CN108588558A - 一种稠油热采井用油井管及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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，满足了当下及未来市场对高温耐热耐腐蚀性能油井管的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于低合金钢生产技术领域，尤其涉及一种在CO2+O2共存的50℃～350℃高温环境下使用的耐腐蚀和耐高温性能优良的稠油热采井用油井管及制造方法。
背景技术
全球已探明的稠油资源储量超过3000亿吨，而可供开采的资源约为1700亿吨。过去稠油开采主要集中在美洲大陆，近20年来亚洲的稠油开采也得到了发展。稠油热采对油井管的性能提出了特殊的要求，需要开发适合不同区块的高性能油井管，以达到安全开采和增产增效的目的。
稠油热采井用油套管的用量不断增多，且随着稠油热采后期开发难度增大，为保持增加或不降低采油率的目的，油田通过技术创新，逐渐出现热驱、火驱等新的稠油开采技术，相应的也对热采井用油井管材提出了新的更高的性能要求，其中遇到的一大难题是在CO2与O2共存条件下伴随作业温度的变化对管材造成严重的腐蚀，因此，需要针对热采油井新的技术要求设计制造专用油井管管材，以满足油田的使用需要。
现有公开的技术中，申请号为CN00100635.5的中国专利公开了一种超稠油热采井用高强度石油套管及其生产方法，主要采用中碳Cr-Mo钢通过调质热处理制造，其不足之处是发明的产品仅限于300℃温度条件下使用，且不能满足CO2与O2共存加变温条件下抗腐蚀性能的最新使用要求。申请号为200810204727.6的中国专利公开了一种耐热套管用钢及其制造方法，主要采用中碳Cr-W的合金设计，并通过调质热处理制造，其发明的产品较上一发明有所进步，能满足350℃温度条件下的热采使用，但仍不能满足CO2与O2共存加变温条件下抗腐蚀性能的最新使用要求。申请号为CN01118707.7，公开了抗二氧化碳腐蚀石油套管及生产方法，主要采用高Cr的合金设计，通过调质热处理后使用，其不足之处是发明的产品仅具有抗CO2腐蚀性能，不具备CO2与O2共存加变温条件下的抗腐蚀性能，且耐高温性能不能满足350℃温度条件下552MPa以上强度级别的使用要求。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种稠油热采井用油井管及制造方法，可在50℃～350℃高温热采井环境下使用，耐CO2+O2腐蚀性能优良，满足当下及未来市场对高温耐热耐腐蚀性能油井管的使用要求。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种稠油热采井用油井管，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。
各主要元素的作用及设计理由如下：
C：提高钢的淬透性，并与金属元素形成碳化物，以获得足够的强度，含量太低达不到所期望的强度，含量太高则增加产品的脆硬性，降低镀层的稳定性，为达到本发明的目的，限定C含量范围为0.37％-0.42％。
Si：作用一方面起脱氧作用，另一方面可以固溶于钢的基体中起到强化作用，含量太低起不到明显效果，含量太高则损害钢的塑、韧性，为达到本发明的目的，限定Si含量范围为0.15％-0.30％。
Mn：作用一方面起脱氧作用，另一方面扩大奥氏体区间，增加过冷奥氏体稳定性，提高钢的淬透性，还有利于钢材晶粒尺寸的细化。但Mn含量过高时会增加钢的偏析倾向，易产生内部缺陷，降低产品的耐腐蚀性能，综合考虑，本发明限定Mn的含量范围0.60％-0.80％。
Cr：在钢中与C紧密结合，形成细小的碳化物，提高淬透性，提高回火抗力，提高钢的强度，尤其是高温下的强度，但含量过高时易使碳化物的形成机制发生改变，导致Cr碳化物的粗大化。为达到本发明的目的，限定Cr的含量范围0.8％-1.5％。
Nb：形成C、N化物，具有细化晶粒、提高强度和韧性的作用，可以提高钢的淬透性和回火抗力，提高抗高温蠕变性能，但含量不宜太高，否则增加钢的缺陷敏感性。为达到本发明的目的，限定Nb的范围为0.04％～0.06％。
