CN115505849B - 一种油套管及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种油套管及其制备方法与应用，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：C 0.22％～0.27％、Si 0.17％～0.37％、Mn 1.65％～1.85％、Cr 0.30％～0.50％、Ce 0.003％～0.008％、Al 0.03％～0.08％、Ca0.016％～0.024％、P≤0.015％、S≤0.008％、余量为Fe和不可避免的杂质。本发明提供的油套管具有优良的综合性能，兼顾强度、韧性、经济性、安全可靠性，室温屈服强度级别可分别达到85ksi、115ksi要求，即室温屈服强度大于585～793MPa，抗拉强度大于690～828MPa，总延伸率大于等于16～18％，夏比冲击韧性大于等于60～80J，可满足特殊结构井(如定向井、水平井)油气开采对高性能油套管的要求。
Description
技术领域
本发明涉及油套管技术领域，尤其涉及一种油套管及其制备方法与应用。
背景技术
在油气开发过程中，大量使用油套管(套管和油管)，其中最小屈服强度80ksi和110ksi的API标准N80和P110油套管使用量最大。除对油套管的强度规定外，API SPEC 5CT规定的N80和P110油套管夏比冲击韧性要求分别为不低于32J和41J。近年来，定向井、水平井等特殊结构井越来越多，水平井分段压裂改造等增产措施广泛应用。普通N80和P110油套管的强度安全系数不足，有必要将其最小屈服强度适当提升，分别提升至85ksi和115ksi；此外，普通N80和P110油套管的韧性要求偏低，对防止油套管的脆性断裂不利，有必要将其最小夏比冲击韧性要求提升至60J和80J。通常，为提高油套管的强度和韧性，除采用纯净钢技术外，还要加入较多的Cr、Mo等合金元素，这会使油套管的生产成本显著增加，经济性不良。因此，急需提供兼顾强度、韧性、经济性、安全可靠性的油套管，以满足特殊结构井油气开采对油套管的需求。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种油套管及其制备方法与应用，旨在解决现有N80和P110油套管的强度、韧性不足，无法满足特殊结构井油气开采对油套管的需求的问题。
本发明的技术方案如下：
本发明的第一方面，提供一种油套管，其中，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：
C 0.22％～0.27％、Si 0.17％～0.37％、Mn 1.65％～1.85％、Cr 0.30％～0.50％、Ce 0.003％～0.008％、Al 0.03％～0.08％、Ca 0.016％～0.024％、P≤0.015％、S≤0.008％、余量为Fe和不可避免的杂质。
可选地，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：
C 0.22％～0.25％、Si 0.21％～0.37％、Mn 1.65％～1.79％、Cr 0.30％～0.38％、Ce 0.005％～0.007％、Al 0.03％～0.07％、Ca 0.016％～0.021％、P≤0.012％、S≤0.006％、余量为Fe和不可避免的杂质。
可选地，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：
C 0.24％～0.27％、Si 0.17％～0.35％、Mn 1.75％～1.85％、Cr 0.40％～0.50％、Ce 0.003％～0.008％、Al 0.05％～0.08％、Ca 0.018％～0.024％、P≤0.012％、S≤0.003％、余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的第二方面，提供一种油套管的制备方法，其中，包括步骤：
根据本发明如上所述的油套管的化学成分进行配料、冶炼、连铸后，得到连铸坯；
对所述连铸坯进行穿孔、热连轧后，得到管坯；
