專利名稱：一種高強(qiáng)度耐磨套管用鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種套管用鋼，特別是涉及用于油氣田開采的高強(qiáng)度耐磨損石油套管用鋼、套管及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著油田開發(fā)的進(jìn)展，井深為4000m以上的深井、超深井以及超斜度井、水平井和大位移井大量出現(xiàn)，在這些油井的開發(fā)過程中套管在與鉆桿管柱的長(zhǎng)期接觸過程中磨損相當(dāng)嚴(yán)重。套管磨損的主要形式為偏磨，偏磨使套管橫截面呈月牙形；偏磨后的套管在抗擠強(qiáng)度降低的同時(shí)其抗內(nèi)壓強(qiáng)度也隨之降低，這不僅嚴(yán)重影響后續(xù)的鉆井、完井及開采作業(yè)質(zhì)量和安全性，還可能造成套管柱擠毀、變形及泄漏，引發(fā)井下事故，有時(shí)甚至造成全井報(bào)廢。目前，減少套管磨損已成為亟待解決的難題。
現(xiàn)有技術(shù)中，尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于耐磨套管鋼種成分設(shè)計(jì)的論述，僅有一些專利描述了通過對(duì)油套管進(jìn)行表面熱處理以增加其表面硬度，從而增強(qiáng)油套管耐磨性能的方法和裝置，如JP2004300474A。另有一些專利描述了用于機(jī)械制造和采礦設(shè)備等方面的耐磨鋼種，如 US5236521A、JP58213858A 和 JP59064747A。但這類鋼種一般只強(qiáng)調(diào)耐磨性，而不考慮沖擊韌性等油套管必須具備的性能。CN101113509A描述了一種通過對(duì)油、套管進(jìn)行氮化處理以增強(qiáng)油、套管耐磨性能和抗腐蝕性能的方法，通過該方法可在油套管表面形成一層O. 5-2_厚的滲氮層，該滲氮層可有效增加管體表面硬度同時(shí)可以在一定程度上改善管體抗腐蝕性能。這種表面形成氮化層的方法一般能用于生產(chǎn)長(zhǎng)徑比大于30的管子，但不能適用于大口徑套管的生產(chǎn)；該方法增加表面硬度的能力有限，無(wú)法完全滿足套管在與鉆桿接觸過程中的耐磨損，同時(shí)一旦表面耐磨層磨損則容易在被磨損部位和其他部位表面耐磨層之間形成電偶腐蝕，從而產(chǎn)生局部腐蝕。減少套管磨損，可以通過增強(qiáng)套管本身的耐磨性和降低套管與鉆桿之間的摩擦系數(shù)兩種方式。降低套管與鉆桿之間的摩擦系數(shù)，可以通過添加潤(rùn)滑劑，此外也可通過在鉆桿的接頭處敷焊耐磨帶以有效降低接頭基體和套管的磨損。而增強(qiáng)套管耐磨性能則要從套管材料本身入手，通過套管材料的成分優(yōu)化，在保證套管所需強(qiáng)度和韌性的基礎(chǔ)上提高套管的硬度，以增強(qiáng)套管的耐磨性能。因此，目前仍需要一種耐磨性能優(yōu)良，而且強(qiáng)度高的套管用鋼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于向油田用戶提供一種具有優(yōu)良耐磨性能的高強(qiáng)度套管，以滿足油田在深井超深井、超斜度井、水平井及大位移井開采過程中對(duì)耐磨套管的需求。為實(shí)現(xiàn)滿足高強(qiáng)度、耐磨套管的性能要求的目的，本發(fā)明的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼，其以質(zhì)量百分比計(jì)化學(xué)成分為c 0. 50-1. 2%, Si 0. 10-1. 0%, Mn :0. 40-1. 0%, Ti O. 3-2. 5%, P ^ O. 02%, S ^ O. 01%, Cr 0. 5-1. 5%, Mo :0. 1-1. 0%、Nb 或 V :0. 1% 以下，其余全部由Fe組成。優(yōu)選地，C:0· 51-1. 15%。優(yōu)選地，Si0. 11-0. 90%，更優(yōu)選為 O. 11-0. 50%。優(yōu)選地，Mn0. 40-0. 