專利名稱：：110ksi高鋼級、高抗CO₂腐蝕油套管用13Cr鋼、油套管及其制法的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種油套管用鋼，具體地說，是涉及一種110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼、以該鋼種制成的油套管及該油套管的制法。
背景技術：
：隨著我國石油天然氣開發(fā)力度的加大，采集油氣的油井套管和油管面臨著高溫高壓、高含C02、氯離子等共存的強腐蝕環(huán)境，從而造成油氣田多次發(fā)生井下油管斷裂，集氣干線泄漏事故，致使許多油氣田井都在投產一年左右由于此類問題而提前報廢，造成巨大損失。首先，C02對油管的腐蝕是油氣井生產過程中經常遇到的問題。國內外在廣泛研究了C02對油管的腐蝕機理、特征及影響因素的基礎上，提出了預測C02腐蝕環(huán)境下油管腐蝕速率的各種數值模擬計算方法，形成了使用耐蝕合金管材、涂鍍層管材、注入緩蝕劑、陰極保護等系列防腐技術。然而，由于不同防腐技術在防腐效果、成本、作業(yè)的難易程度和相關風險上都有所不同，因此，一個油氣田采用的防腐技術不同，其防腐費用及效果差異也很大。過去，油氣田在決定采用何種防腐技術時，主要考慮能否有效地解決油管腐蝕問題，且初期投資要少，并沒有或很少從油氣田整體開發(fā)的角度進行經濟評價。然而，"高效經濟"是油氣田開發(fā)的原則，因此不論采取何種防腐技術都要進行經濟評價，使油氣田在開發(fā)期限內投入的總費用最少，而不是某一時期內費用最少或效果最好。因此，有必要對C02腐蝕環(huán)境下的各種防腐技術進行評價，從而優(yōu)選出適合油氣田開發(fā)的防腐技術。目前，國內外應用較成功的C02腐蝕環(huán)境下的防腐技術主要有以下五類l.使用耐蝕合金鋼管材主要是指用于防C02腐蝕而開發(fā)的合金鋼油管(如1Cr、9Cr、13Cr等鋼管)。該類管材依靠自身的耐腐蝕性能抵抗C02腐蝕。該技術的施工方法基本與使用普通碳鋼管材相同，在其有效期內，無須其它配套措施，對油氣井生產作業(yè)無影響，且工藝最簡單，但初期投資較大。2.使用涂鍍層油管油氣生產井中的涂鍍層油管主要依靠其涂層或鍍層來隔絕鋼體與腐蝕介質的接觸，從而達到防腐的目的。其防腐效果的好壞與涂層或鍍層材料及其工藝技術水平有關，油管接頭處和加工時存在的"漏點"是易被腐蝕的薄弱部位。而對于需修井作業(yè)的生產井，由于涂鍍層易受鋼絲繩的破壞，從而無法達到防腐的目的。該技術對油氣井生產影響相對較小，工藝較簡單而且成本一般不會很高。3.注入緩蝕劑該技術主要是利用緩蝕劑的防腐作用達到減緩油管腐蝕的目的，其防腐效果主要與井況(如溫度、壓力)、緩蝕劑類型、注入周期、注入量有關。該技術成本低，初期投資少，但工藝較復雜，對生產影響較大。緩蝕劑有兩種注入方式-(l)間歇注入方式該方式在將緩蝕劑自油管內注入后，必須關井一段時間后才能開井(處理周期一般為23個月)，因此，對生產有一定影響。.(2)連續(xù)注入方式該方式主要通過油套環(huán)空或環(huán)空間的旁通管及注入閥將緩蝕劑連續(xù)注入井內或油管內，油氣井不需關井，因此，對生產影響較小。4.陰極保護該技術是利用犧牲陽極的方式保護井下管柱(一般用于保護套管)免受腐蝕。其操作工藝復雜，且易受方案設計時所需基本參數準確度及現場環(huán)境的影響，很難實現最佳的防腐效果，而且作業(yè)成本較高。5.使用普通碳鋼使用普通碳鋼管柱，并在其壽命期限內更換油管管柱，套管用封隔器加環(huán)空保護液進行保護。該防腐技術需頻繁更換油管，對油氣井生產影響很大，且壓井作業(yè)對儲層傷害較大，但生產初期基本不增加附加防腐費用。目前，業(yè)界達到的共識是防腐技術的確定要以在油氣藏壽命期限內防腐費用最低為目標；對于壽命長、腐蝕嚴重的油氣藏，采用耐蝕合金鋼油管最終投資最小，效益最高?，F有API5CT規(guī)范中已知有L80-13Cr油套管產品，其能生產的強度為80和95鋼級，最高服役溫度一般為150°C，耐蝕性能小于0.25mm/y。隨著油井和氣井的開發(fā)，井深也在不斷增加，井深超過5000米的富含C02且超過API標準13Cr鋼管服役條件的油氣井不斷增加，急需耐更高服役溫度(d5(TC)、耐蝕性能更好、強度更高的110鋼級油套管。為滿足高強度和高耐蝕性要求，國外各大鋼管廠紛紛研制出非標的110鋼級13Cr不銹鋼油套管，如川崎的K0-HP1-13Crl10和住友的低碳SM13CR110，其產品的化學成分及力學性能如表l所示。