[發明專利]具有高強度和高韌性石油套管及其制造方法

無效

• 申請號: 200910068676.3
• 申請日: 2009-04-29
• 公開（公告）號: CN101586450A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 張傳友;嚴澤生;付繼成;宗衛兵;劉江成;孫開明;江勇;周家祥;史慶志;李效華;章華明;周曉鋒;李毅;張寶惠;王青峰
• 申請（專利權）人: 天津鋼管集團股份有限公司
• 主分類號: E21B17/00
• 分類號: E21B17/00;C22C38/32;C22C33/04;C21C7/10;C21C7/076;B22D11/11;B22D11/22;C21D8/10;C21D1/18
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司
• 代理人: 呂志英

技術領域

本發明屬于金屬材料行業的石油天然氣工業用無縫鋼管制造技術，特別涉及一種具有高強度和高韌性石油套管及其制造方法。

背景技術

由于全球石油供應的嚴峻形勢，超深油氣井的勘探、建設已成為關系到石油天然氣工業長期穩定持續發展的重大基礎工程。超高強度高韌性油井管作為石油鉆采行業深井超深井建井的重要工業材料，成為近年來國內外材料研究與開發的熱點。超深井由于井下高溫高壓環境，對油井管的強度、韌性、密封性能、抗裂紋擴展能力、抗彎曲能力等使用性能有特殊要求。鋼鐵材料要求高強度的同時，追求高韌性是目前油井管領域的研究開發熱點。一般來講，鋼的強度與塑性、韌性通常表現為互為消長的關系，強度高的鋼往往塑性和韌性就低，反之，為追求高的塑性和韌性，就必須犧牲鋼的強度。并且隨著強度的提高，延遲斷裂和缺口的敏感度也會急劇增加。

目前，先進而流行的無縫鋼管制造工藝一般采用連鑄+MPM連軋(或PQF連軋)工藝生產，對于高強度鋼管，采用調質熱處理的方法達到所需的強度級別。在API標準規范中，P110~Q125級別的油井管橫向沖擊功只要達到40J就可以，但橫向沖擊功太低，在實際應用中易發生突然失效等災難事故。故石油天然氣開發用無縫鋼管往往要求比API標準更高的沖擊功。

隨著石油價格的高升和勘探技術的發展，開采的油層深度不斷由淺入深，油氣井內的壓力和溫度也不斷提高，地質環境也變得越來越惡劣，使油氣井下的石油套管所承受的應力狀態更為復雜和嚴酷。這樣的鉆采條件對石油套管的強度及韌性要求很苛刻，一旦石油套管選擇不當，就會出現擠毀和泄露等事故，導致整口井的減產，甚至報廢。同時，在目前生產技術水平下，鋼材存在微小缺欠或損傷是難以避免的，關鍵是要在提高石油套管強度的同時，改善其斷裂韌性，使材料的缺欠或損傷在嚴苛載荷下失效時是“先漏后破”的模式，避免因韌性不足造成在超負荷應力下因裂紋擴展導致破裂而造成災難。

制約具有高強度和高韌性石油套管制造的主要技術難點是鋼材化學成份、高純凈鋼冶煉、超細晶粒鋼的軋制、熱處理工藝和矯直方法以及套管幾何尺寸精度差等。這些問題制約了具有超高強度高韌性石油套管的發展。

發明內容

為解決上述技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種具有高強度和高韌性石油套管及其制造方法，滿足油田深井或超深井開采條件的需要。通過該方法制造的石油套管能達到160KSI~175KSI鋼級，屈服強度在1100MPa~1250MPa之間，橫向全尺寸夏比沖擊功不低于90J。

為實現上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種具有高強度和高韌性石油套管，套管鋼種組成元素的重量配比為：

C：0.16～0.28％、Si：≤0.50％、Mn：0.30～1.10％、Cr：0.50～1.10％、Mo：0.60～0.95％、Al：0.015～0.060％、其中酸溶Als/Al≥0.80％、Ni＜0.60％、Cu：0.05％～0.25％、V：0.060～0.20％、Ca＞0.0015％、Nb：≤0.05％、Ti：≤0.05％、P＜0.010％、S＜0.002％，O：＜0.0024％、H＜0.0002％、N＜0.008％、B：0.0000％～0.005％，其余為鐵。

還提供一種強度和高韌性石油套管的制造方法，其步驟包括有：

①配料冶煉及管坯煉鑄

按上述鋼種組成元素重量成分為：

C：0.16～0.28％、Si：≤0.50％、Mn：0.30～1.10％、Cr：0.50～1.10％、Mo：0.60～0.95％、Al：0.015～0.060％、其中酸溶Als/Al≥0.80％、Ni＜0.60％、Cu：0.05％～0.25％、V：0.060～0.20％、Ca＞0.0015％、Nb：≤0.05％、Ti：≤0.05％、P＜0.010％、S＜0.002％，O：＜0.0024％、H＜0.0002％、N＜0.008％、B：0.0000％～0.005％，其余為鐵。

在煉鋼過程中：

采用優質返回廢鋼+高爐鐵水的配料工藝；

采用爐外精煉、真空脫氣、氬氣攪拌、頂渣控制及擋渣技術等純凈鋼冶煉工藝，以降低氣體含量，提高酸溶鋁比率，尤其是降低O、H、N含量；

同時進行夾雜物變性的Ca處理；

采用長水口吹氬保護澆鑄，減少鋼水吸氣和二次氧化，澆注時控制較低的鋼水過熱度溫度為25℃～30℃；