90%，更優(yōu)選為 O. 41-0. 70%。優(yōu)選地，Ti0. 31-2. 4%，更優(yōu)選為 O. 32-2. 4% 優(yōu)選地，P彡 O. 015%, S 彡 O. 005%，優(yōu)選 P 彡 O. 01 %，S 彡 O. 001 %。優(yōu)選地，Mo0. 12-0. 90%，更優(yōu)選為 O. 3-0. 7%。優(yōu)選地，Ti C為3 5 5 1，更優(yōu)選為I : I 3 : I。優(yōu)選地，所述鋼中TiC陶瓷顆粒尺寸在5μπι以下，以及TiC含量彡3%。優(yōu)選地，TiC含量為O. 3-3%。優(yōu)選地，在本發(fā)明的成分體系中，首先將O. 50%的碳和上述含量的Si、Mn、Cr及剩余的Fe等所組成的元素成分進(jìn)行冶煉，隨后在煉鋼過程加入Ti、C粉通過原位合成生成3 %以下，優(yōu)選為O. 3-3%的TiC顆粒相。為保證合金的強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到耐磨性能，形成TiC顆粒所需要的Ti、C的比例為Ti C = 3 5 5 1，成分配比同時(shí)考慮一定的燒結(jié)。更優(yōu)選所述TiC顆粒相的尺寸為5 μ m以下。除非另有指明，本發(fā)明中的含量均為重量百分含量。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種上述高強(qiáng)度耐磨套管用鋼得到的高強(qiáng)度磨套管。所述套管，其鋼級(jí)為llOksi，而且經(jīng)高溫回火后仍具有較高的沖擊韌性，其0°C沖擊韌性值達(dá)到40J以上。本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供上述高強(qiáng)度耐磨套管的制造方法。該方法包括上述高強(qiáng)度耐磨套管的制造方法，包括進(jìn)行電弧爐或轉(zhuǎn)爐冶煉和二次精煉,并連鑄成管還;管坯在1200_1300°C之間加熱軋制成無(wú)縫鋼管； 鋼管在850_950°C保溫I小時(shí)以上進(jìn)行淬火，以及在600_750°C回火I小時(shí)以上；然后空冷。采用上述成分和制造方法可以生產(chǎn)IlOksi鋼級(jí)的高強(qiáng)度耐磨損套管。與現(xiàn)有套管產(chǎn)品相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)TiC彌散強(qiáng)化技術(shù)是以鋼鐵為基體，TiC陶瓷顆粒為增強(qiáng)體。采用本發(fā)明所述成分在冶煉過程通過原位合成技術(shù)在鋼中通過Ti和C反應(yīng)合成一定比例并均勻分布的TiC陶瓷顆粒，可以大幅度提高鋼種的耐磨性；此外，原位生成的TiC陶瓷顆粒TiC與鋼基體結(jié)合良好，尺寸在5 μ m以下，材料經(jīng)高溫回火后仍具有較高的沖擊韌性，其0°C沖擊韌性值均達(dá)至IJ 40J以上。
具體實(shí)施例方式以下對(duì)本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果進(jìn)行較為詳細(xì)的描述。為了實(shí)現(xiàn)提供IlOksi鋼級(jí)的高強(qiáng)度耐磨損套管的目的，本發(fā)明的鋼的元素成分選擇理由如下C 0. 50-1. 2%C是對(duì)提高鋼種的強(qiáng)度、硬度以及形成TiC原位顆粒最有效的元素，但在馬氏體不銹鋼中C含量低于O. 5%時(shí)這種效果不夠明顯，同時(shí)當(dāng)C含量超過I. 2%時(shí)容易導(dǎo)致沖擊韌性明顯下降。因此，本發(fā)明中控制C含量為O. 50-1. 2%，優(yōu)選為O. 51-1. 15%。Ti :0.3-2. 5%在原位合成TiC陶瓷顆粒為增強(qiáng)體的耐磨鋼中，Ti的作用與C同等重要，TiC的原位析出能夠明顯大幅度提高鋼種的耐磨性。但是當(dāng)Ti含量低于O. 3%時(shí)鋼種耐磨性提高不明顯，Ti含量高于2. 5%時(shí)過多的TiC顆粒析出會(huì)對(duì)鋼種的沖擊韌性造成較大負(fù)面影響。