措施就是选择价格高昂的高含Cr、Ni、Mo的耐蚀合金材料，这会导致油气开采成本的巨大上升，这对于低产油气田是很不适当的。

而且，油管在正常作业过程中内壁往往会与抽油杆发生磨损，在油气井正常钻进过程中钻杆接头外表面会与套管接触使套管发生磨损，油管和套管的磨损会导致其强度和寿命的显著降低，从而增大了油管柱、套管柱及井筒的安全风险。

目前利用复核渗氮技术提高油管和套管的耐腐蚀性能，但是由于成分设计不合理，材料热处理和渗氮工艺不当，产品质量不够稳定，使用中时有断裂现象发生，对油气田安全生产和提质增效带来重大隐患。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种渗氮油管和渗氮套管及其制备方法，旨在解决现有油管和套管耐腐蚀性和耐磨性较差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种渗氮油管和渗氮套管，所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：

C 0.24％～0.29％、Si 0.20％～0.40％、Mn 0.40％～0.70％、P≤0.015％、S≤0.008％、Cr 1.15％～1.30％、Mo 0.15％～0.25％、Al 0.30％～0.45％、V0.05％～0.10％、Re 0％～0.10％、O+H+N≤0.0080％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述的渗氮油管和渗氮套管，其中，所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：

C 0.25％～0.28％、Si 0.23％～0.31％、Mn 0.40％～0.47％、P 0.008％～0.011％、S 0.001％～0.003％、Cr 1.15％～1.25％、Mo 0.15％～0.20％、Al 0.30％～0.35％、V 0.05％～0.07％、Re 0％～0.005％、O+H+N 0.0069％～0.0075％，余量为Fe和不可避免的杂质。

C 0.24％～0.26％、Si 0.20％～0.40％、Mn 0.45％～0.67％、P 0.009％～0.012％、S 0.002％～0.004％、Cr 1.19％～1.28％、Mo 0.16％～0.19％、Al 0.34％～0.37％、V 0.07％～0.08％、Re 0％～0.006％、O+H+N 0.0065％～0.0073％，余量为Fe和不可避免的杂质。

C 0.25％～0.28％、Si 0.33％～0.39％、Mn 0.51％～0.70％、P 0.008％～0.010％、S 0.001％～0.005％、Cr 1.17％～1.27％、Mo 0.20％～0.23％、Al 0.38％～0.43％、V 0.07％～0.09％、Re 0％～0.009％、O+H+N 0.0061％～0.0068％，余量为Fe和不可避免的杂质。

C 0.24％～0.29％、Si 0.26％～0.35％、Mn 0.61％～0.69％、P 0.008％～0.011％、S 0.003％～0.006％、Cr 1.21％～1.30％、Mo 0.22％～0.25％、Al 0.39％～0.45％、V 0.08％～0.10％、Re 0％～0.010％、O+H+N 0.0060％～0.0065％，余量为Fe和不可避免的杂质。

一种渗氮油管和渗氮套管的制备方法，包括步骤：

根据所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分制备管坯；

对所述管坯进行预先热处理；

对预先热处理后的管坯进行盐浴渗氮复合处理，得到渗氮油管和渗氮套管。

所述的渗氮油管和渗氮套管的制备方法，其中，对所述管坯进行预先热处理的步骤包括：

在保护气氛下，将所述管坯在温度为885～905℃下保温45～55分钟，然后对管坯进行内外喷水淬火，冷却速度≥15℃/s，得到淬火后的管坯；

对所述淬火后的管坯在温度为610～690℃下回火70～90分钟，回火后水冷得到预先热处理后的管坯。

所述的渗氮油管和渗氮套管的制备方法，其中，所述盐浴渗氮复合处理依次包括表面清洁处理、预热处理、盐浴氮化处理、盐浴氧化处理、清洗干燥处理。

所述的渗氮油管和渗氮套管的制备方法，其中，所述预热处理的温度为370～390℃，所述预热处理的保温时间为20～30分钟。

所述的渗氮油管和渗氮套管的制备方法，其中，所述盐浴氮化处理的温度为565～575℃，所述盐浴氮化处理的时间为60～120分钟；所述盐浴氧化处理的温度为385～395℃，所述盐浴氧化处理的时间为15～20分钟。

