一种抗挤毁石油套管及其制造方法

专利名称：：一种抗挤毁石油套管及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及到一种石油天然气井石油套管，尤其是涉及一种优质超高抗挤毁石油套管及其制造方法。
背景技术：
：一般认为，把临界挤毁应力超过APIBul5C2规定值而达到某一最小值以上的套管称为超高抗挤套管。不同强度不同规格超高抗挤毁油套管的最小挤毁强度见表1所示。表1超高抗挤套管须达到的最小抗挤强度外径壁厚最小抗挤强度95TT110TT125TT139.727.7267.274.181.59,1785,597.6107.310.54103.1119.6132,912,09122.7144.8159.312.70140,0167,2183.41778.08.0541.743.846,89.1958.361.766.010.3672.480.786.311.5183.895.5102.112.6595.2110.0113.413.72105.8123,8132.821謹10.1644.146.511.4359.663,412.7071.780.014.1583.895.2244.4810.0333.133.134.811.0541.443.845.911.9951.053.855.213.8469.077.281.415.1178.6訓93.115.8884.195.8100.7339,7212.1921.721.721.713.0626.926.926.93这种套管是适用于深井、超深井等油气井完井作业不可缺少的专用管材，在下井及固井过程中，起着保护井眼、加固井璧、隔绝井下油、气、水层及封固各种复杂地层，保证钻进的作用。随着我国西部油井的井深增加，井压增大等开采难度的增加，油田对油井管的抗挤压性提出了更高的要求。从概念的提出到今天的工业化生产与应用，高抗挤套管的研究已有近百年的历史。在产品的研发与实践中，人们逐步认识到控制材质的屈服强度、残余应力、套管外径不圆度以及套管壁厚偏差等因素是提高套管抗挤毁性能的四大法宝。一般而言，套管的抗挤强度随着不圆度以及壁厚不均度的增加近似呈线性比例下降；经淬火回火后，套管表面拉压应力均在100MPa左右，而冷矫直改变了内外表面的残余应力的分布状态，致使内表为压应力，外表面为拉应力数值在±100±400之间变化，这种大的残余应力的存在将严重降低套管的抗挤强度，因此，为了尽可能消除残余应力的不利影响，应该在较高的温度下矫直；然而，套管的抗挤强度与屈服强度直接相关；对于同一钢级而言，在生产控制上取该钢级的上限。如110钢级，API标准规定的屈服强度为758-965MPa，在生产高抗挤套管时，屈服强度一般控制在860-965MPa。这样，为了获得较高的屈服强度，回火温度又不宜过高。中国专利CN1619005公开了一种高抗挤毁的石油天然气开采中深井、超深井石油套管及其生产方法。首先该专利所提供的石油套管为非API钢级，其次，所使用的钢的化学成分不含Ti、Nb、Al等元素，而这些元素可以通过细化奥氏体晶粒来提高材料的强韧性，由于该专利没有对合金的成分以及组织因素进行控制，因此不能满足油田超高抗挤毁的性能要求。相关高抗挤抗硫石油套管的日本专利JP63210236A指出，淬火、回火后200-500°C温矫直或冷矫直后再加热处理可以使钢管既保持高的抗挤强度又有较好的抗腐蚀性能。因为这样可以降低钢管的残余应力，因而对钢管的抗挤抗硫性能都有利。该专利所使用的钢种为添加了Nb的传统的CrMo钢，由于化学成分过于简单，没有对钢管的微观组织、几何尺寸以及残余应力进行严格的控制，钢管的抗挤性能远不能满足油田更高的需求。
发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种抗挤毁石油套管及其制造方法，以弥补现有技术的不足，满足油田对油井管提出的更高抗挤压性的需求。降低其冶金制造成本。本发明的构思根据材料学，提高材料的屈服强度自然是提高套管的抗挤强度。以110钢级不同壁厚的177.8套管为例，不难发现压溃失效形式主要为塑性挤毁或屈服挤毁。毫无疑问，不管是那种挤毁失稳模式，挤毁过程是一个塑性变形的过程。虽然尺寸因素和残余应力也影响这一过程，但从材料学上，可以通过织构与微观组织设计和控制来延缓这一过程而达到提高抗挤强度的目的。对于钢管生产而言，轧管是最关键的环节之一。对于轧制过程，人们往往联想到织构。织构是多晶体取向分布状态明显偏离随机分布的取向分布结构，它会导致钢板力学性能的各向异性。文献上査不到对钢管织构的研究，但人们对于热轧钢板织构的认识己经比较清楚。