[發明專利]一種高強度抗硫套管及其熱處理制造方法

有效

• 申請號: 201010260449.3
• 申請日: 2010-08-23
• 公開（公告）號: CN102373374A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發明（設計）人: 潘大剛;王磊
• 申請（專利權）人: 寶山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號: C22C38/24
• 分類號: C22C38/24;C21D9/08;E21B17/01
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 鄭立柱;金惠淑

技術領域

本發明涉及一種經濟型高強度耐硫化氫環境腐蝕的無縫油套管及其熱處理制造方法。

背景技術

硫化氫是一種在油氣勘探與采掘過程中經常遇到的酸性氣體。隨著世界能源需求的不斷增長，開發難度較小的油氣資源逐漸枯竭，人們不得不開始開發地質條件更為惡劣的深井、超深井，而這些油氣井中往往都含有硫化氫氣體。世界現有油氣田中的約1/3都含有硫化氫氣體。

油氣井中的酸性硫化氫氣體會使鋼鐵材料發生硫化物應力腐蝕開裂(Sulfide?Stress?Cracking)。這一問題在高強度低合金鋼(High?Strength?Low?Alloy?Steel，HSLA)中表現得尤為突出。由于油井管的抗硫化氫腐蝕性能直接關系到油田設備及人員的安全，因此高強度低合金鋼的抗硫性能成為了各油井管生產企業和油田用戶重點關注的問題。石油公司在鋼管采購時除要求產品滿足美國石油學會標準(American?Petroleum?Institute，API)外，還經常會有抗硫化氫腐蝕性能的要求，即要求鋼管用材符合NACE?MR0175的標準，并按NACE?TM0177標準進行SSCC(Sulfide?Stress?Corrosion?Cracking)試驗。

隨著井深的增加，井下的溫度和壓力也隨之升高。高溫高壓的深井和超深井對油井管的使用性能提出了更高的要求：既要求油井管具有很高的強度以承受井下巨大的壓力與重量，同時又要具有一定的抗硫化氫腐蝕性能。對油田用戶而言，通過進一步提高抗硫油井管材料的強度可以在不增加油井管壁厚的條件下滿足對使用性能的要求，從而為用戶的現場使用提供極大的便利。因此，近年來市場上對高強度抗硫管的需求一直在強勁增長。

在過去的幾十年里，高強度抗硫管的生產技術獲得了突飛猛進的發展。其最小名義屈服強度(Specified?Minimum?Yield?Strength)從80ksi(552MPa)、90ksi(621MPa)、95ksi(655MPa)一直提高到110ksi(758MPa)。API已經將90和95鋼級的抗硫管收入到API?5CT/ISO11960標準中，并分別命名為C90和T95。100和110鋼級的抗硫管還未收入標準，但一般被稱為C100和C110。僅僅在20年前，同時具有高強度和高抗硫化氫腐蝕性能的油井管的生產還被認為是不可能的事情，而110鋼級的抗硫管也是在近十幾年內才開始出現的。2004年，日本住友金屬公司與BP和Statoil合作成功生產出了125鋼級的抗硫套管。該系列產品除了具有高達125ksi的最小名義屈服強度外，還能保證一定的抗硫化氫腐蝕性能。這是目前世界上高鋼級抗硫套管所能達到的最高強度水平。隨著現代材料科學與冶金技術的迅速發展，同時具備高強度與高抗硫化氫腐蝕性能的油井管現在已經可以進行大規模的工業生產并被廣泛應用到了世界各地的油氣生產中，而且高鋼級抗硫管的強度級別還有進一步提高的趨勢。

高鋼級抗硫套管對使用性能的要求較高，不僅要求材料具有很高的強度，同時還要求具有一定的抗硫化氫腐蝕能力。對于高強度油套管而言，較高的強度將制約其在硫化氫環境中的應用，因為對高鋼級油套管而言強度與抗硫性能往往是一對矛盾，較高的強度一般會引起抗硫性能的降低，而為了獲得較高的抗硫性能，就必須犧牲一定的強度指標。因此，在合金成分設計和工藝制度制定的過程中，必須兼顧二者的需求，在強度與抗硫性能之間平衡。為了同時獲得較高的強度和抗硫性能，必須對材料的微觀組織演化過程進行精確的控制與優化，使其在合金相變過程中充分發揮晶粒細化、析出強化和提高回火抗力的作用，并與合理的熱處理制度相結合，達到通過合理使用微量合金元素使性能強化效果最大化的目的。

開發高強度抗硫油套管材料的關鍵在于如何合理控制合金碳化物的析出形態及析出量以達到最佳的析出強化效果并改善材料的抗硫性能。在高強度Cr-Mo合金鋼中，在晶界附近析出的粗大的碳化物如M₂₃C₆、M₃C等往往會在受力過程中成為發生開裂的薄弱點，導致晶間腐蝕開裂的發生，直接影響材料的抗硫性能。因此，通過添加微量合金元素并采取合理的熱處理制度抑制粗大的碳化物析出，并使細小的碳化物呈彌散均勻分布，可有效提高Cr-Mo鋼的抗晶間腐蝕開裂能力，改善其抗硫性能。鋼中的微量合金元素并不是單獨發揮作用的，因此在實際的使用過程當中往往采用復合添加的方式，以期用較少的合金元素加入量獲得最佳的強化效果，達到成本效益的最大化。采用合理的Cr-Mo系鋼種，并添加V、Nb、Ti等合金元素，可在保證力學性能的同時，使材料具有良好的抗硫性能。