专利名称：一种耐高温油井管用钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种石油天然气井油井管用钢，特别是涉及一种使用温度达500°C的 经济型火烧油田用耐高温油井管及其制造方法。
背景技术：
稠油在世界油气资源中占有较大的比例。我国稠油资源丰富，辽河油田、克拉玛依 油田、胜利油田及大港油田等油区是我国主要的稠油开发区，稠油开采的潜力很大。在稠油 的开采过程中，为了使油层温度升高，降低稠油粘度，使稠油易于流动，从而将稠油采出，存 在蒸汽吞吐、蒸汽驱、热水驱、火烧油层等热力采油的方法。其中，火烧油层火驱采油是燃烧 地层的一部分原油以提高稠油采收率的最具潜力的热采技术之一。火驱采油过程涉及到相 邻的两口井，其中注气井将空气或氧气注入地层点火使原油燃烧，采油井将火烧后可开采 的原油采出。火驱原油过程是多种机制综合起作用的结果，如热裂解、混相驱动、气驱、岩石 及油层流体的热膨胀作用、地下流体的重力分离作用、蒸汽导致油层岩石相对渗透率及毛 细力的变化等。在火烧原油过程中，高温火焰和套管以及油管接触传热，钢管的温度可高达 500 70(TC。高温不仅会使材料软化，而且还会使钢管氧化减薄；燃烧加热过程、停烧以及 采油过程中的冷却不仅会使套管受到非常大的拉-压应力，而原油燃烧所产生的大量的二 氧化碳会使钢管产生二氧化碳腐蚀。现有的耐高温油套管产品主要以普碳钢、CrMo钢或含W的CrMo钢为主，如公开号 为CN1873041A的中国专利申请公开了一种耐高温隔热油管用钢及其制造方法，其化学成 分为C :0. 05 0. 25%，Si :0. 1 0. 6%，Mn :0. 1 1. 0%，Cr :0. 5 2. 0%，V < 0. 05%， Al < 0. 05%,Nb < 0. 05%,Mo :0. 1 1. 0%,ff :0. 1 1. 0%。这种油管用钢的化学成分较 为简单，可含的V含量较低，这种钢适用于在350°C以下使用的较低钢级的耐高温油套管产 品，如API标准的N80钢级的套管产品。然而，这些产品400°C以上的耐高温氧化、持久性能 很差，并且，由于Cr含量低，材料的抗二氧化碳腐蚀能力也不能满足用户的使用要求。公开 号为CN1401809A的中国专利申请公开了一种抗二氧化碳腐蚀的低合金油套管，其化学成 分为 C 0. 01 0. 3%, Si 0. 14 1. 0%,Mn :0. 1 2. 0%,Cr :0. 5 5· 0%,A1 :0. 005 0. l%,Mo :0. 01 1. 0%,ff 0 1. 0%,Cu :0. 05 2. 0%,Ni :0. 05 1. 0%。所用合金中 含有Cu、Ni，而不含Nb、V等合金元素，耐高温氧化性能较差。公开号为CN1904120的中国专 利申请公开了一种高温抗腐蚀隔热油管用钢，其化学成分为C 0. 01 0. 15%，Si 0. 1 0. 5%，Mn :0· 4 1. 0%，Cr :0· 5 3. 0%，Mo :0. 1 1. 0%，W :0. 1 1. 0%，Cu :0. 1 1.0%，Ni :0. 1 1.0%。该合金同样不含Nb、V等合金元素，耐高温氧化性能较差。上述 产品的生产方法均采用了调质热处理工艺。
发明内容
鉴于火烧油田对耐高温油井管的新要求，本发明的目的在于提供一种使用温度范围为室温至500°C的耐高温石油用管及其生产方法，以满足火驱采油对油井管提出的耐高 温、耐腐蚀的性能需求。为了实现上述目的，本发明提供一种抗挤毁耐高温油井管用钢，其化学成分的质 量百分比为C :0. 02 0. 31%;Si :0. 15 0. 68%;Mn :0. 2 1. 48%;Cr :2. 0 4. 0%;V 0. 05 0. 20%;Ti :0. 001 0. 05%;Nb :0. 001 0. 05%;A1 :0. 001 0. 07%;Mo :0. 05 0. 9% ；W 0. 2 1. 75% ；N :0. 002 0. 05% ；Ca :0. 001 0. 008% ；余量为 Fe 和不可避免
的杂质。为了进一步提高耐磨性，本发明钢的一个优选成分为高碳低氮系列，其化学成分 的质量百分比为C 0. 18 ~ 0. 31 % ；Si 0. 15 ~ 0. 68 % ；Mn :0. 2 1. 48 % ；Cr :2. 0 4. 0% ；V 0. 05 0. 10% ；Ti 0. 001 0. 05% ；Nb 0. 001 0. 05% ；Al 0. 001 0. 07% ； Mo 0. 05 0. 45% ；W 0. 2 0. 6% ；N :0. 002 0. 008% ；Ca :0. 001 0. 008% ；余量为 Fe 和不可避免的杂质。为了进一步提高高温性能，本发明钢的另一个优选成分为高氮低碳系列，其化学 成分的质量百分比为c :0. 02 0. 15% ；Si 0. 15 0. 68% ；Mn :0. 2 1. 48% ；Cr :2. 0 4. 0% ；V 0. 07 0. 20% ；Ti 0. 001 0. 05% ；Nb 0. 