专利名称：一种超高强度石油套管用钢、石油套管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种石油套管及其制造方法，尤其涉及一种屈服强度在IlSOMPa以上(170ksi以上)的超高强度石油套管用钢，以及抗挤毁的石油套管管柱及其制造方法。
背景技术：
中原油田有着特殊的地质条件，多数油井需穿过泥盐、盐膏等地层。由于盐层井段很不稳定，具有塑性蠕动性，对钻井施工和完井后的套管都有很大的危害。一般而言，石油套管所受外挤力和最大应力随盐层厚度、深度的增大而增大。盐膏层溶解造成井眼扩大，形成溶洞，套管形成压杆支撑上覆岩层压力，同时盐膏层流动、滑移、坍塌使套管受非均匀载荷增加，受力状况恶化，套管所受外挤力将会超过套管本身所能承受的最大承载能力，从而不可避免地导致套管损坏变形，研究表明，盐层蠕动挤毁是中原油田套管损坏的主要原因。
中原油田东濮凹陷泥岩层区块需要使用①177. 8X 10. 36以及O 177. 8X 11. 51两种API标准规格套管。然而，由于该地区地应力很高，对于输送石油的石油套管的抗外挤毁能力要求很高，考虑到一定的保险系数之外，套管的压溃强度需要不低于103MPa。但现有规格的套管产品，如API PllO的压溃强度根本不能满足油田的使用的要求。目前主要采用以下两种方法来提高套管的抗挤毁性能，一是在生产过程中，采用特殊工艺来提高管体的尺寸精度(圆度和壁厚均匀度)、降低残余应力和提高行服强度范围，来提高套管的抗挤毁性能。二是可以采用通过保持内径不变、增加外径的方法来提高套管的抗挤毁强度。对于第一种方法，在生产机组一定的情况下，大幅提高套管抗挤强度最有效的方法是提高套管的屈服强度；对于第二种方法，如果外径增加过大，必将更改配套的接箍尺寸，因此，当与上下管串的API标准的O 177. 8mm规格的套管连接时，需要采用变扣特殊短节过渡，从而导致与井眼之间的间隙变小，固井质量降低、施工难度变大。CN102296239A公开了一种高强度抗挤毁石油套管管柱及其制造方法，提出了一种外径0 141. 3mm的高强度管柱，可以和上下管串的139. 7规格套管直接相连，但其最高屈服强度仅能达到1180MPa。这种钢的化学成分为C :0. 24-0. 30%, Si :0. 25-0. 5%, Mn 0. 9-1. 3%, P 0-0. 015%, S 0-0. 01%, Cr :0. 9-1. 3%, Mo :0. 6-0. 8%, Al :0. 01-0. 03%,Ca :0. 0005-0. 006%, V :0. 06-0. 10%, Nb :0. 02-0. 05%。由于该钢中 Mn 含量过高，成份偏析严重，在保证油田使用的足够韧性的前提下，屈服强度无法达到IlSOMPa级以上。因此，开发一种抗挤毁的超高强度石油套管用钢，特别是石油套管管柱用钢具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种屈服强度IlSOMPa级以上超高强度石油套管用钢，适合用于抗挤毁的石油套管管柱。为了实现上述目的，本发明的超高强度石油套管用钢，其重量百分比化学成分为C 0. 25-0. 36 %, Si :0. 10-0. 50 %, Mn :0. 2-0. 8 %, P < 0. 013 %, S < 0. 003 %, Cr 0. 8-1. 4%, Mo 0. 6-1. 0%, Al :0. 01-0. 04 %, Ca :0. 001-0. 006%,以及 V :0-0. 10%, Nb 0-0. 08%, Ti 0-0. 05%中的一种以上，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的又一个目的是上述石油套管的制造方法，其包括将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；将圆坯均热后穿孔；进行轧管，轧后空冷并进行锯切；将套管管柱进行调质处理淬火温度为880-930°C，保温时间为30_60min， 然后水淬，在590-650°C进行高温回火，保温时间为30-80min ；将套管管柱进行热定径和热矫直，控制热定径温度为570_640°C，热矫直温度为500-5600C，控制套管管柱的不圆度小于0. 4%，壁厚不均率小于12%。根据上述成分和工艺制造的石油套管，特别是外径180mm、抗挤毁的石油套管管柱，其不仅能够达到对石油套管抗挤毁能力不低于103MPa的要求，而且套管外径接近API标准规格套管，与上下管串可以直接连接，不需要采用变扣特殊短节进行过渡，因而使得下套管施工更便捷、更安全。
