[发明专利]具有高强度和高韧性的石油套管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金工业的无缝钢管制造技术，特别涉及一种具有高强度和高韧性的石油套管及其制造方法。

背景技术

随着石油价格的高腾和勘探技术的发展，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，就会出现压溃和泄露等事故，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承载后不致扩展而导致破裂。

目前，制约石油套管机械性能的主要问题是在高强度和强韧性匹配。一般钢的强度与韧性表现为互为消长的关系，强度高的钢常常韧性就低，反之，为追求高韧性，就必须牺牲钢的强度。制约具有高强度和高韧性石油套管制造的主要技术难点有：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高强韧性石油套管的发展。随着石油工业钻采难度的进一步加大，高强度高韧性套管的需求加大，所以急需生产研发性能远高于API5CT标准Q125钢级的强度等级达到150KSI的高韧性套管。

总之，高强韧性石油套管的机械性能不仅与采用的材料成分有关，也与其制造方法密切相关。研究高强韧性石油套管及其制造技术，是目前各无缝钢管企业仍在进行中的课题。

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的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V150钢级。

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：0.22～0.4％、Si：0.17～0.35％、Mn：0.45～0.60％、Cr：0.95～1.10％、Mo：0.70～0.80％、Al：0.015～0.040％、Ni：≥0.05～＜0.20％、Cu：≥0.070～＜0.20％、V：0.070～0.100％、Ca＞0.0015％、P＜0.010％、S＜0.003％，其余为铁。

轧制具有高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

按上述钢种组成元素重量成分为：C：0.22～0.4％、Si：0.17～0.35％、Mn：0.45～0.60％、Cr：0.95～1.10％、Mo：0.70～0.80％、Al：0.015～0.040％、Ni：≥0.05～＜0.20％、Cu：≥0.070～＜0.20％、V：0.070～0.100％、Ca＞0.0015％、P＜0.010％、S＜0.003％，其余为铁。

②连铸连轧

高纯净钢水连铸成圆坯，将冷却后的连铸坯在环形加热炉内加热，炉温为1300～1320℃，热定心温度1250～1240℃，热穿孔温度1230～1220℃，连轧温度1100～1050℃，定径温度890～910℃，冷却，锯切。

③管加工

采用淬火后再回火的热处理工艺，淬火温度为920℃±10℃，淬火介质为水，回火温度在630℃±10℃，采用空冷；石油套管热处理后，需进行定径和矫直处理，定径机温度在630～610℃之间，热矫直温度在500℃～520℃之间，最后探伤；

所述石油套管的力学性能达到的指标如下：

屈服强度：1034～1172MPa

抗拉强度：≥1120MPa

冲击韧性：纵向全尺寸夏比冲击功(0℃)≥80J

横向全尺寸夏比冲击功(0℃)≥80J

延伸率：≥16％。

本发明的有益效果是使用该工艺方法具体表现在：1)采用合金含量较高的钢种，机械性能好，成本较低；2)穿孔和轧制工艺制定的合理，最大限度地提高了套管的机械性能；3)热处理工艺和热矫直温度选择合理，细化了组织的晶粒度，最大限度地降低了套管的残余应力；4)制订了严格的几何精度控制范围，在成本合理的情况下，提高了套管的性能。本发明的套管在机械性能指标方面，远超出API标准现有最高钢级要求。

具体实施方式

结合实施例对本发明的具有高强度和高韧性的石油套管及其制造方法加以说明。