CN117867405A - 一种125ksi钢级稠油热采井钢管的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种125ksi钢级稠油热采井钢管的制造方法，钢的化学成分质量百分比为C=0.23%～0.29%，Si=0.15%～0.30%，Mn=0.40%～0.80%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr=0.80%～1.20%，Mo=0.40%～0.60%，Ti=0.01%～0.03%，Nb=0.035%～0.05%，V≤0.02%，B=0.008～0.0020%，余为铁和不可避免的杂质；钢管常温屈服强度≥900Mpa，抗拉强度≥931Mpa，延伸率≥15%，冲击剪切比≥75%，350℃下高温屈服强度≥862Mpa，450℃高温屈服强度≥793Mpa；抗挤毁值较API 5C3理论值提高40%以上。

Description

一种125ksi钢级稠油热采井钢管的制造方法

技术领域

本发明属于钢管制造技术领域，涉及一种125ksi钢级稠油热采井钢管的制造方法。

背景技术

相对于稀油，稠油黏度高，流动性差，常规的方式难以开采。中国新疆、辽河和胜利油田以开采稠油为主。为开采稠油，需要降低其黏度，增加流动性。常见的稠油降黏开采方法有热力降低黏度、化学降黏、掺稀降黏和微生物降黏。热力降黏是国内主流的稠油降黏法，其又细分为蒸汽吞吐、蒸汽驱、重力辅助泄油 （SAGD）以及火烧油层。

在稠油层注入热蒸气或热水，提高地层温度，从而达到降低稠油年度，增加稠油流动性，称为蒸汽开采技术，其又细分为蒸汽吞吐（CSS）、蒸汽驱（SF）、重力辅助泄油 （SAGD）。中国大部分稠油采用蒸汽吞吐方法，其安全系数高，便于推广。火烧油层降黏，是注入空气或助燃剂与地层稠油发生氧化燃烧反应，发热使稠油黏度降低，进而增加流动性，其成本较低，但是风险高，但火烧油层适合蒸汽开采后期油层的开发，但是其要求的温度更高，其环境温度一般在450℃～550℃，对油气用钢管提出了更高的要求。

此外，随着浅层稠油开采的快速消耗，稠油开采向深处发展，油井越深，对油套管钢级要求越高，地层压力越大，对钢管抗挤毁要求更苛刻，常规的110ksi钢级热采井钢管已不能满足要求。采用蒸汽开采和火烧油层开采技术，在注入高温蒸汽或火烧油层时，无缝钢管受热膨胀受到很大压应力，停止采油时，无缝钢管冷却又受到拉应力，在采油过程中，无缝钢管反复承受拉伸和压缩应力，高温性能和抗挤毁性能要求严苛。因此，亟需开发高钢级抗挤毁能力更强的热采井钢管。

中国专利CN1288071A公开了“超稠油热采井用高强度石油套管及其生产方法”。其成分为 C：0.2～0.33wt%，Si：0.23-0.34wt%，Mn：0.8～1.2wt%，Cr：0.6-1.4wt%， Mo：0.10-0.26wt%，Ni：≤0.3%，Cu：≤0.3%，P：≤0.15%wt，S：≤0.12wt%，其余为铁。该专利采用Mn、Cr和Mo，屈服强度690～920Mpa， 抗拉强度≥850Mpa，在300℃温度下，其屈服强度≥690Mpa，管体抗挤毁强度≥43Mpa，其性能约为100ksi钢级。

中国专利CN1391020公开了“一种稠油热采井用中等强度石油套管及其生产方法”，其成分：C：0.20～0.30%，Si：0.15～0.30%，Mn：0.6～1.10%，P：≤0.02%，S≤0.015%，Ni：0≤0.30%，Cr：0.40～1.20%，Mo：0.06%～0. 2%， Cu：≤0.30%，余为铁和不可避免的杂质。该专利采用CrMo钢，热处理后屈服621-850Mpa，抗拉≥760Mpa，该专利的钢级为90ksi钢级，其在300℃温度下，屈服强度≥620Mpa，抗挤毁强度≥37Mpa。

