经济型55Ksi钢级抗CO₂腐蚀油井管及其制造方法

专利名称：经济型55Ksi钢级抗CO₂腐蚀油井管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种油井管，特别是经济型55Ksi钢级具有抗CO2腐蚀油井管及其制造方法。
背景技术：
油井管的CO2腐蚀在油气田开发过程中是一种常见的现象。从材料学和防腐学角度出发，在高含CO2、氯离子、低PH值以及井中高压和流体冲刷形成的强腐蚀环境中，使用价格昂贵的超级13Cr不锈钢管材可有效地保证油田长期安全、高效的生产。但从经济性而言，因我国油田多数属于贫矿低渗透油田，且开采寿命较短， 大多在10年以下，使用昂贵的高Cr不锈钢油管经济性较差，故很多油田目前还在广泛使用常规普碳钢油井管材，导致出现多起严重的CO2腐蚀事故。随着开采条件的改变，很多较浅油气井中出现微量CO2,且含量呈不断增加之势， 使得目前采用的一般碳钢管常出现CO2腐蚀失效现象，严重影响了油田正常生产及经济效益。对于这些浅井，油套管强度上一般采用Mksi钢级即可。但是，到目前为止，市场上还不存在具有良好抗(X)2腐蚀效果且生产工艺相对简单的^ksi钢级经济型油套管产品。有关抗(X)2腐蚀(或同时抗(X)2和H2S腐蚀)用合金钢，大多是SOksi及以上钢级的中合金或超级13Cr、15Cr以及22Cr双相不锈钢等高合金。如中国专利号CN1401809A、CN1292429A, CN1487112A、欧洲专利 EP995809AU W09941422、美国专利 US6648991、日本 JP2001059136、JP2000063994。及中国专利申请号 200910053666. 2。中国专利CN1401809A抗二氧化碳腐蚀的低合金钢及油套管，主要通过添加适当的Mo、Ni、W、Cr等元素，经调质或正火处理后获得优异的抗二氧化碳腐蚀性能，所生产的相关油套管力学性能为SOksi钢级及以上。中国专利CN1292429A抗二氧化碳及海水腐蚀油套管用低合金钢，采用超低碳成分，通过添加适当的Mo、Cr、Cu等元素来提高合金的抗二氧化碳及海水腐蚀性能，经冶炼、 锻造、轧制、热处理后强度可达到SOksi钢级以上。中国专利CN1487112A抗二氧化碳和硫化氢腐蚀用低合金钢，其主要特点在于通过加入3%左右Cr和微量稀土元素Ce后通过调质热处理可制造80 95ksi钢级抗C02、 H2S腐蚀油套管。欧洲专利EP995809A1，主要通过加入较多含量的Cr和适量的Cu和Al，以提高材料的抗二氧化碳和海水腐蚀性能，尤其是克服了特定介质条件下的局部腐蚀现象。但是该专利中合金元素尤其是Cr的加入量超过4%，属于中高合金范畴，钢管的成本较高。此外， 该专利合金钢经淬火或正火处理后得到马氏体组织，进一步调质或正火+回火处理后所得最终产品的强度在SOksi钢级以上。专利W09941422以Mn、Cr为主要合金元素，必要时加入少量的Cu、Ni、Mo、Ti、Nb、
B，产品最终为马氏体类型组织，强度在SOksi钢级以上。
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美国专利US 6648991，以Cr、Mn为主要合金元素，配以适当Mo、V元素，属于低合金钢范围。专利发明的合金采用热轧后正火或调质工艺处理，所得油套管强度可涵盖55 125ksi钢级以上。日本专利JP2001059136和JP2000063994主要通过加入较多含量的Cr和适量的 B并通过调质热处理后获得SOksi钢级以上的强度。前述几个专利所涉及的合金钢种，生产过程中大多采取正火或调质热处理方式， 钢管强度多为SOksi以上。中国专利申请号为200910053666. 2，属于中低碳低合金钢范围，利用Cr和Mn的强化作用，同时辅以Cr、Ni和Cu元素的综合作用，以达到抗(X)2腐蚀性能的提高。

