CN101845939A - 一种石油套管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石油套管，其化学成分质量百分比为：C：0.2-0.35；Si：0.15-0.45；Mn：0.20-1.5；Cr：0.15-5.55；V：0.05-0.20；Ti：0.005-0.05；Nb：0.005-0.05；Al：0.001-0.05；Mo：0-0.6；W：0-0.6；Ni：0-0.2；Cu：0-0.2；Co：0-0.3；Ca：0-0.005；余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供所述石油套管的生产方法，包括步骤：a.钢水经炉外精炼，真空脱气后，进行合金熔炼，然后连铸成圆坯或浇铸成方坯后轧制成圆坯；b.经热轧获得无缝钢管；水淬，淬火温度为880-940℃，淬火时间为30-90min；高温回火，回火温度为620-710℃，回火时间为30-90min；c.热定径，温度为550-650℃；热矫直，温度为500-600℃。本发明提供的抗挤毁耐高温石油套管具有优良的耐高温性能，而且其力学性能在室温至高温的使用温度范围内都符合API标准80或110等钢级的要求。

Description

一种石油套管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种石油天然气井石油套管，特别是涉及一种使用温度在400℃以内的抗挤毁耐高温石油套管及其制造方法。

背景技术

稠油在世界油气资源中占有较大的比例。我国稠油资源丰富，辽河油田、克拉玛依油田、胜利油田及大港油田等油区是我国主要的稠油开发区，稠油开采的潜力很大。在稠油的开采过程中，为了使油层温度升高，降低稠油粘度，使稠油易于流动，从而将稠油采出，存在蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层、热水驱等热力采油的方法。普遍采用的是蒸汽吞吐方法，其中，注蒸汽的温度可高达380℃。注汽过程中的加热与停注以及采油过程中的冷却会使套管受到非常大的拉-压应力，因此，开发抗脱扣优良性能的耐高温油套管逐渐纳入人们的研发进程。

现有的耐高温油套管产品主要以普碳钢、CrMo钢或含W的CrMo钢为主，见表1。中国专利CN1873041A公开了一种耐高温隔热油管用钢及其制造方法，这种油管用钢的化学成分较为简单，可含的V含量较低，这种钢适用于在高温下例如在350℃以下使用的较低钢级的耐高温油套管产品，如实施例中所指出的API标准的N80钢级的套管产品。一般而言，这些产品的耐高温性能可以满足用户的使用要求。

然而，稠油油藏地质条件复杂，且多数为深油层，并因蒸汽吞吐出砂会造成井筒周围砂岩骨架塌陷，导致套管的抗挤毁能力严重下降，因此对耐高温油井管的抗挤性能提出了新的需求。一般认为，把临界挤毁应力超过API Bul 5C2规定值而达到某一最小值以上的套管称为高抗挤套管。这种套管在下井及固井过程中，起到保护井眼、加固井璧、隔绝井下油、气、水层及封固各种复杂地层，以及保证钻进的作用。套管产品的抗挤压性能通常是由压溃试验机测定的，具体是在室温下对套管施以外压(一般是水压)直至钢管压溃失稳。由于目前国内外的压溃试验机都无法在高温下对钢管的压溃性能进行测定，如何评价抗挤毁耐高温套管在高温使用条件下的抗挤性能尚无明确的方法。

发明内容

鉴于稠油油田对耐高温石油套管的高抗挤性能的要求，本发明的目的在于提供一种使用温度范围为室温至400℃的抗挤毁耐高温石油套管及其生产方法，以满足稠油热采井对油井管提出的抗挤毁耐高温的性能需求。

热采井套管较普通油井承受更为复杂的应力，对热采井套管损坏机理的研究表明，井筒附近存在的温度场和应力场是导致套管损坏的主要因素。从套管设计的管柱力学角度考虑，需要提高套管抵抗轴向失稳的能力。根据材料力学弹性平衡的稳定性理论，压杆临界压力的欧拉公式为：

$F_{\mathrm{cr}}=\frac{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{{\left(\mathrm{\μl}\right)}^2}$

其中，E为材料的弹性模量，I为横截面的最小惯性矩，μ为长度系数，l为压杆长度。除去长度因素，影响临界应力的关键因素一是弹性模量，这与材料的本质有关；另一因素是惯性矩，这与套管的尺寸有关。提高材料的弹性模量不仅可以提高临界失稳应力，还对套管的压溃强度有好处；同样，增加套管的壁厚直接提高惯性矩，进而有利于提高抗挤强度和临界失稳应力。

