一種耐蝕高抗擠石油套管及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐蝕高抗擠石油套管及其生產(chǎn)方法,其鋼種的化學成分配比為:C:0.18~0.30wt%;Si:0.20~0.35wt%;Mn:0.90~1.30wt%;Cr:0~0.50wt%;Ti:0.01~0.07wt%;Mo:0.15~0.35wt%;V:0.01~0.05wt%;Ni:0~0.25wt%;Nb:0~0.05wt%;B:0.001~0.005wt%;Y:0.002~0.01wt%;P:≤0.008wt%;S:≤0.004wt%;余量為Fe。該套管采用“微合金化控軋控冷鋼板+FFX成型+高頻電阻焊接+焊縫碾壓及退火處理+熱張力減徑+全管調(diào)質(zhì)處理+熱定徑及熱矯直”工藝制造而成。本發(fā)明的產(chǎn)品具有抗外壓擠毀強度高、沖擊韌性好、抗H2S/CO2/Cl-腐蝕性能優(yōu)良的特點。
【專利說明】一種耐蝕高抗擠石油套管及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于石油套管領(lǐng)域,涉及一種石油天然氣深井、超深井開采用套管,尤其是一種耐蝕高抗擠石油套管及其生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]隨著國民經(jīng)濟對油氣資源需求的增加,許多深井、超深井及其他復(fù)雜地層油氣井不斷被開發(fā),套管在這些油氣井服役時,不僅要承受很高的外壓載荷,還要承受高溫及h2s、CO2, Cr腐蝕問題。如我國的新疆、四川等油氣田,美國的南德克薩斯、巴羅馬,加拿大的阿爾伯達等油氣田。因此,開發(fā)具有一定耐蝕作用的高抗擠套管產(chǎn)品,來滿足高溫、高壓、巖層蠕變及含有腐蝕介質(zhì)等嚴酷井況的需求。
[0003]目前國內(nèi)外耐蝕高抗擠石油套管以無縫管為主,無縫制管雖然可以生產(chǎn)大壁厚、高碳、高合金以及不銹鋼套管,但采用連鑄鋼坯加熱后穿孔成型,管坯尺寸精度低,且管坯表面易出現(xiàn)軋制裂紋、分層、氧化物夾雜等缺陷,抗外壓擠毀性能較差。隨著純凈鋼、控軋控冷技術(shù)、高頻電阻焊接技術(shù)、熱張力減徑技術(shù)、無損檢測技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展,HFff (High Frequency Welding,即高頻電阻焊)套管生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提升。HFW套管較無縫套管具有尺寸精度高、抗內(nèi)、外壓性能好、成本較低等優(yōu)勢,在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。但是HFW焊縫區(qū)與母材的成分、組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)等方面存在明顯的差異,導致焊縫區(qū)的沖擊韌性及抗腐蝕性能較差。目前,主要通過焊縫熱處理及全管熱處理來消除焊縫區(qū)和母材的組織、性能差異。寶雞鋼管采用“微合金化控軋控冷鋼板+FFX成型+高頻焊接+焊縫碾壓及退火處理+熱張力減徑+全管調(diào)質(zhì)處理+熱定徑及熱矯直+全管探傷”,開發(fā)出了 SEW(Hot Stretch-reducing Electric Welded Pipe,即高頻焊熱張減)系列高抗擠套管產(chǎn)品。由于所用卷板系微合金鋼經(jīng)控軋控冷軋制而成,具有良好的強韌性及較高的尺寸精度;同時經(jīng)焊縫退火處理、`熱張力減徑及調(diào)質(zhì)處理,一方面實現(xiàn)了同一規(guī)格母管生產(chǎn)系列規(guī)格熱張力減徑管的連續(xù)化高效生產(chǎn),另一方面優(yōu)化了焊縫區(qū)的組織及性能,使其與母材保持一致。因此,SEW工藝是制造耐蝕高抗擠石油套管較好的方法。
