專利名稱：石油套管用鋼、石油套管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超高強(qiáng)度高韌性石油套管及其制造方法，具體地說(shuō)，涉及I60ksi 以上超高強(qiáng)度高韌性石油套管及其制造方法。
背景技術(shù)：
套管是適用于深井、超深井等油氣井完井作業(yè)不可缺少的專用管材，在下井及固井過(guò)程中，起著保護(hù)井眼、加固井壁、隔絕井下油、氣、水層及封固各種復(fù)雜地層，保證鉆進(jìn)的作用。未來(lái)10年，西部油田將是中國(guó)石油開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)之一。西部油田資源埋藏極深，地層復(fù)雜，通常為數(shù)千米，目前最深井已經(jīng)超過(guò)8000m。隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步，鉆壓、轉(zhuǎn)速顯著提高，強(qiáng)化鉆井工藝越來(lái)越普及，熱采、注水、出砂等生產(chǎn)作業(yè)工況也日益苛刻，所需套管強(qiáng)度顯著提高。受到套管性能和井深結(jié)構(gòu)等的限制，套管的設(shè)計(jì)和選擇面臨著很大的難題，如果選材錯(cuò)誤，將會(huì)造成嚴(yán)重的事故。深井、超深井套管的選擇要考慮抗拉、抗壓、抗外擠、整體密封性、溫度、腐蝕、磨損、接箍強(qiáng)度等多種因素，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。一般說(shuō)來(lái)，鋼級(jí)越高，高強(qiáng)度套管對(duì)表面缺陷越為敏感。隨著鋼級(jí)的增高，材料的屈服強(qiáng)度增大，材料的硬度相應(yīng)變高而韌性逐漸下降，材料對(duì)表面缺陷的敏感程度增大，加上高鋼級(jí)套管生產(chǎn)過(guò)程中帶來(lái)的缺陷，是高鋼級(jí)套管潛在的危險(xiǎn)點(diǎn)。過(guò)去曾發(fā)生過(guò)高鋼級(jí)套管因沖擊韌性差而失效導(dǎo)致棄井的例子，如柯深-1井中150鋼級(jí)套管的螺旋狀破裂直接經(jīng)濟(jì)損失上億元，據(jù)檢測(cè)當(dāng)時(shí)此鋼級(jí)套管韌性較低，大約為20J左右。在高強(qiáng)度條件下，高韌性可以確保管體在高應(yīng)力場(chǎng)中抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，對(duì)微細(xì)缺陷具有包容能力，從而具有更高的安全可靠性。所以超高鋼級(jí)套管的設(shè)計(jì)需要兼顧到強(qiáng)度和韌性，在滿足高強(qiáng)度的同時(shí)盡可能提高韌性指標(biāo)，提高生產(chǎn)使用安全性。JP 11-131189A提出在400-750°C范圍內(nèi)加熱，然后在20%或60%變形量以上的范圍內(nèi)進(jìn)行軋制，生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度950Mpa以上、具有良好韌性的鋼管產(chǎn)品。此種工藝由于加熱溫度較低，軋制難度較大，難以大批量工業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)軋制溫度較低，易產(chǎn)生馬氏體組織，這是石油管產(chǎn)品所不允許出現(xiàn)的組織。JP2000-256783公開(kāi)了 140ksi以上具有良好韌性和抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能的石油套管生產(chǎn)方法，這種方法主要采用Ac3以上兩次淬火后再進(jìn)行一次回火的熱處理工藝或者兩次調(diào)質(zhì)的工藝生產(chǎn)出晶粒度細(xì)小的套管產(chǎn)品。但此專利涉及的套管產(chǎn)品強(qiáng)度較低，難以在達(dá)到I60ksi以上鋼級(jí)的同時(shí)具有良好韌性和抗硫性能。JP04059941A指出通過(guò)熱處理工藝來(lái)控制鋼基體中殘余奧氏體(20% -45% )和上貝氏體的比例，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到120-160ksi。此專利提到的設(shè)計(jì)成分特點(diǎn)是高碳和高硅， 此兩種成分可以顯著提高強(qiáng)度但顯著降低韌性，同時(shí)殘余奧氏體會(huì)在石油管使用過(guò)程中發(fā)生組織發(fā)生轉(zhuǎn)變(深井油井管使用溫度120°C以上)，提高強(qiáng)度同時(shí)降低韌性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超高強(qiáng)度高韌性石油套管用鋼、石油套管及其制造方法，尤其是一種ieoksi以上超高強(qiáng)度高韌性石油套管及其制造方法，以滿足油田對(duì)油井管提出的較高強(qiáng)韌性配合需求。本發(fā)明的思路是通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)合金成分、較低的夾雜物含量并采用特定熱處理工藝獲得均勻細(xì)化的晶粒組織，可以同時(shí)提高套管的強(qiáng)度和韌性。