有益效果：本发明提供一种渗氮油管和渗氮套管及其制备方法，所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：C 0.24％～0.29％、Si 0.20％～0.40％、Mn0.40％～0.70％、P≤0.015％、S≤0.008％、Cr 1.15％～1.30％、Mo 0.15％～0.25％、Al0.30％～0.45％、V 0.05％～0.10％、Re 0％～0.10％、O+H+N≤0.0080％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过控制所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分在上述质量百分比内，并结合渗氮油管和渗氮套管的制备工艺，可以使得所述渗氮油管和渗氮套管具有优良的综合性能，屈服强度级别可分别达到80ksi、95ksi、110ksi、125ksi要求，即室温屈服强度大于552～862MPa，抗拉强度大于689～931MPa，总延伸率≥14～18％，夏比冲击韧性≥80J；同时，所述渗氮油管和渗氮套管的渗氮层深度≥12μm，硬度HV_0.1≥700，使得其具有良好的强度、塑性、韧性、耐蚀性和耐磨性等综合性能。

附图说明

图1为本发明一种渗氮油管和渗氮套管制备方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

本发明提供一种渗氮油管和渗氮套管及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供一种渗氮油管和渗氮套管，所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：

本实施方式中，通过采用低C，控Mn，加Cr、Mo、Al，V微合金化，也可加入少量Re，控制钢中P、S、O、H、N等有害元素，采用Si-Al合金脱氧；即综合考虑了C含量、合金元素、杂质含量等对钢种强度、塑性、韧性、渗氮工艺及表面硬度和耐蚀性的影响，从而设计了质量百分比满足上述化学成分的渗氮油管和渗氮套管。

具体地，控制C的质量百分比在0.24％～0.29％的范围内，使得所述渗氮油管和渗氮套管采用低碳的方式有利于提高钢的塑性和韧性，但碳含量过低不利于提高钢的淬透性，对提高钢的强度不利；碳含量过高，对提高钢的塑性和韧性不利；而Si是钢种常存元素，同时也是重要的脱氧剂，宜控制在0.20％～0.40％的范围内；Mn主要用于提高钢的淬透性进而提高强度，但Mn的偏析倾向较大，含量过高对钢的组织均匀性不利，从而影响钢的塑性、韧性和耐腐蚀性能，宜控制在0.40％～0.70％的范围内；Cr主要用于提高钢的淬透性和回火稳定性，从而提高钢的强度；同时加入Cr可在表面形成高硬度的Cr的氮化物，从而提高耐磨性和耐蚀性，但含量过高会使成本增加，宜控制在1.15％～1.30％范围内；Mo主要用于提高钢的淬透性和回火稳定性，从而提高钢的强度；同时加入Mo可在表面形成高硬度的Mo的氮化物，从而提高耐蚀性和耐磨性，但含量过高会使成本增加，宜控制在0.15％～0.25％范围内；Al在渗氮过程中可在表面形成细小分散的Al的高硬度氮化物，提高耐蚀性和耐磨性；与氧结合形成细小均匀分布的氧化物可以起到细化晶粒、同时提高强度和韧性的作用，也是重要的脱氧剂，宜控制在0.30％～0.45％范围内；V加入到钢中，与钢中的C、N形成VC、VN，具有阻碍奥氏体晶粒长大、细化晶粒的作用，从而提高强度和韧性；同时加入V可在表面形成高硬度的V的氮化物，从而提高耐蚀性和耐磨性，宜控制在0.05％～0.10％范围内；Re具有净化钢液、细化晶粒、变质夹杂、合金化等多重作用，宜控制在0％～0.010％范围内；P为有害元素，主要影响钢的塑性和韧性，宜控制P≤0.015％；S为有害元素，主要影响钢的塑性和韧性，宜控制S≤0.008％；O、H、N为有害元素，宜控制O+H+N≤0.008％。

