CN112143972B - 一种高强度耐热油套管材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高强度耐热油套管材料及其制备方法，所述油套管材料的成分重量百分比为：0.25％≤C≤0.30％、0.15％≤Si≤0.35％、0.9％≤Mn≤1.1％、0.9％≤Cr≤1.1％、0.04％≤V≤0.08％、0.01％≤Ti≤0.03％、Al≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质；本发明提供的油套管材料中还可加入0.01％～0.03％的Zr元素，可进一步提高油套管材料的耐热性能。本发明的油套管材料成分体系简单、制造成本低，且高温力学性能和抗挤毁性能优异，可广泛用于稠油热采井钻采，具有广阔的市场前景。

Description

一种高强度耐热油套管材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及油套管制造技术领域，尤其涉及一种高强度耐热油套管材料及其制备方法。

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％。我国是稠油生产大国，稠油资源所占比重相当大，稠油开发遍布辽河、胜利、新疆、河南等十余个藏油区。稠油黏度大、流动性差，如何有效开采稠油是石油工业一直面临的难题。稠油对温度极为敏感，每增加10℃，粘度即下降一半，因此，稠油蒸汽驱井方式(即通过管道往油井内注入高压高温的蒸汽，进行“焖井”式的稀释开采方式)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，可有效提升稠油油田进入高轮次开采阶段的采收率，对提高稠油产量有突出的效果。

稠油蒸汽驱井方式中注蒸汽的平均温度在320℃左右，高的达到350℃以上，由于注蒸汽后油层温度上升，套管也要受热膨胀，但是，油套管受地锚和井壁的约束，不能自由的伸长和缩短，因此，套管内部会产生很大的热应力(压应力)，而在回采过程中，由于温度下降，套管又受到较大的拉应力的作用。这种拉-压应力非常大，在最严重的部位达到700MPa以上，套管周期性承受如此高的拉-压应力作用，是热采井套管损坏的主要原因。同时，由于稠油的地层胶结疏松。在采油过程中易出砂导致地层移动，在地层移动的情况下，套管经常发生挤毁变形、错断等损坏。辽河油田稠油井的套管平均损坏率为14％，个别区块可达30％。因此，开发具有良好的高温力学性能和抗挤毁性能的油套管产品对于稠油井的开发具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有稠油井开采套管存在的耐高温力学性能和抗挤毁性能较差的问题，本发明提供一种高强度耐热油套管材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：

一种高强度耐热油套管材料，其成分重量百分比为：0.25％≤C≤0.30％、0.15％≤Si≤0.35％、0.9％≤Mn≤1.1％、0.9％≤Cr≤1.1％、0.04％≤V≤0.08％、0.01％≤Ti≤0.03％、Al≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质。

现对于现有技术，本发明提供的高强度耐热油套管材料，合金成分体系简单，取消了传统采用的昂贵的Mo和W元素，通过加入Cr、V形成高熔点的碳化物，提高材料的高温强度；通过加入Ti元素，与C、N形成碳、氮化物，起到固定N的作用，且形成的TiN具有延缓奥氏体晶粒长大，提高强韧性的作用；通过控制Al≤0.01％，抑制晶粒过度细化，将晶粒度控制在7～8级，有利于减少材料中的晶界面积，从而进一步提高高温力学性能。本发明各组分相互配合协同，使得油套管材料的高温力学性能和抗挤毁性能优异的前提下，还显著降低了合金的成本，完全满足注热蒸汽稠油热采井用油套管的性能要求，具有广阔的应用前景。

本发明还提供了一种高强度耐热油套管材料，其成分重量百分比为：0.25％≤C≤0.30％、0.15％≤Si≤0.35％、0.9％≤Mn≤1.1％、0.9％≤Cr≤1.1％、0.04％≤V≤0.08％、0.01％≤Zr≤0.03％、0.01％≤Ti≤0.03％、Al≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质。

高温条件下，钢材料的晶界区域的晶格畸变程度变小，原子扩散速度快，导致晶界强度减弱，从而很容易出现钢材料断裂。相对于上述未加入Zr元素的油套管材料，加入Zr元素后，Zr可以填充晶界空位，阻碍原子扩散，进一步提高高温蠕变抗力，适合制备高强度耐高温油套管材料。

本发明还提供了上述高强度耐热油套管材料的制备方法，包括如下步骤：

取与所述高强度耐热油套管材料化学成分相同的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经加热、微张力减径得到轧制态钢管；轧制态钢管经调质处理，得到高强度耐热油套管材料。