对所述管坯进行调质热处理，得到所述油套管。
可选地，进行冶炼、连铸后，得到连铸坯的步骤具体包括：
将配料得到的原料依次经过氧吹转炉冶炼、喂Ce丝、炉外精炼、真空脱气、喂Si-Ca丝对夹杂物进行变性处理，得到钢液；
将所述钢液浇铸成棒状连铸坯。
可选地，所述对所述连铸坯进行穿孔、热连轧后，得到管坯的步骤具体包括：
将所述连铸坯在加热炉内加热至1200～1250℃，保温90～120min，然后在1150～1200℃的温度下进行热穿孔，在950～1150℃的温度下热连轧，冷却后，得到管坯。
可选地，所述对所述管坯进行调质热处理，得到所述油套管的步骤具体包括：
在保护气氛炉中，对所述管坯在900～920℃的温度下进行淬火，保温40～60min后冷却，然后在600～660℃的温度下进行回火，保温90～120min后水冷，然后在550～610℃的温度下进行热矫直后水冷，得到所述油套管。
可选地，对所述管坯在900～920℃的温度下进行淬火，保温40～60min后，以20～30℃/s的冷却速度进行冷却。
可选地，对所述管坯进行调质热处理后，得到所述油套管前，还包括步骤：
对调质热处理后的管坯进行螺纹加工。
本发明的第三方面，提供一种本发明如上所述的油套管在定向井、水平井油气开采中的应用。
有益效果：本发明提供的油套管具有优良的综合性能，兼顾强度、韧性、经济性、安全可靠性，室温屈服强度级别可分别达到85ksi、115ksi要求，即室温屈服强度大于585～793MPa，抗拉强度大于690～828MPa，总延伸率大于等于16～18％，夏比冲击韧性大于等于60～80J。可满足特殊结构井(如定向井、水平井)油气开采对高性能油套管的要求。
具体实施方式
本发明提供一种油套管及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明实施实例提供一种油套管，其中，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：
C 0.22％～0.27％、Si 0.17％～0.37％、Mn 1.65％～1.85％、Cr 0.30％～0.50％、Ce 0.003％～0.008％、Al 0.03％～0.08％、Ca 0.016％～0.024％、P≤0.015％、S≤0.008％、余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明实施例在成分设计方面，综合考虑油套管的强度、韧性、经济性、安全可靠性、工艺性，采用低C含量，低Cr含量，高Mn含量，不加入Mo，加入微量稀土元素Ce，控制钢中P、S有害元素含量，采用Al、Si全脱氧的镇静钢，并对钢液进行Ca处理，本发明通过对油套管的化学成分及含量进行创造性地设计，使得各元素之间产生协同作用，最终使得得到的油套管的强度高、韧性好(韧性是钢铁材料安全服役的保障)且成本低，即本发明在保证了油套管经济性的前提下，获得了较高的强度和韧性。其屈服强度级别可分别达到85ksi、115ksi要求，即室温屈服强度大于585～793MPa，抗拉强度大于690～828MPa，总延伸率大于等于16～18％，夏比冲击韧性大于等于60～80J。可满足特殊结构井(如定向井、水平井)油气开采对高性能油套管的要求。
其中，C是最主要的强化元素，采用低C含量有利于提高钢的塑韧性，但C含量过低不利于提高钢的淬透性，对提高钢的强度不利；C碳含量过高，会与钢中加入的Cr形成碳化物而削弱Cr的作用，本发明实施例中将C含量控制在0.22％～0.27％可保证油套管兼有足够的强度和韧性，且不削弱Cr的作用。
Si是钢种常存元素，具有还原和脱氧的作用，其还是确保油套管强度的有效元素之一，会对强度及韧性产生重要影响，因为Si可以提高钢中固溶体的硬度和强度，增加钢的淬透性，但硅含量过高会使钢的导热性变差，使得钢容易出现裂纹曲线，因此，本发明实施例中将Si的含量控制在0.17％～0.37％之间。
Mn主要用于提高钢的淬透性进而提高强度，可部分替代价格较高的Cr、Mo元素，本发明实施例根据油套管的性能将Mn的含量控制在1.65％～1.85％之间。
