專利名稱：80Ksi鋼級(jí)耐磨套管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油套管，特別涉及SOKsi鋼級(jí)耐磨套管及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著油田開發(fā)的進(jìn)展，井深為4000m以上的深井、超深井以及超斜度井、水平井和大位移井大量出現(xiàn)，在這些油井的開發(fā)過(guò)程中套管在與鉆桿管柱的長(zhǎng)期接觸過(guò)程中磨損相當(dāng)嚴(yán)重。套管磨損的主要形式為偏磨，偏磨使套管橫截面呈月牙形；偏磨后的套管在抗擠強(qiáng)度降低的同時(shí)其抗內(nèi)壓強(qiáng)度也隨之降低，這不僅嚴(yán)重影響后續(xù)的鉆井、完井及開采作業(yè)質(zhì)量和安全性，還可能造成套管柱擠毀、變形及泄漏，引發(fā)井下事故，有時(shí)甚至造成全井報(bào)廢。目前，減少套管磨損已成為亟待解決的難題。減少套管磨損，可以通過(guò)增強(qiáng)套管本身的耐磨性和降低套管與鉆桿之間的摩擦系數(shù)兩種方式。降低套管與鉆桿之間的摩擦系數(shù)，可以通過(guò)添加潤(rùn)滑劑，此外也可通過(guò)在鉆桿的接頭處敷焊耐磨帶以有效降低接頭基體和套管的磨損。而增強(qiáng)套管耐磨性能則要從套管材料本身入手，通過(guò)套管材料的成分優(yōu)化， 在保證套管所需強(qiáng)度、韌性和抗腐蝕性能的基礎(chǔ)上提高套管的硬度，以增強(qiáng)套管的耐磨性能。中國(guó)專利CN101113509描述了一種通過(guò)對(duì)油、套管進(jìn)行氮化處理以增強(qiáng)油、套管耐磨性能和抗腐蝕性能的方法，通過(guò)該方法可在油套管表面形成一層0. 5-2mm厚的滲氮層，該滲氮層可有效增加管體表面硬度同時(shí)可以在一定程度上改善管體抗腐蝕性能。然而該方法僅能用于長(zhǎng)徑比大于30的管子，對(duì)于大口徑的技術(shù)套管該方法不能適用；同時(shí)該方法增加表面硬度的能力有限，無(wú)法切實(shí)避免套管在于鉆桿接觸過(guò)程中的磨損，同時(shí)一旦表面耐磨層被磨損會(huì)在被磨損部位和其他部位表面耐磨層之間形成電偶腐蝕，從而造成嚴(yán)重的局部腐蝕。由 NKK 公司申請(qǐng)的美國(guó)專利 US5236521A(Abrasion resistant steel)論述了一種用于挖掘機(jī)械及采礦工程的耐磨鋼，其專利保護(hù)成分為(0. 05 % -0. 45 % ) C+ (0. 1 % -1 % )Si+(0. 1 % -2% )Μη+(0· 1 % -3 % )Cr+ (0. 1 % -10 % )Ni+(0. 1 % -3 % ) Mo+V+Nb+(0. 3% -1.5% )Ti，與常規(guī)油套管鋼相比該專利有較高的Si和Ti的含量，并強(qiáng)調(diào)了 B和N對(duì)表面的強(qiáng)化作用。但該鋼種以淬火態(tài)交貨，這就導(dǎo)致了鋼種難以具備良好的韌性，達(dá)不到油套管鋼的要求；由JFE申請(qǐng)的JP2004300474(ABRASION RESISTANT STEEL ANDMANUFACTURING METHOD THEREFOR)論述了一種通過(guò)特殊熱處理工藝得到表面硬化層的耐磨鋼種及其制造方法，其專利保護(hù)成分如表1所示。由愛知制鐵申請(qǐng)的日本專利 JP58213858A (WEAR-RESISTANTALLOY STEEL)和 JP59064747A(ABRASION RESISTANT ALL0YSTEEL)描述了一種 C 含量在 0. 3% -0. 55%, Si 含量在0.8% -3%、Mn含量在-2. 5%的耐磨鋼，這是一種典型的機(jī)械行業(yè)用耐磨鋼種， 耐磨性能好但是沖擊韌性較差，文中未論述鋼種的熱處理工藝