在一些实施方式中，所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：C 0.25％～0.28％、Si 0.23％～0.31％、Mn 0.40％～0.47％、P0.008％～0.011％、S0.001％～0.003％、Cr 1.15％～1.25％、Mo 0.15％～0.20％、Al 0.30％～0.35％、V0.05％～0.07％、Re 0％～0.005％、O+H+N0.0069％～0.0075％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分在上述质量百分比的范围内时，所述渗氮油管和渗氮套管的屈服强度级别达到80ksi，屈服强度可达673MPa，抗拉强度可达774MPa，伸长率可达26％，夏比V型缺口冲击韧性可达136J，表面硬度可达749HV_0.1；其腐蚀速率在模拟油田水环境最低为2.40mm/a，在注水井环境最低为0.40mm/a。

在一些实施方式中，所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：C 0.24％～0.26％、Si 0.20％～0.40％、Mn 0.45％～0.67％、P0.009％～0.012％、S0.002％～0.004％、Cr 1.19％～1.28％、Mo 0.16％～0.19％、Al 0.34％～0.37％、V0.07％～0.08％、Re 0％～0.006％、O+H+N0.0065％～0.0073％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分在上述质量百分比的范围内时，所述渗氮油管和渗氮套管的屈服强度级别达到95ksi，屈服强度可达725MPa，抗拉强度可达815MPa，伸长率可达23％，夏比V型缺口冲击韧性可达126J以上，表面硬度可达789HV_0.1；其腐蚀速率在模拟油田水环境最低为2.42mm/a，在注水井环境最低为0.42mm/a。

在一些实施方式中，所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：C 0.25％～0.28％、Si 0.33％～0.39％、Mn 0.51％～0.70％、P0.008％～0.010％、S0.001％～0.005％、Cr 1.17％～1.27％、Mo 0.20％～0.23％、Al 0.38％～0.43％、V0.07％～0.09％、Re 0％～0.009％、O+H+N0.0061％～0.0068％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分在上述质量百分比的范围内时，所述渗氮油管和渗氮套管的屈服强度级别达到110ksi，屈服强度可达886MPa，抗拉强度可达974MPa，伸长率可达21％，夏比V型缺口冲击韧性可达117J以上，表面硬度可达839HV_0.1；其腐蚀速率在模拟油田水环境最低为2.41mm/a，在注水井环境最低为0.45mm/a。

在一些实施方式中，所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：C 0.24％～0.29％、Si 0.26％～0.35％、Mn 0.61％～0.69％、P0.008％～0.011％、S0.003％～0.006％、Cr 1.21％～1.30％、Mo 0.22％～0.25％、Al 0.39％～0.45％、V0.08％～0.10％、Re 0％～0.010％、O+H+N0.0060％～0.0065％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分在上述质量百分比的范围内时，所述渗氮油管和渗氮套管的屈服强度级别达到125ksi，屈服强度可达987MPa，抗拉强度可达1061MPa，伸长率可达17％，夏比V型缺口冲击韧性可达99J以上，表面硬度可达863HV_0.1；其腐蚀速率在模拟油田水环境最低为2.43mm/a，在注水井环境最低为0.46mm/a。

除此之外，如图1所示，本发明还提供一种渗氮油管和渗氮套管的制备方法，包括步骤：

步骤S10：根据所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分制备管坯；

步骤S20：对所述管坯进行预先热处理；

步骤S30：对预先热处理后的管坯进行盐浴渗氮复合处理，得到渗氮油管和渗氮套管。

本实施方式中，所述渗氮油管和渗氮套管的制备方法通过管坯制备、预先热处理以及盐浴渗氮复合处理等工艺，使得材料基体获得细小且均匀的回火索氏体显微组织结构，且所述渗氮油管和渗氮套管的表面获得一定深度的淡化层，实现对渗氮油管和渗氮套管强度、韧性、耐腐蚀性能、耐磨性的提升。

在一些实施方式中，所述步骤S10中，制备管坯主要包括步骤：炼钢、连铸、奥氏体区的热连轧；采用常规的技术实现管坯的制备，节省对生产设备的改进成本，利于所述制备方法的推广应用。