因此，本發(fā)明中控制Ti含量為O. 3-2. 5%，優(yōu)選為O. 31-2. 4%，更優(yōu)選為O. 32-2. 4%。另外，合適的Ti、C比可以提高合金的利用效率，避免C或者Ti在合金中的富余量過多而降低合金的性能，如果Ti C小于3 5，則C的含量富余過多，降低合金的韌性；或者TiC的含量過少，則合金的耐磨性下降。如果Ti C大于5 1，則Ti的含量富余過多，而造成合金的浪費(fèi)；或者TiC的含量過多，則合金的韌性下降。因此，本發(fā)明中控制Ti C為3 5 5 1，更優(yōu)選I : I 3 : I。
Si :0.1-1.0%Si是有效的脫氧劑，同時(shí)O. 1%以上的Si對(duì)提高鋼種的強(qiáng)度有益，但是過多的Si會(huì)造成鋼種韌性的降低。因此，本發(fā)明中控制Si的含量在O. 1-1.0%，優(yōu)選為O. 1-0. 5%或
0.11-0. 9%。Mn 0. 40-1. 0%Mn能大幅提高鋼種的強(qiáng)度和韌性，也是有效的脫氧劑，而且具有脫S的作用，但是過多的Mn也會(huì)促進(jìn)碳化物的形成，從而降低鋼種的韌性和耐腐蝕性。因此，本發(fā)明中控制Mn 含量為 O. 40-1. O %，優(yōu)選為 O. 40-0. 90 %，優(yōu)選為 O. 40-0. 7 %。P :0. 02% 以下、S :0. 01% 以下P、S均為伴生的雜質(zhì)元素。P、S對(duì)合金的熱加工性能、純凈度產(chǎn)生有害影響，并且P、S含量分別在O. 02%,O. 01%以上時(shí)，對(duì)鋼種的耐腐蝕性能產(chǎn)生明顯的破壞作用。因而，本發(fā)明中控制P、S的含量分別在O. 02%、0. 01%以下，優(yōu)選地P彡O. 015%, S彡O. 005%。Cr 0. 5-1. 5%Cr的添加能夠提高鋼種的淬硬性、強(qiáng)度和高溫抗回火穩(wěn)定性，同時(shí)還可以大幅提高鋼種抗局部腐蝕和均勻腐蝕能力，但是Cr含量低于O. 5%時(shí)效果不明顯，Cr含量高于
1.5%時(shí)合金成本增加。因此，本發(fā)明中控制Cr含量為O. 5-1. 5%，優(yōu)選為O. 55-1. 45%。Mo :0.1-1.0%Mo的添加有助于提高鋼種的韌性和強(qiáng)度，同時(shí)可以抑制鋼種的高溫回火脆性。但是Mo的含量過高，會(huì)導(dǎo)致成本大幅提高、因此，本發(fā)明中控制Mo的含量為O. 1-1.0%，優(yōu)選為 O. 12-0. 9 %，更優(yōu)選為 O. 3-0. 7 %。V、Nb:0.1% 以下Nb、V可以通過細(xì)化晶粒、析出強(qiáng)化改善鋼種的強(qiáng)度和韌性，但當(dāng)其含量超過O. 1%時(shí)，其析出相過多，效果反而不明顯，也增加鋼種的合金成本。因此，本發(fā)明中選擇性添加V或Nb，而且其含量在O. I %以下，優(yōu)選為0.01-0. 08%。實(shí)施例表I為試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分。表I試驗(yàn)鋼種的化學(xué)成分，Wt %
權(quán)利要求
1.高強(qiáng)度耐磨套管用鋼，其以質(zhì)量百分比計(jì)化學(xué)成分為c:0. 50-1. 2 %、Si O. 10-1. 0%,Μη 0. 40-1. 0%,Ti :0. 3-2. 5%,P ( O. 02%,S ^ O. 01%,Cr :0. 5-1. 5%,Mo O. 1-1. 0%、Nb或V :0. 1%以下，其余全部由Fe組成。
2.如權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼得到的套管，C:0. 51-1. 15%。