中国专利CN20100185465.0公开了一种“稠油热采井用套管及生产方法”，其成分：C：0.25～0.29%，Si：0.17～0.32%，Mn：0.9～1.00%，P：≤0.015%，S≤0.003%，Cu：≤0.10%，Mo：0.35%～0.40%，Cr：0.95～1.05%，V：≤0.05%，Ni：≤0.20%，Al：0.015～0.040%，Ti：0.010～0.025%，B：0.0005～0.0012%，余为铁和不可避免的杂质。该专利采用CrMo钢，热处理后屈服758-965Mpa，抗拉≥862Mpa，该专利的钢级为110ksi钢级，其在350℃温度下，屈服强度≥655Mpa。

中国专利CN201210137336.3公开了“一种制造稠油热采井用套管的方法”，化学组成为C：0.24～0.30%，Si：0.15～0.40%，Mn：0.8～1.2%，Cr：0.9～1.30%，Ni：≤0.30%， P≤0.005%，S≤0.005%，余为铁和不可避免的杂质。此专利中MnCr合金，调质后性能为屈服强度为758-965Mpa，抗拉≥862Mpa，屈强比≤0.93，钢级为110ksi。其在350℃下，性能为≥855Mpa，屈强比≤0.85。

中国专利CN201310409200.8公开了“一种含稀土稠油热采井专业石油套管及其生产方法”，其成分，C：0.23～0.28%，Si：0.08～0.28%，Mn：0.35～0.65%，P≤0.015%，S≤0.006%，Cr：1.15～1.35%，Mo：0.20～0.30%，V：0.05～0.07%，B：0.002～0.004%，稀土元素Re：0.0005～0.0100%，余为铁和不可避免的杂质。此专利采用CrMo合金，但是并且添加了稀土元素，屈服强度800～900Mpa，抗拉强度≥880Mpa，其钢级为115ksi。350℃高温下屈服强度≥700Mpa，350℃下屈服强度与常温屈服强度降低幅度≤20%，平均线性热膨胀系数≤16×10^-6。

中国专利CN201610196966.6公开了“一种耐高温热采井用油井管及其制造方法”，其成分，C：0.36～0.60%，Si：0. 46～0.70%，Mn：1.60～1.80%，P≤0.025%，S≤0.015%，Cr：1.6～1.8%，Nb：0.01～0.03%，V：0.05～0.07%，Ti：0.01～0.03%，余为铁和不可避免的杂质。此专利采用MnCr合金，常温屈服强度＞900Mpa，抗拉强度：1000-1191Mpa，其钢级为125ksi。400℃高温下瞬时屈服强度862-926Mpa，400℃，510h持久屈服强度为810-842Mpa。

中国专利CN201911049497.5公开了 “耐高温95ksi级火驱稠油热采用无缝钢管及制造方法”，其成分C：0.14-0.20%，Si：0.20-0.50%，Mn：1.20%～1.60%，P≤0.015%，S≤0.008%，Cr：0.35-0.50%，Ni：0.1～0.20%，Mo：0.25%～0.50%、V：0.07-0.12%，W：0.30～0.80%，Al：0.02～0.05%，Ti：0.02～0.05%，Nb≤0.05%，Cu≤0.20%，N≤0.007%，余为Fe和杂质。此专利采用CrMoWV合金，95ksi钢级，常温屈服强度≥862Mpa，450℃高温屈服强度655Mpa。

上述专利，热采井无缝钢管，钢级集中在95-125ksi，抗挤毁能力在34Mpa，耐高温强度在350摄氏度，对要求温度450℃，抗挤毁能力更强的环境不适合。

发明内容

本发明旨在提供一种125ksi钢级稠油热采井钢管的制造方法，生产的钢的常温屈服强度≥900Mpa，抗拉强度≥931Mpa，延伸率≥15%，冲击剪切比≥75%，450℃高温屈服强度≥793Mpa，抗挤毁值较API 5C3提高40%以上，强韧性匹配较好。本发明适用但不限于稠油蒸汽开采技术和火烧油层开采技术。