具体实施例方式以下通过具体实施例对本发明的特点和优点进行详细说明。本发明中，除非另有指明，含量均为重量百分比含量。一般而言，套管的抗挤毁性能主要取决于材质的屈服强度、杨氏模量、本构关系；取决于套管的残余应力、套管径厚比、尺寸精度，例如套管的不圆度、套管壁厚偏差等；取决于试验时的测试模式、试样的长径比、加载速度等诸多因素。然而除了上述因素，本发明人还发现可以通过织构设计与套管的成分设计来提高套管的抗挤毁性能。因此，在满足油田需求的前提下，本发明人发明了接近API标准规格的薄壁管替代现有177. 8规格套管，该薄壁管强度高，屈服强度在170钢级以上(屈服强度IlSOMPa级以上)，可以满足油田对压溃强度的要求。根据本发明的上述目的和发明构思，本发明屈服强度IlSOMPa级以上超高强度抗挤毁石油套管管柱用钢的化学元素质量百分配比为C :0. 25-0. 36%, Si :0. 10-0. 50%,Mn :0. 2-0. 8%,P < 0. 013% , S < 0. 003%,Cr 0. 8-1. 4%, Mo :0. 6-1. 0%, Al :0. 01-0. 04 %, Ca :0. 001-0. 006%,以及 V 0-0. 10%, Nb 0-0. 08%, Ti 0-0. 05%中的一种以上，余量为Fe和不可避免的杂质。C :本发明中，为了减轻套管管柱水淬开裂的敏感性，C元素含量不宜大于0. 36%,但是C元素含量太低将有损材料的强度，因此控制C元素含量0. 25-0. 36wt%。Mn: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，有损套管管柱的韧性和抗挤性能，因此Mn元素含量设计为0. 2-0. Swt %。Si :固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时要损失钢的塑性和韧性，因此控制Si元素含量为0. 1-0. 5wt%。Cr :是一种强烈提高淬透性的元素，同时是强碳化物形成元素，回火时析出碳化物可以提高钢的强度，有利于延缓套管管柱的压溃失稳过程，但含量过高时会析出粗大的M23C6碳化物，因此控制Cr元素含量为0. 8-1. 4wt%。
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,因此控制Mo元素含量为0. 6-1. Owt %。Al :脱氧元素，可以细化奥氏体晶粒，有利于延缓压溃失稳过程。宜采用含量0. 01-0. 04wt%。V V的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，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。宜采用V含量为 0-0. IOwt %，优选为 V :0. 05-0. 10 %。Nb:套管管柱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，有利于提高抗挤毁性能。宜采用 Nb 含量为 0-0. 08wt%，优选为 Nb :0. 04-0. 08%。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，有利于提高抗挤毁性能；若含量太高，易形成粗大的析出相。按重量百分比，宜采用含量0-0. 05%,优选为Ti :0. 02-0. 05%。Ca :可以净化钢液，促使MnS球化，提高材料的抗挤毁性能，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物，故控制Ca元素含量为0. 001-0. 006wt%，同时Ca、S元素含量的比值Ca/S > I。优选为 Ca :0. 002-0. 006%。P和S :本发明中P和S是杂质元素，一般越低越好，本发明中控制P < 0. 013%，S < 0. 003%，优选为 P < 0. 