[发明专利]一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法

说明书

一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，将低合金耐热钢熔化后添加纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，浇铸形成钢锭；其中，钢锭中纳米稀土氧化物的质量含量为0.2％～2.0％；将钢锭进行控轧、控冷热加工处理，然后，进行调质热处理，得到基于应变设计的热采套管材料。本发明针对稠油蒸汽热采井普遍存在的套损问题，基于应变设计的套管柱设计方法，制备600～1200m井深范围的稠油井开发90SH热采套管材料。本发明为热采井套损治理、稠油资源的安全、高效开发奠定坚实的技术支撑。

技术领域

本发明针对稠油热采井套管的损坏及选材，属于油气开采工程应用领域，涉及一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法。

背景技术

稠油是我国重要的油气资源种类之一，主要作业工艺是循环蒸汽吞吐。由于井筒温度的大幅变化(280～350℃)和套管柱的轴向位移约束，套管在循环作业中产生累积损伤，造成大量热弹-塑性失效。统计表明，普通C-Mn成分设计的N80、P110材质的热采井套损率超过30％，局部区块达到70％。

目前，常规的热采套管柱强度设计方法，要求管材的强度满足钻完井工程需求，同时考虑注高温蒸汽产生的热应力。但是，油田现场出现的热采井套损模式，如变形、缩颈、剪切、断裂等表明：套管材料在服役过程中发生的塑性永久变形造成最终断裂失效。因此，热采套管柱设计不仅要考虑强度需求，更要考虑多轮次循环注-采作业需求，采用基于应变的套管柱设计方法，包括高温长时服役蠕变行为、低周应变疲劳行为等。

基于Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢初步解决了热采工况下管材的热稳定性问题，高温强度折减系数、蠕变速率明显改善。但是开发的80SH(钢级80ksi、S代表基于应变设计strain-based design，H代表热采用钢heat-resistance steel)热采套管钢级较低，不能在较深的热采井使用(譬如1000m以上)，同时，微合金添加控制不当，氮化铝和V、Nb的碳氮化物大量在晶界析出，降低钢的塑性，劣化高温服役性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，采用“氧化物冶金”新理论，有效利用添加的纳米稀土氧化物变质夹杂物，形成有效的针状铁素体形核核心细化基体组织，实现套管材料强/塑性高匹配和良好的热稳定性。本发明为稠油埋藏在600～1200m范围、基于应变设计的热采套管柱设计提供可用的套管材料。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，包括以下步骤：

(1)将低合金耐热钢熔化后添加纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，浇铸形成钢锭；其中，钢锭中纳米稀土氧化物的质量含量为0.2％～2.0％；

(2)热加工处理和调质热处理

将钢锭进行控轧、控冷热加工处理，然后，进行调质热处理，得到基于应变设计的热采套管材料。

本发明进一步的改进在于，纳米稀土氧化物为Ce₂O₃。

本发明进一步的改进在于，纳米稀土氧化物的平均粒径为85～100nm。

本发明进一步的改进在于，钢锭中纳米稀土氧化物的质量含量为1.0～1.2％。

本发明进一步的改进在于，控轧、控冷热加工处理的具体条件为：控轧压下量为80～85％，终轧温度为900℃，并以1.5℃/s冷却速度冷却至750℃。

本发明进一步的改进在于，调质热处理的具体过程为进行淬火和回火处理。

本发明进一步的改进在于，淬火的条件为980℃下保温1h，油冷。