表l川崎和住友iio鋼級油套管化學成分及力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>此外，除上述合金設計外，有下述6個日本專利涉及耐腐蝕用合金油套管用鋼:其化學成分見表2。表2日4<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>上述專利主要針對要求抗C02腐蝕及抗微量H2S腐蝕用油套管，即一項強度為80鋼級，其它4項強度要求也均不超過110鋼級。其中，有關合金設計的日本專利特開平11-140594并未涉及強度要求，涉及強度要求超過110鋼級的日本專利特開2003-105441，其強度達到95125Kpsi，-40，30J以上，但未說明使用環(huán)境。另外，前述日本的川崎和住友公司的非標13Cr鋼均含有較高的鎳和鉬及較低的碳，上述專利中提到的涉及高Cr合金部分的專利，如日本專利昭61-207550、特開平4-224656、特開平11-140594中提到的油套管成分中也含有較高的鎳和鉬，且這些技術主要通過增加合金含量，特別是增加Ni和Mo等貴金屬合金，保證耐高溫、抗C02、及微量H2S腐蝕性能。然而，本領域皆知，對于深井所要求的耐高溫(15(TC以上)、耐C02腐蝕但并不要求H2S腐蝕的環(huán)境要求，采用高鎳、鉬合金的油套管將導致成本過高。此外，除了現有110ksi鋼級超低碳13Cr油套管鋼種中Mo、Ni、Cu等貴金屬含量高導致的成本昂貴之外，其碳含量僅為超低碳，轉爐不能冶煉，必須采取電爐一鍛造-剝皮-軋管產線，這也導致該產線成才率低，制造成本高。鑒于現有API規(guī)范中的2Crl3鋼種只能生產95鋼級以下的油套管產品，不適合深井用高鋼級使用要求，而超低碳13Cr高合金油套管用鋼含有較高的Ni和Mo等貴金屬合金，成本很高，本發(fā)明者以API標準L80-13Cr油套管合金設計為基礎，添加少量鎳、鉬和氮，并通過冶煉、軋制和適當的熱處理即可獲得在溫度超過15(TC的條件下耐C02和氯離子腐蝕的強度達110鋼級的油套管，從而代替目前通用的鎳-鉬系低碳不銹鋼，解決深井油氣田用油套管材料。本發(fā)明的第一個目的在于提供一種110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼。本發(fā)明的第二個目的在于提供以所述110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼制成的油套管。本發(fā)明的第三個目的在于提供所述110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管的制法。
發(fā)明內容本發(fā)明的第一個方面提供一種110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼，其化學成分以重量比計包括C:0.150.25%、Si:0.21.0%、Mn:0.201.0%、Cr:12.014.0%、Ni:0.51.5%、Mo:0.21.00/o、N:0.030.10%，余量為Fe和不可避免雜質。本發(fā)明的110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼的一個優(yōu)選方案為在上述化學成分中添加Al,其添加量為0.010.1%。本發(fā)明的第二個方面提供一種110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管，所述油套管以上述110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼制成，其化學成分以重量比計包括C:0.150.25%、Si:0.21.0%、Mn:0.201.0%、Cr:12.014.0%、Ni:0.51.5%、Mo:0.21.0%、N:0.030.10%，余量為Fe和不可避免雜質。本發(fā)明的110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管的一個優(yōu)選方案為在上述化學成分中添加A1，其添加量為0.010.1%。下面，對本發(fā)明的110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼及以該鋼種制成的油套管的化學成分作用作詳細敘述。