010%, S < 0. 002%。本发明通过合理设计化学元素组分，并采取适当的热处理工艺使得套管屈服强度高达1180MPa以上时仍然具有足够的韧性，同时该套管上下管柱可以直接和0177. 8规格套管连接，便于现场作业，可以保证下井效率与施工质量。为此，本发明的上述高强度抗挤毁石油套管管柱的制造方法，包括下列步骤(I)将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；(2)将圆坯均热后穿孔，其中均热温度为1220_1260°C，穿孔温度为1200_1240°C ；(3)进行轧管，轧后空冷并进行锯切，其中轧制温度为1000°C以上；(4)将套管管柱进行调质处理淬火温度为880-930°C，保温时间为30_60min，然后水淬，590-650°C进行高温回火，保温时间为30-80min(优选为50_80min，更优选为60_80min)；(5)将套管管柱进行热定径和热矫直，控制热定径温度为570-640°C，热矫直温度500-560°C (优选为510-550°C )，控制套管管柱的不圆度小于0.4%，壁厚不均率小于12%。用本发明的成分设计得到的石油套管管柱的外径尺寸为小180mm-182mm ;所述管柱的壁厚为10. 9mm-13. 5mm。优选地，所述管柱的扣形为长圆螺纹。本发明由于采用了上述技术方案，使其较之现有技术，具有以下优点和积极效果本发明所述的套管管柱可以直接和上下管柱的O 177. 8规格套管连接，便于现场作业，可、以保证下井效率与施工质量；同时屈服强度不小于1180MPa，抗拉强度不小于1240MPa，全尺寸零度冲击性能达到60J以上；抗挤性能不小于103MPa，优选达到120MPa以上。可以在含盐岩层、泥岩层、盐膏层区块的不同油田广泛的推广使用。
实施例
实施例1-4本发明实施例1-4所述的高强度抗挤毁石油套管管柱采用下述方法制成，其中套管管柱的化学元素质量百分配比如表I所示，各实施例和对比例的套管管柱尺寸如表2所示表I实施例1-4与对比例1-4中各化学元素质量百分配比(wt% )
钢种I-C Mn ~Si [~P ~S ~Cr I Mo I Al Ca ~V Nb~ Ti~
~0.36 0.2 0.1 0.009 0.001 (1 8 0.6 0.01 0.0060.04 0.05
~0.30 0.6 0.30 0.010 0.002 ~ 0.8 0.04 0.002 0. 10
C0.25 0.8 0.5 0.010 0.001 TT ~I7o 0.03 0.004 0.05 0.08
~0.27 1.0 0.26 0.007 0.003 ITT 0.7 0.023 0.005 0.07 0.05表2实施例1-4和对比例1-4中各套管管柱的外径尺寸和壁厚(mm)
钢种外径壁厚实施效果
实施例 IA180.51272^
实施例 2B1821275^
实施例3B180109^
实施例 4C181. 5IT5
对比例IB180. 7ToTT壁厚负超差，压溃强度不合格
对比例2B18173H壁厚正超差，压溃强度裕量过高
对比例3C182.5105外径正超差，压溃强度不合格
对比例4D180.8109拉伸性能不合格，压溃强度不合格实施例1-4与和对比例1-4的套管管柱按照包括如下步骤的方法制造(I)将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；(2)将圆坯均热后穿孔，均热温度为1220-1260°C，穿孔温度为1200_1240°C ；(3)进行轧管，轧制温度为1000°C以上，轧后空冷并进行锯切；
(4)将套管管柱进行调质处理淬火温度为880-930°C，保温时间为30_60min，然
后水淬，在590-650°C进行高温回火，保温时间为50-80min ；(5)将套管管柱进行热定径和热矫直，控制热定径温度为570_640°C，热矫直温度
为500-550°C，控制套管管柱的不圆度小于0. 4%，壁厚不均率小于12%。实施例1-4和对比例1-4中的具体工艺参数及实施效果参见表3。表 权利要求