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種SOKsi鋼級(jí)耐磨套管及其制造方法，以滿足油田在深井、水平井及大位移井開采過(guò)程中對(duì)耐磨套管的需求。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是80Ksi鋼級(jí)耐磨套管，其成分重量百分比為C 0. 40% 1.0%、Ti0. 3% 2. 5%、 Si 0. 10% 1·0%、Μη 0. 40% 1. 0%、P 彡 0. 02%、S 彡 0. 01 %、V 彡 0. 1 %，余量為 Fe。在本發(fā)明成分設(shè)計(jì)中C :0.40% 1.0%C是對(duì)提高鋼種的強(qiáng)度、硬度以及形成TiC原位顆粒最有效的元素，但C含量在低于0. 5%時(shí)，沒(méi)有足夠的碳來(lái)形成TiC顆粒，耐磨效果不夠明顯，同時(shí)當(dāng)C含量超過(guò)1. 2%時(shí)容易導(dǎo)致沖擊韌性明顯下降。Ti :0.3% 2. 5%在原位合成TiC陶瓷顆粒為增強(qiáng)體的耐磨鋼中，Ti的作用與C同等重要，TiC的原位析出能夠明顯大幅度提高鋼種的耐磨性。但是當(dāng)Ti含量低于0. 3%時(shí)，形成的TiC顆粒的體積含量低于0. 5%，鋼種耐磨性提高不明顯，Ti含量高于2. 5%時(shí)，超過(guò)3%的TiC顆粒析出會(huì)對(duì)鋼種的沖擊韌性造成較大負(fù)面影響。原有鋼種基體成分為0. 25%的碳和上述含量的Si、Mn、V及剩余的!^e等所組成。 隨后在煉鋼過(guò)程加入Ti、c粉通過(guò)原位合成生產(chǎn)0. 5% 3%左右的TiC顆粒相。所形成的 0. 5% 3% TiC顆粒所需要的C、Ti含量是依據(jù)其化學(xué)分子式比例關(guān)系確定(成分配比同時(shí)會(huì)考慮一定的燒損)。Si :0.1% 1.0%Si是有效的脫氧劑，同時(shí)0. 以上的Si對(duì)提高鋼種的強(qiáng)度有益，但是過(guò)多的Si 會(huì)造成鋼種韌性的降低。因此，設(shè)計(jì)Si的含量在0. 1%。Mn :0· 40% 1. 0%Mn能大幅提高鋼種的強(qiáng)度和韌性，也是有效的脫氧劑，而且具有脫S的作用，但是過(guò)多的Mn也會(huì)促進(jìn)碳化物的形成，從而降低鋼種的韌性和耐腐蝕性。P :0. 02% 以下、S :0. 01% 以下P、S均為伴生的雜質(zhì)元素。P、S對(duì)合金的熱加工性能、純凈度產(chǎn)生有害影響，并且 P、S含量分別在0. 02%,0. 01%以上時(shí)，對(duì)鋼種的耐腐蝕性能產(chǎn)生明顯的破壞作用。因而， 設(shè)計(jì)P、S的含量分別在0. 02%、0. 01%以下。V :0.1% 以下V可以通過(guò)細(xì)化晶粒、析出強(qiáng)化改善鋼種的強(qiáng)度和韌性，但當(dāng)其含量超過(guò)0. 時(shí)，其析出相過(guò)多，效果反而不明顯，也增加鋼種的合金成本。使用電弧爐或轉(zhuǎn)爐+ 二次精煉工藝按照上述成分配比進(jìn)行冶煉連鑄成管坯后，管坯在1200°C 1300°C之間加熱軋制成無(wú)縫管，鋼管通過(guò)850 950°C保溫0. 5 1. 5小時(shí)淬火+610°C 750°C回火1 2小時(shí)以上后空冷，最終可以生產(chǎn)出SOksi鋼級(jí)的套管產(chǎn)品。本發(fā)明的有益效果與現(xiàn)有套管產(chǎn)品相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)TiC彌散強(qiáng)化技術(shù)是以鋼鐵為基體，TiC陶瓷顆粒為增強(qiáng)體。