Cr主要用于提高钢的淬透性和回火稳定性，从而提高钢的强度，但含量过高使得成本增加、经济性不良，本发明实施例根据油套管的性能将Cr的含量控制在0.30％～0.50％之间。
Al与氧形成细小均匀分布的氧化物可以起到细化晶粒、同时提高强度和韧性的作用，也是重要的脱氧剂，其含量宜控制在0.05％～0.10％之间。
Ce具有净化钢液、细化晶粒、变质夹杂、合金化多重作用，本发明实施例根据油套管的性能将Ce的含量控制在0.003％～0.008％之间。
Ca可以改善夹杂物的性质和形态，从而提高钢的韧性。本发明实施例将Ca的含量控制在0.016％～0.024％之间。
P为有害元素，主要影响钢的塑韧性，本发明实施例根据油套管的性能将P的含量控制在≤0.015％。
S为有害元素，主要影响钢的塑韧性，本发明实施例根据油套管的性能将S的含量控制在≤0.008％。
在一种实施方式中，所述油套管可为TC100油套管，但不限于此。
在一种实施方式中，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：
C 0.22％～0.25％、Si 0.21％～0.37％、Mn 1.65％～1.79％、Cr 0.30％～0.38％、Ce 0.005％～0.007％、Al 0.03％～0.07％、Ca 0.016％～0.021％、P≤0.012％、S≤0.006％、余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施方式中，油套管的屈服强度级别达到85ksi级别，油套管室温屈服强度为638～655MPa，抗拉强度为742～761MPa，总延伸率为26～28％，夏比冲击韧性为115～131J，所述油套管综合性能好、成本较低，可满足特殊结构井(如定向井、水平井)油气开采对高性能油套管的要求。
在一种实施方式中，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：
C 0.24％～0.27％、Si 0.17％～0.35％、Mn 1.75％～1.85％、Cr 0.40％～0.50％、Ce 0.003％～0.008％、Al 0.05％～0.08％、Ca 0.018％～0.024％、P≤0.012％、S≤0.003％、余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施方式中，油套管的屈服强度级别达到115ksi级别，油套管室温屈服强度为816～849MPa，抗拉强度为868～902MPa，总延伸率为22～24％，夏比冲击韧性为92～101J，所述油套管综合性能好、成本较低，可满足特殊结构井(如定向井、水平井)油气开采对高性能油套管的要求。
油套管优异的综合性能除了需要化学成分及比例含量的合理设计外，制造工艺也同样影响着油套管最终的性能。不同的化学成分设计需要使用不同的制造工艺才能使得油套管发挥出最佳的性能。本发明针对上述比例含量的化学成分开发与之匹配的制造工艺，主要是通过炼钢(包括炉外精炼、真空脱气)、连铸、奥氏体区的热连轧、调质热处理、热矫直等工艺，使材料获得细小均匀的回火索氏体显微组织结构，来实现油套管强度、韧性的合理匹配。具体地，本发明实施例还提供一种油套管的制备方法，其中，包括步骤：
S1、根据本发明如上所述的油套管的化学成分进行配料、冶炼、连铸后，得到连铸坯；
S2、对所述连铸坯进行穿孔、热连轧后，得到管坯；
S3、对所述管坯进行调质热处理，得到所述油套管。
本发明实施例的化学成分及制造工艺配合使用，兼有提高强度、改善韧性的效果。
本发明的制备方法针对上述化学成分的油套管，得到预期的组织结构和性能，充分发挥了油套管的性能，成本较低，且制程中的工艺参数容易控制，得到的油套管性能稳定。
步骤S1中，可利用包括但不限于铁水、废钢等进行配料作为原料，进行冶炼时加入所需要的合金元素。
在一种实施方式中，进行冶炼、连铸后，得到连铸坯的步骤具体包括：
将配料得到的原料依次经过氧吹转炉冶炼、喂Ce丝、炉外精炼、真空脱气、喂Si-Ca丝对夹杂物进行变性处理，得到钢液；
将所述钢液浇铸成棒状连铸坯。
步骤S2中，在一种实施方式中，所述对所述连铸坯进行穿孔、热连轧后，得到管坯的步骤具体包括：