本发明的技术方案：

一种125ksi钢级稠油热采井钢管的制造方法，钢的化学成分质量百分比为C=0.23%～0.29%，Si=0.15%～0.30%，Mn=0.40%～0.80%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr=0.80%～1.20%，Mo=0.40%～0.60%，V≤0.02%，Ti=0.01%～0.03%，Nb=0.035%～0.05%，V≤0.02%，B=0.008～0.0020%，余为铁和不可避免的杂质，关键工艺步骤包括：

（1）冶炼，用50%以上铁水+废钢或生铁为原料配料，采用电弧炉熔炼+炉外精炼+真空脱气吹氩10min以上，然后连铸制得圆管坯；

（2）热轧，铸坯经环形炉加热、穿孔、PQF或MPM连轧机轧制、定减径，得到轧态无缝钢管；

（3）热处理，将无缝钢管在步进式淬火炉内加热到910～930℃，根据钢管壁厚t，淬火在炉时间≥3～5t，采用内外+外淋和旋转水冷方式进行冷却；然后钢管进入步进式回火炉，根据钢管壁厚t，淬火在炉时间≥5～8t，回火温度为600～630℃；

（4）矫直加工：对热处理后钢管进行带温热矫直，探伤，水压和螺纹加工，得到成品热采井钢管。

本发明中各化学元素作用原理：

C是一种经济的提高淬透性和强度的元素，但是加入过多，形成粗大碳化物，对冲击韧性不利，所以控制C元素在0.24%～0.29%范围内。

Si的加入起到脱氧和改善耐蚀作用，但是Si的热传导性能差，加入较多，材料的冲击韧性急剧恶化，因此将Si控制0.15-0.30%

Mn是一种经济型元素，加入适当的Mn，起到固溶强化，改善钢的强韧性，提高强度，但是Mn含量过高，耐磨性和硬度会显著提高，材料韧性下降较多，因此将Mn控制在0.40～0.80%。

P属于有害元素，不利于冲击韧性，尽量控制在≤0.020%，进一步脱P效果当然更好，但是考虑到炼钢脱P的成本和经济性，将P控制在≤0.020%。

S容易与Mn形成MnS夹杂物，在钢管内形成偏析，要严格控制。

Cr：扩大奥氏体区元素，提高钢的淬透性，提高回火温度，增加钢高温强度，但是加入过量，会与C形成C₂₃C₆粗大的碳化物，对材料韧性不利。

Mo：在钢种起到固溶强化和析出强化效果，提高钢的淬透性，提高钢的回火温度，防止回火脆性，并显著增加钢耐高温强度，但是Mo元素价格昂贵，考虑到经济性，将Mo元素的含量控制在0.40～0.60%。

Ti、Nb属于细晶粒元素，在钢中形成Ti（C、N）或V（C、N），钉扎奥氏体晶界，防止在高温下晶粒长大，其在钢中弥散分布，能起到阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒作用。此两种元素在钢中固溶度低，加入微量即可起到细晶作用。

微量的B加入可显著提高钢的淬透性能，节约大量合金元素，但是加入过多，容易在晶界形成碳化物和氮化物，恶化冲击韧性。

本发明的工艺原理：

采用蒸汽开采和火烧油层开采技术，在注入高温蒸汽或火烧油层时，无缝钢管受热膨胀受到很大压应力，停止采油时，无缝钢管冷却又受到拉应力，在采油时，无缝钢管反复承受拉伸和压缩应力，其对高温性能要求严苛。而油层越深，地层压力越大，对钢管抗挤毁能力要求越高。本发明适用但不限于稠油蒸汽开采技术和火烧油层开采技术。

本发明的有益效果：设计一种125ksi钢级稠油热采井钢管成分，不仅适合蒸汽热采井稠油开采，也适用于火烧法热采稠油开采，采用CrMo合金，Cr和Mo提高淬透性，保证钢在高温环境下的强度，并添加微量的B作为提高淬透性元素，提高回火温度。同时，添加一种或多种微合金化元素，达到细化晶粒，做到强韧性匹配的125ksi钢级热采井用无缝钢管。其室温屈服性能＞900Mpa，抗拉强度＞931Mpa。高温性能好，其在450℃高温屈服强度＞793Mpa， 0℃全尺寸10×10mm试样，横向冲击功≥80J，纵向冲击功≥120J，冲击剪切面积≥75%。抗挤毁性能较同规格同钢级API 5C3理论值提高40%以上。