前人根据大量不同规格的抗挤毁套管的挤毁数据进行统计分析得出了预测抗挤强度的Tamano公式，见公式(1)。

$P_{\mathrm{cult}}=\frac{p_e+p_y}{2}-\sqrt{\frac{{(p_e-p_y)}^2}{4}+P_e{P}_y{H}_{\mathrm{ult}}}---\left(1\right)$

其中，

H_ult＝0.071μ+00022ε-0.18σ_r/σ_s，

m＝D/t。

经过多次试验，根据上述公式计算得出的抗挤毁套管的预测抗挤强度的准确度很高。根据上述公式可以看出套管的抗挤强度是弹性模量(E)、屈服强度(σ_s)、残余应力(σ_r)、外径(D，其中D_max、D_min、D_av分别表示外径的最大值、最小值以及平均值)以及壁厚(t，其中下标t_max、t_min、t_av分别表示壁厚的最大值、最小值以及平均值)的函数。

因此，本发明所提出的估算套管在高温下抗挤毁性能的方法是：根据Tamano公式，通过实测的套管在室温和高温下的屈服强度和弹性模量以及管体的尺寸因素等数据，基于室温下套管的实际压溃值验证预测结果的正确性，预测管体的压溃强度值。

以110钢级的不同壁厚的177.8套管为例，根据Clinedinst公式，容易发现压溃失效形式主要为塑性挤毁或屈服挤毁。毫无疑问，提高材料的屈服强度自然提高套管的抗挤强度。但是，在API的标准范围内，对套管产品壁厚的调整范围是有限的，因此，产品的设计应着重于通过材料化学成分的设计以获得强度和弹性模量等性能对温度不敏感的抗挤毁耐高温套管材料，使得在室温至高温的整个使用温度范围内，材料的力学性能都对应于API标准的同一个钢级。

为了实现上述目的，本发明提供一种抗挤毁耐高温石油套管，其化学成分的质量百分比为：C：0.2-0.35；Si：0.15-0.45；Mn：0.20-1.5；Cr：0.15-5.55；V：0.05-0.20；Ti：0.005-0.05；Nb：0.005-0.05；Al：0.001-0.05；Mo：0-0.6；W：0-0.6；Ni：0-0.2；Cu：0-0.2；Co：0-0.3；Ca：0-0.005；余量为Fe和不可避免的杂质。

以下是本发明的石油套管的各化学成分的作用及其具体说明：

C：为了减轻水淬开裂的敏感性，按重量百分比，C含量不宜大于0.35，但是C含量太低将有损材料的强度，所以宜采用含碳量0.2-0.35。

Si：固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时会损失塑性和韧性，按重量百分比，宜采用硅含量为0.15-0.45。

Mn：主要溶于铁素体起强化作用，用来提高钢的淬透性，但含量太高时偏析严重，按重量百分比，宜采用Mn含量为0.20-1.5。

Cr：能够强烈提高淬透性元素，强碳化物形成元素，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于提高材料的高温强度和抗挤毁性能，但含量过高时析出粗大M23C6碳化物，丧失其有利效果，按重量百分比，宜采用含量0.15-5.55。

V：强碳氮化物形成元素，钒的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，可以在回火过程中进一步达到析出强化的效果，可以有效地钉扎位错的运动，延缓压溃失稳的过程，从而有效地提高材料的高温强度和抗挤毁性能。按重量百分比，宜采用含量0.05-0.2。

Ti：强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC，从而在均热和再加热过程中可以阻止奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒，有利于提高材料的高温强度和抗挤毁性能；若含量太高，易形成粗大的TiN。按重量百分比，宜采用含量0.005-0.05。

Nb：强碳氮化物形成元素，可以细化晶粒及具有析出强化的作用，有利于提高材料的高温强度和抗挤毁性能，按重量百分比，宜采用含量0.005-0.05。

Al：传统脱氧固氮元素，形成AlN，可以细化奥氏体晶粒，有利于延缓压溃失稳过程，按重量百分比，宜采用含量0.001-0.05。

Mo：提高淬透性元素，强碳化物形成元素，可以有效地提高钢的回火稳定性，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于提高材料的高温强度和抗挤毁性能，含量高时成本过高，按重量百分比，宜采用含量0-0.6。