3.如權(quán)利要求I或2所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼得到的套管，Si:0. 11-0. 90%，優(yōu)選為 O. 11-0. 50%。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼得到的套管，Mn:0. 40-0. 90%，優(yōu)選為 O. 40-0. 70%。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼得到的套管，Ti:0. 31-2.4%，優(yōu)選O.32-2. 4%。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼得到的套管，P( 0.015%,S 彡 O. 005%，優(yōu)選 P 彡 O. 01%，S 彡 O. 001%。
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼得到的套管，Mo:0. 12-0. 90%，優(yōu)選為 O. 3-0. 7%。
8.如權(quán)利要求1-7任一所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼，其特征在于，Ti C為3 5 5 1，優(yōu)選為I : I 3 : I。
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼，其特征在于，所述鋼中TiC陶瓷顆粒相尺寸在5μηι以下，以及TiC陶瓷顆粒相含量< 3%。
10.如權(quán)利要求9所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼，其特征在于，TiC含量為O.3-3%。
11.如權(quán)利要求1-10任一所述的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼得到的套管，其鋼級(jí)為llOksi，而且經(jīng)高溫回火后仍具有較高的沖擊韌性，其0°C沖擊韌性值達(dá)到40J以上。
12.如權(quán)利要求11所述的高強(qiáng)度耐磨套管的制造方法，包括 進(jìn)行電弧爐或轉(zhuǎn)爐冶煉和二次精煉，并連鑄成管坯； 管坯在1200-130(TC之間加熱軋制成無(wú)縫鋼管； 鋼管在850-950°C保溫I小時(shí)以上進(jìn)行淬火，以及在600-750°C回火I小時(shí)以上； 然后空冷。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，冶煉時(shí)，首先按照O.50%的碳含量和上述含量的Si、Mn、Cr及剩余為Fe所組成的元素成分進(jìn)行，隨后在煉鋼過程加入Ti和C粉，通過原位合成得到< 3%的TiC顆粒相。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所形成的TiC顆粒相為O.3-3%，顆粒尺寸在5 μ m以下。
全文摘要
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度耐磨套管用鋼，其以質(zhì)量百分比計(jì)化學(xué)成分為C0.50-1.2％、Si0.10-1.0％、Mn0.40-1.0％、Ti0.3-2.5％、P≤0.02％、S≤0.01％、Cr0.5-1.5％、Mo0.1-1.0％、Nb或V0.1％以下，其余全部由Fe組成。所述高強(qiáng)度耐磨套管的制造方法，包括進(jìn)行電弧爐或轉(zhuǎn)爐冶煉和二次精煉，并連鑄成管坯；管坯在1200-1300℃之間加熱軋制成無(wú)縫鋼管；鋼管在850-950℃保溫1小時(shí)以上進(jìn)行淬火，以及在600-750℃回火1小時(shí)以上；然后空冷。得到的高強(qiáng)度耐磨套管用鋼得到的套管，其鋼級(jí)為110ksi，而且經(jīng)高溫回火后仍具有較高的沖擊韌性，其0℃沖擊韌性值達(dá)到40J以上?？勺鳛楦邚?qiáng)度耐磨損石油套管用于油氣田開采。
文檔編號(hào)C22C38/28GK102899573SQ20111020943
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者張忠鏵, 張春霞 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司