[0004]影響套管抗外壓擠毀性能的因素很多,如外徑與壁厚比值(即D/t)、管體屈服強度、外徑不圓度、壁厚不均度、殘余應(yīng)力等。影響套管抗H2S/C02/C1_腐蝕的材質(zhì)因素主要有化學成分、制造方法、產(chǎn)品強度、硬度及其局部的變化、冷加工量、熱處理狀態(tài)、微觀組織及其均勻性等。本發(fā)明通過嚴格控制夾雜物含量,并添加微量合金元素,采用控軋控冷工藝,將鋼板的晶粒度控制在11級以上,壁厚不均度控制在-2% t~+2% t,確保鋼板良好的強韌性及壁厚精度;鋼管FFX成型過程中,盡量減少邊緣的波動量,使鋼帶兩邊緣在進入擠壓輥前盡量平行,保證兩板邊以“ I ”字型進行高頻電阻焊接,并控制好擠壓量、焊接速度、V型開口角等要素,確保焊接質(zhì)量,進行內(nèi)外毛刺清除、焊縫碾壓及退火處理(實質(zhì)是形變熱處理),確保焊縫區(qū)與周邊平整,提高管坯外徑精度,并消減焊縫區(qū)與母材的組織差異;HFW管坯再經(jīng)中頻感應(yīng)加熱及經(jīng)熱張力減徑,焊縫區(qū)尺寸縮減,焊接缺陷及位錯消失,焊縫區(qū)與母材的組織趨于均勻一致;添加B、Y、Cr、Ni等元素,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,管體強韌性優(yōu)良,且具有較好的抗腐蝕性能;在不影響套管調(diào)質(zhì)性能的前提下,提高熱定徑及熱矯直溫度,最大限度減小殘余應(yīng)力對套管抗擠毀及抗腐蝕性能的影響。
[0005]中國專利CN 1317480C公開了一種高強度石油套管及其制造方法,其壁厚不均度
<15%、外徑不圓度< 0.5%、殘余應(yīng)力< 160MPa、延伸率≥12%、0°C全尺寸沖擊功≥33J、管體晶粒度≥ 6級;中國專利CN101984124A公開了一種耐蝕抗擠毀套管,其制造工藝為無縫軋管,與本發(fā)明的焊接制管相比,成本較高。本發(fā)明添加了稀土元素Y,并采用SEW工藝生產(chǎn)的高抗擠套管綜合性能優(yōu)良:壁厚不均度< 2%、外徑不圓度< 0.3%、殘余應(yīng)力≤80MPa、0°C沖擊功≥100J、延伸率> 26%,抗外壓擠毀強度超API TR5C3標準50%以上,且具有較好的抗H2S/C02/C1_腐蝕性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點,提供一種高抗擠且具有一定抗H2S/C02/Cr腐蝕的石油套管,以滿足需要高抗擠兼顧抗H2S/C02/Cr腐蝕的井況需求。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種耐蝕高抗擠石油套管,該石油套管的化學成份如下:C:0.18~0.30wt% ;Si:0.20 ~0.35wt%;Mn:0.90 ~1.30wt%;Cr:0 ~0.50wt%;T1:0.01 ~0.07wt%;Mo:0.15 ~0.35wt% ;V:0.01 ~0.05wt% ;N1:0 ~0.25wt% ;Nb:0 ~0.05wt% ;P ≤0.008wt% ;S:≤0.004wt% ;余量為Fe。
[0009]所述石油套管的化學成份中還含有B:0.001~0.005wt%;Y:0.002~0.01wt%。
[0010]所述石油套管的屈服強度880~960MPa ;抗拉強度≥946MPa ;抗擠強度≥115MPa ;延伸率> 26% ;0°C沖擊功:≥100J ;殘余應(yīng)力:≤ 80MPa。