001 0. 05% ；Al 0. 001 0. 07% ； Mo 0. 05 0. 9% ；W 1. 2 1. 75% ；N :0. 015 0. 05% ；Ca :0. 001 0. 008% ；余量为 Fe 和不可避免的杂质。以下是本发明的油井管用钢的各化学成分的作用及其具体说明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. 31%，但是C含 量太低将有损材料的强度，所以宜采用含碳量0. 02 0. 31%。Si 固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时会损失塑性和韧性，按重量百分 比，宜采用硅含量为0. 15 0. 68%。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， 按重量百分比，宜采用Mn含量为0.2 1.48%。Cr 能够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，有利于提高材料的高温强度、耐氧化性能和抗二氧化碳腐蚀性能，但含量过高时析出粗 大M23C6碳化物，丧失其有利效果且成本增加，按重量百分比，宜采用含量2. 0 4. 0%。V:强碳氮化物形成元素，钒的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，可以在回火过 程中进一步达到析出强化的效果，可以有效地提高材料的高温强度和持久强度。按重量百 分比，宜采用含量0. 05 0. 2%。Ti 强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC，从而在均热和再加热过程中可以阻止奥 氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒，有利于提高材料的高温强度和持久强度；若含量太高，易 形成粗大的TiN。按重量百分比，宜采用含量0.001 0.05%。Nb:强碳氮化物形成元素，可以细化晶粒及具有析出强化的作用，有利于提高材料 的高温强度和持久强度，按重量百分比，宜采用含量0. 001 0. 05%。Al 传统脱氧固氮元素，形成A1N，可以细化奥氏体晶粒，有利于提高材料的高温 强度和持久强度，按重量百分比，宜采用含量0. 001 0. 07%。Mo 强碳化物形成元素，可以有效地提高钢的回火稳定性，回火时析出碳化物提高 钢的强度，有利于提高材料的高温强度和持久强度，含量高时成本过高，按重量百分比，宜采用含量0. 05 0. 9%。W:强碳化物形成元素，有利于提高材料的高温强度和持久强度，含量高时成本过 高，按重量百分比，宜采用含量0.2 1.75%。N:使Ti、Nb、V合金形成稳定的氮化物，可以有效的提高钢的耐高温软化性能， 提高材料的高温强度和持久强度，含量高时热开裂倾向增大，按重量百分比，宜采用含量 20 500ppm。Ca 可以净化钢液，促使MnS球化，提高材料的抗挤性能，但含量过高时易形成粗 大的非金属夹杂物，宜采用含量0. 001 0. 008%，同时钙硫含量的比值Ca/S > 1。本发明的石油套管的制造方法如下按照本发明的化学成分的钢水经过熔炼后， 连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成圆坯。热轧后获得的无缝钢管，可采用两种热处理工艺 生产，一种为淬火和回火工艺，水淬，淬火温度880 960°C，淬火时间30 90分钟；高温 回火，回火温度620 710°C，回火保温时间30 90分钟；另一种为正火和回火工艺，正火 温度880 1100°C，正火时间10 60分钟；高温回火，回火温度620 710°C，回火保温 时间30 90分钟。然后热定径、热矫直，热矫直温度大于450°C。按照本发明的成分设计及其工艺得到的油井管用钢制成的耐高温套管不仅具有 优异的高温拉伸性能，能有效地抵抗外部环境不确定因素引起的短时高温过载，提高套管 的使用性能；而且拥有优良的高温持久性能，能有效抵御长时间高温条件下因材料蠕变而 导致的套损现象，如脱扣、断裂等；不仅具有优良的抗高温氧化性能，能有效减缓因氧化减 薄导致的套管承载能力下降的问题，还具有优良的抗CO2腐蚀能力，可以很好地满足火烧油 田采油用管苛刻环境的要求。
