专利名称：石油套管用钢、石油套管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种超高强度高韧性石油套管及其制造方法，具体地说，涉及I60ksi 以上超高强度高韧性石油套管及其制造方法。
背景技术：
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、加固井壁、隔绝井下油、气、水层及封固各种复杂地层，保证钻进的作用。未来10年，西部油田将是中国石油开发的重点之一。西部油田资源埋藏极深，地层复杂，通常为数千米，目前最深井已经超过8000m。随着钻井技术的进步，钻压、转速显著提高，强化钻井工艺越来越普及，热采、注水、出砂等生产作业工况也日益苛刻，所需套管强度显著提高。受到套管性能和井深结构等的限制，套管的设计和选择面临着很大的难题，如果选材错误，将会造成严重的事故。深井、超深井套管的选择要考虑抗拉、抗压、抗外挤、整体密封性、温度、腐蚀、磨损、接箍强度等多种因素，是一项复杂的系统工程。一般说来，钢级越高，高强度套管对表面缺陷越为敏感。随着钢级的增高，材料的屈服强度增大，材料的硬度相应变高而韧性逐渐下降，材料对表面缺陷的敏感程度增大，加上高钢级套管生产过程中带来的缺陷，是高钢级套管潜在的危险点。过去曾发生过高钢级套管因冲击韧性差而失效导致弃井的例子，如柯深-1井中150钢级套管的螺旋状破裂直接经济损失上亿元，据检测当时此钢级套管韧性较低，大约为20J左右。在高强度条件下，高韧性可以确保管体在高应力场中抵抗裂纹失稳扩展，对微细缺陷具有包容能力，从而具有更高的安全可靠性。所以超高钢级套管的设计需要兼顾到强度和韧性，在满足高强度的同时尽可能提高韧性指标，提高生产使用安全性。JP 11-131189A提出在400-750°C范围内加热，然后在20%或60%变形量以上的范围内进行轧制，生产出屈服强度950Mpa以上、具有良好韧性的钢管产品。此种工艺由于加热温度较低，轧制难度较大，难以大批量工业化生产，同时轧制温度较低，易产生马氏体组织，这是石油管产品所不允许出现的组织。JP2000-256783公开了 140ksi以上具有良好韧性和抗硫化氢应力腐蚀开裂性能的石油套管生产方法，这种方法主要采用Ac3以上两次淬火后再进行一次回火的热处理工艺或者两次调质的工艺生产出晶粒度细小的套管产品。但此专利涉及的套管产品强度较低，难以在达到I60ksi以上钢级的同时具有良好韧性和抗硫性能。JP04059941A指出通过热处理工艺来控制钢基体中残余奥氏体(20% -45% )和上贝氏体的比例，抗拉强度可以达到120-160ksi。此专利提到的设计成分特点是高碳和高硅， 此两种成分可以显著提高强度但显著降低韧性，同时残余奥氏体会在石油管使用过程中发生组织发生转变(深井油井管使用温度120°C以上)，提高强度同时降低韧性。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高强度高韧性石油套管用钢、石油套管及其制造方法，尤其是一种ieoksi以上超高强度高韧性石油套管及其制造方法，以满足油田对油井管提出的较高强韧性配合需求。本发明的思路是通过优化设计合金成分、较低的夹杂物含量并采用特定热处理工艺获得均勻细化的晶粒组织，可以同时提高套管的强度和韧性。在成分设计上添加优化后的合金含量，通过所加合金的固溶强化和析出强化保证材料的强韧化配合；在材料强韧化机理中细晶强化是唯一能够同时提高强度和韧性的强化方法，所以通过特定的热处理工艺来获得细小的晶粒来提高强韧性，并且工艺简单、成本低同时易于在大生产实施。为实现上述目的，本发明所提供的石油套管用钢，其成分质量百分比含量为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%，余量为!^e和不可避免的杂质。C :C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会显著降低钢的焊接性能，本发明中控制C为0. 25-0. 35%。Si =Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，不宜过高，太高会使加工和韧性恶化， 低于0. 效果不明显，本发明中控制Si为0. 1-0.6%，优选为0. 20-0. 35%。Mn :Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0.8%时作用不明显， 含量大于1. 5%时，将显著增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均勻性和冲击性能，本发明中控制Mn为0. 8-1.5%。Mo:主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性，含量过高会降低钢的韧性，本发明中控制Mo为1-1. 5%。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， 但含量过高时析出粗大M23C6碳化物，降低韧性，本发明中宜采用含量1-1. 5%。V :V能够细化晶粒，形成碳化物，能显著提高钢的强度，但含量达到一定量时，其效果增加便不明显，本发明中控制V为0. 05-0. 12%。Nb :Nb是细晶和析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，含量小于0. 02%时作用不明显，因其价格昂贵，所以要限制使用量，本发明中控制Nb为 0. 02-0. 04%。