热轧钢板织构的形成过程可以根据终轧温度的范围分为四种基本的类型，即(I)奥氏体再结晶区终轧；(II)奥氏体非再结晶区终轧；(III)两相区(a+Y)终轧；(IV)铁素体区终轧。由于热轧织构的遗传性，经过后续热处理，最终形成的织构具有不同的特征。然而如果仅考虑织构对热轧钢板塑性变形的影响，最终热轧织构从最理想到最不理想的排列顺序为(111)[110]、(111)[112]、(554)[225]、(332)[113]、(223)[110]、(112)[110]、(113)[110]、(001)[110]、(110)。显而易见，在织构控制上如果获得(lll)织构无疑有利于提高套管的抗挤毁性能。轧管过程的变形方式可分为斜轧和纵轧。钢管斜轧过程存在主变形和附加变形，纵轧过程基本不具备产生附加变形的条件，可以近似认为只发生主变形。无论是斜轧穿孔还是斜轧延伸，由于附加变形的存在，使得总的当量变形明显加大。斜轧可以有效地改变钢中织构存在的形式。另外，斜轧穿孔时总当量变形是主变形当量变形的2倍，延伸时总当量变形是主变形当量变形的2,6倍。因此，斜轧的高应变量也将对套管的组织性能产生深远的影响。在套管尺寸因素确定的条件下提高材料的强韧性是提高套管抗挤毁性能的另一有效的途径。通过A1、Ti、Nb、V等微合金化可以提高材料的强韧性。由于这种成分与现有技术不同以致产生本发明如下的效果这些元素均能与钢中的C、N分别形成A1N、TiN、TiC、NbN、NbC、VN、VC碳氮化合物，这几种化合物形成温度依次降低，其中vc主要从铁素体中沉淀出来。这些化合物均为面心立方点阵，且点阵常数相近，可相互作用形成复杂的碳氮混合物，可以有效地细化奥氏体晶粒，阻止奥氏体再结晶、阻止y/ot相变和影响铁素体变形时晶粒的旋转等方面改变相变织构的强弱与类型。通过调质热处理后弥散析出细小的碳化物颗粒，可以有效地钉扎位错的运动，阻碍滑移系的开动，从而延缓压溃失稳的过程的发生，在微观结构上为实现超高抗挤性能提供了保障。因此，本发明的思路是通过斜轧制管工艺，进行织构与微观组织设计和控制，综合控制材料的化学成分与微观组织、回火温度与残余应力、以及钢管的壁厚均匀性与外径不圆度等各方面因素，达到生产优质超高抗挤毁套管的目的。本发明解决上述问题的技术方案为一种抗挤毁石油套管，其化学成分的重量百分配比为C:0.18-0,34%;Mn;0.2-1,5%;Si:0.20-0.50%;Cr:0-2.5%;Mo:0-0,8%;V:0.02-0.25%;Al:0,001-0.06%;Ti:0-0.05%;Nb:0.005-0.05%;Ni:0—0。5%;Cu:0-0,5%;Zr:0-0.05%;B:0-0,004%;P〈0.015%;S〈0.0腦;Ca<0.01%;余量为Fe和不可避免的杂质。C:为了减轻水淬开裂的敏感性，按重量百分比，C含量不宜大于0.34，但是C含量太低将有损材料的强度，宜采用含碳量0.18-0.34。Mn:主要溶于铁素体起强化作用，用来提高钢的淬透性，但含量太高时偏析严重，有损抗挤性能，按重量百分比，宜采用Mn含量为0.2-1.5。Si:固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时要损失塑性和韧性，按重量百分比，宜采用硅含量为0.2-0.5。V:钒的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，可以在回火的过程中进一步达到析出强化的效果，可以有效地钉扎位错的运动，阻碍滑移系的开动，延缓压溃失稳的过程。按重量百分比，宜采用含量0.02-0.25。Cr:强烈提高淬透性元素，强碳化物形成元素，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于延缓压溃失稳过程，但含量过高时析出粗大M23C6碳化物，丧失其有利效果，按重量百分比，宜采用含量0-2.5。Mo:提高淬透性元素，强碳化物形成元素，可以有效的提高钢的回火稳6定性，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于延缓压溃失稳过程，含量过高时析出大颗粒的Mo2C，按重量百分比，宜采用含量0-0.8。Cu:在室温基本不溶于d-Fe，而以e-Cu或a-Qi的形式析出，并可使钢得以强化，有利于延缓压溃失稳过程。按重量百分比，宜采用含量0-0.5。Ni:提高淬透性元素。可提高钢的强度而不显著降低其韧性,提高钢的低温韧性,消除铜脆现象。按重量百分比，宜采用含量0-0.5。Al:传统脱氧固氮元素，形成A1N可以细化奥氏体晶粒，有利于延缓压溃失稳过程，按重量百分比，宜采用含量0.001-0.06。