[0011]一種耐蝕高抗擠石油套管的制備方法,按照如下步驟:(1)微合金化控軋控冷鋼板、(2)FFX成型、(3)高頻電阻焊接、(4)焊縫碾壓及退火處理、(5)熱張力減徑、(6)全管調(diào)質(zhì)處理、(7)熱定徑及熱矯直、(8)全管探傷檢測、水壓試驗、通徑處理、車絲扣后檢查入庫。
[0012]所述步驟(1)微是采用壁厚偏差在-2% t~+2% t的微合金化控軋控冷鋼板為原料,鋼板的化學成份如下:c:0.18 ~0.30wt%;Si:0.20 ~0.35wt%;Mn:0.90 ~1.30wt%;Cr:0 ~0.50wt%;T1:0.01 ~0.07wt%;Mo:0.15 ~0.35wt%;V:0.01 ~0.05wt%;N1:0 ~
0.25wt%;Nb:0 ~0.05wt%;B:0.001 ~0.005wt%;Y:0.002 ~0.01wt%;P:≤ 0.008wt%;S:≤ 0.004wt% ;余量為 Fe。
[0013]上述各化學元素的成分設(shè)計原理如下:
[0014]C:提高淬透性元素,能有效保證鋼的強度,但含量過高,將影響鋼的沖擊韌性和焊接性能,因此控制其含量為0.18~0.30wt%。
[0015]S1:固溶于鐵素體以提高鋼的強度,含量過高將影響鋼的延展性和沖擊韌性,因此控制其含量為0.20~0.35wt%o
[0016]Mn:提高鋼的淬透性元素,可溶于鐵素體起強化作用,但含量過高時偏析嚴重,有損套管的抗擠性能和抗腐蝕性能,因此控制其含量為0.90~1.30Wt%。
[0017]Cr:提高淬透性及強碳化物形成元素,回火時析出碳化物可以提高鋼的強度,但含量過高時會增大鋼的回火淬性,因此控制其含量為O~0.50wt%。
[0018]Mo:提高鋼的淬透性及回火穩(wěn)定性元素,鋼種添加一定量的Mo,有利于保持鋼的高強度和高韌性,且對抗腐蝕性能有利,但含量過高會降低鋼的韌性,并增加成本,因此控制其含量為0.15~0.35wt%o
[0019]Nb:主要通過元素固溶和Nb(CN)析出強化來細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性,提高強度,改善焊接性能,過高會增加成本,因此控制其含量為O~0.05wt%。
[0020]T1:強碳化物形成元素,形成的TiN、TiC在均熱和再加熱過程中均可阻止奧氏體晶粒長大,含量過高易形成粗大的TiN。因此控制其含量為0.01~0.07wt%。
[0021]V:碳氮化物在鐵素體中細小彌散析出,可以在回火的過程中進一步達到析出強化的效果,可以有效釘軋位錯的運動,阻礙滑移系的開動,提高套管抗擠性能。宜采用含量
0.01 ~0.05wt%。
[0022]N1:提高淬透性元素,可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性。還可以提高鋼的抗硫化氫性能,不僅能耐酸,而且能抗堿和大氣腐蝕。宜采用含量O~0.25wt%。
[0023]B:提高淬透性元素,可以和N生成BN,阻止奧氏體晶粒長大,但含量過高,容易沿晶界析出硼化物,降低材料的韌性以及抗硫化氫性能,宜采用含量0.001~0.005wt%。
[0024]Y:細化晶粒、強化晶界,延遲晶界上的裂紋擴展,提高抗晶間腐蝕性能。宜采用含量為 0.002 ~0.01wt%o
[0025]所述步驟(3)中鋼管焊接時,V型開口角設(shè)定為3~5°、擠壓量設(shè)定為0.3t~
0.6t、焊接速度設(shè)定為15~30m/min,焊后即時進行內(nèi)、外焊縫毛刺清除、焊縫碾壓及退火處理,退火溫度為850~1000° °C,改善焊縫區(qū)組織及尺寸精度。
