[发明专利]用于油气完井和钻井应用的高强度耐腐蚀管子及其制造工艺

说明书

技术领域

本发明总体涉及耐腐蚀金属管子，且更特别地涉及镍-铁-铬合金，其特别适用于需要高强度、耐腐蚀性以及合理的成本的特性的腐蚀性油气井环境。

背景技术

由于较早时浅的和较弱的腐蚀性油气井的耗竭，人们需要有更高强度和更耐腐蚀的材料以允许更深的钻孔所遇到的更强的腐蚀性环境。

现在，油田应用要求合金的耐腐蚀性和强度不断提高。形成这些日益增长的需求的原因包括：具有更高温度和压力的深井；增强的回收方法，例如蒸汽或二氧化碳(CO₂)注入；提高的管道应力，尤其是在海上时；以及腐蚀性的井内成分，包括硫化氢(H₂S)、CO₂和氯化物。

材料的选择对于酸性气体的井——含有H₂S的酸性气体的井尤其关键。酸性井环境对于传统的碳钢油气合金为高度毒性和极强的腐蚀性。在某些酸性环境中，腐蚀可通过配合碳钢管使用抑制剂来控制。然而，抑制剂具有持续的高成本并且通常在高温下是不可靠的。对管子壁添加腐蚀裕量增加了重量并减小了管子的内部尺寸。在许多情况下，出于寿命循环经济和安全的较优选择是对管子和其它井组件使用一种耐腐蚀合金。这些耐腐蚀合金消除了抑制剂、降低重量、提高安全性、消除或使最小化油井维修，以及减少停机时间。

马氏体不锈钢，例如13％铬合金，满足于耐腐蚀性和强度要求在微腐蚀性油田的应用。然而，13％合金缺乏低等酸性气井所需的中等耐腐蚀性和强度。Cayard等人在“13Cr管件在石油和天然气生产环境的适用性”中公开了硫化物应力腐蚀数据，该数据指出13Cr合金对于在酸性和非酸气体环境之间的过渡区域中的井的操作不具有足够的耐腐蚀性。更多的背景技术可参见Smith，Jr.等人的第4,358,511号美国专利，和Hibner等人的第5,945,067号美国专利。

轻度腐蚀性的井由各种13Cr钢处理，而Ni基合金为更高腐蚀性环境所需要。其中比较常用于油田的Ni基合金为奥氏体的高镍基合金，例如合金718、725、825、925、G-3和C-276，其提供提高的对酸性气体环境的耐腐蚀性。然而，上述这些合金不是太昂贵就是不具有必要的高强度和耐腐蚀性的结合。

Mannan等人在第7,416,618号美国专利公开了镍-铁-铬合金，其通过退火和时效硬化形成。然而，根据本工艺制造的管子已无法满足所有目前以油气勘探和钻井应用为目的的管子制造业的材料需求。

Huizinga等人在“海上镍管子悬挂器和双相不锈钢管道失效调查”中，公开了现场服务中合金718的勘探和钻井零件的若干个显著的油气失效具有提高的正当韧性和沉淀硬化合金的微观结构问题。在合金718的案例中，显微组织造成的裂纹被鉴定为delta相(Ni₃Cb)。Cassagne等人在“认识718合金锻件材料在高压/高温井的现场失效”中，提出了任何晶间第二相促成氢脆而与化学组成无关的建议。Mannan等人在“服务于强腐蚀性环境中的合金718、725、725HS、925的物理冶金”中，表明存在有显著量的任何第二相降低失效时间，在SSR(慢应变率)测试中的百分延伸率和减小的面积比。进一步地，使区域内拉伸性降低和冲击强度劣化。这些观察导致了需要这些合金为了被认证用于油气领域应用，除了常见任何给定应用所需的性质，必须具有干净的微观结构和最小冲击强度。美国石油学会(API)镍基合金718规格(UNS N07718)设定了用于镍基合金718的有害相金相检查的验收标准。

本发明解决了现有技术中遇到的问题，提供了一种管子及其制造工艺，其满足目前用于油气完井和钻井应用的工业要求。

发明内容

本发明的一种高强度耐腐蚀管子包括以重量百分比包含：约35至约55％的Ni，约12至约25％的Cr，约0.5至约5％的Mo，最高约3％的Cu，约2.1至约4.5％的Nb，约0.5至约3％的Ti，约0.05至约1.0％的Al，约0.005至约0.04％的C，余量Fe和附带的杂质和脱氧剂。管子的组成成分满足等式：

该管子处于时效硬化状态可具有不含第二相沿其晶界的连续网络的微结构。

该管子在室温下可以有125ksi的最小0.2％屈服强度。

所述管子在零下75°F可以具有至少40ft lbs的冲击强度。冲击强度可为至少50ft lbs。

管子在时效硬化状态下可具有室温下至少18％的延伸率，优选地至少25％，更优选地至少30％。