Ti;强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC在均热和再加热过程中均可以阻止奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒的同时改变再结晶与相变织构类型与强弱，有利于提高抗挤性能；若含量太高，易形成粗大的TiN。按重量百分比，宜采用含量0-0.05。Nb:热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒的同时改变再结晶与相变织构类型与强弱，在随后的冷却及热轧过程中，Nb(C、N)粒子弥散析出，又能起到析出强化的作用。在再加热过程中，可以阻碍奥氏体晶粒长大，有利于提高抗挤性能，按重量百分比，宜采用含量0,005-0.05。Zr:强碳氮化物形成元素，可以有效的净化钢液，提高材料的韧性，有利于提高抗挤性能，宜采用含量0-0.05。B:传统提高合金淬透性元素，可以和N生成BN，若含量过高，沿晶界析出硼化物，降低材料的韧性以及抗挤性能，宜采用含量0-0.004。Ca:可净化钢液，促使MnS球化，提高材料的抗挤性能，但含量过高时易形成粗大非金属夹杂物，宜采用含量0-0.01,钙硫含量的比值Ca/S〉1。所述的一种抗挤毁石油套管的制造方法，包括以下步骤1)按照本发明的化学成份配比，钢水经炉外精炼和真空脱气后，合金熔炼后，连铸成圆坯；2)圆坯在环形炉内以1220-1260°C均热并穿孔，穿孔温度为1200-1240。C;3)斜轧轧管温度1050-1150°C，并经过平整机以930-1000。C温度平整，再经定径机以850-950。C温度定径，采用斜轧工艺轧管，经过平整机和定径机获得优良的尺寸精度；4)轧管后空冷、锯切；套管为贝氏体组织，获得钢管的不圆度小于O.4%、壁厚不均率小于12%;5)轧管进行调质处理，再加热温度为880-930°C，保温20-90min水淬；6)高温回火，温度为650-710°C，保温时间30-120min，热定径，热矫直，套管不圆度小于0.4%，经过650。C以上的温度高温回火获得目标的力学性能，再进行定径和矫直，热定径温度550-650°C，热矫直温度大于500°C，确保获得低的残余应力；7)探伤，切口法测定的整管残余应力小于200MPa。优选地，所述步骤(1)中，钢水经炉外精炼和真空脱气后，可以经过Ca处理。本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果1.本发明突破近百年来超高抗挤套管的设计理念，通过织构与微观组织设计与控制，从延缓压溃失稳的过程出发，充分利用了合金元素的作用，获得纳米级析出相颗粒以及管壁切向方向(111)织构形成的骨架结构，从而生产出性能优良的超高抗挤套管；2.本发明钢种可以在650°C以上的高温回火获得目标的力学性能，保证套管具有低的残余应力。通过控制外径不圆度和壁厚不均率等尺寸精度因素确保超高抗挤套管的抗挤能力；3.本发明合金含量低，钢管成本不高，具有重大的经济和社会效益。图la套管切向织构测量取样位置示意图。图lb斜轧制管热处理后套管(111)织构图。图lc纵轧制管热处理后套管(111)，(112和001混合)织构图。图2a基体析出(Cr，Fe)23C6、Mo2C和(VNbTi)(CN)及纳米颗粒图。图2b基体上析出针状VsC7纳米析出物的取向关系图。具体实施例方式一种抗挤毁石油套管，其化学成分的重量百分配比为C:0.18-0.34%;8Mn:0,2-1.5%;Si:0.20-0.50%;Cr:0-2.5%;Mo:0-0.8%;V:0.02-0.25%;Al:0,001-0.06%;Ti:0-0.05%;Nb:0.005-0.05%;Ni:0-0.5%;CU:0-0.5%;Zr:0-0.05%;B:0-0.0040%;P<0.015%;S〈0.010%;Ca〈0,01%;余量为Fe和不可避免的杂质。表2国内外类似产品的的成份与本发明所用成份的对比(wt.%)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2示出了本发明与现有技术的成分对比。两者有很大的不同。一种抗挤毁石油套管的制造方法，包括以下步骤铸成圆坯；圆坯在环形炉内均热并穿孔；斜轧轧管；平整，定径；轧管后空冷、锯切；轧管进行调质处理，水淬；高温回火，热定径，热矫直；探伤。通过斜轧制管及后续热加工，提供一种优质超高抗挤毁石油套管，其抗挤性能均高于同类产品给定抗挤值10%以上。这种优质超高抗挤套管除了具备一般超高抗挤套管高的尺寸精度(外径不圆度和壁厚不均率)和低的残余应力的特点外，还有如下特点。