一種高酸性油氣田用鎳基耐蝕合金及其油套管的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種石油天然氣開(kāi)采用鎳基耐蝕合金，尤其涉及一種高酸性油氣田用 鎳基耐蝕合金。
[0002] 本發(fā)明還涉及一種油套管的制造方法，尤其涉及一種適用于高酸性油氣田用鎳基 耐蝕合金油套管的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 隨著石油、天然氣工業(yè)的迅猛發(fā)展以及開(kāi)采油氣資源的不斷減少，油氣資源的開(kāi) 采不得不轉(zhuǎn)向復(fù)雜地區(qū)、面向深層的高酸性腐蝕環(huán)境的深井、超深井。此類酸性油氣井深度 大，井內(nèi)壓力和溫度高、同時(shí)存在C02、H2S和氯離子鹽，并且濃度較高，這使得油套管的服役 條件及其惡劣。
[0004] 在高溫高壓、高含co2、H2S和氯離子鹽的腐蝕環(huán)境下，現(xiàn)有的馬氏體不銹鋼、雙相 鋼以及鐵鎳基耐蝕合金等材料由于其自身局限性，已無(wú)法滿足此類高酸性油氣田的開(kāi)采需 求，需要采用具有綜合機(jī)械性能，還要有更優(yōu)良的抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕以及抗應(yīng)力腐蝕能力的 鎳基耐蝕合金管材。UNSN06985合金為富含鎳、鉻、鉬的鎳基耐蝕合金，具有特別優(yōu)異的耐 各種形式腐蝕破壞的能力，尤其是在高溫、高酸性環(huán)境中耐蝕性能出眾，并且具有優(yōu)良的力 學(xué)性能，可作為高酸性油、氣井開(kāi)采的優(yōu)選材料。但是，該合金的合金化程度高、高溫流變 抗力大、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度高、可加工溫度區(qū)間窄、擠壓成型易開(kāi)裂；合金析出相復(fù)雜、化學(xué)成 分、生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致有害相(例如〇相、y相、氮化物相和碳化物等)析出，影響合金 的耐蝕性能；合金需通過(guò)冷變形達(dá)到強(qiáng)化目的，由于冷變形抗力高、延展性低、冷變形工藝 控制不合理，極易導(dǎo)致管材內(nèi)外表面出現(xiàn)裂紋和褶皺等缺陷，同時(shí)組織性能難以滿足標(biāo)準(zhǔn) 要求。預(yù)獲得具有優(yōu)異性能的該鎳基耐蝕合金管材，不僅與化學(xué)成分的優(yōu)化控制有關(guān)，同時(shí) 與其制造過(guò)程工藝參數(shù)合理控制密切相關(guān)，因此，如何合理匹配化學(xué)成分，優(yōu)化該鎳基耐蝕 合金管材的制管生產(chǎn)工藝，保證管材的良好的基體組織、耐蝕性能、機(jī)械性能以及內(nèi)外表面 質(zhì)量是鎳基耐蝕合金油套管的制備過(guò)程中亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有高酸性油氣田用鎳基耐蝕合金及其油套管的制造方法的上述不足， 本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供一種抗腐蝕性能較高的高酸性油氣田用鎳基耐蝕合金。
[0006] 與此相應(yīng)，本發(fā)明的另一個(gè)問(wèn)題是提供一種抗腐蝕性能較高的高酸性油氣油套管 的制造方法。油套管的機(jī)械性能和耐蝕性能優(yōu)良，管材內(nèi)、外表面質(zhì)量良好。
[0007] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出包括下述的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)： 一、優(yōu)化強(qiáng)耐蝕合金元素Mo、W含量，有益合金元素Ti、Nb+Ta含量以及與C+N的配比關(guān) 系。
[0008] 本發(fā)明通過(guò)控制強(qiáng)耐蝕合金元素Mo、W含量，有益合金元素Ti、Nb+Ta含量與C+N 的合理配比，以固定基體中的對(duì)耐蝕性能具有不利影響的C元素，有效保證合金的耐蝕性 能。
