一种耐高温热采井用油井管及其制造方法转让专利
申请号 : CN201610196966.6
文献号 : CN107287499B
文献日 : 2019-05-31
发明人 : 解德刚 , 王长顺 , 陈勇 , 赵波 , 陈克东 , 李道刚 , 李应雄
申请人 : 鞍钢股份有限公司
摘要 :
本发明公开一种耐高温热采井用油井管及其制造方法，钢中化学成分按重量百分比为：C 0.36％～0.60％、Si 0.46％～0.70％、Mn1.60％～1.80％、P≤0.025％、S≤0.015％、Cr 1.6％～1.8％、Nb0.01％～0.03％、Ti 0.01％～0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。圆坯的加热温度1240～1300℃、制管温度1050～1150℃，成型后的钢管采用等温淬火热处理，成型后的钢管在980～1000℃的温度范围保温4～15s，迅速进行冷速大于130℃/s的冷却，冷至200～300℃温度范围进行恒温20～40min，之后冷却至室温，制造的耐高温热采井用油井管具有优良的耐高温蠕变及抗强度衰减性能。
权利要求 :
1.一种耐高温热采井用油井管的制造方法，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比为：C 0.49％～0.60％、Si 0.46％～0.70％、Mn 1.60％～1.75％、P≤0.025％、S≤
0.015％、Cr 1.6％～1.8％、Nb 0.01％～0.03％、Ti 0.01％～0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质；
钢管的生产工艺为：转炉冶炼+圆坯制造+无缝制管+热处理工艺，圆坯的加热温度1240～1300℃、制管温度1050～1150℃，成型后的钢管采用等温淬火热处理，在980～1000℃的温度范围保温4～15s，迅速进行冷速大于130℃/s的冷却，冷至200～300℃温度范围进行恒温20～40min，之后冷却至室温。
说明书 :
一种耐高温热采井用油井管及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明属于低合金钢制造技术领域，主要涉及一种在400℃甚至更高温度环境下使用的性能优异的热采井用油井管及其制造方法。
背景技术
[0002] 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。20世纪80年代初，我国的稠油资源才开始得到工业性开发，至2002年产量达1300万吨，占全国原油产量的8％。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。
[0003] “十二五”期间，新疆、胜利、吉林和辽河等油田的稠油热采井进一步扩大了开采规模，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，主要表现为管材的作业温度由传统的300℃、350℃提高到目前的400℃甚至更高温度，有的油田区块还要求管材的强度级别由80ksi、90ksi提高到110ksi、125ksi甚至更高，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。
[0004] 公开号为CN1288071A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，其化学成分为C 0.20％～0.33％，Si 0.23％～0.34％，Mn0.80％～1.40％，Cr 0.60％～1.40％，Mo 0.10％～
0.26％，0＜Ni≤0.30％，0＜Cu≤0.30％，P≤0.15％，S≤0.12％。其制造方法为：以废钢和海绵铁为原料，采用电弧炉炼钢，经炉外精练和脱气后，将钢水连铸成圆坯，然后进行热轧制成无缝钢管，并对钢管实施850～950℃淬火，550～650℃回火的调质热处理，最终完成石油套管的制造。依该方案制造的石油套管具备一定的耐热性能，可以满足早期的300℃温度条件的热采吞吐蒸汽井使用，其不足之处是该设计产品的常温屈服强度仅能保证不低于
690MPa，即100ksi，由于该产品在高温作业时强度要发生较明显的衰减，其实际使用条件下的屈服强度也仅能是不低于80ksi而已，只能满足早期浅井和作业温度不太高的情形下使用，不能满足更高温度环境下及更高屈服强度下限的最新使用要求。
0.26％，0＜Ni≤0.30％，0＜Cu≤0.30％，P≤0.15％，S≤0.12％。其制造方法为：以废钢和海绵铁为原料，采用电弧炉炼钢，经炉外精练和脱气后，将钢水连铸成圆坯，然后进行热轧制成无缝钢管，并对钢管实施850～950℃淬火，550～650℃回火的调质热处理，最终完成石油套管的制造。依该方案制造的石油套管具备一定的耐热性能，可以满足早期的300℃温度条件的热采吞吐蒸汽井使用，其不足之处是该设计产品的常温屈服强度仅能保证不低于
690MPa，即100ksi，由于该产品在高温作业时强度要发生较明显的衰减，其实际使用条件下的屈服强度也仅能是不低于80ksi而已，只能满足早期浅井和作业温度不太高的情形下使用，不能满足更高温度环境下及更高屈服强度下限的最新使用要求。