其一，套管切向平面主要为(111)织构；其二，基体上大量分布直径200nm以下不同粒度的碳化物颗粒以及沿着基体<100>、禾口<110>定向析出的纳米颗粒；其三，所述套管化学成分中含有Ti、Nb、V百分配比。经处理后，所获得的套管组织结构特征如下一是套管切向平面(111)织构，取样位置和织构特征(见图la);主要织构为U11)〈112〉和、或{111}<110>，取向密度3-5级，主要为(lll)织构(见图lb)。该织构在套管切向方向上形成一种骨架结构，可以提高套管的抗挤强度。为了便于比较，测量同规格纵轧钢管的织构(见图lc)，织构为{111}<110〉、{112}<110>以及{001}<110>的混合织构，取向密度3-4级，两者存在显著的差异。很明显通过斜轧，消除了混合织构，获得了有利于提高抗挤能力的(111)织构，显而易见，这对于提高套管的抗挤性能是有好处的。二是基体上大量分布直径200nm以下不同粒度的碳化物颗粒以及沿着基体<100>、和<110>定向析出的纳米颗粒。钢中主要有三种碳化物，较大的面心立方结构的M23C6为(Cr，Fe)23C6主要沿原马氏体板条界面断续分布，颗粒直径小于200nm;短杆状六方结构的M2C为Mo2C碳化物，沿着一定的方向在晶内分布，颗粒直径约50-100nm;还有存在大量的细小的碳氮化物颗粒即(V,Nb，Ti)(C，N)，直径10nm以下(图2a)。这些颗粒可以有效地达到析出强化的效果。在基体上存在非常细小的针状析出物，宽度只有2nm左右，为V8C7，与基体保持一定的取向关系(图2b)。针状V8C7的长轴可以沿着基体〈100xx，-Fe、禾tkllO〉a，-Fe的方向析出。通过调质热处理后弥散析出细小的碳化物颗粒以及定向析出的纳米颗粒，可以有效地钉扎位错的运动，阻碍滑移系的开动,延缓压溃失稳的过程的发生，从而有效地提高套管的抗挤强度。通过不同的热处理工艺，使力学性能符合API标准95(屈服强度654-758MPa，抗拉强度〉724MPa)、110(屈服强度758-965MPa，抗拉强度〉861MPa)、125(屈服强度861-1034MPa,抗拉强度〉930MPa)等钢级的要求;套管外径不圆度小于0.4%，壁厚不均率小于12%;残余应力小于200MPa;—般的超高抗挤套管达到的最小压溃强度见表5,所述的优质超高抗挤毁石油套管其抗挤性能均高于同类产品给定抗挤值10%以上。实施例1-8本发明的实施例1-8各化学成分的重量百分配比见表3。表3实施例与对比例化学成分(wt.%)CMnSiPsCrMoVTiNbCuNiAlCaBZr实施例10,271.170.270.009o細0.10.090扁0.001实施例20.281.500.300細0扁0.20.180.020.010.040.004实施例30.251.200.350扁o細0.200.10.250.020.060.05实施例40.240.200.250.012o週0.510.70.070.050.020.003实施例50.340.400.200.013o馬2.50.80.130.040.020遍0.009实施例60.180.490.290.011o扁0.970.60.100.050,040.0310.0050.0030实施例70.250.910.500.0130.0031.10.360.020.030.040.500.500.0270.004实施例80.270.390.260.0070.0030.50.430.120.020.040.0230.008对比例90.270.390.260.0070.0030.50.430.120.020.040.0230細对比例100.330.660.330細0駕1.10.210.04在本发明中，生产API标准110钢级①177.8X9.19规格的超高抗挤毁石油套管，可以采用如表3所示的不同实施例的化学成份质量百分配比。本发明实施例1-8的管坯制管工艺见表4，热处理工艺、钢管尺寸以及力学性能见表5。表4制管工艺制度序号加热温度oc穿孔温度轧管温度平整温度定径温度实施例1122012001050930850实施例2122012001050930850实施例3124012201100960■实施例4124012201100960900实施例5124012201100960900实施例61260124011501000950实施例71260124011501000950实施例8124012401150謂950实施例8126012401150100095011<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>按照表3所示的化学成分进行电炉熔炼，钢水经炉外精炼和真空脱气后,可经过Ca处理。