1.超高强度石油套管用钢，其重量百分比化学成分为c:0. 25-0. 36 %, Si 0. 10-0. 50%, Mn 0. 2-0. 8%, P < 0. 013%, S < 0. 003%, Cr :0. 8-1. 4%, Mo :0. 6-1. 0%,Al 0. 01-0. 04%, Ca :0. 001-0. 006%,以及 V 0-0. 10%, Nb 0-0. 08%, Ti 0-0. 05%中的一种以上，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求I所述的超高强度石油套管用钢，其特征在于，P< 0. 010%。
3.如权利要求I或2所述的超高强度石油套管用钢，其特征在于，S< 0. 002%。
4.如权利要求1-3任一所述的超高强度石油套管用钢，其特征在于，Ca:0.002-0. 006%。
5.如权利要求1-4任一所述的超高强度石油套管用钢，其特征在于，V:0. 05-0. 10%。
6.如权利要求1-5任一所述的超高强度石油套管用钢，其特征在于，Nb:0. 04-0. 08%。
7.如权利要求1-6任一所述的超高强度石油套管用钢，其特征在于，Ti:0. 02-0. 05%。
8.如权利要求1-7任一所述的钢制成的石油套管管柱，其所述管柱的外径尺寸为Cp 180-182mm;所述管柱的壁厚为10. 9-13. 5mm。
9.如权利要求8所述的石油套管管柱，其特征在于，屈服强度不小于1180MPa，抗拉强度不小于1240MPa，全尺寸零度冲击性能达到60J以上；抗挤性能大于103MPa。
10.如权利要求9所述的石油套管管柱，其特征在于，抗挤性能为120MPa以上。
11.如权利要求8-10任一所述的石油套管管柱，其特征在于，所述管柱的扣形为长圆螺纹。
12.如权利要求8-11任一所述的石油套管管柱的制造方法，包括 将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯； 将圆坯均热后穿孔； 进行轧管，轧后空冷并进行锯切； 将套管管柱进行调质处理淬火温度为880-930°C，保温时间为30-60min，然后水淬，在590-650°C进行高温回火，保温时间为30-80min ； 将套管管柱进行热定径和热矫直，控制热定径温度为570-640 °C，热矫直温度为500-5600C，控制套管管柱的不圆度小于0. 4%，壁厚不均率小于12%。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，均热温度为1220-1260°C，穿孔温度为1200-1240 °C。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，轧管时的轧制温度为1000°C以上。
15.如权利要求12-14任一所述的方法，其特征在于，高温回火的保温时间为50_80mino
16.如权利要求12-15任一所述的方法，其特征在于，高温回火的保温时间为60_80mino
17.如权利要求12-16任一所述的方法，其特征在于，热定径温度为580-640°C。
18.如权利要求12-17任一所述的方法，其特征在于，热矫直温度为510-550°C。
全文摘要
本发明提供一种超高强度石油套管用钢以及石油套管管柱，其重量百分比化学成分为C0.25-0.36％，Si0.10-0.50％，Mn0.2-0.8％，P＜0.013％，S＜0.003％，Cr0.8-1.4％，Mo0.6-1.0％，Al0.01-0.04％，Ca0.001-0.006％，以及V0-0.10％，Nb0-0.08％，Ti0-0.05％中的一种以上，余量为Fe和不可避免的杂质。所述石油套管管柱的制造方法，包括轧管制成管柱后进行调质处理淬火温度为880-930℃，保温时间为30-60min，然后水淬，590-650℃进行高温回火，保温时间为30-80min；将套管管柱进行热定径和热矫直。得到的石油套管管柱的屈服强度不小于1180MPa，抗拉强度不小于1240MPa，全尺寸零度冲击性能达到60J以上；抗挤毁性能为103MPa以上。
文档编号C21D8/10GK102747289SQ20121017504
公开日2012年10月24日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者彭黎阳, 曹泽甫, 曹青山, 田青超, 胡向平, 郭国强 申请人:上海宝钢商贸有限公司, 宝山钢铁股份有限公司