优选的，所述荒管的加热温度为900～1000℃。

微张力减径之前对荒管进行再加热，有利于微张力减径过程中对钢管壁厚不均度和椭圆度的控制，从而有利于提高钢管的抗挤毁强度。

优选的，调质工序中，将轧制态钢管在高温加热炉中加热至温度T为930～950℃，并在T-30℃保温后，水冷，然后将钢管在低温加热炉中加热至580～640℃并保温后，空冷。

优选的，所述轧制态钢管在高温加热炉中的保温时间为5～10min，钢管在低温加热炉中的保温时间为15～30min。

优选的加热温度有利于使钒的氮化物回熔到奥氏体中，并在回火过程中析出细小的V₄C₃粒子，从而提高材料的耐热性能；同时，优选的加热温度、保温时间，配合优选的Al含量控制，有利于控制钢的晶粒度为7～8级，避免晶粒过小或过大，晶粒度过小，晶界面积大，低熔点合金以及杂质元素会在晶界区富集，不利于耐热性能的提高；晶粒度过大，材料的常温力学性能较差。

优选的，所述连铸圆坯是以废钢为原料，经电弧炉熔炼、钢包精炼和连铸工序制成。

优选的，电弧炉熔炼工序中，在出钢至1/3时，加入碳化硅、铝锭、MnSi、FeCr和FeV进行脱氧合金化，其中，铝锭的加入量为

[C]为电弧炉终点碳的质量百分含量。

通过控制铝锭和终点碳含量的关系，可有效控制钢液的残余铝含量。

优选的，电弧炉终点的碳含量为0.08～0.12％。

优选的，钢包精炼工序中，钢包精炼后期加入0.3～0.8kg/t FeTi和0～2kg/tFeSiZr进行脱氧合金化，钢包精炼的时间为50～60min。

本发明中钢包精炼后期指的是钢包精炼开始后的30～40min的时间段。

本发明油套管材料的合金成分体系简单，成本较低，并提高了耐高温高强度油套管材料的制备方法。通过合理的成分设计以及精确的工艺参数的控制，使得制备的油套管材料的综合性能优异，制备的油套管材料的常温屈服强度为900～995MPa，350℃短时屈服强度为795～878MPa；常温抗拉强度为1003～1095MPa，350℃短时抗拉强度为865～952MPa；常温伸长率为24～28％，350℃短时拉伸试验的伸长率为25～29％；0℃冲击功为160～220J；在350℃、300MPa条件下加载1000h，总变形量小于20μm，具有良好的抗高温蠕变性能，可广泛用于注热蒸汽稠油热采井的钻采，市场前景广阔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

本发明实施例提供一种高强度耐热油套管材料，其化学成分为：

C 0.30％、Si 0.15％、Mn 0.9％、Cr 1.1％、V 0.06％、Ti 0.01％、Al 0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述高强度耐热油套管材料的制备步骤如下：

以废钢为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、连铸工序制成与上述高强度耐热油套管材料化学组分相同的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经中频感应炉再加热、微张力减径得到名义外径为177.8mm、名义壁厚为9.19mm的轧制态钢管；轧制态钢管调质处理后，得所述高强度耐热油套管材料。

电弧炉熔炼工序中，终点碳含量为0.1％，在出钢至1/3时，加入碳化硅、铝锭、MnSi、FeCr、FeV进行脱氧合金化，其中，铝锭的加入量为1.3kg/t。

钢包精炼工序中，钢包精炼后期加入0.3kg/t TiFe进行脱氧合金化，钢包精炼的时间为50min。

再加热工序中，所述荒管的加热温度为950℃。

调质工序中，将轧制态钢管在高温加热炉中加热至温度T为930℃，并在900℃保温10min后，水冷，然后将钢管在低温加热炉中加热至600℃并保温20min后，空冷。

钢管经调质后，其组织主要为均匀的回火索氏体，晶粒度为7～8级。

按照API 5CT的标准要求从实施例1制得的油套管中任意取样分析其屈服强度、抗拉强度、延伸率、横向冲击功，样本数为42，采用随机取样方式。

本实施例制得的高强度耐热套管的常温屈服强度为910～995MPa、平均值为948MPa，350℃短时屈服强度为795～865MPa、平均值为832MPa，平均屈服强度较常温降低12.2％；常温抗拉强度为1015～1095MPa、平均值为1053MPa，350℃短时抗拉强度为865～940MPa、平均值为898MPa，平均抗拉强度较常温降低14.7％；常温伸长率为24～28％、平均值为26.1％，350℃短时伸长率为25～29％、平均值为27.2％；0℃横向冲击功为160～210J、平均值为173J。试样在350℃、300MPa条件下加载1000h，总变形量小于20μm，具有良好的抗高温蠕变性能。