将所述连铸坯在加热炉内加热至1200～1250℃，保温90～120min，然后在1150～1200℃的温度下进行热穿孔，在950～1150℃的温度下热连轧，冷却后，得到管坯。具体地，可根据实际需要将管坯锯切至预设的长度。
步骤S3中，在一种实施方式中，所述对所述管坯进行调质热处理，得到所述油套管的步骤具体包括：
在保护气氛炉中(以防止脱碳)，对所述管坯在900～920℃的温度下进行淬火，保温40～60min后冷却，然后在600～660℃的温度下进行回火，保温90～120min后水冷(以避免可能存在的回火脆性)，然后在550～610℃的温度下进行热矫直后水冷，得到所述油套管。
本实施方式中，通过淬火+高温回火的热处理工艺，使晶粒和组织得到细化，最终可获得晶粒度8～9级的细小均匀的回火索氏体，提高油套管的强度、韧性和耐腐蚀性能。
在一种实施方式中，对所述管坯在900～920℃的温度下进行淬火，保温40～60min后，以20～30℃/s的冷却速度进行冷却，确保淬火后获得95％以上马氏体组织。
在一种实施方式中，对所述管坯进行调质热处理后，得到所述油套管前，还包括步骤：
对调质热处理后的管坯进行螺纹加工。
本实施方式中，可根据实际需要，在管段加工API标准螺纹或特殊螺纹，并对螺纹进行磁粉检测。
本发明实施例还提供一种本发明如上所述的油套管在定向井、水平井油气开采中的应用。具体地，所述水平井可为经分段压裂改造后的水平井。
下面通过具体的实施例进行详细说明。
实施例1
炼钢：根据下表1所示的实施例1的TC100油套管的成分进行配料，以高炉铁水和优质废钢为原料，然后依次经过氧吹转炉冶炼、喂Ce丝、炉外精炼、真空脱气、喂Si-Ca丝对夹杂物进行变性处理，得到钢液；
连铸：将钢液浇铸成棒状连铸坯，连铸过程中采用电磁搅拌和轻压下技术以控制连铸棒坯中的偏析；
穿孔和热连轧：将连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉温为1225℃、加热时间100min，然后在1175℃的温度下热穿孔，在1100℃的温度下热连轧，冷却后，锯切至预设的长度，得到管坯；
热处理：采用保护气氛炉加热(防止脱碳)、淬火+高温回火的热处理工艺。
在保护气氛炉中，对所述管坯在910℃的温度下进行淬火，保温50min，内外喷水淬火，然后以25℃/s的冷却速度进行冷却，确保淬火后获得95％以上马氏体组织；然后在650℃的温度下进行回火，回火时间100min，以获得晶粒度8～9级的细小均匀的回火索氏体，回火后水冷以避免可能存在的回火脆性；然后在595℃的温度下进行热矫直后水冷，得到TC100油套管。
实施例2
与实施例1中TC100油套管的制备方法基本相同，区别仅在于：
根据下表1所示的实施例2的TC100油套管的成分进行配料。
实施例3
与实施例1中TC100油套管的制备方法基本相同，区别仅在于：
根据下表1所示的实施例3的TC100油套管的成分进行配料。
实施例4
与实施例1中的TC100油套管的制备方法基本相同，区别仅在于：
根据下表1所示的实施例4的TC100油套管的成分进行配料。
实施例5
与实施例1中TC100油套管的制备方法基本相同，区别仅在于：
根据下表1所示的实施例5的TC100油套管的成分进行配料。
实施例6
与实施例1中TC100油套管的制备方法基本相同，区别仅在于：
(1)根据下表1所示的实施例6的TC100油套管的成分进行配料；
(2)回火温度为620℃，热矫直温度为565℃。
实施例7
与实施例1中TC100油套管的制备方法基本相同，区别仅在于：
(1)根据下表1所示的实施例7的TC100油套管的成分进行配料；
(2)回火温度为620℃，热矫直温度为565℃。
实施例8
与实施例1中TC100油套管的制备方法基本相同，区别仅在于：
(1)根据下表1所示的实施例8的TC100油套管的成分进行配料；
(2)回火温度为620℃，热矫直温度为565℃。
实施例9
与实施例1中TC100油套管的制备方法基本相同，区别仅在于：
(1)根据下表1所示的实施例9的TC100油套管的成分进行配料；
(2)回火温度为620℃，热矫直温度为565℃。
实施例10