在成分設(shè)計(jì)上添加優(yōu)化后的合金含量，通過(guò)所加合金的固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化保證材料的強(qiáng)韌化配合；在材料強(qiáng)韌化機(jī)理中細(xì)晶強(qiáng)化是唯一能夠同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性的強(qiáng)化方法，所以通過(guò)特定的熱處理工藝來(lái)獲得細(xì)小的晶粒來(lái)提高強(qiáng)韌性，并且工藝簡(jiǎn)單、成本低同時(shí)易于在大生產(chǎn)實(shí)施。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的石油套管用鋼，其成分質(zhì)量百分比含量為C: 0. 25-0. 35%, Si :0. 1-0. 6%, Mn :0. 8-1. 5%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 003%, Cr 1-1. 5%, Mo 1-1. 5%, V 0. 05-0. 12%, Nb :0. 02-0. 04%, Ti :0. 01-0. 04%, Al :0. 01-0. 08 %, Ca 0. 0005-0. 005%，余量為!^e和不可避免的雜質(zhì)。C :C為碳化物形成元素，可以提高鋼的強(qiáng)度，太低時(shí)效果不明顯，太高時(shí)會(huì)顯著降低鋼的焊接性能，本發(fā)明中控制C為0. 25-0. 35%。Si =Si固溶于鐵素體以提高鋼的屈服強(qiáng)度，不宜過(guò)高，太高會(huì)使加工和韌性惡化， 低于0. 效果不明顯，本發(fā)明中控制Si為0. 1-0.6%，優(yōu)選為0. 20-0. 35%。Mn :Mn為奧氏體形成元素，可以提高鋼的淬透性，含量小于0.8%時(shí)作用不明顯， 含量大于1. 5%時(shí)，將顯著增加鋼中的組織偏析，影響熱軋組織的均勻性和沖擊性能，本發(fā)明中控制Mn為0. 8-1.5%。Mo:主要是通過(guò)碳化物及固溶強(qiáng)化形式來(lái)提高鋼的強(qiáng)度及回火穩(wěn)定性，含量過(guò)高會(huì)降低鋼的韌性，本發(fā)明中控制Mo為1-1. 5%。Cr 強(qiáng)烈提高淬透性元素，強(qiáng)碳化物形成元素，回火時(shí)析出碳化物提高鋼的強(qiáng)度， 但含量過(guò)高時(shí)析出粗大M23C6碳化物，降低韌性，本發(fā)明中宜采用含量1-1. 5%。V :V能夠細(xì)化晶粒，形成碳化物，能顯著提高鋼的強(qiáng)度，但含量達(dá)到一定量時(shí)，其效果增加便不明顯，本發(fā)明中控制V為0. 05-0. 12%。Nb :Nb是細(xì)晶和析出強(qiáng)化元素，可彌補(bǔ)因碳降低而引起的強(qiáng)度的下降，含量小于0. 02%時(shí)作用不明顯，因其價(jià)格昂貴，所以要限制使用量，本發(fā)明中控制Nb為 0. 02-0. 04%。Ti =Ti是強(qiáng)碳氮化物形成元素，顯著細(xì)化奧氏體晶粒，可彌補(bǔ)因碳降低而引起的強(qiáng)度的下降，若含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能，本發(fā)明中適宜控制Ti的重量百分比含量為0.01-0. 04%。Al 傳統(tǒng)脫氧固氮元素，可細(xì)化晶粒，考慮降低韌性，含量不宜過(guò)高，按重量百分比，宜采用含量0.01-0. 08%。P、S:P和S是鋼中的有害雜質(zhì)元素，含量過(guò)高會(huì)鋼的韌性，因此應(yīng)盡量降低鋼中的 P、S含量。本發(fā)明中控制P彡0.015%, S彡0.003%。Ca 可以凈化鋼液，促使MnS球化，提高沖擊韌性，但含量過(guò)高時(shí)易形成粗大的非金屬夾雜物，本發(fā)明中控制Ca為0. 0005-0. 005%。此外，本發(fā)明還提供了上述石油套管用鋼的一種制造方法，包括冶煉、軋制、熱處理。本發(fā)明的超高強(qiáng)度高韌性石油套管的生產(chǎn)方法，包括以下步驟
首先鋼水經(jīng)爐外精煉和真空脫氣后，可以經(jīng)過(guò)Ca處理。合金熔煉后，連鑄成圓坯， 在1220-U60°C加熱爐內(nèi)均熱，穿孔溫度1200-1240°C，終軋溫度900°C _950°C。熱處理工藝奧氏體化溫度為880-930°C保溫30_60min，出爐后空冷至830°C _850°C水淬，于 580-620°C高溫回火，保溫時(shí)間40-80min，550-620°C熱定徑，熱矯直溫度大于500°C，優(yōu)選為 500-550 0C ο與現(xiàn)有石油套管用鋼相比，本發(fā)明具有以下有益效果根據(jù)本發(fā)明的成分設(shè)計(jì)和工藝制造的石油套管用鋼，其能夠用于制造160ksi以上鋼級(jí)具有良好強(qiáng)韌性配合的石油套管；根據(jù)本發(fā)明的成分設(shè)計(jì)和制造工藝制造的石油套管用鋼經(jīng)過(guò)特定熱處理工藝，能夠細(xì)化晶粒，同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性，沖擊韌性可達(dá)到70J以上。本發(fā)明的石油套管用鋼符合160ksi以上鋼級(jí)要求，可以廣泛用于石油開(kāi)采；本發(fā)明所設(shè)計(jì)的材料合金成本低，強(qiáng)度高韌性好，能夠代替低強(qiáng)度厚壁管，節(jié)能減排，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)熱處理工藝簡(jiǎn)單，易于大生產(chǎn)實(shí)施。