本实施例制备的油套管材料的椭圆度≤0.8mm、管体壁厚公差为0.9mm、同一截面上壁厚极差≤1.2mm，测得油套管材料的抗挤毁值为62～70MPa，平均值为66.0MPa，高出API标准同规格Q125钢级50％。

实施例2

本发明实施例提供一种高强度耐热油套管材料，其化学成分为：

C 0.25％、Si 0.35％、Mn 1.1％、Cr 1.0％、V 0.08％、Zr 0.01％、Ti 0.02％、Al0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述高强度耐热油套管材料的制备步骤如下：

以废钢为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、连铸工序制成与上述高强度耐热油套管材料化学组分相同的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经中频感应炉再加热、微张力减径得到名义外径为177.8mm、名义壁厚为9.19mm的轧制态钢管；轧制态钢管调质处理后，得所述高强度耐热油套管材料。

电弧炉熔炼工序中，终点碳含量为0.08％，在出钢至1/3时，加入碳化硅、铝锭、MnSi、FeCr、FeV进行脱氧合金化，其中，铝锭的加入量为1.38kg/t。

钢包精炼工序中，钢包精炼后期加入0.5kg/t FeTi和0.7kg/t FeSiZr进行脱氧合金化，钢包精炼的时间为60min。

再加热工序中，所述荒管的加热温度为1000℃。

调质工序中，将轧制态钢管在高温加热炉中加热至温度T为940℃，并在910℃保温8min后，水冷，然后将钢管在低温加热炉中加热至640℃并保温15min后，空冷。

钢管经调质后，其组织主要为均匀的索氏体，晶粒度为7～8级。

按照API 5CT的标准要求从实施例2制得的油套管中任意取样分析其屈服强度、抗拉强度、延伸率、横向冲击功，样本数为48，采用随机取样方式。

本实施例制得的高强度耐热套管的常温屈服强度为908～990MPa、平均值为945MPa，350℃短时屈服强度为805～878MPa、平均值为845MPa，平均屈服强度较常温降低10.6％；常温抗拉强度为1010～1088MPa、平均值为1048MPa，350℃短时抗拉强度为878～952MPa、平均值为907MPa，平均抗拉强度较常温降低13.5％；常温伸长率为24～28％、平均值为26.5％，350℃短时伸长率为25～29％、平均值为27.7％；0℃横向冲击功为170～220J、平均值为192J。试样在350℃、300MPa条件下加载1000h，总变形量小于15μm，具有良好的抗高温蠕变性能。

本实施例制备的油套管材料的椭圆度≤0.8mm、管体壁厚公差为0.85mm、同一截面上壁厚极差≤1.2mm，测得油套管材料的抗挤毁值为65～72MPa，平均值为67.1MPa。

实施例3

本发明实施例提供一种高强度耐热油套管材料，其化学成分为：

C 0.28％、Si 0.25％、Mn 1.0％、Cr 0.9％、V 0.04％、Zr 0.03％、Ti 0.03％、Al0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述高强度耐热油套管材料的制备步骤如下：

以废钢为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、连铸工序制成与上述高强度耐热油套管材料化学组分相同的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经中频感应炉再加热、微张力减径得到名义外径为177.8mm、名义壁厚为9.19mm的轧制态钢管；轧制态钢管调质处理后，得所述高强度耐热油套管材料。