采用本發(fā)明所述成分在冶煉過(guò)程通過(guò)原位合成技術(shù)在鋼中通過(guò)Ti和C反應(yīng)合成一定比例并均勻分布的TiC陶瓷顆粒，可以大幅度提高鋼種的耐磨性；此外，原位生成的TiC陶瓷顆粒TiC與鋼基體結(jié)合良好，尺寸在5 μ m以下，有較好的強(qiáng)化效果，而且基本不改變?cè)腥蹮捁に??？紤]到韌性的要求，通常TiC含量小于3 %。 材料經(jīng)高溫回火后仍具有較高的沖擊韌性，其0°C沖擊韌性值均達(dá)到60J以上。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。表1為本發(fā)明實(shí)施例鋼和對(duì)比例鋼。表1 單位wt%
實(shí)施例CSiMnTiVPSFe10. 510. 450. 410. 320. 050. 0100. 001余量20. 720. 850. 60. 450. 030. 0100. 001余量30. 550. 400. 620. 500. 010. 0100. 001余量40. 850. 120. 581. 580. 080. 0100. 001余量50. 790. 150. 891. 950. 030. 0100. 001余量60. 950. 500. 502. 400. 010. 0100. 001余量對(duì)比例10. 240. 40. 70. 0100. 001余量對(duì)比例20. 250. 40. 80. 0100. 001余量試驗(yàn)鋼經(jīng)冶煉、鍛造、軋制后通過(guò)850 950°C保溫0. 5 1. 5小時(shí)淬火+600°C 750°C回火1 2小時(shí)以上后空冷，最終樣件的力學(xué)和磨損性能見表2所示，其中磨損條件為油潤(rùn)滑，1小時(shí)(里程2km)，摩擦副采用GCrl5，試驗(yàn)載荷分別為15KG和30kg。表2試驗(yàn)鋼種的力學(xué)和耐磨損性能
權(quán)利要求
1.80Ksi鋼級(jí)耐磨套管，其成分重量百分比為C 0. 40% 1. 0%、Ti 0. 3% 2. 5%、 Si 0. 10% 1·0%、Μη 0. 40% 1. 0%、P 彡 0. 02%、S 彡 0. 01 %、V 彡 0. 1 %，余量為 Fe。
2.SOKsi鋼級(jí)耐磨套管的制造方法，其包括如下步驟1)套管成分重量百分比為C 0. 40% 1. 0%、Ti 0. 3% 2. 5%、Si 0. 10% 1. 0%、Mn 0. 40% 1. 0%、P 彡 0. 02%、 S彡0. 01 %、V彡0. 1 %，余量為Fe ；2)使用電弧爐或轉(zhuǎn)爐+ 二次精煉工藝按照上述成分配比進(jìn)行冶煉、連鑄成管坯后；3)管坯在1200°C 1300°C之間加熱軋制成無(wú)縫管；4)鋼管通過(guò)850 950°C保溫0. 5 1. 5小時(shí)淬火+610°C 750°C回火1 2小時(shí)以上后空冷，最終生產(chǎn)出80ksi鋼級(jí)套管。
全文摘要
80Ksi鋼級(jí)耐磨套管，其重量百分比為C 0.40％～1.0％、Ti 0.3％～2.5％、Si 0.10％～1.0％、Mn 0.40％～1.0％、P≤0.02％、S≤0.01％、V≤0.1％，余量為Fe。上述成分在冶煉過(guò)程通過(guò)原位合成技術(shù)在鋼中通過(guò)Ti和C反應(yīng)合成0.5％～3％比例并均勻分布的TiC陶瓷顆粒，可以大幅度提高鋼種的耐磨性。本發(fā)明可以滿足油田在深井、超深井、超斜度井、水平井及大位移井開采過(guò)程中對(duì)耐磨套管的需求。
文檔編號(hào)F16L9/02GK102261521SQ201010184288
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者張忠鏵, 張春霞, 楊建強(qiáng) 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司