[发明专利]耐硫化氢腐蚀的高强韧性石油套管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，更具体的说，是涉及一种耐硫化氢腐蚀的高强韧性石油套管及其制造方法。

背景技术

我国的四川、长庆、华北、新疆和江汉等油田，以及美国的巴罗马、加拿大的平切尔湾等油田的油气层中都含有硫化氢，据统计，世界的油气田大约有1/3含有硫化氢气体。

普通套管在用于含硫化氢的油气资源开采时，套管在使用应力和硫化氢气体的作用下，往往会在受力远低于其本身屈服强度时突然发生脆断，轻者造成套管柱或整口井报废，重者会使硫化氢和油气一同外泄，形成井喷，给油气田的安全生产带来极大的威胁。

我国西南部油气田埋藏深，钻探深度主要在4000～6000m左右，最深达7000多米，85％的气田含H₂S量大于20mg/m³，个别油气田的含H₂S量高达493g/m³，而且油井深层温度达到80℃左右，使水等腐蚀的石油套管所处的使用环境十分恶劣。因此，油气田企业对石油套管的性能提出了更高的要求。为此，现在开采含有硫化氢气体的油气资源就必须采用具有高强韧性的耐硫化氢应力腐蚀的优质石油套管。

硫化氢腐蚀石油套管的过程，一般认为分子态的H₂S大量生成原子氢被钢的表面所吸附，套管在受力状态下使用，通过应力诱导扩散，氢将向钢中的夹杂物(特别是长条状MnS夹杂)及某些显微缺陷部位积聚形成高压，造成应力集中，最后导致开裂。钢的屈服强度或屈强比愈高，硫化物的开裂敏感性也愈大，形变速率低，硫化物开裂敏感性增加。

耐硫化氢腐蚀的高强韧性石油套管要求钢材具有好的强度和韧性及耐硫化氢腐蚀性能，但材料的韧性及耐硫化氢腐蚀性能受钢中的碳化物形态影响。为了减少金属晶格上的碳化物，需要减少合金钢的碳含量，但这会降低材料的淬透性和屈服强度等机械性能。目前，由于各种合金元素单独控制，容易使合金元素的添加过量，致使当量碳含量过多，反而降低石油套管的塑性和韧性，降低了钢的耐硫化氢应力腐蚀能力。另外，在高强度石油套管中，晶格变位的密度增加，氢元素易于储存于晶格变位处，进而，氢元素易积聚于应力集中部位。为此，需要合理的轧制与热处理工艺条件，降低残余应力，提高材料的屈强比。

公开号为CN101413088、发明创造名称为《耐硫化氢应力腐蚀的石油套管及其制造方法》的专利申请公开了一种耐硫化氢应力腐蚀的石油套管及其制造方法，通过提高钢的纯净度和屈强比及回火马氏体比例、细化晶粒、降低残余应力等，制造具有高强韧性和耐硫化氢应力腐蚀能力的石油套管及其制造方法，其屈服强度为862～931MPa、抗拉强度≥894.2Mpa、残余应力≤150MPa，冲击韧性(纵向)在60J以下。由于石油套管的耐冲击性能不高，在外加载荷的作用下，容易出现裂纹、断裂、压扁变形等，影响使用寿命。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种能够满足含硫化氢气体的深油气层开采的需要，具有耐硫化氢应力腐蚀能力，耐冲击性能高的石油套管及其制造方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种耐硫化氢腐蚀的高强韧性石油套管，其特征在于，按重量百分比由下述成分组成：C：0.15～0.20％、Si：0.1～0.2％、Mn：0.4～0.6％、Cr：0.6～0.8％、Mo：1.2～1.6％、Al：0.01～0.05％、Ti：0.002～0.05％、V：0.05～0.10％、Nb：0.005～0.015％、Ca：0.0003～0.005％、B：＜0.002％、P≤0.015％、S≤0.005％、N：0.003～0.010％，余量的Fe，其中Mo、V、Cr和Mn的添加量满足12V+1-Mo≥0、Mo-(Cr+Mn)≥0。

一种耐硫化氢腐蚀的高强韧性石油套管的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)配料冶炼：

采用海绵铁和废钢做炼钢原料，用电弧偏心炉熔化成钢水，经炉外精炼和真空脱气方法，再经Ca处理，得到制造石油套管的钢水按重量百分比为：C：0.15～0.20％、Si：0.1～0.2％、Mn：0.4～0.6％、Cr：0.6～0.8％、Mo：1.2～1.6％、Al：0.01～0.05％、Ti：0.002～0.05％、V：0.05～0.10％、Nb：0.005～0.015％、Ca：0.0003～0.005％、B：＜0.002％、P≤0.015％、S≤0.005％、N：0.003～0.010％，余量为铁；其中Mo、V、Cr和Mn的添加量满足12V+1-Mo≥0、Mo-(Cr+Mn)≥0；