[0026]所述步驟(5)采用中頻感應(yīng)加熱方式,將焊管以20~60°C /s的加熱速率快速升溫到管材Ac3溫度以上,然后以0.5~2.8m/s的速度進入熱張力減徑機組減徑到所需規(guī)格的管坯,焊縫區(qū)及母材晶粒發(fā)生`動`態(tài)再結(jié)晶,晶粒度達11級以上,管體組織均勻一致。
[0027]所述步驟(6)是采用淬火+高溫回火處理,淬火采用水淬工藝,淬火溫度為890~950°C,保溫時間為30~80min,淬火冷速為40~100°C /s ;回火溫度為590~700°C,回火保溫時間為50~120min。
[0028]所述步驟(7)中,熱定徑溫度> 550°C,熱矯直溫度> 500°C,控制套管的外徑不圓度< 0.3%,壁厚不均度< 2%。采用X射線應(yīng)力分析儀及切口法測得套管的殘余應(yīng)力均低于 80MPa。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有顯著進步,具體表現(xiàn)在:
[0030]I)管坯尺寸精度高:由于采用微合金化控軋控冷鋼板作原料,通過FFX成型和高頻電阻焊接,并對焊縫內(nèi)、外毛刺進行修整及碾壓,壁厚不均度< 2%,外徑不圓度
<0.3%。2)管體殘余應(yīng)力低:通過添加Cr、N1、Mo等元素提高管體高溫回火穩(wěn)定性,將回火溫度控制在590~700°C,套管殘余應(yīng)力< 80MPa。3)套管抗外壓擠毀強度高、沖擊韌性好、抗腐蝕性能好:采用微合金化控軋控冷+HFW焊接微合金+焊縫碾壓及退火處理+熱張力減徑+調(diào)質(zhì)處理,確保焊縫區(qū)與母材組織的均勻一致及高的強韌性,套管抗外壓擠毀強度超過API TR5C3標準50%以上,優(yōu)于同類無縫管及焊管產(chǎn)品。此外,較普通調(diào)質(zhì)焊接套管具有更好的抗H2S/C02/Cr腐蝕性能。4)生產(chǎn)成本低:采用微合金化控軋控冷及熱張力減徑工藝,可以將鋼板的壁厚偏差控制在-2% t~+2% t ;采用FFX成型及熱張力減徑工藝,可以將管坯的外徑偏差控制在-0.15% D~+0.15% D0相比同規(guī)格、同重量的無縫套管,SEW耐蝕高抗擠石油套管下井深度增加了 5%以上,無形中為用戶節(jié)約了 5%以上的采購成本。此外,SEff耐蝕高抗擠石油套管成材率也較無縫套管高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031 ] 圖1為HFW管坯熱張力減徑前焊縫區(qū)SEM形貌;
[0032]圖2為成品管焊縫區(qū)SEM形貌;
[0033]圖3_1為結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測試位置意圖,圖3-2為A-A面首I]視圖;
[0034]圖4為耐蝕高抗擠石油套管外表面殘余應(yīng)力分布圖;
[0035]圖5為耐蝕高抗擠石油套管內(nèi)表面殘余應(yīng)力分布圖;
[0036]圖6為耐蝕高抗擠石油套管電化學極化曲線圖;
[0037]圖7為耐蝕高抗擠石油套管垂直焊縫HIC腐蝕形貌(X 10);
[0038]圖8為耐蝕高抗擠石油套管垂直焊縫SSCC腐蝕形貌(X 10)。
【具體實施方式】:
[0039]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述:
[0040]I)參見圖1、2、3-1、3_2、4、5、6、7、8,本發(fā)明的實施例及對比例化學成分見表1。
[0041]表1實施例與對比例化學成分(wt % )