发明内容
当含有二氧化碳、氯离子等复合酸性腐蚀环境条件存在时，目前2500m以下浅井中常采用的普通J55碳钢管因耐蚀性差，很容易失效从而导致油田经济损失。本发明目的在于提供一种经济型钢级具有抗(X)2腐蚀油井管及其制造方法，具有良好的抗(X)2腐蚀性能，制造方法相对简单。为达到上述目的，本发明的技术方案是，经济型钢级具有抗(X)2腐蚀油井管，其化学成分重量百分比为C :0. 05 0. 15%, Si 0. 10 0. 8%，Mn 0. 40 1. 2%，Cr 2. 5 4. 5%，Al 0. 01 0. 10%，其余为！^和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0. 05%。本发明经炼钢、铸造、热轧后空冷，其力学性能达到了钢级要求。模拟国内某油田的典型腐蚀环境进行高压釜腐蚀对比试验，试验结果表明，在相同实验条件下，相比常规J55油井管，本发明钢的年平均腐蚀速率降低了 3倍以上。本发明的合金钢选择化学成分范围的原因如下C是保证钢管室温强度和淬透性所必需的成分。在此成分体系下，碳含量低于 0. 05%时钢的强度不够，高于0. 15%则韧性变坏。Si加入钢中起到脱氧作用。低于0. 10%含量效果不明显。当含量超过0. 8%后， 加工性和韧性恶化。Cr的加入对提高钢的强度和抗(X)2腐蚀性能有很大作用。在此成分体系下，Cr含量小于2. 5%时，钢抗(X)2腐蚀性能提高幅度不明显，高于4. 5%时，加工性变差，材料成本提高。Cr含量一般控制在2. 5 4.5%。Mn是改善钢的强韧性必须的元素，小于0. 4%时作用较小。当Mn含量超过1. 2% 后，抗CO2腐蚀性下降。Al在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用，另外还提高了表面膜层的稳定性和耐蚀性。当加入量低于0.01%时，效果不明显，加入量超过0. 10%，力学性能变差。相比而言，目前与本发明相关的钢管产品多为强度SOksi及以上钢级，化学成分上属于中合金或超级13Cr、15Cr以及22Cr双相不锈钢等高合金范畴。本发明经济型钢级具有抗(X)2腐蚀油井管的制造方法，主要包括如下步骤1)按上述成分冶炼、铸造成坯；炼钢时开始出钢温度1650士5°C，铸造开始温度为 1565 1545°C ；
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2)热轧，铸坯进行热轧时在1180 1250°C开始穿孔轧制，最终张力减径，减径温度 850 950°C ；3)空冷。在现有油井管生产制造过程中，热轧工序后往往需要通过高温调质或者正火的热处理方式来保证SOKsi钢级及以上强度和抗二氧化碳腐蚀性能，即在高于850°C以上温度水淬(或油淬、空淬)后再在高于650°C温度下高温长时间回火或正火处理后达到性能要求，其生产工艺流程为炼钢-连铸-轧管-调质或正火热处理。本发明由于采取了新的成分设计，生产工艺流程简化为炼钢-铸造-轧管-空冷即可，后面没有调质或正火热处理这一步骤。热轧后钢管空冷到室温，无须后续热处理，节约了热处理成本。本发明有益效果本发明钢种为强度55ksi钢级，化学成分上属于(超)低碳低合金钢范畴，且制造工艺简单，经常规的炼钢、连铸和热轧后空冷即可获得成品油井管，省略掉了调质或正火的热处理程序，节省了成本。生产工艺流程简化为炼钢-铸造-轧管即可。采用上述成分和制造方法生产的油套管其(X)2年腐蚀速率比目前油田使用的常规历5产品降低了 3倍以上。本发明合金钢充分利用Cr、Mn元素的强化作用和一定含量Cr元素对抗二氧化碳腐蚀的有利作用，在不添加Mo、M等昂贵元素情况下，热轧后空冷即可获得55ksi钢级油套管，以用于2500m以下含二氧化碳的浅井。相比常规API标准的J55油套管，在保持较简单生产工艺的同时，抗二氧化碳腐蚀性能得到明显提高。


图Ia为本发明实施例钢高压釜腐蚀试验后试验表面形貌照片；图Ib为普通J55钢高压釜腐蚀试验后试验表面形貌照片。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明。本发明实施例成分参见表1，实施例钢的力学性能、腐蚀性能见表2。表1本发明的合金钢和现有合金钢的化学成分，Wt%
权利要求
1.经济型钢级具有抗(X)2腐蚀油井管，其化学成分重量百分比为C:0. 05 0. 15%, Si 0. 10 0. 8%，Mn 0. 40 1. 2%，Cr 2. 5 4. 5%，Al 0. 01 0. 10%，其余为！^和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0. 05%。
2.经济型钢级具有抗(X)2腐蚀油井管的制造方法，主要包括如下步骤1)按上述成分冶炼、铸造成坯；炼钢时开始出钢温度1650士5°C，铸造开始温度为 1565 1545°C ；2)热轧，铸坯进行热轧时在1180 1250°C开始穿孔轧制，最终张力减径，减径温度 850 950 ；3)空冷。
全文摘要
经济型55Ksi钢级具有抗CO2腐蚀油井管，其化学成分重量百分比为C0.05～0.15％，Si0.10～0.8％，Mn0.40～1.2％，Cr2.5～4.5％，Al0.01～0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。经炼钢、铸造和热轧、空冷即可获得成品油井管，省略掉了现有油井管铸造工艺中的调质或正火的热处理程序，节省了成本。而且，本发明还具有良好的抗CO2腐蚀性能。
文档编号C22C38/18GK102199729SQ20101013092
公开日2011年9月28日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者张忠铧, 杨建强, 谭谆礼 申请人:宝山钢铁股份有限公司