[发明专利]高抗挤毁和抗硫化氢腐蚀低合金石油套管及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低合金石油天然气井石油套管，特别是涉及一种高抗挤毁和抗硫化氢腐蚀的低合金石油套管及其生产方法。

背景技术

高抗挤毁油套管是适用于深井、超深井等油气井完井作业不可缺少的专用管材，在下井及固井过程中，起着保护井眼、加固井璧、隔绝井下油、气、水层及封固各种复杂地层，保证钻进的作用。而在我国塔里木、四川等油田普遍存在硫化氢等腐蚀介质，使用的油井管在受到挤压的同时还受到严重的侵蚀。可想而知，在这种应力腐蚀的环境下，油套管将快速失效开裂，不仅会给油田造成严重的经济损失，而且也影响油田的正常安全生产。

一般而言，钢管的抗挤强度和抗腐蚀性能是矛盾的对立体，也就是说，对于同一个钢级的钢管，提高材料的强度可以有效的提高钢管的抗挤强度，然而，强度的提高对于材料的抗腐蚀性能不利。相关高抗挤抗硫石油套管的日本专利JP63210236A指出，淬火、回火后200-500℃温矫直或冷矫直后再加热处理可以使钢管既保持高的抗挤强度又有较好的抗腐蚀性能。因为这样可以降低钢管的残余应力，因而对钢管的抗挤抗硫性能都有利。该专利所使用的钢种为添加了Nb的传统的CrMo钢，如表1所示，虽然材料的抗腐蚀性能有所改善，但是，由于化学成分过于简单，没有考虑合金元素以及微观组织对材料抗H₂S腐蚀性能的影响，并且没有对钢管的几何尺寸以及残余应力进行严格的控制，钢管的抗挤抗硫性能不能满足油田的需求。

中国专利CN1619005公开了一种高抗挤毁的石油天然气开采中深井、超深井石油套管及其生产方法。首先该专利所提供的石油套管为非API钢级，其次，所使用的钢的化学成分不含Ti、Nb、Al等元素，见表1，而这些元素可以通过细化奥氏体晶粒来提高材料的强韧性，同时对于抗硫化氢腐蚀有好处。另外，由于该专利没有对合金的成分以及组织因素进行控制，因此不具备抗硫化氢腐蚀的性能。

日本专利JP2001059136公开的抗硫化氢腐蚀钢管成分以高的Cr含量(1-9％)和微量的B(10-20ppm)为主要特征，通过调质处理后，材料抗硫化氢应力腐蚀开裂性能满足NACE TM0177-96方法中规定的N80钢级的要求。但该专利合金成本较高，而且也不能满足钢管高抗挤毁性能的要求。

对于低合金抗硫化氢腐蚀钢管所使用的化学成分一般不含Cu、Ni等合金元素，而这两种元素的加入可以有效地抑制氢致开裂的可能性。典型的如专利JP04342858、EP100866以及JP10280037，一种用V来提高强度，而另一种用B来提高淬透性和强度。一般而言，钢中加入B，则必须同时加入Ti，通过形成TiN来避免形成BN，从而发挥B提高淬透性的作用。然而，由于钢中会不可避免的熔入氮，在钢水浇注前Ti就会和N反应生成大的方块状TiN，在随后的冷却过程中，TiC会在其和基体的界面处形核使该Ti(NC)颗粒进一步长大，而对抗硫化氢性能产生不利的影响。

发明内容

本发明的目的是开发一种高抗挤毁和高抗硫化氢腐蚀低合金石油套管及其生产方法，以满足既有抗挤毁性能要求，又有抗硫化氢腐蚀要求的油气田的勘探开发需要。

本发明的思路是通过综合控制材料的化学成分与微观组织、回火温度与残余应力、以及钢管的壁厚均匀性与外径不圆度等各方面因素，提高钢管的抗挤压性能以及抗硫化氢性能。适当的合金成分、较低的夹杂物含量、低硫及低氢的工艺控制，加上均匀细小的晶粒组织，可以使低合金高强度钢的抗硫化氢腐蚀性能得到较大提高。在合金元素添加顺序上首先添加B使之和N反应生成BN。通过控制终轧温度、再加热奥氏体化温度、回火温度以及保温时间，获得细小的原始奥氏体晶粒，细小弥散分布的析出物以达到最大的强韧化效果以提高材料的强韧性，这样在提高材料抗挤毁性能的同时并不损坏材料的抗硫化氢性能。

公认的抗硫化氢应力腐蚀的元素有Cr、Mo、V、Ti、Nb、Al等，在此基础上，为有效抑制氢向钢中的进入，在合金元素的设计中考虑添加一定的铜、镍含量，另外，由于Cu元素的析出强化作用，还对钢管的抗挤性能有利，为了避免Ti和N反应生成大块状TiN，合金中可考虑添加B元素。