CN112430782B - 一种地热井用套管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地热井用套管及其制造方法，属于低合金钢制造技术领域。通过控制C含量，确保强度，提高管材的高温及耐蚀性能，P、S含量越低抗腐蚀性能越优良，通过调整Cr、Mo、W、Nb元素含量，通过固溶强化提高原子间结合力，增大激活能，形成稳定的第二相，提高材料的热稳定性同时具有一定的耐蚀性；Si、Al等元素能够形成致密的氧化物结构，能控制晶粒度。从而得到的钢管性能指标为：屈服强度大于552MPa，抗拉强度大于655MPa，V型缺口试样夏比冲击功大于30J；平均腐蚀速率小于0.2mm/a。可见本发明的地热井用套管能够满足当下及未来市场对地热井套管的使用要求。

Description

一种地热井用套管及其制造方法

技术领域

本发明属于低合金钢制造技术领域，涉及一种地热井用套管及其制造方法。

背景技术

地热资源是一种可再生的新型环保清洁能源，其应用潜力巨大。随着技术进步，开发与应用地热资源将会创造一种全新的能源利用形式，不仅可以优化能源消费结构，节约资源，而且有利于环境改善，对治污减霾产生十分显著的效果。近年来，随着对能源、环境的关注度逐渐提高，地热资源的开发与利用也成为低碳经济视角下，实现化石能源与新能源并举的一项关键举措。地热井的工况条件复杂，承受温度与大量的腐蚀性介质等共同作用，用于地热井的管材长期处于这种高温和腐蚀介质中，极易产生泄漏、腐蚀、变形、断裂等失效形式，导致后期维护、改造、修井费用增加，影响地热井开发的经济成本及其使用寿命，甚至造成环境污染，限制了地热资源的大力开发及有效利用。这些因素决定了开采地热资源用的套管性能有着重要的作用，需要开发适合开采地热能源的耐高温耐腐蚀管套，以达到安全开采和增产增效的目的。

地热井的深度一般1000-4000米，温度一般分为高温、中温和低温三类，当温度高于150℃时，以蒸汽形式存在的属于高温地热；温度处于90℃～150℃区间，以水和蒸汽的混合物等形式存在的，属中温地热；温度高于25℃低于90℃，以温水、温热水、热水等形式存在的，属低温地热。地热井温度越高，对金属的腐蚀作用越强。在管材设计方面，现阶段的地热资源用管材采用传统的强度设计方法即应力设计方法，是以弹性力学理论为基础，确保管材不会发生屈服现象。应力设计方法主要考虑了管材的强度指标，能够满足钻完井工程需求，并考虑了热应力作用，能够满足高温条件下管材不会发生屈服的条件。而实际上，地热资源用管材的变形、缩颈、剪切、断裂等套损形式的存在，充分说明了管材在服役过程中的确发生了塑性变形，而正是不同的塑性变形造成了管材永久变形，甚至断裂失效。因此，依据应力设计的管材缺乏作业需要的大的抗变形能力，现有地热井选用的管材没有考虑地热井复杂工况下管材的永久变形能力。

地热井用管材的腐蚀主要是地热流体及土壤对其产生的腐蚀，以电化学腐蚀为主。一般地热水矿化度较高，含离子种类较多，主要有氯离子、溶解氧、硫酸根离子、氢离子以及硫化氢、二氧化碳等，其中以氯离子的腐蚀性为最强，是引起碳钢、不锈钢及其它合金的均匀腐蚀、孔蚀和缝隙腐蚀的重要因素。另外，由于腐蚀性流体和金属井管表面的相对运动引起金属加速磨损腐蚀，这种磨损腐蚀又称冲击腐蚀、冲刷腐蚀或磨蚀，特别是在抽水过程中，含砂量偏高时，磨损腐蚀速度增加。管柱在井下服役过程中，同时受到复合载荷的共同作用，包括拉升、压缩、内压、外压、扭转及焊接残余应力等，这些力和特定的腐蚀介质的共同作用产生应力腐蚀，从而引起金属的破裂。因此，需要地热井腐蚀工况要求设计制造专用套管，满足地热资源低成本安全开发及长期有效利用的目的。