[0005] 公开号为CN101748330A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，其化学成分如下：C 0.20％～0.30％，Si 0.10％～0.30％，Mn0.40％～1.00％，Cr 0.50％～1.50％，W 0.10％～0.50％，V或Al0.01％～0.35％。限定钢中杂质总量低于0.05％。其制造方法为：冶炼、浇铸、热轧制成无缝钢管，并对钢管实施820～920℃保温30～60min水淬，580～720℃回火30～90min的调质热处理。依该方案制造的石油套管具备一定的耐热性能，可以满足前期的350℃温度条件的热采井使用，其不足之处是该设计产品在400℃高温环境下的屈服强度只能达到不低于600MPa，也就是说，在400℃高温环境的热采井中只能作为80ksi钢级油井管使用，应用局限性较大，由于实际使用温度下钢管的强度级别已经降到很低，抵抗外部挤毁、错断的能力也大大降低，因此，不能满足油田日益增长的对热采井管材的耐热性能和强度性能的要求。
[0006] 本发明提供的一种在400℃甚至更高温度环境下使用的性能优异的热采井用油井管，其技术特点是在400℃甚至更高温度下经过衰减的屈服强度仍能达到758MPa以上，即达到110ksi，大大高于80ksi钢级，其不但可以应用于浅井和作业温度不太高的油井中具有更好的使用性能，关键是还可以应用于更深的油井或对使用强度提出更高要求的油井中。
发明内容
[0007] 针对现有技术中存在的不足，本发明提供的一种在400℃或更高温度环境下使用的性能优异的热采井用油井管及其制造方法，以满足当下及未来市场对高耐热性能油井管的使用要求。
[0008] 本发明人通过大量的试验研究发现，油井管耐高温条件下的强度衰减性能除与化学成分有关外，还与制造工艺有关，其本质上是钢的强化机制及晶粒细化程度在起决定作用。本发明采用高C、低Cr、无Mo、W的成分设计路线，实施无缝制管+特殊的热处理工艺，最终获得在400℃或更高温度环境下使用的性能优异的热采井用油井管。
[0009] 本发明的总体技术方案是：采用高C高Mn钢为基础，添加Cr、Ti、Nb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。钢的合金成分设计，按重量百分比为：C 0.36％～0.60％、Si 0.46％～0.70％、Mn 1.60％～1.80％、P≤0.025％、S≤0.015％、Cr1.6％～1.8％、Nb 0.01％～0.03％、Ti 0.01％～0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0010] 各主要元素的作用及设计理由如下：
[0011] 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，为达到本发明的目的，限定C含量范围为0.36％～0.60％。
[0012] Si：一方面起脱氧作用，另一方面可以提高钢的弹性极限，改善钢的抗高温蠕变性能，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0.46％～0.70％。
[0013] Mn：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，综合考虑，本发明限定Mn的含量范围1.60％～1.80％。
[0014] 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1.6％～1.8％。
[0015] 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0.01％～0.03％。
[0016] Ti：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0.01％～0.03％。
[0017] P、S：为钢中主要的有害元素，降低钢的韧性及综合力学性能，一般希望含量越低越好，但会增加成本，综合考虑，本发明限定P≤0.025％、S≤0.015％。
[0018] 本发明耐高温热采井用油井管的制造方法是：将上述化学成分的钢经过转炉冶炼+圆坯制造+无缝制管+特殊的热处理工艺。
[0019] 采用热轧工艺制造圆坯及钢管，选取合适的加热温度1240～1300℃、制管温度1050～1150℃，根据产品性能的需要还可对以上参数范围进一步优化缩小，即加热温度
1260～1280℃、制管温度1080～1100℃；通过特殊的热处理工艺，使钢管的组织、晶粒和碳化物得到精细与均匀化。
1260～1280℃、制管温度1080～1100℃；通过特殊的热处理工艺，使钢管的组织、晶粒和碳化物得到精细与均匀化。
[0020] 本发明钢管的热处理工艺如下：成型后的钢管在980～1000℃的温度范围保温4～15s，迅速进行冷速大于130℃/s的冷却，冷至200～300℃温度范围进行恒温20～40min，之后冷却至室温。
[0021] 在本发明的生产工艺中：
[0022] 选取较高的加热温度、制管温度，可以将C、Si、Mn、Cr、Nb、V充分溶解于奥氏体中，为后续的弥散析出提供保证，并使得钢管变形更为流畅，减少变形阻力，利于工业制造的顺利进行。因此，本发明将圆坯的加热温度规定为1240～1300℃，制管温度规定为1050～1150℃。
[0023] 成型后钢管温度及保温时间的选择是为了使奥氏体充分均匀化，并避免先共析组织的析出，影响产品整体性能，同时，使奥氏体具有较好的淬透性，便于与后续热处理工艺相结合产生所要达到的技术效果。因此，本发明将成型后钢管温度及保温时间分别规定为980～1000℃和4～15s。
[0024] 成型后钢管进行快速冷却及进行恒温保温很重要，冷速太慢，难以保证过冷奥氏体在到达恒温温度前的稳定性，产生不希望得到的F、P类组织，故本发明将冷却速度限定为130℃/s以上。
[0025] 恒温保温的温度限定在200～300℃温度范围，可以使奥氏体全部转变为下贝氏体，为本发明达到所需要的技术效果起到了最终的保证。