C:是保證鋼管強度性能及腐蝕性能的必要元素。為保證必要的強度，碳含量不能過低，碳含量低于O.15%時易出現鐵素體，強度不足；碳含量高于0.25%時，組織中因碳與鉻形成的碳化物而降低晶界鉻含量，降低抗腐蝕性能。同時，碳含量過高，材料的硬度高，韌性變壞，而且耐蝕性將受到影響，需要適當限制碳含量。Cr:是提高耐蝕性和強度的主要合金元素。Cr含量小于12%時，耐蝕性不足，Cr含量大于14%時，材料的強度和硬度過高，導致材料的韌性下降。鉻過高也易導致高溫鐵素體形成，降低熱加工性能。Ni:提高腐蝕性能和韌性，有利于高溫軋制，降低形成高溫S鐵素體傾向。同時對降低冷脆轉變溫度有益。Ni加入量過低，效果不明顯，加入量過高則增加成本。Mo:提高了耐蝕性特別是抗局部腐蝕性，還提高了材料的強度和淬透性。若加入量低于0.2%，效果不明顯，高于1.0%，加工性能和塑性惡化。Si:具有脫氧和改善耐蝕性的作用，'其含量低于0.2%，效果不明顯，大于1%，加工和韌性惡化。Mn:改善鋼的強韌性，同時是奧氏體區(qū)擴大元素，其含量小于0.2%時作用不明顯，大于1%，將降低腐蝕性能。Al.:在鋼中起到了脫氧作用和細化晶粒的作用，另外還提高了表面膜層的穩(wěn)定性和耐蝕性。當加入量低于0.01%時，效果不明顯，加入量超過0.10%，力學性能變差。N:提高鋼的強度，當其含量小于0.03%時作用不明顯，大于0.1%，將惡化鋼的韌性。本發(fā)明的第三個方面提供一種110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管的制法，包括以下步驟(1)將轉爐冶煉后的鋼水澆鑄成鑄錠；(2)軋制初軋圓坯后于650750'C退火，退火后的管坯在1150120(TC加熱保溫1.52小時后，經穿孔、熱軋成荒管；(3)熱處理鋼管于90098(TC進行淬火，并經58066(TC回火，回火時間控制在l小時之內。其中，初軋前可采用溫錠入爐，入爐鋼錠表面溫度<600"。本發(fā)明與現有技術相比具有顯而易見的突出特點(1)本發(fā)明的油套管以APIL80-13Cr油套管合金設計為基礎，通過添加少量鎳、鉬、氮合金元素，不僅可以獲得強度等級達110鋼級的油井管，而且由于鎳、鉬、氮復合添加后，提高了鋼的回火溫度，明顯改善了鋼的低溫沖擊韌性(2)在本發(fā)明的合金設計中，通過控制一定的碳含量，添加鉻、鎳、鉬、氮等元素并經過適當的熱處理之后，獲得在溫度超過15(TC的條件下耐C02和氯離子腐蝕的強度達IIO鋼級的油套管，可廣泛用于油井管等需要耐腐蝕的場合。(3)本發(fā)明的110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼較目前使用的低碳、鎳-鉬系列110鋼級油套管材料可以節(jié)省34%的鎳、12%的鉬和適量的銅，大大降低了合金成本。(4)本發(fā)明的110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管的制造方法主要特點在于鋼錠澆鑄成鑄錠后直接進行軋制，而不是采用通常的鍛造方法，極大提高了鋼材成才率和生產效率，明顯節(jié)約了制造成本。具體實施例方式以下用實施例對本發(fā)明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發(fā)明最佳實施方式的描述，并不對本發(fā)明的范圍有任何限制。實施例表3列出了本發(fā)明110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼的5種鋼號l5及對照鋼69(目前油田普遍使用的油套管合金)的化學成分。表3本發(fā)明油套管用鋼及現有油套管合金的化學成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>按表3所示的化學成分將鋼號1—5的鋼種進行轉爐冶煉，將冶煉后的鋼水澆鑄成鑄錠，初軋前采用溫錠入爐，入爐鋼錠表面溫度要求小于600°C。初軋圓坯在軋后進行退火，退火溫度控制在65075(TC之間，退火后的管坯于115(TC1200'C加熱保溫1.52小時后，經穿孔、熱軋成荒管。鋼管隨后于90098(TC淬火，并經580660'C回火，回火時間控制在l小時之內，從而獲得本發(fā)明的110鋼級油套管。試驗例對本發(fā)明實施例中鋼號15的鋼種及鋼號69的對照鋼進行力學性能測試和抗C02、氯離子腐蝕性能測試，其測試結果見表4。