在一些实施方式中，所述步骤S20中，对所述管坯进行预先热处理的步骤包括：

步骤S21：在保护气氛下，将所述管坯在温度为885～905℃下保温45～55分钟，然后对管坯进行内外喷水淬火，冷却速度≥15℃/s，得到淬火后的管坯；

步骤S22：对所述淬火后的管坯在温度为610～690℃下回火70～90分钟，回火后水冷得到预先热处理后的管坯。

具体地，通过对所述管坯进行预先热处理，可以使得管坯(包括油管管坯和套管管坯)获得细小均匀的显微组织结构，获得所需要的强度、塑性和韧性，同时为渗氮的顺利进行做好准备。

在一些实施方式中，所述盐浴渗氮复合处理依次包括表面清洁处理、预热处理、盐浴氮化处理、盐浴氧化处理、清洗干燥处理等。

在一些实施方式中，所述表面清洁处理包括步骤：对预先热处理后的管坯表面进行喷砂处理以去除表面的氧化皮。

在一些实施方式中，所述预热处理的温度为370～390℃，所述预热处理的保温时间为20～30分钟。

具体地，在温度为370～390℃下保温20～30分钟进行预热处理可以去除油套管表面可能存在的水分，防止带水分的油套管进入氮化炉引起盐浴的飞溅；同时可防止因油套管温度与盐浴温度差别过大引起盐浴温度的剧烈变化而影响渗层的均匀性；也可使得油套管表面的应力状态基本相同，有利于形成均匀的渗层。

在一些实施方式中，所述盐浴氮化处理的温度为565～575℃，所述盐浴氮化处理的时间为60～120分钟；所述盐浴氧化处理的温度为385～395℃，所述盐浴氧化处理的时间为15～20分钟。

具体地，将经预热处理后的管坯放入盐浴氮化炉中，在温度为565～575℃下保温60～120分钟进行盐浴氮化处理，氮化盐浴中的CNO^-分解成活性的C、N原子，渗入油套管表面，形成Fe₃N或Fe₄N化合物层和N的扩散层，使得油套管表面均匀致密的高硬度氮化层具有良好的饿耐蚀性和耐磨性；将经盐浴氮化处理后的管坯移入盐浴氧化炉中，在温度为385～395℃下保温15～20分钟进行氧化处理，可以有效地去除油套管从氮化盐浴中带出的CN^-，使其彻底分解，避免其对环境的污染；同时氧化过程中形成的Fe的氧化物(Fe₃O₄)可改善渗层的致密性，增加扩散层深度，从而使耐蚀性和耐磨性进一步提高。

在一些实施方式中，所述清洗干燥处理主要是为了清除经所述盐浴氧化处理后的管坯表面残留物和水分，得到所述渗氮油管和渗氮套管。

下面进一步举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

本实施例提供屈服强度级别分别达到80ksi、95ksi、110ksi、125ksi的渗氮油管和渗氮套管，且每个屈服强度级别的渗氮油管和渗氮套管均提供三组不同质量百分比的实施例；同时提供API标准油套管作为对比例；具体地，渗氮油管和渗氮套管的化学成分与API标准油套管的化学成分按质量百分比计如表1所示，余量为Fe和不可避免的杂质。

其中，编号14中的*表示Ni≤0.99。

按表1中的化学成分制备屈服强度级别为80ksi、95ksi、110ksi、125ksi的渗氮油管和渗氮套管，通过对油管和套管管坯进行预先热处理和盐浴渗氮复合处理来实现渗氮油管和渗氮套管强度、塑性、韧性、耐腐蚀性能、耐磨性的合理匹配；其中渗氮油管和渗氮套管的关键制备工艺包括：预先热处理、表面清洁处理、预热处理、盐浴氮化处理、盐浴氧化处理、清洗、干燥处理等。