W：提高淬透性元素，强碳化物形成元素，有利于提高材料的高温强度和抗挤毁性能，含量高时成本过高，按重量百分比，宜采用含量0-0.6。

Ni：提高淬透性元素，可提高钢的强度而不显著降低其韧性，提高钢的低温韧性，消除铜脆现象，含量高时成本过高。按重量百分比，宜采用含量0-0.2。

Cu：在室温基本不溶于α-Fe，而以ε-Cu或α-Cu的形式析出，并可使钢得以强化，有利于延缓压溃失稳过程，但是含量高时有损材料的高温强度。按重量百分比，宜采用含量0-0.2。

Co：铁素体稳定元素，可以有效地提高材料的高温性能，含量高时成本过高。按重量百分比，宜采用含量0-0.3。

Ca：可以净化钢液，促使MnS球化，提高材料的抗挤性能，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物，宜采用含量0-0.005，同时钙硫含量的比值Ca/S＞1。

本发明的石油套管中添加了强碳氮化物形成元素V和Ti，从而有效地提高材料的高温强度和抗挤毁性能，保证钢管的力学性能在室温至高温400℃的使用温度范围内都符合API标准中同一钢级例如80或110钢级的要求。

另外，可添加提高淬透性元素Mo，W，Ni中的一种或几种，从而更有利于提高材料的高温强度和抗挤毁性能。同时，还可添加Cu延缓压溃失稳过程，添加Co元素提高材料的高温性能，以及添加Ca元素提高材料的抗挤毁性能。这些元素的添加更有利于实现本发明的目的，但是，在一些生产条件以及成本控制的情况下，这些元素可以不添加，仍能实现本发明的目的。

例如，在一个实施例中，石油套管的化学成分的质量百分比可以为：C：0.22-0.27；Si：0.15-0.45；Mn：0.48-0.8；V：0.05-0.20；Cr：0.48-2.05；Ti：0.005-0.03；Nb：0.01-0.03；Al：0.01-0.03；W：0.22-0.6；余量为Fe和不可避免的杂质。

或者为：C：0.22-0.27；Si：0.15-0.45；Mn：0.48-0.8；Cr：0.49-5.55；V：0.07-0.15；Ti：0.01-0.05；Nb：0.005-0.05；Al：0.001-0.05；Mo：0.31-0.6，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明的抗挤毁耐高温石油套管采用以下工序生产：

首先钢水经炉外精炼和真空脱气后，可以经过Ca处理。合金熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯。经热轧获得无逢钢管，然后水淬，淬火温度：880-940℃，淬火时间：30-90min；高温回火，回火温度：620-710℃，回火保温时间30-90min；最后热定径，热定径温度为550-650℃；热矫直，热矫直温度为500-600℃。这样，获得钢管的不圆度小于0.4％、壁厚不均率小于12％，残余应力小于200MPa。通过不同的热处理工艺，即选取不同温度和时间，使力学性能在使用温度范围内都符合API标准中同一钢级，例如80(屈服强度552-758MPa，抗拉强度＞689MPa)或110(屈服强度758-965MPa，抗拉强度＞861MPa)等钢级的要求。

与现有技术相比，采用上述方法生产的本发明的石油套管具有以下突出的优点和有益效果：

本发明抗挤毁耐高温石油套管具有优良的耐高温性能，其力学性能在室温至高温400℃的使用温度范围内都符合API标准同一钢级例如80或110钢级的要求，不同于现有类似产品在低温和高温下力学性能表现为不同钢级的现状。另外，本发明合金含量低，钢管成本不高，具有重大的经济效益和社会效益。

具体实施方式

表1示出了本发明与现有技术的成分对比；

表2示出了抗挤毁耐高温套管须达到的最小抗挤强度；

表3示出了实施例与对比例的化学成分(wt％)；

表4示出了实施例与对比例的热处理工艺和力学性能。

根据本发明的石油套管可以采用如表3所示的不同实施例的化学成分质量百分比。

本发明的石油套管的制造方法如下：具有表3所示的化学成分的钢水经过电炉熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯。热轧后获得的无逢钢管首先在880-940℃保温30-90min水淬，于620-710℃高温回火，保温时间30-90min，然后热定径，热定径温度为550-650℃，最后热矫直，热矫直温度500-600℃，从而使获得的钢管的不圆度小于0.4％、壁厚不均率小于12％，残余应力小于200MPa。