目前常用的防腐方式是采用内防腐、非金属管材、增加管材腐蚀裕量和耐蚀合金材料等。对于内防腐涂层、镀层、内衬保护，如镍磷镀、SK-54防腐、氮化处理、钛纳米涂料、不锈钢内衬等，可对碳钢材料进行保护，但由于碳钢和防腐涂层(镀层、内衬)的屈服应力不同，而且该方法大多对管体内表面光洁度要求较高，操作工艺复杂、制造成本高，而且镀层不均匀，尤其在使用过程中存在涂层结合力差、大面积脱落等问题，不能有效降低腐蚀问题。对于非金属管材，如PVC-U塑料管和玻璃钢管等，具有较强耐腐蚀性，可有效避免腐蚀、结垢问题，但其不耐高温、强度低，且存在承载、承压、耐热、老化、接头处理等一系列技术问题，阻碍其在地热井的大量使用。增大管材腐蚀裕量设计，即增加管壁厚度，需要根据管材预期的寿命和介质对材料的腐蚀速率进行监测，确定其腐蚀裕量。这种设计除了需要开展管材性能影响因素分析及正确评估腐蚀裕量大小以外，并不能解决局部腐蚀问题，而且还会进一步增加地热资源开发经济成本。

综上所述，亟需发展一种新的能够耐高温耐腐蚀的地热井用套管。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，常用的地热井用管材防腐方式成本较高且不能耐高温耐腐蚀的缺点，提供一种地热井用套管及其制造方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种地热井用套管，所述地热井用套管的化学组成包括，以质量百分数计，0.18％～0.30％的C、0.20％～0.35％的Si、1.25％～1.45％的Mn、0.85％～1.55％的Cr、0.10％～0.5％的Mo、0.15％～0.30％的Ni、0.01％～0.1％的V、0.01％～0.05％的Ti、0.02％～0.5％的Nb、0.015％～0.040％的W、0.10％～0.30％的Cu、0.015％～0.035％的Al、和0.001％～0.002％的B，还包括有P和S，其中，P的含量最大为0.010％，S的含量最大为0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

优选地，所述地热井用套管的屈服强度大于552MPa，抗拉强度大于655MPa。

优选地，所述地热井用套管具有V型缺口，且V型缺口的夏比冲击功大于30J。

优选地，所述地热井用套管的平均腐蚀速率小于0.2mm/a。

一种地热井用套管的制备方法，包括对管坯依次进行转炉冶炼、连铸、加热、张力减径和矫直的过程。

优选地，所述转炉冶炼和连铸过程中，还包括对管坯进行成分、低倍组织和表面质量检查的过程，当合金成分、夹杂物含量、尺寸和表面质量均满足标准要求时进行下一步操作。

优选地，所述加热过程包括环形炉加热、穿孔、轧管和再加热。

优选地，所述环形炉加热的温度为1200～1300℃；所述再加热过程的温度为930～980℃。

优选地，所述张力减径过程中，出钢温度至少为880℃；管坯经过张力减径之后还要进行空冷。

优选地，所述矫直的温度至少为320℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种地热井用套管，通过控制C含量，确保强度，提高管材的高温及耐蚀性能，控制P、S含量，因为P、S含量越低抗腐蚀性能越优良，调整Cr、Ni、Mo、Si、Cu元素含量有利于改善点蚀，从而提高套管材料的耐点蚀能力。通过Cr、Mo、W、Nb元素固溶强化提高原子间的结合力，增大激活能，形成稳定的第二相，提高材料的热稳定性的同时使管材具有一定的耐蚀性；Si、Al等元素能够形成致密的氧化物结构，从而在提高材料的抗氧化性和抗腐蚀性的同时，控制材料的晶粒度。本发明的地热井用套管的性能指标为：屈服强度＞552MPa，抗拉强度＞655MPa，V型缺口试样夏比冲击功＞30J；平均腐蚀速率＜0.2mm/a。可见本发明的地热井用套管能够满足当下及未来市场对地热井套管的使用要求。

本发明还公开了一种地热井用套管的制造方法，制造工艺过程依次为转炉冶炼、连铸、加热、张力减径和矫直；较适中的合金成本，不需要专门的热处理工序，降低了加工能耗，并缩短生产交货周期，产品更具市场竞争力。

进一步地，转炉冶炼和连铸出的管坯需要进行成分、低倍组织和表面质量检查，确定合金成分，夹杂物含量及尺寸是否满足标准要求，进而确保管材的质量。低倍组织不应有肉眼可见的残余缩孔、翻皮、分层、气泡、砂眼、白点、裂纹及非金属夹杂和管坯的表面质量不允许有结疤、裂纹、发裂、沟纹、折叠、凹痕、耳子、气孔、麻点、砂眼等缺陷。

进一步地，环形炉加热过程严格控制温度，不允许产生过热、过烧、脱碳等缺陷；再加热，进行张力减径，根据设计要求确定管材的外径，精度控制在标准要求的范围内；控制出钢温度≥880℃，然后进行空冷，能够获得所需的铁素体、珠光体组织，矫直温度至少为320℃，从而能够保证热轧性能稳定，进而保证制备出的地热井用套管的抗形变能力。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面对本发明做进一步详细描述：