圖1是實(shí)施例5-1鋼的晶粒度金相照片。圖2是實(shí)施例5-2鋼的晶粒度金相照片。
具體實(shí)施例方式按照表1所示的化學(xué)成分進(jìn)行電爐熔煉，鋼水經(jīng)爐外精煉和真空脫氣后，可經(jīng)過(guò) Ca處理。連鑄成圓坯，在1240°C環(huán)形爐內(nèi)均熱，穿孔溫度1220°C ；終軋溫度900°C。調(diào)質(zhì)處理奧氏體化溫度為880-930°C，出爐空冷至表2所列溫度后水淬，于表2所列溫度回火，可得到如表2所示的力學(xué)性能。經(jīng)上述處理后，所述的超高強(qiáng)度高韌性石油套管強(qiáng)度達(dá)到160ksi和170ksi以上， 沖擊韌性超過(guò)70J以上。對(duì)實(shí)施例5進(jìn)行不同熱處理工藝試驗(yàn)，采用常規(guī)調(diào)質(zhì)熱處理所得到的套管沖擊功 (實(shí)施例5-2)低于上述空冷后淬火的套管(實(shí)施例5-1)，在相同強(qiáng)度下沖擊功大約低30J， 圖1和圖2分別為實(shí)施例5-1和5-2的晶粒度金相照片，圖1晶粒度評(píng)級(jí)為11級(jí)，而圖2 晶粒度評(píng)級(jí)為9級(jí)。對(duì)比例6化學(xué)成分高于本發(fā)明所要求的范圍，熱處理之后強(qiáng)度較高，但是沖擊功很低；對(duì)比例7合金含量低于本專利要求范圍，強(qiáng)度不足，沖擊韌性較好。表1本發(fā)明實(shí)施例及對(duì)比例的化學(xué)成分，Wt %
權(quán)利要求
1.一種石油套管用鋼，其按重量百分比的化學(xué)成分為C :0. 25-0. 35 %, Si 0. 1-0. 6 Mn 0. 8-1. 5 %, P ^ 0. 015 %, S ^ 0. 003 %, Cr :1_1· 5 Mo :1_1· 5 V 0. 05-0. 12%, Nb 0. 02-0. 04%, Ti :0.01-0. 04%, Al :0.01-0. 08%, Ca :0. 0005-0. 005%, 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的石油套管用鋼，其特征在于，Si0. 20-0. 35%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的石油套管用鋼的制造方法，包括鋼水冶煉后，經(jīng)爐外精煉和真空脫氣后，經(jīng)過(guò)Ca處理；連鑄成圓坯，在1220-U60°C加熱爐內(nèi)均熱，穿孔溫度1200-1M0°C，終軋溫度900°C -950°C。
4.一種石油套管的制造方法，包括將權(quán)利要求3的鋼管在奧氏體化溫度880-930 V保溫30-60min，出爐后空冷至 8300C _850°C水淬，于580-620°C高溫回火，保溫時(shí)間40_80min。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述鋼管在進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理后，在 550-620°C熱定徑，熱矯直溫度大于500°C。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，熱矯直溫度為500-550°C。
7.如權(quán)利要求3所述的方法制造的石油套管用鋼，其達(dá)到160ksi鋼級(jí)以上。
8.如權(quán)利要求4-6任一所述的方法制造的石油套管，其達(dá)到160ksi鋼級(jí)以上。
9.如權(quán)利要求8所述的石油套管，其特征在于，所述石油套管的沖擊韌性為70J以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石油套管用鋼，其按重量百分比的化學(xué)成分為C0.25-0.35％、Si0.1-0.6％、Mn0.8-1.5％、P≤0.015％、S≤0.003％、Cr1-1.5％、Mo1-1.5％、V0.05-0.12％、Nb0.02-0.04％、Ti0.01-0.04％、Al0.01-0.08％、Ca0.0005-0.005％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。上述成分經(jīng)冶煉、連鑄、穿孔和熱軋得到的鋼管在奧氏體化溫度880-930℃保溫30-60min，出爐后空冷至830℃-850℃水淬，于580-620℃高溫回火，保溫時(shí)間40-80min，得到的石油套管可達(dá)到160ksi鋼級(jí)以上，其沖擊功為70J以上，具有高強(qiáng)度和高韌性。
文檔編號(hào)C21D8/10GK102409241SQ201010292768
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者田青超, 董曉明 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司