[0009] Mo、W:二者作用類似，均有助于提高合金的耐局部腐蝕能力，特別是點(diǎn)蝕和縫隙腐 蝕，而Mo元素對(duì)于提高合金抗點(diǎn)蝕性能方面是最有效元素，但是Mo、W含量過(guò)高，會(huì)加大熱 加工的難度，提高〇相的形成傾向，同時(shí)合金制造成本提高。因此，將不可缺少的Mo元素單 獨(dú)或?qū)o、W兩種元素加入合金中。本發(fā)明設(shè)計(jì)Mo含量為7. 0~9. 0%，W含量不大于3. 0%， Mo+0. 5XW 總量控制在 7. 0~10. 0%。
[0010] Ti、Nb+Ta :Ti與C、N等元素具有強(qiáng)烈的結(jié)合能力形成碳化物、氮化物或碳氮化物， Nb+Ta與C、N形成M(C，N)型化合物，二者均起到固定合金中的C的作用，有助于提高抗腐 蝕性能。但是Ti、Nb+Ta含量過(guò)高，導(dǎo)致析出相數(shù)量增多，影響合金的塑韌性，因此，本發(fā)明 設(shè)計(jì)Ti含量控制在彡0. 50 %，Nb+Ta總量控制在彡0. 50 %，并且Ti、Nb+Ta與C+N配比控 制在（Ti/6+(Nb+Ta)/8)/ (C+N)彡 1 并且（Ti/6+(Nb+Ta)/8)/ (C+N)彡 2。
[0011] 二、提出該鎳基耐蝕合金最優(yōu)的熱擠壓工藝參數(shù) 合理匹配該鎳基耐蝕合金管材熱擠壓工藝參數(shù)，即擠壓比控制在5~12,面縮率控制在 80~92%，熱擠壓溫度控制在1160~1210°C范圍，擠壓速度控制在120~180mm/s，熱擠壓成荒 管后立即入水冷卻（不大于25s)。通過(guò)合理匹配擠壓工藝參數(shù)，確保合金在熱擠壓過(guò)程中完 成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織轉(zhuǎn)變，降低高溫形變抗力、改善熱塑性、徹底消除了熱擠壓開(kāi)裂現(xiàn)象，保 證了荒管晶粒度在8~10級(jí)、組織均勻、析出相較少，為成品管的晶粒度控制提供較好的組 織基礎(chǔ)。
[0012] 三、固溶與冷軋工藝參數(shù)合理匹配與控制 本發(fā)明合金具有單相奧氏體組織結(jié)構(gòu)，需通過(guò)冷加工獲得強(qiáng)化，為獲得不同鋼級(jí) (llOksi以上，ISO 13680標(biāo)準(zhǔn))的鎳基耐蝕合金管材，滿足高酸性油、氣田不同井深要求，需 匹配合適的冷軋變形量，除冷軋變形量外，荒管的晶粒度對(duì)成品管材的力學(xué)性能也具有重 要影響，因此，需對(duì)管材的晶粒度和冷軋變形量進(jìn)行合理匹配。本發(fā)明通過(guò)控制擠壓態(tài)荒管 的晶粒度并匹配較佳的固溶處理工藝，可確保成品管晶粒度在4~7級(jí)，同時(shí)配合30~61%的 冷軋道次變形量，可保證成品管力學(xué)性能滿足llOksi以上鋼級(jí)要求。
[0013] 本發(fā)明的高酸性油氣田用鎳基耐蝕合金的化學(xué)成分的重量百分比為： C ： ^0. 03% ；Cr ：21. 0~24. 0% ；Fe ：18. 0~20. 0% ；Mo ：7. 0~9. 0% ；Cu ：1. 5~2. 0% ； Co ： ^ 3. 0% ；ff ： ^ 3. 0% ；Nb+Ta ： ^ 0. 50% ； Ti ： ^ 0. 50% ；Si ： ^0. 5% ；Mn ： ^ 0. 5% ； S彡0. 003% ;P彡0. 005% ;N彡0. 012% ;其余為Ni及不可避免的雜質(zhì)。
[0014]并且 Mo+0. 5 X W 總量在 7. 0~10. 0 % 范圍；（Ti/6+ (Nb+Ta) /8) / (C+N)彡 1 且 (Ti/6+(Nb+Ta)/8) / (C+N) ^ 2〇