其中腐蝕實驗采用高壓釜，分別在150'C和17(TC的條件下，二氧化碳分壓為2.5MPa，并加入3.5y。NaCl，介質流速設定為2m/s，實驗時間為168小時，測定鋼的腐蝕失重并轉換成腐蝕速率，單位為mm/a。表4本發(fā)明鋼及對照鋼的力學性能和抗C02、氯離子腐蝕性能<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表4的結果可以看出，對照鋼6—8的耐高溫、耐C02和氯離子腐蝕性能略優(yōu)于本發(fā)明的油套管用鋼，主要是由于此類對照鋼采用的是超低碳高合金成分設計，其中Mo、Ni、Cu等貴金屬的含量較高，保證了油套管的耐高溫、抗C02及微量H2S腐蝕性能，而對于深井所要求的耐高溫(15(TC以上)、耐C02腐蝕但并不要求H2S腐蝕的環(huán)境要求，采用高鎳、鉬合金的油套管將導致成本過高，另外由于此類鋼的碳含量為超低碳，轉爐不能冶煉，必須采取電爐一鍛造-剝皮-軋管產線，這也導致該產線成才率低，制造成本高。采用本發(fā)明油套管用鋼的合金成分設計得到的油套管，其屈服強度Rt0.6基本在800MPa以上，抗拉強度Rm基本在950MPa以上，而且其耐高溫、耐C02和氯離子腐蝕性能與對照鋼9相比有明顯提高，尤其是在0'C下，沖擊韌性Ak超過了70J，遠高于API5CT規(guī)范對于21J的技術要求。另外，本發(fā)明的鋼種經過轉爐煉鋼、模鑄、初軋開坯、軋制制管及合理的熱處理工藝之后，可以獲得在溫度超過15(TC的條件下耐C02和氯離子腐蝕的強度達110鋼級的油套管，提高了鋼材成才率和生產效率，明顯節(jié)約了制造成本，可廣泛用于油井管等需要耐腐蝕的場合。權利要求1、一種110ksi高鋼級、高抗CO2腐蝕油套管用13Cr鋼，其特征在于，所述油套管用13Cr鋼的化學成分以重量比計包括C0.15～0.25％、Si0.2～1.0％、Mn0.20～1.0％、Cr12.0～14.0％、Ni0.5～1.5％、Mo0.2～1.0％、N0.03～0.10％，余量為Fe和不可避免雜質。2、根據權利要求1所述的110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用BCr鋼，其特征在于，所述油套管用13Cr鋼的化學成分中添加Al，其添加量為0.010.1%。3、一種110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管，其特征在于，以權利要求1或2所述的110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管用13Cr鋼制成。4、權利要求3所述的110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管的制法，其特征在于包括以下步驟(1)將轉爐冶煉后的鋼水澆鑄成鑄錠；(2)軋制初軋圓坯后于65075(TC退火，退火后的管坯在1150120(TC加熱保溫1.52小時后，經穿孔、熱軋成荒管；(3)熱處理鋼管于90098(TC進行淬火，并經58066(TC回火，回火時間控制在l小時之內。5、根據權利要求4所述的110ksi高鋼級、高抗C02腐蝕油套管的制法，其特征還在于，初軋前采用溫錠入爐，入爐鋼錠表面溫度〈60(TC。全文摘要本發(fā)明提供了一種110ksi高鋼級、高抗CO₂腐蝕油套管用13Cr鋼、以該鋼種制成的油套管及該油套管的制法。本發(fā)明的油套管用鋼成分配比以APIL80-13Cr油套管合金設計為基礎，并添加少量鎳、鉬、氮合金元素，其化學成分以重量比計包括C0.15～0.25％、Si0.2～1.0％、Mn0.20～1.0％、Cr12.0～14.0％、Ni0.5～1.5％、Mo0.2～1.0％、N0.03～0.10％，余量為Fe和不可避免雜質。將上述鋼種通過冶煉、軋制及適當的熱處理，可獲得在溫度超過150℃的條件下耐CO₂和氯離子腐蝕的強度達110鋼級的油套管。本發(fā)明的110ksi高鋼級、高抗CO₂腐蝕油套管由于其合金成本和制造成本低廉、抗CO₂腐蝕性能良好，可廣泛用于油井管等需要耐腐蝕的場合。文檔編號C21D1/18GK101289730SQ20071003974公開日2008年10月22日申請日期2007年4月20日優(yōu)先權日2007年4月20日發(fā)明者張忠鏵,徐文亮申請人:寶山鋼鐵股份有限公司