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種耐腐蝕高抗擠石油套管,其特征在于,該石油套管的化學成份的配比為:c:0.18 ~0.30wt % ;Si:0.20 ~0.35wt % ;Mn:0.90 ~1.30wt % ;Cr:0 ~0.50wt % ;Ti:0.01 ~0.07wt% ;Mo:0.15 ~0.35wt% ;V:0.01 ~0.05wt% ;N1:0 ~0.25wt% ;Nb:0 ~0.05wt% ;P..( 0.008wt% ;S..( 0.004wt% ;余量為 Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐腐蝕高抗擠石油套管,其特征在于所述組元中還加入了 B:0.001 ~0.005wt% ;Y:0.002 ~0.01wt%。
3.如權(quán)利要求1或2所述石油套管,其特征在于:所述石油套管的屈服強度:861~960MPa ;抗拉強度:≤935MPa ;抗擠強度:≤115MPa ;0°C沖擊功:≤100J ;殘余應(yīng)力:(80MPa。
4.一種耐蝕高抗擠石油套管的制備方法,其特征在于,按照如下步驟:(1)微合金化控軋控冷鋼板、(2)FFX成型、(3)高頻電阻焊接、(4)焊縫碾壓及退火處理、(5)熱張力減徑、(6)全管調(diào)質(zhì)處理、(7)熱定徑及熱矯直、(8)全管探傷。
5.如權(quán)利要求4所述的制備方法,其特征在于,所述步驟(1)是采用壁厚偏差在-2%t~+2% t的微合金化控軋控冷鋼板為原料,鋼板的化學成份如下:C:0.18~0.30wt% ;Si:0.20 ~0.35wt% ;Mn:0.90 ~1.30wt% ;Cr:0 ~0.50wt% ;T1:0.01 ~0.07wt% ;Μο:0.15 ~0.35wt% ;V:0.01 ~0.05wt% ;N1:0 ~0.25wt% ;Nb:0 ~0.05wt% ;B:0.001 ~0.005wt% ;Y:0.002 ~0.01wt% ;P..( 0.008wt% ;S..( 0.004wt% ;余量為 Fe。
6.如權(quán)利要求4或5所述的制備方法,其特征在于,所述步驟(3)中鋼管焊接時,V型開口角設(shè)定為3~5°、擠壓量設(shè)定為0.3t~0.6t、焊接速度設(shè)定為15~30m/min,焊后即時進行內(nèi)、外焊縫毛刺清除、焊縫碾壓及退火處理,退火溫度為850~1000° °C,使焊縫區(qū)與周邊平整。
7.如權(quán)利要求4或5所述的制備方法,其特征在于,所述步驟(5)采用中頻感應(yīng)加熱方式,將焊管以20~60°C /s的加熱速率快速升溫到管材的Ac3溫度以上,然后以0.5~2.8m/s的速度進入熱張力減徑機組減徑到所需規(guī)格的管坯,焊縫區(qū)及母材晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,晶粒度達11級以上,管體組織均勻一致。
8.如權(quán)利要求4或5所述的制備方法,其特征在于,所述步驟(6)是采用淬火+高溫回火處理,淬火采用水淬工藝,淬火溫度為890°C~950°C,保溫時間為30~80min,淬火冷速為40~100°C /s ;回火溫度為590~700°C,回火保溫時間為50~120min。
9.如權(quán)利要求4或5所述的制備方法,其特征在于,所述步驟(7)中,熱定徑溫度≤5500C ;熱矯直溫度≤500°C,控制套管的外徑不圓度< 0.3%,壁厚不均度< 2%。
【文檔編號】E21B17/01GK103695786SQ201310111616
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月1日
【發(fā)明者】畢宗岳, 王軍, 張峰, 張錦剛, 韋奉, 李周波, 趙坤, 何石磊, 王亮, 李遠征, 王濤, 蘇琬 申請人:寶雞石油鋼管有限責任公司