具体实施例方式以下通过具体实施例对本发明进行较为详细的说明。按照表1所示的不同实施例的化学成份质量百分比制备本发明若干油井管。其制 造方法如下按照本发明的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方坯后轧制成 圆坯。热轧后获得的无缝钢管，可采用两种热处理工艺生产，一种为淬火和回火工艺，水淬， 淬火温度880 960°C，淬火时间30 90分钟；高温回火，回火温度620 710°C，回 火保温时间30 90分钟；另一种为正火和回火工艺，正火温度880 1100°C，正火时间 10 60分钟；高温回火，回火温度620 710°C，回火保温时间30 90分钟。然后热定 径、热矫直，热矫直温度大于450°C。通过不同的热处理工艺，使屈服强度在室温至高温500°C的使用温度范围内都符 合API标准同一钢级，例如80级(552 758MPa)或110级(758 965MPa)钢的要求。实施例1具有表1中实施例1所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方 坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8Χ9. 19mm套管。然后，再进行正火和回火工艺。淬火工艺采用水淬，淬火温度920°C，淬火时间 40分钟；进行高温回火，回火温度640°C，回火保温时间60分钟。得到屈服强度在室温至 高温500°C的使用温度范围内符合API标准110钢级(758 965MPa)要求的钢，如表2所不。进行正火和回火工艺。正火温度1000°C，正火时间60分钟；进行高温回火，回火 温度650°C，回火保温时间60分钟。得到屈服强度在室温至高温500°C的使用温度范围内 符合API标准110钢级(758 965MPa)要求的钢，如表2所示。实施例2具有表1中实施例2所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方 坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8Χ9. 19mm套管。然后，再进行正火和回火工艺，淬火工艺采用水淬，淬火温度900°C，淬火时间 60分钟；进行高温回火，回火温度700°C，回火保温时间90分钟。得到屈服强度在室温至 高温500°C的使用温度范围内符合API标准80钢级(552 758MPa)要求的钢，如表2所
7J\ ο或者进行正火和回火工艺时，正火温度1100°C，正火时间30分钟；进行高温回 火，回火温度710°C，回火保温时间90分钟。得到屈服强度在室温至高温500°C的使用温 度范围内符合API标准80钢级(552 758MPa)要求的钢，如表2所示。实施例3具有表1中实施例3所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方 坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8Χ9. 19mm套管。再进行淬火和回火工艺，淬火工艺采用水淬，淬火温度890°C，淬火时间45分 钟；进行高温回火，回火温度630°C，回火保温时间30分钟。得到屈服强度在室温至高温 500°C的使用温度范围内符合API标准110钢级(758 965MPa)要求的钢，如表2所示。实施例4具有表1中实施例4所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方 坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8Χ9. 19mm套管。然后，再进行正火和回火工艺，淬火工艺采用水淬，淬火温度880°C，淬火时间 45分钟；进行高温回火，回火温度650°C，回火保温时间60分钟。得到屈服强度在室温至 高温500°C的使用温度范围内符合API标准80钢级(552 758MPa)要求的钢，如表2所
7J\ ο或者进行正火和回火工艺时，正火温度1100°C，正火时间60分钟；进行高温回 火，回火温度640°C，回火保温时间90分钟。得到屈服强度在室温至高温500°C的使用温 度范围内符合API标准80钢级(552 758MPa)要求的钢，如表2所示。实施例5具有表1中实施例5所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方 坯后轧制成圆坯，热轧后获得无缝钢管Φ177.8Χ9. 19mm套管。再进行淬火和回火工艺，淬火工艺采用水淬，淬火温度960°C，淬火时间60分 钟；进行高温回火，回火温度620°C，回火保温时间60分钟。得到在室温至高温500°C的使 用温度范围内符合API标准110钢级(758 965MPa)要求的屈服强度的钢，如表2所示。或者进行正火和回火工艺时，正火温度1000°C，正火时间90分钟；进行高温回 火，回火温度680°C，回火保温时间30分钟。得到在室温至高温500°C的使用温度范围内 符合API标准80钢级(552 758MPa)要求的屈服强度的钢，如表2所示。