电弧炉熔炼工序中，终点碳含量为0.12％，在出钢至1/3时，加入碳化硅、铝锭、MnSi、FeCr、FeV进行脱氧合金化，其中，铝锭的加入量为1.25kg/t。

钢包精炼工序中，钢包精炼后期加入0.8kg/t FeTi和2kg/t FeSiZr进行脱氧合金化，钢包精炼的时间为55min。

再加热工序中，所述荒管的加热温度为900℃。

调质工序中，将轧制态钢管在高温加热炉中加热至温度T为950℃，并在920℃保温5min后，水冷，然后将钢管在低温加热炉中加热至580℃并保温30min后，空冷。

钢管经调质后，其组织主要为均匀的索氏体，晶粒度为7～8级。

按照API 5CT的标准要求从实施例3制得的油套管中任意取样分析其屈服强度、抗拉强度、延伸率、横向冲击功，样本数为46，采用随机取样方式。

本实施例制得的高强度耐热套管的常温屈服强度为900～980MPa、平均值为931MPa，350℃短时屈服强度为800～878MPa、平均值为841MPa，平均屈服强度较常温降低9.7％；常温抗拉强度为1003～1085MPa、平均值为1042MPa，350℃短时抗拉强度为872～951MPa、平均值为911MPa，平均抗拉强度较常温降低12.5％；常温伸长率为24～28％、平均值为26.5％，350℃短时伸长率为25～29％、平均值为27.8％；0℃横向冲击功为175～213J、平均值为190J。试样在350℃、300MPa条件下加载1000h，总变形量小于15μm，具有良好的抗高温蠕变性能。

本实施例制备的油套管材料的椭圆度≤0.8mm、管体壁厚公差为1.0mm、同一截面上壁厚极差≤1.2mm，测得油套管材料的抗挤毁值为64～75MPa，平均值为68.5MPa。

本发明的油套管材料成分体系简单、制造成本低，且高温力学性能和抗挤毁性能优异，可广泛用于稠油热采井钻采，具有广阔的市场前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高强度耐热油套管材料，其特征在于，其成分重量百分比为：0.25%≤C≤0.30%、0.15%≤Si≤0.35%、0.9%≤Mn≤1.1%、0.9%≤Cr≤1.1%、0.04%≤V≤0.08%、0.01%≤Ti≤0.03%、0<Al≤0.008%，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述高强度耐热油套管材料是由如下方法制备得到：

取与所述高强度耐热油套管材料化学成分相同的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经加热、微张力减径得到轧制态钢管；轧制态钢管经调质处理，得到高强度耐热油套管材料；

其中，所述连铸圆坯是以废钢为原料，经电弧炉熔炼、钢包精炼和连铸工序制成；

电弧炉熔炼工序中，在出钢至1/3时，加入碳化硅、铝锭、MnSi、FeCr和FeV进行脱氧合金化，其中，铝锭的加入量为

kg/t，[C]为电弧炉终点碳的质量百分含量；电弧炉终点的碳含量为0.08~0.12%；

所述荒管的加热温度为900~1000℃；调质工序中，将轧制态钢管在高温加热炉中加热至温度T为930~950℃，并在T-30℃保温后，水冷，然后将钢管在低温加热炉中加热至580~640℃并保温后，空冷；所述轧制态钢管在高温加热炉中的保温时间为5~10min，钢管在低温加热炉中的保温时间为15~30min。

2.一种高强度耐热油套管材料，其特征在于，其成分重量百分比为：0.25%≤C≤0.30%、0.15%≤Si≤0.35%、0.9%≤Mn≤1.1%、0.9%≤Cr≤1.1%、0.04%≤V≤0.08%、0.01%≤Zr≤0.03%、0.01%≤Ti≤0.03%、0.005%≤Al≤0.006%，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述高强度耐热油套管材料是由如下方法制备得到：

取与所述高强度耐热油套管材料化学成分相同的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经加热、微张力减径得到轧制态钢管；轧制态钢管经调质处理，得到高强度耐热油套管材料；

其中，所述连铸圆坯是以废钢为原料，经电弧炉熔炼、钢包精炼和连铸工序制成；

电弧炉熔炼工序中，在出钢至1/3时，加入碳化硅、铝锭、MnSi、FeCr和FeV进行脱氧合金化，其中，铝锭的加入量为

kg/t，[C]为电弧炉终点碳的质量百分含量；电弧炉终点的碳含量为0.08~0.12%；

所述荒管的加热温度为900~1000℃；调质工序中，将轧制态钢管在高温加热炉中加热至温度T为930~950℃，并在T-30℃保温后，水冷，然后将钢管在低温加热炉中加热至580~640℃并保温后，空冷；所述轧制态钢管在高温加热炉中的保温时间为5~10min，钢管在低温加热炉中的保温时间为15~30min。

3.一种权利要求1或2所述的高强度耐热油套管材料的制备方法，其特征在于，由如下步骤组成：取与所述高强度耐热油套管材料化学成分相同的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经加热、微张力减径得到轧制态钢管；轧制态钢管经调质处理，得到高强度耐热油套管材料。

4.如权利要求3所述的高强度耐热油套管材料的制备方法，其特征在于，钢包精炼工序中，钢包精炼后期加入0.3~0.8kg/t FeTi和0~2kg/t FeSiZr进行脱氧合金化，钢包精炼的时间为50~60min。