Ti =Ti是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，若含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能，本发明中适宜控制Ti的重量百分比含量为0.01-0. 04%。Al 传统脱氧固氮元素，可细化晶粒，考虑降低韧性，含量不宜过高，按重量百分比，宜采用含量0.01-0. 08%。P、S:P和S是钢中的有害杂质元素，含量过高会钢的韧性，因此应尽量降低钢中的 P、S含量。本发明中控制P彡0.015%, S彡0.003%。Ca 可以净化钢液，促使MnS球化，提高冲击韧性，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物，本发明中控制Ca为0. 0005-0. 005%。此外，本发明还提供了上述石油套管用钢的一种制造方法，包括冶炼、轧制、热处理。本发明的超高强度高韧性石油套管的生产方法，包括以下步骤
首先钢水经炉外精炼和真空脱气后，可以经过Ca处理。合金熔炼后，连铸成圆坯， 在1220-U60°C加热炉内均热，穿孔温度1200-1240°C，终轧温度900°C _950°C。热处理工艺奥氏体化温度为880-930°C保温30_60min，出炉后空冷至830°C _850°C水淬，于 580-620°C高温回火，保温时间40-80min，550-620°C热定径，热矫直温度大于500°C，优选为 500-550 0C ο与现有石油套管用钢相比，本发明具有以下有益效果根据本发明的成分设计和工艺制造的石油套管用钢，其能够用于制造160ksi以上钢级具有良好强韧性配合的石油套管；根据本发明的成分设计和制造工艺制造的石油套管用钢经过特定热处理工艺，能够细化晶粒，同时提高强度和韧性，冲击韧性可达到70J以上。本发明的石油套管用钢符合160ksi以上钢级要求，可以广泛用于石油开采；本发明所设计的材料合金成本低，强度高韧性好，能够代替低强度厚壁管，节能减排，具有良好的经济效益，同时热处理工艺简单，易于大生产实施。
图1是实施例5-1钢的晶粒度金相照片。图2是实施例5-2钢的晶粒度金相照片。
具体实施例方式按照表1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1240°C环形炉内均热，穿孔温度1220°C ；终轧温度900°C。调质处理奥氏体化温度为880-930°C，出炉空冷至表2所列温度后水淬，于表2所列温度回火，可得到如表2所示的力学性能。经上述处理后，所述的超高强度高韧性石油套管强度达到160ksi和170ksi以上， 冲击韧性超过70J以上。对实施例5进行不同热处理工艺试验，采用常规调质热处理所得到的套管冲击功 (实施例5-2)低于上述空冷后淬火的套管(实施例5-1)，在相同强度下冲击功大约低30J， 图1和图2分别为实施例5-1和5-2的晶粒度金相照片，图1晶粒度评级为11级，而图2 晶粒度评级为9级。对比例6化学成分高于本发明所要求的范围，热处理之后强度较高，但是冲击功很低；对比例7合金含量低于本专利要求范围，强度不足，冲击韧性较好。表1本发明实施例及对比例的化学成分，Wt %
权利要求
1.一种石油套管用钢，其按重量百分比的化学成分为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%, 余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的石油套管用钢，其特征在于，Si0. 20-0. 35%。
3.如权利要求1或2所述的石油套管用钢的制造方法，包括钢水冶炼后，经炉外精炼和真空脱气后，经过Ca处理；连铸成圆坯，在1220-U60°C加热炉内均热，穿孔温度1200-1M0°C，终轧温度900°C -950°C。
4.一种石油套管的制造方法，包括将权利要求3的钢管在奥氏体化温度880-930 V保温30-60min，出炉后空冷至 8300C _850°C水淬，于580-620°C高温回火，保温时间40_80min。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述钢管在进行调质热处理后，在 550-620°C热定径，热矫直温度大于500°C。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，热矫直温度为500-550°C。
7.如权利要求3所述的方法制造的石油套管用钢，其达到160ksi钢级以上。
8.如权利要求4-6任一所述的方法制造的石油套管，其达到160ksi钢级以上。
9.如权利要求8所述的石油套管，其特征在于，所述石油套管的冲击韧性为70J以上。
全文摘要
本发明涉及一种石油套管用钢，其按重量百分比的化学成分为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％，余量为Fe和不可避免的杂质。上述成分经冶炼、连铸、穿孔和热轧得到的钢管在奥氏体化温度880-930℃保温30-60min，出炉后空冷至830℃-850℃水淬，于580-620℃高温回火，保温时间40-80min，得到的石油套管可达到160ksi钢级以上，其冲击功为70J以上，具有高强度和高韧性。
文档编号C21D8/10GK102409241SQ201010292768
公开日2012年4月11日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者田青超, 董晓明 申请人:宝山钢铁股份有限公司