附图说明

图1 为实施例1生产125ksi热采井套管调质后组织图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1～5

125ksi钢级热采井无缝钢管的制造方法，制造钢管规格为φ244.48×11.99mm。化学成分见表1，余为铁和不可避免的杂质。工艺步骤：

（1）冶炼，50%以上铁水+废钢或生铁为原料，配料，采用电弧炉熔炼+炉外精炼+真空脱气吹氩10min以上，然后连铸制得圆管坯。

（2）热轧，铸坯经环形炉加热、穿孔、PQF或MPM连轧机轧制、定减径，得到轧态无缝钢管，外径精度0～+1%D，壁厚精度-10%t。

（3）热处理，将无法钢管在步进式淬火炉内加热到910～930℃，钢管在淬火炉加热时间为55min，采用内外+外淋和旋转水冷方式进行冷却。然后钢管进入步进式回火炉，回火温度为600～630℃，钢管在回火炉加热时间为84min。

（4）其余工序，对热处理后钢管进行带温热矫直，探伤，水压和螺纹加工得到成品热采井钢管。

热处理工艺参数见表2。

制得125ksi钢级热采井无缝钢管，理化性能检测结果见表3，调质后金相组织见图1。钢的常温屈服强度≥900Mpa，抗拉强度≥931Mpa，延伸率≥15%，450℃高温屈服强度≥793Mpa，抗挤毁值较API 5C3理论值提高40%以上。

对实施例1～5制得的无缝钢管的性能测试方法如下：

室温拉伸试验：按照IOS 6892-1或ASTM A370；

高温拉伸试验：按照ISO 6892-2或ASTME21；

冲击试验（A kv/J）：按照ASTM E23或ASTM 370；

挤毁试验： 按照API 5C3。

对比例：

对比例采用CMn系成分，其Mo的含量较低，从性能可以看出，对比例，经过热处理后，性能能达到125钢级的要求，但与实施例相比，其冲击值较低，剪切比较差，更在350℃和450℃的高温拉伸性能降低过快，高温拉伸已低于110ksi钢级的下限，不能满足125ksi钢级热采井管耐高温的关键指标的要求。

表1 φ244.48×11.99mm化学成分（wt%）

。

表2 φ244.48×11.99mm热处理工艺参数

。

表3 φ244.48×11.99mm理化性能测试结果

。

Claims (1)

1.一种125ksi钢级稠油热采井钢管的制造方法，其特征在于：钢的化学成分质量百分比为C=0.23%～0.29%，Si=0.15%～0.30%，Mn=0.40%～0.80%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr=0.80%～1.20%，Mo=0.40%～0.60%，V≤0.02%，Ti=0.01%～0.03%，Nb=0.035%～0.05%，V≤0.02%，B=0.008～0.0020%，余为铁和不可避免的杂质；钢管常温屈服强度≥900Mpa，抗拉强度≥931Mpa，延伸率≥15%，冲击剪切比≥75%，350℃下高温屈服强度≥862Mpa，450℃高温屈服强度≥793Mpa；关键工艺步骤包括：

（1）冶炼，用50%以上铁水+废钢或生铁为原料配料，采用电弧炉熔炼+炉外精炼+真空脱气吹氩10min以上，然后连铸制得圆管坯；

（2）热轧，铸坯经环形炉加热、穿孔、PQF或MPM连轧机轧制、定减径，得到轧态无缝钢管；

（3）热处理，将无缝钢管在步进式淬火炉内加热到910～930℃，根据钢管壁厚t，淬火在炉时间≥3～5t，采用内外+外淋和旋转水冷方式进行冷却；然后钢管进入步进式回火炉，根据钢管壁厚t，淬火在炉时间≥5～8t，回火温度为600～630℃；

（4）矫直加工：对热处理后钢管进行带温热矫直，探伤，水压和螺纹加工，得到成品热采井钢管。