Ti：作用主要是形成化合物限制热加工过程中的晶粒长大，获得细小的晶粒组织，改善钢的强、韧性，而且，固定游离的N、C原子，有利于提高钢的高温强度性能。但含量太高，其作用将不明显，而且增加成本，又增加冶炼浇铸的难度，不利于工业化实施。为实现本发明的目的，限定Ti的含量范围0.04％-0.06％。
P、S：为钢中主要的有害元素，降低钢的韧性及耐腐蚀性能，一般希望含量越低越好，但增加成本，综合考虑，本发明限定P≤0.02％、S≤0.01％。
一种稠油热采井用油井管的制造方法，制造工艺过程依次为转炉冶炼、热轧圆坯、无缝制管、热处理；
其中，加热圆坯温度1310℃～1330℃，制管温度控制在1110℃～1150℃；
热处理包括以下步骤：
1)成型后的钢管在860℃～880℃的温度范围保温10min～40min，之后淬火冷至50℃温度以下，随即在710℃～720℃的温度范围保温10min～40min，之后冷却至室温；
2)钢管回火处理后进行表面渗铝热处理，热处理温度为710℃～720℃；
3)钢管渗铝层厚度为0.2mm～0.5mm。
得到的钢管性能指标为：
常温力学性能：常温屈服强度＞650MPa，抗拉强度＞720MPa，0℃V型缺口试样夏比冲击功＞100J；
耐高温性能：350℃瞬时拉伸屈服强度＞552MPa；经过510h的350℃、350MPa恒载荷拉伸蠕变试验后的持久屈服强度＞500MPa；
耐腐蚀性能：在含有10％～20％CO2、3％～5％O2，注气压力3MPa～12MPa，温度50℃～350℃的热采井腐蚀环境中，本发明产品的平均腐蚀速率＜0.05mm/a。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
稠油热采井用油井管成本较低，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，满足了当下及未来市场对高温耐热耐腐蚀性能油井管的使用要求。本发明具有以下优点：
1、本发明解决了50～350℃高温热采井环境下油井管受CO2+O2综合腐蚀的技术难题。
2、产品的平均腐蚀速率＜0.05mm/a。产品具有优良的耐高温蠕变及抗强度衰减性能，350℃保温15min瞬时拉伸屈服强度≥552MPa；经过510h的350℃、350MPa恒载荷拉伸蠕变试验后的持久屈服强度≥500MPa。
3、不添加W、Co，Mo等昂贵金属，采用高C低Mn钢为基础，复合添加Cr、Nb、Ti实施集约的合金化设计，制造50～350℃高温热采井环境下使用的耐CO2+O2腐蚀性能优良的油井管，合金成本适中，技术效果显著。
4、采用亚温淬火+超高温回火的特殊热处理，使合金碳化物的稳定性大大提高、钢管内部应力得以充分释放，使产品即使在较高的温度下继续受热或使用时力学性能依然稳定性很好。
5、采用表面渗铝的特殊热处理工艺，使本产品获得变温条件下耐CO2+O2综合腐蚀性能得到了保证。
具体实施方式
下面对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
油井管耐高温条件下的CO2+O2腐蚀性能主要与腐蚀产物膜的构成与致密度有关，而且，腐蚀产物膜对温度变化的敏感性要尽量低，以保证其稳定性，从而达到延缓腐蚀的目的。
稠油热采井用油井管及其制造方法，采用高C低Mn钢为基础，添加Cr、Nb、Ti合金化的合金设计，产品的合金成本较低，易于实现工业化批量生产；采用热轧工艺制造圆坯及钢管，选取合适的加热温度1310℃～1330℃、制管温度1110℃～1150℃；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。
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。
稠油热采井用油井管的制造方法，制造工艺过程依次为转炉冶炼、热轧圆坯、无缝制管、热处理；其中，加热圆坯温度1310℃～1330℃，制管温度控制在1110℃～1150℃；热处理包括以下步骤：