实施例6具有表1中实施例6所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方 坯后轧制成圆坯，热轧后获得的无缝钢管Φ177.8Χ9. 19mm套管，进行正火和回火工艺时， 正火温度900°C，正火时间90分钟；进行高温回火，回火温度620°C，回火保温时间90分 钟。得到在室温至高温500°C的使用温度范围内符合API标准80钢级(552 758MPa)要 求的屈服强度的钢，如表2所示。对比例1具有表1中对比例1所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成 方坯后轧制成圆坯，热轧后获得的无缝钢管Φ177.8Χ9. 19mm套管，进行淬火和回火工艺， 淬火温度920°C，淬火时间30分钟；进行高温回火，回火温度685°C，回火保温时间60分 钟。得到的钢，室温力学性能为80钢级，但高温下力学性能为55钢级，比80钢级低一个钢 级，如表2所示。对比例2具有表1中对比例2所示的化学成分的钢水经过熔炼后，连铸成圆坯，或浇铸成方 坯后轧制成圆坯，热轧后获得的无缝钢管Φ177.8Χ9. 19mm套管，进行正火和回火工艺，正 火温度1000°C，正火时间30分钟；进行高温回火，回火温度650°C，回火保温时间60分 钟。得到的钢，室温力学性能为80钢级，但高温下力学性能为55钢级，比80钢级低一个钢 级，如表2所示。表1实施例与对比例化学成分(wt. % )
权利要求
1. 一种耐高温油井管用钢，其化学成分按重量百分比计为C 0. 02 0. 31% ;Si :0. 15 0. 68% ；Mn :0. 2 1. 48% ；Cr :2. 0 4. 0% ；V :0. 05 0. 20% ；Ti 0. 001 0. 05% ；Nb 0. 001 0. 05% ；Al 0. 001 0. 07% ；Mo 0. 05 0. 9% ； W :0. 2 1. 75% ；N 0. 002 0. 05% ；Ca :0. 001 0. 008% ；余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的耐高温油井管用钢，其特征在于，C0. 18 0. 31 % ;N :0. 002 0. 008%。
3.如权利要求1所述的耐高温油井管用钢，其特征在于，C0. 02 0. 15% ；N :0. 015 0. 05%。
4.一种耐高温油井管，其化学成分按重量百分比计为C 0. 02 0. 31% ;Si :0. 15 0. 68% ；Mn :0. 2 1. 48% ；Cr :2. 0 4. 0% ；V :0. 05 0. 20% ；Ti 0. 001 0. 05% ；Nb 0. 001 0. 05% ；Al 0. 001 0. 07% ；Mo 0. 05 0. 9% ； W :0. 2 1. 75% ；N 0. 002 0. 05% ；Ca :0. 001 0. 008% ；余量为Fe和不可避免的杂质。
5.如权利要求4所述的耐高温油井管，其特征在于，C0. 18 0. 31 % ；N :0. 002 0. 008%。
6.如权利要求4所述的耐高温油井管，其特征在于，C:0. 02 0.15% ；N :0. 015 0. 05%。
7.如权利要求4 6所述的耐高温油井管的制造方法，包括如下步骤将所述化学成分经过冶炼、连铸及轧制得到的无缝钢管进行淬火回火工艺，其中，淬火 温度是880 960°C，淬火时间为30 90分钟，回火温度为620 710°C，回火保温时间为 30 90分钟。
8.如权利要求7所述的耐高温油井管的制造方法，包括如下步骤将所述化学成分经 过冶炼、连铸及轧制得到的无缝钢管进行正火回火工艺，其中，正火温度为880 1100°C， 正火时间为10 60分钟，回火温度为620 710°C，回火保温时间为30 90分钟。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，还包括热矫直，热矫直温度大于450°C。
全文摘要
一种耐高温油井管用钢，其化学成分按重量百分比计为C0.02～0.31％；Si0.15～0.68％；Mn0.2～1.48％；Cr2.0～4.0％；V0.05～0.20％；Ti0.001～0.05％；Nb0.001～0.05％；Al0.001～0.07％；Mo0.05～0.9％；W0.2～1.755；N0.002～0.05％；Ca0.001～0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。耐高温油井管的制造包括将经过冶炼、连铸及轧制得到的无缝钢管进行淬火回火工艺或正火回火工艺；进行淬火回火工艺时，淬火温度是880～960℃，淬火时间为30～90分钟，回火温度为620～710℃，回火保温时间为30～90分钟；进行正火回火工艺时，正火温度为880～1100℃，正火时间为10～60分钟，回火温度为620～710℃，回火保温时间为30～90分钟。这样得到的油井管具有优异的高温拉伸性能、高温持久性能、高温氧化性能和优良的抗CO2腐蚀能力，可以很好地满足火烧油田采油用管苛刻环境的要求。
文档编号E21B17/00GK102071361SQ20091019916
公开日2011年5月25日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者丁维军, 岳磊, 李铮, 田青超, 董晓明, 蔡志鸿, 黄子阳 申请人:上海宝钢商贸有限公司, 宝山钢铁股份有限公司