一种地热井用管材，该管材的化学成分按重量百分比计为：

C：0.18～0.30％；Si：0.20～0.35％；Mn：1.25～1.45％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Cr：0.85～1.55％；Mo：0.10-0.5％；Ni：0.15～0.30％；V：0.01-0.1％；Ti：0.01-0.05％；Nb：0.02～0.5％；W:0.015～0.040％；Cu：0.10-0.30％；Al：0.015～0.035％，B:0.001～0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质。

一种地热井用套管的制造方法，制造工艺过程依次为转炉冶炼，连铸，环形炉加热，穿孔，轧管，再加热，张力减径，矫直；其中，转炉冶炼+连铸出的管坯进行成分、低倍组织、表面质量检查；环形炉加热1200℃～1300℃；再加热930℃～980℃，进行张力减径，控制出钢温度≥880℃，然后进行空冷，保证热轧性能稳定，进矫直机的入口温度≥320℃。

各实施例制备的管材的化学成分见表1，其工艺流程均为转炉冶炼，连铸，环形炉加热，穿孔，轧管，再加热，张力减径，矫直。

表1.各实施例制备的管材的化学组成成分(质量分数，％)

注：余量为Fe及不可避免的微量杂质。

上述实施例1～3制备的管材的主要力学性能结果见表2。

表2.实施例1～3制备的管材的主要力学性能

由表2可知，管材的力学性能优良，优于现阶段地热井开采用管材(屈服强度范围379-552MPa，抗拉强度517MPa)，强韧性满足地热井开采用管材性能的要求。

上述实施例制备的管材的腐蚀性能结果见表3。

表3.实施例1～3制备的管材的抗腐蚀性能

由文献[1]可知Q345R在30℃、60℃、90℃地热水中的腐蚀速率0.86mm/a、3.02mm/a、8.96mm/a。文献[2]对8个厂家J55套管在长庆油田洛河水中的耐蚀性评价发现,平均腐蚀速率为0.025～0.12mm/a,其最大腐蚀速率约2.4mm/a。文献[3]指出在不同Nacl浓度及温度下K55和J55两种材料的腐蚀速率变化趋势。结合表3可知，本发明制造的地热井用套管腐蚀速率平均为0.15mm/a，其耐蚀性能优于现阶段使用地热井管材。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

参考文献

[1]刘正通,杨晓宇,赵杰,任毅.Q345R钢在模拟地热水环境中的腐蚀与结垢[J].北京石油化工学院学报,2015,23(3):30-34.

[2]严密林,赵国仙,路民旭,龚伟安,赵文.8种J55套管在长庆油田洛河水中的耐蚀性评价[J].腐蚀与防护,1999,20(6):259-261,277.

[3]丁银川.热采井管柱在氯离子与酸性气体环境下的腐蚀特性研究.[M]2020:31.

Claims (1)

1.一种地热井用套管，其特征在于，所述地热井用套管的化学组成包括，以质量百分数计，0.18%～0.30％的C、0.20%～0.35％的Si、1.25%～1.45％的Mn、0.85%～1.55％的Cr 、0.10%~0.5％的Mo、0.15%～0.30％的Ni、0.01%~0.1％的V、0.01%~0.05％的Ti、0.02%～0.5％的Nb、0.015%～0.040％的W、0.10%~0.30%的Cu、0.015%~0.035%的Al、和0.001%~0.002%的B，还包括有P和S，其中，P的含量最大为0.010％，S的含量最大为0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述地热井用套管的屈服强度大于552MPa，抗拉强度大于655Mpa；

所述地热井用套管具有V型缺口，且V型缺口的夏比冲击功大于30J；

所述地热井用套管的平均腐蚀速率小于0.2mm/a；

所述地热井用套管的组织形态为铁素体和珠光体；

所述地热井用套管的制备方法，由对管坯依次进行转炉冶炼、连铸、加热、张力减径和矫直的过程组成；

所述转炉冶炼和连铸过程中，还包括对管坯进行成分、低倍组织和表面质量检查的过程，当合金成分、夹杂物含量、尺寸和表面质量均满足标准要求时进行下一步操作；

所述矫直的温度至少为320℃；

所述加热过程包括环形炉加热、穿孔、轧管和再加热；

所述环形炉加热的温度为1200～1300℃；所述再加热过程的温度为930～980℃；

所述张力减径过程中，出钢温度至少为880℃；管坯经过张力减径之后还要进行空冷。