连铸成圆坯，在1220-1260。C环形炉内均热，穿孔温度1200-1240。C，在1050-1150。C斜轧轧管，930-1000°C平整，850_950°C三辊定径，具体工艺见表4。轧后空冷、锯切，套管为贝氏体组织。调质处理再加热温度为880930°C水淬，于650°C以上不同温度回火、热定径、热矫直之后探伤，钢管外径不圆度小于0.4%。可以得到如表5所示的力学性能。所获得的套管力学性能符合API标准95，110,125等钢级的要求，所获得的套管壁厚不均率均小于12%，套管不圆度小于0.4%,切口法测定的整管残余应力均小于200MPa。经上述处理后，所述的超抗挤毁低合金石油套管其抗挤性能均比一般超高抗挤套管给定压溃值高10%以上。表3中对比例9和实施例8为相同化学成分，而采取轧制方式不同实施例8采用斜轧制管工艺，获得了套管切向平面的(111)织构(见图lb)，有效地增强了套管的抗挤强度；对比例9采取纵轧制管工艺，套管切向平面的织构呈多元化(见图lc)，压溃强度达不到超高抗挤套管的性能要求；表3中对比例10为一般的32CrMo4钢，由于没有经过Ti、Nb、V微合金化，没有纳米颗粒沿着基体的方向析出，虽然经过斜轧制管，抗挤性能达不到超高抗挤套管的性能要求。表5实施例与对比例热处理工艺和力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>权利要求1.一种抗挤毁石油套管，其特征在于化学成分的重量百分配比为C0.18-0.34％；Mn0.2-1.5％；Si0.20-0.50％；Cr0-2.5％；Mo0-0.8％；V0.02-0.25％；Al0.001-0.06％；Ti0-0.05％；Nb0.005-0.05％；Ni0-0.5％；Cu0-0.5％；Zr0-0.05％；B0-0.004％；P<0.015％；S<0.010％；Ca<0.01％；余量为Fe和不可避免的杂质。2.如权利要求1所述的抗挤毁石油套管，其特征在于Ca/S>l。3.—种抗挤毁石油套管的制造方法，其特征在于包含以下步骤(1)按照如下的的化学成份重量百分配比配制C:0,18-0,34%;Mn:0.2-1,5%;Si:0.20-0,50%;Cr:0-2,5%;Mo:0-0,8%;V:0.02-0,25%;Ah0.001-0.06%;Ti:0-0.05%;Nb:0.005-0.05%;Ni:0-0,5%;Cu:0—0.5%;Zr:0—0.05%;B:0—0。004%;P<0,015%;S<0。010%;Ca〈0.01%;余量为Fe和不可避免的杂质，钢水经炉外精炼和真空脱气后，合金熔炼后，连铸成圆坯；(2)圆坯在环形炉内以1220-1260°C均热并穿孔，穿孔温度为1200-1240。C;(3)斜轧轧管温度1050-1150。C,并经过平整机以930-1000。C温度平整，再经定径机以850-950。C温度定径，套管壁厚不均率均小于12%;(4)轧管后空冷、锯切；(5)轧管进行调质处理，再加热温度为880-930°C，保温20-90min水淬；(6)高温回火，温度为650-710°C，保温时间30-120min，热定径温度550-650°C，热矫直温度大于500°C，套管不圆度小于0.4%;(7)探伤。4.如权利要求2所述的一种抗挤毁石油套管的制造方法，其特征在于所述步骤(1)中，钢水经炉外精炼和真空脱气后，经过Ca处理，Ca/S〉l。全文摘要本发明公开了一种抗挤毁石油套管及其制造方法，其化学成分的重量百分配比为C0.18-0.34％；Mn0.2-1.5％；Si0.20-0.50％；Cr0-2.5％；Mo0-0.8％；V0.02-0.25％；Al0.001-0.06％；Ti0-0.05％；Nb0.005-0.05％；Ni0-0.5％；Cu0-0.5％；Zr0-0.05％；B0-0.004％；P＜0.015％；S＜0.010％；Ca＜0.01％；余量为Fe和不可避免的杂质。其制造方法包含如下步骤1)连铸成圆坯；2)圆坯在环形炉内以均热并穿孔；3)斜轧轧管，平整、定径；4)轧管后空冷、锯切；5)调质处理，水淬；6)高温回火，热定径，热矫直，7)探伤。上述配比和方法通过织构与微观组织设计与控制，获得超高抗挤能力、性能优良的抗挤套管。文档编号B21B37/74GK101532113SQ20081003447公开日2009年9月16日申请日期2008年3月11日优先权日2008年3月11日发明者田青超,董晓明申请人:宝山钢铁股份有限公司