1)钢管热处理采用亚温淬火+超高温回火热处理，使产品提升耐高温性能与耐腐蚀性能；成型后的钢管在860℃～880℃的温度范围保温10min～40min，优选10min～20min，迅速淬火冷至50℃温度以下，随即在710℃～720℃的温度范围保温10min～40min，优选10min～20min，之后冷却至室温；
2)钢管回火处理后进行表面渗铝热处理，热处理温度为710℃～720℃；
3)钢管渗铝层厚度为0.2mm～0.5mm。
得到的产品具有如下性能特征：
耐高温性能：350℃瞬时拉伸屈服强度＞552MPa；经过510h的350℃、350MPa恒载荷拉伸蠕变试验后的持久屈服强度＞500MPa。
耐腐蚀性能：在含有10％～20％CO2、3％～5％O2，注气压力3MPa～12MPa，温度50℃～350℃的热采井腐蚀环境中，本发明产品的平均腐蚀速率＜0.05mm/a。
常温力学性能：屈服强度＞650MPa，抗拉强度＞720MPa，0℃V型缺口试样夏比冲击功＞100J。
实施例：
表1为实施例的钢的化学成分，其工艺流程为冶炼连铸—圆坯制造—无缝制管—热处理，铸坯加热温度按1300℃～1350℃控制，热轧圆坯温度按1150℃～1250℃控制，热处理优先采用在线方式，采用渗铝剂与待处理钢管密封包裹再加热的方式进行表面渗铝处理，实施例的制管及热处理具体工艺制度见表2，表3为实施例的主要力学性能。
表1实施例的化学成分(wt％)
| 类别 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Nb | Ti |
| 例1 | 0.37 | 0.21 | 0.80 | 0.012 | 0.008 | 1.10 | 0.040 | 0.049 |
| 例2 | 0.40 | 0.15 | 0.75 | 0.017 | 0.010 | 1.38 | 0.052 | 0.060 |
| 例3 | 0.39 | 0.23 | 0.66 | 0.020 | 0.007 | 1.29 | 0.060 | 0.053 |
| 例4 | 0.38 | 0.19 | 0.60 | 0.015 | 0.009 | 1.50 | 0.045 | 0.056 |
| 例5 | 0.41 | 0.28 | 0.71 | 0.010 | 0.006 | 0.97 | 0.057 | 0.043 |
| 例6 | 0.42 | 0.30 | 0.63 | 0.013 | 0.005 | 0.80 | 0.043 | 0.040 |
注：余量为Fe及不可避免的微量杂质。
表2实施例的关键工艺制度
表3实施例产品的主要性能结果
稠油热采井用油井管成本较低，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，满足了当下及未来市场对高温耐热耐腐蚀性能油井管的使用要求。
Claims (2)
1.一种稠油热采井用油井管，其特征在于，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％，Cr0.8％-1.5％，Nb 0.04％-0.06％，Ti 0.04％-0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种根据权利要求1所述的稠油热采井用油井管的制造方法，其特征在于，制造工艺过程依次为转炉冶炼、热轧圆坯、无缝制管、热处理；
其中，加热圆坯温度1310℃～1330℃，制管温度控制在1110℃～1150℃；
热处理包括以下步骤：
1)成型后的钢管在860℃～880℃的温度范围保温10min～40min，之后淬火冷至50℃温度以下，随即在710℃～720℃的温度范围保温10min～40min，之后冷却至室温；
2)钢管回火处理后进行表面渗铝热处理，热处理温度为710℃～720℃；
3)钢管渗铝层厚度为0.2mm～0.5mm。
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2018
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