与实施例1中TC100油套管的制备方法基本相同，区别仅在于：
(1)根据下表1所示的实施例10的TC100油套管的成分进行配料；
(2)回火温度为620℃，热矫直温度为565℃。
表1实施例1-10中TC100油套管的化学成分
对实施例1-10制备得到的TC100油套管进行晶粒度测试、屈服强度测试、抗拉强度测试、伸长率测试、夏比V型缺口冲击韧性测试，结果如下表2所示。
表2实施例1-11中TC100油套管的性能
由以上测试结果表明，本发明经过适当的制备工艺及合理的化学成分设计，制备得到的油套管具有优良的强度、韧性、经济性等综合性能，可满足特殊结构井(如定向井、水平井)油气开采对高性能油套管的要。
综上所述，本发明提供一种油套管及其制备方法与应用，所述油套管具有优良的综合性能，兼顾强度、韧性、经济性、安全可靠性，室温屈服强度级别可分别达到85ksi、115ksi要求，即室温屈服强度大于585～793MPa，抗拉强度大于690～828MPa，总延伸率大于等于16～18％，夏比冲击韧性大于等于60～80J。可满足特殊结构井(如定向井、水平井)油气开采对高性能油套管的要求。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种油套管，其特征在于，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：
C 0.22%～0.27%、Si 0.17%～0.37%、Mn 1.65%～1.85%、Cr 0.30%～0.50%、Ce 0.003%～0.008%、Al 0.03%～0.08%、Ca 0.016%~0.024%、P≤0.015%、S≤0.008%、余量为Fe和不可避免的杂质；
所述油套管的制备方法包括步骤：
根据上述油套管的化学成分进行配料；
将配料得到的原料依次经过氧吹转炉冶炼、喂Ce丝、炉外精炼、真空脱气、喂Si-Ca丝对夹杂物进行变性处理，得到钢液；
将所述钢液浇铸成棒状连铸坯；
将所述连铸坯在加热炉内加热至 1200～1250℃，保温90～120min，然后在1150～1200℃的温度下进行热穿孔，在950～1150℃的温度下热连轧，冷却后，得到管坯；
在保护气氛炉中，对所述管坯在900～920℃的温度下进行淬火，保温40～60min后，以20～30℃/s的冷却速度进行冷却，然后在600～660℃的温度下进行回火，保温90～120min后水冷，然后在550～610℃的温度下进行热矫直后水冷，得到所述油套管。
2.根据权利要求1所述的油套管，其特征在于，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：
C 0.22%～0.25%、Si 0.21%～0.37%、Mn 1.65%～1.79%、Cr 0.30%～0.38%、Ce 0.005%～0.007%、Al 0.03%～0.07%、Ca 0.016%~0.021%、P≤0.012%、S≤0.006%、余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的油套管，其特征在于，按质量百分含量计，所述油套管包括以下化学成分：
C 0.24%～0.27%、Si 0.17%～0.35%、Mn 1.75%～1.85%、Cr 0.40%～0.50%、Ce 0.003%～0.008%、Al 0.05%～0.08%、Ca 0.018%~0.024%、P≤0.012%、S≤0.003%、余量为Fe和不可避免的杂质。
4.一种油套管的制备方法，其特征在于，包括步骤：
根据权利要求1-3任一项所述的油套管的化学成分进行配料、冶炼、连铸后，得到连铸坯；
对所述连铸坯进行穿孔、热连轧后，得到管坯；
对所述管坯进行调质热处理，得到所述油套管。
5.根据权利要求4所述的油套管的制备方法，其特征在于，对所述管坯进行调质热处理后，得到所述油套管前，还包括步骤：
对调质热处理后的管坯进行螺纹加工。
6.一种如权利要求1-3任一项所述的油套管在定向井、水平井油气开采中的应用。
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