[发明专利]具有高强度和高韧性石油套管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料行业的石油天然气工业用无缝钢管制造技术，特别涉及一种具有高强度和高韧性石油套管及其制造方法。

背景技术

由于全球石油供应的严峻形势，超深油气井的勘探、建设已成为关系到石油天然气工业长期稳定持续发展的重大基础工程。超高强度高韧性油井管作为石油钻采行业深井超深井建井的重要工业材料，成为近年来国内外材料研究与开发的热点。超深井由于井下高温高压环境，对油井管的强度、韧性、密封性能、抗裂纹扩展能力、抗弯曲能力等使用性能有特殊要求。钢铁材料要求高强度的同时，追求高韧性是目前油井管领域的研究开发热点。一般来讲，钢的强度与塑性、韧性通常表现为互为消长的关系，强度高的钢往往塑性和韧性就低，反之，为追求高的塑性和韧性，就必须牺牲钢的强度。并且随着强度的提高，延迟断裂和缺口的敏感度也会急剧增加。

目前，先进而流行的无缝钢管制造工艺一般采用连铸+MPM连轧(或PQF连轧)工艺生产，对于高强度钢管，采用调质热处理的方法达到所需的强度级别。在API标准规范中，P110~Q125级别的油井管横向冲击功只要达到40J就可以，但横向冲击功太低，在实际应用中易发生突然失效等灾难事故。故石油天然气开发用无缝钢管往往要求比API标准更高的冲击功。

随着石油价格的高升和勘探技术的发展，开采的油层深度不断由浅入深，油气井内的压力和温度也不断提高，地质环境也变得越来越恶劣，使油气井下的石油套管所承受的应力状态更为复杂和严酷。这样的钻采条件对石油套管的强度及韧性要求很苛刻，一旦石油套管选择不当，就会出现挤毁和泄露等事故，导致整口井的减产，甚至报废。同时，在目前生产技术水平下，钢材存在微小缺欠或损伤是难以避免的，关键是要在提高石油套管强度的同时，改善其断裂韧性，使材料的缺欠或损伤在严苛载荷下失效时是“先漏后破”的模式，避免因韧性不足造成在超负荷应力下因裂纹扩展导致破裂而造成灾难。

制约具有高强度和高韧性石油套管制造的主要技术难点是钢材化学成份、高纯净钢冶炼、超细晶粒钢的轧制、热处理工艺和矫直方法以及套管几何尺寸精度差等。这些问题制约了具有超高强度高韧性石油套管的发展。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有高强度和高韧性石油套管及其制造方法，满足油田深井或超深井开采条件的需要。通过该方法制造的石油套管能达到160KSI~175KSI钢级，屈服强度在1100MPa~1250MPa之间，横向全尺寸夏比冲击功不低于90J。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种具有高强度和高韧性石油套管，套管钢种组成元素的重量配比为：

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％，其余为铁。

还提供一种强度和高韧性石油套管的制造方法，其步骤包括有：

①配料冶炼及管坯炼铸

按上述钢种组成元素重量成分为：

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％，其余为铁。

在炼钢过程中：

采用优质返回废钢+高炉铁水的配料工艺；

采用炉外精炼、真空脱气、氩气搅拌、顶渣控制及挡渣技术等纯净钢冶炼工艺，以降低气体含量，提高酸溶铝比率，尤其是降低O、H、N含量；

同时进行夹杂物变性的Ca处理；

采用长水口吹氩保护浇铸，减少钢水吸气和二次氧化，浇注时控制较低的钢水过热度温度为25℃～30℃；