[0026] 所得到的产品具有如下性能特征。
[0027] 耐高温性能：400℃瞬时拉伸屈服强度≥862MPa；经过510h的400℃、400MPa恒载荷拉伸蠕变试验后的持久屈服强度≥810MPa。
[0028] 常温力学性能：屈服强度：＞900MPa；0℃V型缺口试样夏比冲击功：≥80J。
[0029] 有益效果：
[0030] 1、本发明不添加W、Co，Mo等昂贵金属，采用高C高Mn复合添加Cr、Nb、Ti实施集约的合金化设计，制造400℃或更高温度环境下使用的热采井用油井管，解决热采井用油井管管材耐400℃或更高温度环境下强度热损失失效的技术难题，且合金成本适中，属于热采井用油井管成分设计的首创。
[0031] 2、采用转炉炼钢制坯+无缝钢管成型及特殊的热处理工艺路线，期间控制钢管的成型后温度在980～1000℃之间，并实施快速冷却，限制合金碳化物的析出，使产品在高温下使用时发挥提高回火抗力的作用。
[0032] 3、优先采用非离线的特殊热处理工艺，即采用在线快冷等温组织转变的工艺生产耐高温热采油井管，产品耐高温蠕变及抗强度衰减性能优异，400℃瞬时拉伸屈服强度≥862MPa；经过510h的400℃、400MPa恒载荷拉伸蠕变试验后的持久屈服强度≥810MPa。
[0033] 4、优先采用在线感应加热补温、均温，为本产品获得优异的综合性能提供优良的组织保证。
[0034] 5、产品能满足当下及未来市场对高耐热性热采油井管的使用要求。
[0035] 6、较适中的合金成本，较低的热处理能耗，并缩短生产交货周期，产品更具市场竞争力。
具体实施方式
[0036] 本发明涉及的技术问题采用下述技术方案解决：一种耐高温热采井用油井管及其制造方法，其化学成分质量分数为：C 0.36％～0.60％、Si 0.46％～0.70％、Mn 1.60％～1.80％、P≤0.025％、S≤0.015％、Cr1.6％～1.8％、Nb 0.01％～0.03％、Ti 0.01％～
0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。加热温度1240～1300℃、制管温度1050～1150℃，成型后的钢管采用等温淬火热处理，在980～1000℃的温度范围保温4～15s，迅速进行冷速大于130℃/s的冷却，冷至200～300℃温度范围进行恒温20～40min，之后冷却至室温。
0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。加热温度1240～1300℃、制管温度1050～1150℃，成型后的钢管采用等温淬火热处理，在980～1000℃的温度范围保温4～15s，迅速进行冷速大于130℃/s的冷却，冷至200～300℃温度范围进行恒温20～40min，之后冷却至室温。
[0037] 以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。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-无缝制管及特殊热处理，热处理优先采用在线方式，并采用感应均热。实施例的制管及热处理具体工艺制度见表2，表3为实施例钢的主要力学性能。
[0038] 表1实施例的化学成分(质量分数，％)
[0039]实施例 C Si Mn P S Cr Nb Ti
例1 0.36 0.70 1.80 0.015 0.01 1.80 0.029 0.013
例2 0.40 0.52 1.70 0.018 0.011 1.72 0.021 0.014
例3 0.49 0.46 1.70 0.010 0.008 1.77 0.025 0.017
例4 0.60 0.63 1.60 0.013 0.012 1.65 0.014 0.028
例5 0.53 0.60 1.80 0.014 0.013 1.71 0.017 0.023
例6 0.57 0.57 1.70 0.012 0.01 1.60 0.012 0.02
例7 0.38 0.65 1.75 0.016 0.009 1.74 0.030 0.010
例8 0.40 0.54 1.65 0.011 0.007 1.63 0.010 0.030
例1 0.36 0.70 1.80 0.015 0.01 1.80 0.029 0.013
例2 0.40 0.52 1.70 0.018 0.011 1.72 0.021 0.014
例3 0.49 0.46 1.70 0.010 0.008 1.77 0.025 0.017
例4 0.60 0.63 1.60 0.013 0.012 1.65 0.014 0.028
例5 0.53 0.60 1.80 0.014 0.013 1.71 0.017 0.023
例6 0.57 0.57 1.70 0.012 0.01 1.60 0.012 0.02
例7 0.38 0.65 1.75 0.016 0.009 1.74 0.030 0.010
例8 0.40 0.54 1.65 0.011 0.007 1.63 0.010 0.030
[0040] 注：余量为Fe及不可避免的微量杂质。
[0041] 表2实施例的关键工艺制度
[0042]
[0043] 表3实施例钢管的主要性能结果
[0044]
[0045] 根据以上结果可以得出，本发明提供的耐高温热采井用油井管其常温屈服强度为905～1027MPa，抗拉强度1000～1191MPa，0℃V型缺口试样夏比冲击功为80～150J，400℃瞬时拉伸屈服强度为862～926MPa，400℃、510h持久屈服强度为810～842MPa，具有优良的耐高温蠕变及抗强度衰减性能。