[发明专利]140ksi以上钢级耐硫化氢腐蚀无缝油套管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及油套管，特别涉及屈服强度超过140ksi的高强度耐硫化氢环境腐蚀的无缝油套管及其制造方法。

背景技术

硫化氢是一种在油气勘探与采掘过程中经常遇到的酸性气体。随着世界能源需求的不断增长，开发难度较小的油气资源逐渐枯竭，人们不得不开始开发地质条件更为恶劣的深井、超深井，而这些油气井中往往都含有硫化氢气体。世界现有油气田中的约1/3都含有硫化氢气体。

油气井中的酸性硫化氢气体会使钢铁材料发生硫化物应力腐蚀开裂(Sulfide Stress Cracking)。这一问题在高强度低合金钢(High Strength LowAlloy Steel)中表现的尤为突出。由于油井管的抗硫化氢腐蚀性能直接关系到油田设备及人员的安全，因此HSLA钢的抗硫性能成为了各油井管生产企业和油田用户重点关注的问题。石油公司在钢管采购时除要求产品满足API标准外，还经常会有抗硫化氢腐蚀性能的要求，即要求钢管用材符合NACE MR0175的标准，并按NACE TM0177标准进行SSCC(SulfideStress Corrosion Cracking)试验。

随着井深的增加，井下的温度和压力也随之升高。高温高压的深井和超深井对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强度以承受井下巨大的压力与重量，同时又要具有一定的抗硫化氢腐蚀性能。对油田用户而言，通过进一步提高抗硫油井管材料的强度可以在不增加油井管壁厚的条件下满足对使用性能的要求，从而为用户的现场使用提供极大的便利。因此，近年来市场上对高强度抗硫管的需求一直在强劲增长。

在过去的几十年里，高强度抗硫管的生产技术获得了突飞猛进的发展。其最小名义屈服强度(Specified Minimum Yield Strength)从80ksi(552MPa)、90ksi(621MPa)、95ksi(655MPa)一直提高到110ksi(758MPa)。API已经将90和95钢级的抗硫管收入到API 5CT/ISO11960标准中，并分别命名为C90和T95。100和110钢级的抗硫管还未收入标准，但一般被称为C100和C110。仅仅在20年前，同时具有高强度和高抗硫化氢腐蚀性能的油井管的生产还被认为是不可能的事情，而110钢级的抗硫管也是在近十几年内才开始出现的。2004年，日本住友金属公司与BP和Statoil合作成功生产出了125钢级的抗硫套管。该系列产品除了具有高达125ksi的最小名义屈服强度外，还能保证一定的抗硫化氢腐蚀性能。随着现代材料科学与冶金技术的迅速发展，同时具备高强度与高抗硫化氢腐蚀性能的油井管现在已经可以进行大规模的工业生产并被广泛应用到了世界各地的油气生产中，而且高钢级抗硫管的强度级别还有进一步提高的趋势。

高钢级抗硫套管对使用性能的要求较高，不仅要求材料具有很高的强度，同时还要求具有一定的抗硫化氢腐蚀能力。对于高强度油套管而言，较高的强度将制约其在硫化氢环境中的应用，因为对高钢级油套管而言强度与抗硫性能往往是一对矛盾，较高的强度一般会引起抗硫性能的降低，而为了获得较高的抗硫性能，就必须牺牲一定的强度指标。因此，在合金成分设计和工艺制度制定的过程中，必须兼顾二者的需求，在强度与抗硫性能之间平衡。为了同时获得较高的强度和抗硫性能，必须对材料的微观组织演化过程进行精确的控制与优化，使其在合金相变过程中充分发挥晶粒细化、析出强化和提高回火抗力的作用，并与合理的热处理制度相结合，达到通过合理使用微量合金元素使性能强化效果最大化的目的。

开发高强度抗硫油套管材料的关键在于如何合理控制合金碳化物的析出形态及析出量以达到最佳的析出强化效果并改善材料的抗硫性能。在高强度Cr-Mo合金钢中，在晶界附近析出的粗大的碳化物如M₂₃C₆、M₃C等往往会在受力过程中成为发生开裂的薄弱点，导致晶间腐蚀开裂的发生，直接影响材料的抗硫性能。因此，通过添加微量合金元素并采取合理的热处理制度抑制粗大的碳化物析出，并使细小的碳化物呈弥散均匀分布，可有效提高Cr-Mo钢的抗晶间腐蚀开裂能力，改善其抗硫性能。钢中的微量合金元素并不是单独发挥作用的，因此在实际的使用过程当中往往采用复合添加的方式，以期用较少的合金元素加入量获得最佳的强化效果，达到成本效益的最大化。采用合理的Cr-Mo系钢种，并添加适量的V、Nb、Ti等合金元素，可在保证力学性能的同时，使材料具有良好的抗硫性能。