具体地，本实施例中，所述预先热处理和所述盐浴渗氮复合处理的工艺步骤包括如下：

1、预先热处理：采用保护气氛炉加热、淬火+高温回火的热处理工艺。淬火加热温度895℃±10℃，保温时间50分钟，内外喷水淬火，冷却速度≥15℃/s；回火温度610℃～690℃，回火时间80分钟，回火后水冷。不同钢级油套管的详细预先热处理工艺见表2。

2、盐浴渗氮复合处理：包括表面清洁、预热、盐浴氮化、盐浴氧化、清洗、干燥等。380℃±10℃预热25分钟，570℃±5℃盐浴氮化60～90分钟，390℃±5℃盐浴氧化20分钟。具体工艺参数见表2。

本实施例的渗氮油管和渗氮套管经过适当的制备工艺后具有优良的综合性能，具体如表3所示，室温屈服强度661～987MPa，抗拉强度760～1061MPa，总延伸率15～26％，夏比冲击韧性93～136J，渗氮层深度13～20μm，表面硬度HV_0.1 721～863，具有良好的强度、塑性、韧性、耐蚀性和耐磨性等综合性能，可满足腐蚀环境油气田开发对渗氮油管和渗氮套管的需要。

其中，表3中腐蚀速率一列，*模拟油田水环境高温高压釜腐蚀试验：HCO₃ ^-380～390mg/L，Cl^-15600～15700mg/L，SO₄ ^2-1450～1550mg/L，同时含有一定量Ca、Mg、K、Na离子。压力20MPa，CO₂分压1MPa，温度60℃，试验时间168h。

**注水井环境挂片试验：具有较高的矿化度，含有较高的CO₂和Cl^-。试验温度60℃，试验时间60d。

综上所述，本发明提供的一种渗氮油管和渗氮套管及其制备方法，所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：C 0.24％～0.29％、Si 0.20％～0.40％、Mn0.40％～0.70％、P≤0.015％、S≤0.008％、Cr 1.15％～1.30％、Mo 0.15％～0.25％、Al0.30％～0.45％、V 0.05％～0.10％、Re 0％～0.10％、O+H+N≤0.0080％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过控制所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分在上述质量百分比内，并结合渗氮油管和渗氮套管的制备工艺，可以使得所述渗氮油管和渗氮套管具有优良的综合性能，屈服强度级别可分别达到80ksi、95ksi、110ksi、125ksi要求，即室温屈服强度大于552～862MPa，抗拉强度大于689～931MPa，总延伸率≥14～18％，夏比冲击韧性≥80J；同时，所述渗氮油管和渗氮套管的渗氮层深度≥12μm，硬度HV_0.1≥700，使得其具有良好的强度、塑性、韧性、耐蚀性和耐磨性等综合性能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种渗氮油管和渗氮套管的制备方法，其特征在于，包括步骤：

根据渗氮油管和渗氮套管的化学成分制备管坯；所述渗氮油管和渗氮套管的化学成分按质量百分比计，包括：C 0.24％～0.29％、Si 0.20％～0.40％、Mn 0.40％～0.70％、P≤0.015％、S≤0.008％、Cr 1.15％～1.30％、Mo 0.15％～0.25％、Al 0.30％～0.45％、V0.05％～0.10％、Re 0％～0.10％、O+H+N≤0.0080％，余量为Fe和不可避免的杂质；

对所述淬火后的管坯在温度为610～690℃下回火70～90分钟，回火后水冷得到预先热处理后的管坯；

对预先热处理后的管坯进行盐浴渗氮复合处理，得到渗氮油管和渗氮套管；

所述盐浴渗氮复合处理依次包括表面清洁处理、预热处理、盐浴氮化处理、盐浴氧化处理、清洗干燥处理；

所述表面清洁处理包括步骤：对预先热处理后的管坯表面进行喷砂处理；

所述盐浴氮化处理的温度为565～575℃，所述盐浴氮化处理的时间为60～120分钟；所述盐浴氧化处理的温度为385～395℃，所述盐浴氧化处理的时间为15～20分钟。

2.根据权利要求1所述的渗氮油管和渗氮套管的制备方法，其特征在于，所述预热处理的温度为370～390℃，所述预热处理的保温时间为20～30分钟。