通过不同的热处理工艺，使套管的力学性能在室温至高温400℃的使用温度范围内都符合API标准同一钢级例如80(屈服强度552-758MPa，抗拉强度＞689MPa)或110(屈服强度758-965MPa，抗拉强度＞861MPa)钢级的要求，具体如表4所示。

以实施例1为例，通过上述方法制备Φ177.8×9.19套管，经热处理后性能见表4，实测套管壁厚不均率5％、套管不圆度0.4％、室温下残余应力120MPa。在室温下实测套管的压溃强度为79.7、77.1、77.7，均值为78.2，使用计算的数据预测该套管的压溃强度，预测值为78.3。抗挤毁耐高温套管预测的压溃强度和套管实际测得的压溃强度相当，说明预测结果是可信的。通过表4可以看到，根据本发明的石油套管在室温和400℃的高温下的压溃强度均可满足套管高抗挤的性能要求。

对比例1、2分别为碳锰钢和CrMo钢，室温力学性能为80钢级，但高温下力学性能却比80钢级低一个钢级，为55钢级。对比例3为V、Nb微合金化的含W的CrMo钢，由于C、V等合金含量过低，在室温时力学性能为110钢级，但在高温下为80钢级。

从表4的实验结果来看，本发明的钢种高温力学性能较对比钢明显优越，使用本发明的钢种和制造方法，所制备的抗挤耐热套管不仅能满足热采井的要求，也能满足盐岩层、盐膏层、地应力异常段及大断层井段对套管抗挤强度的苛刻要求。

表1国内外类似产品的成份与本发明钢的成份对比(wt.％)。

	本发明	普碳钢	传统CrMo钢	CN1873041A
					C	0.2-0.35	0.2-0.3	0.27-0.33	0.05-0.25
Si	0.15-0.45	0.15-0.35		0.1-0.6
					Mn	0.20-1.50	1.0-1.7	0.4-0.6	0.1-1.0
Cr	0.15-5.55		0.8-1.2	0.5-2.0
					V	0.05-0.20			＜0.05
Al	0.001-0.05			＜0.05
					Ti	0.005-0.05
Nb	0.005-0.05			＜0.05
					Mo	0-0.6		0.15-0.35	0.1-1.0
W	0-0.6			0.1-1.0
					Cu	0-0.2
Ni	0-0.2
					Ca	0-0.005
Co	0-0.3

表2抗挤毁耐高温石油套管须达到的最小抗挤强度。

Claims (5)

1.一种石油套管，该石油套管的化学成分质量百分比为：

C：0.2-0.35；

Si：0.15-0.45；

Mn：0.20-1.5；

Cr：0.15-5.55；

V：0.05-0.20；

Ti：0.005-0.05；

Nb：0.005-0.05；

Al：0.001-0.05；

Mo：0-0.6；

W：0-0.6；

Ni：0-0.2；

Cu：0-0.2；

Co：0-0.3；

Ca：0-0.005；

余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的石油套管，其特征在于，该石油套管的化学成分质量百分比为：

C：0.22-0.27；

Si：0.15-0.45；

Mn：0.48-0.8；

Cr：0.48-2.05；

V：0.05-0.20；

Ti：0.005-0.03；

Nb：0.01-0.03；

Al：0.01-0.03；

W：0.22-0.6；

余量为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的石油套管，其特征在于，该石油套管的化学成分质量百分比为：

C：0.22-0.27；

Si：0.15-0.45；

Mn：0.48-0.8；

Cr：0.49-5.55；

V：0.07-0.15；

Ti：0.01-0.05；

Nb：0.005-0.05；

Al：0.001-0.05；

Mo：0.31-0.6；

余量为Fe和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1到3中任一所述的石油套管的制造方法，包括以下步骤：

a.钢水经炉外精炼，真空脱气后，进行合金熔炼，然后连铸成圆坯或浇铸成方坯后轧制成圆坯；

b.经热轧获得无缝钢管；水淬，淬火温度为880-940℃，淬火时间为30-90min；高温回火，回火温度为620-710℃，回火时间为30-90min；

c.热定径，温度为550-650℃；热矫直，温度为500-600℃。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤a还包括在炉外精炼，真空脱气之后，进行合金熔炼之前经过Ca处理。