[发明专利]应用于油田的高强度耐腐蚀的合金

说明书

发明背景

发明领域

本发明大体上涉及耐腐蚀的金属合金，且更特别地，涉及特别应用于腐蚀性油气井以及海洋环境的镍-铁-铬合金，其中，高强度、耐腐蚀性以及合理的成本是所期望的属性。

相关技术描述

当较老的浅滩和较低腐蚀性的油井和气井耗尽时，需要更高强度且更耐腐蚀的材料以允许形成会遇到更具腐蚀性环境的更深的钻孔。

目前，油田的应用需要具有不断增加的耐腐蚀性和强度的合金。产生这些不断增加的需求的因素包括：涉及更高温度和压力的深井；改善的回收方法，例如蒸汽或二氧化碳(CO₂)灌注；增加的管道应力，尤其是海上的；以及腐蚀性的井成分，包括：硫化氢(H₂S)、CO₂和氯化物。

对于含硫气井—含有H₂S的井，材料选择尤其关键。含硫井环境具有高毒性且对传统的碳钢油气合金是极其腐蚀性的。在某些酸性环境中，可通过使用抑制剂连同碳钢管来控制腐蚀。然而，该抑制剂涉及持续的高成本且通常在高温下是不可靠的。对管壁增加腐蚀余度增加了重量并减小管子的内部尺寸。在很多情况下，在寿命周期的经济和安全方面考虑，优选的替代方法是对管子和其它井组件使用耐腐蚀的合金。这些耐腐蚀的合金排除了抑制剂、降低了重量、改善了安全性、排除或最小化了油井维修且减少了停机时间。

马氏体不锈钢，例如13％的铬合金，满足在轻度腐蚀性油田应用方面对耐腐蚀性和强度的要求。然而，该13％合金缺乏低水平含硫气井所需要的中等耐腐蚀性和强度。Cayard等人在“13Cr管子在油气生产环境中的适用性”中公布了硫化物应力腐蚀数据，该数据表明13Cr合金对在含硫气体环境和非含硫气体环境之间的过渡区域运行的井具有不足的耐腐蚀性。更多的背景技术可参见于Smith，Jr等人的美国专利第4,358,511号和Hibner等人的美国专利第5,945,067号。

虽然轻度腐蚀的井通过多种13Cr钢来处理，而对于更高腐蚀性的环境则需要Ni基合金。用于油田的、更常用的Ni基合金是奥氏体高Ni基合金，例如合金718、725、825、925、G-3、C-276，其对腐蚀性含硫气体环境提供改善的抗性。然而，这些前述的合金或者太昂贵，或者不具有高强度和耐腐蚀性的必要组合。

通过提供既具有优良耐腐蚀性以便在含硫气体环境中起作用，又结合优良的机械性能以便服务于苛求的深井油气应用的合金，本发明解决了现有技术中遇到的所述问题。此外，本发明以合理的成本提供了用于油田的高强度和耐腐蚀的合金。

发明概述

简而言之，本发明涉及含有少量Mo和Cu及含有可控的、相关联量的Nb、Ti、Al和C的Ni-Fe-Cr合金，以便开发独特的微观结构以提供为120ksi的最小屈服强度。概括地，该合金的(Nb-7.75C)/(Al+Ti)的比率为0.5至9。在前述的计算中，7.75×碳的重量百分比用于校正碳(原子量12.01)和Nb(原子量92.91)之间的原子量差。换言之，7.75×碳的重量百分比从基质中取出这么多重量百分比的Nb，并且不能形成沉淀硬化相。当满足所述比值0.5至9时，该合金将具有作为强化相的γ″(伽马双撇号)相和γ′(伽马单撇号)相的结合，其中存在的γ″相的最小值为1wt.％且γ′+γ″的重量百分比为10％至30％，并且当所述比率为0.5至8时优选重量百分比为12％至25％，并且当所述比率为0.5至6时该重量百分比范围还会更窄，其由ThermoCalc测定。

通过退火和时效硬化条件获得所述独特的微观结构，该时效硬化条件提供了冲击强度、延展性和耐腐蚀性的有吸引力的结合以使本发明的材料能够用于腐蚀性油井和气井应用中，所述应用包含通常在含硫井环境中发现的二氧化碳(CO₂)和硫化氢(H₂S)的气体混合物。本发明的材料还可用于海洋应用，其中强度、耐腐蚀性和成本是涉及材料选择的重要因素。

除非另有明确说明，本说明书以重量百分比描述所有组分。按照重量百分比，本发明的合金优选包含以下成分：38％至55％Ni、12％至25％Cr、0.5％至5％Mo、0％至3％Cu、2％至4.5％Nb、0.5％至3％Ti、0％至0.7％Al、0.005％至0.04％C、余量的Fe和附带的杂质和脱氧剂。合金中所述Fe的含量为16％至35％。