[0015] 本發(fā)明高酸性油氣田用鎳基耐蝕合金油套管的制造方法，包括如下依次的步驟： 一、冶煉 合金經(jīng)真空感應(yīng)爐冶煉（VM) +電渣重熔（ESR)冶煉方法獲得高酸性油氣田用鎳基耐 蝕合金的電渣錠，（本發(fā)明化學(xué)成分控制中，對(duì)雜質(zhì)元素，例如P、S、N等要求比較高，通過(guò)別 的冶煉方法較難達(dá)到成分控制要求。）電渣錠的化學(xué)成分重量百分?jǐn)?shù)為： C： ^0. 03%；Cr：21. 0~24. 0%；Fe：18. 0~20. 0%；Mo：7. 0~9. 0%；Cu：1. 5~2. 0%； Co：^3. 0%；ff：^3. 0%；Nb+Ta：^0. 50%； Ti：^0. 50%；Si： ^0. 5%；Mn：^0. 5%；S彡0. 003%;P彡0. 005%;N彡0. 012% ;其余為Ni及不可避免的雜質(zhì)。
[0016]并且 Mo+0. 5 X W 總量在 7. 0~10. 0%范圍；（Ti/6+ (Nb+Ta) /8) / (C+N)彡 1 且 (Ti/6+(Nb+Ta)/8)/ (C+N)彡 2。
[0017] 二、管坯加工 (a)鍛造管坯 電渣錠經(jīng)鍛造為管坯，鍛造前加熱溫度為1170~1200°C，均熱時(shí)間不少于lOOmin，自由 鍛或徑鍛的始鍛溫度為1000~1150°C，終鍛溫度多900°C。
[0018] (b)管坯準(zhǔn)備 將管坯采用機(jī)加工剝皮并經(jīng)深孔鉆機(jī)加工中心通孔。
[0019] 三、制管 (a)熱擠壓 首先將打好通心孔的管坯放入環(huán)形爐內(nèi)預(yù)熱，加熱總時(shí)間控制在150~180min，出環(huán)形 爐溫度為900~1000°C ;坯料一次感應(yīng)加熱溫度為1160~1180°C ;擴(kuò)孔；二次感應(yīng)加熱溫度為 1160~1220°C，然后坯料內(nèi)外壁均勻涂上玻璃粉入擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，擠壓比5~12,擠壓速度 120~180mm/s，熱擠壓成荒管后立即（不大于25s)入水冷卻。
[0020] (b)固溶處理 熱擠壓荒管進(jìn)行固溶處理，固溶處理溫度為1060~1150°C，保溫時(shí)間根據(jù)壁厚按照 1. 5~5min/mm確定，快速(不大于25s)水冷至室溫，可確保荒管晶粒度控制在4~7級(jí)。
[0021] (c)冷軋 熱擠壓荒管經(jīng)冷軋成成品無(wú)縫管。道次冷軋總變形量控制在30~61%，冷軋速度為 25~35次/min，送進(jìn)量為3~5_。
[0022] 本發(fā)明的鎳基耐蝕合金成分設(shè)計(jì)合理，通過(guò)控制各元素在較佳含量范圍，適當(dāng)加 入Nb、Ti，同時(shí)對(duì)Mo+0. 5XW含量以及Ti、Nb+Ta與C+N比值進(jìn)行控制，進(jìn)一步提高并保證 了鎳基耐蝕合金的抗腐蝕性能。本發(fā)明提供的該鎳基耐蝕合金油套管的生產(chǎn)工藝參數(shù)合 理，有效保證了鎳基耐蝕合金的冷、熱加工性能，使得鎳基耐蝕合金油套管材能順利生產(chǎn)。 采用本發(fā)明制造方法的鎳基耐蝕合金油套管，金相組織中金屬間化合物、碳化物和氮化物 的總數(shù)量不超過(guò)1 %，組織均勻，晶粒度控制合理，具備優(yōu)異的抗腐蝕性能，綜合機(jī)械性能優(yōu) 良，可滿足中的110ksi(IS0 13680標(biāo)準(zhǔn))以上鋼級(jí)要求，特別適用于高溫、高壓、高濃度C02、 H2S以及氯化鹽溶液共存的高酸性油氣田苛刻環(huán)境中的工作要求。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的鎳基耐蝕合金及其油套管的【具體實(shí)施方式】，但 本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】不局限于下述的實(shí)施例。
[0024] 鎳基耐蝕合金實(shí)施例一 本鎳基耐蝕合金實(shí)施例的化學(xué)成分重量百分比為： C ：0. 011%；Si ：0. 30% ；Mn ：0. 45% ；P ：0. 017% ；S ：0. 0027% ；Cr ：22. 32%；Fe ：18. 53% ； Mo :8. 53% ;Cu :1. 72% ; Co :1. 92% ;N :0? 006% ;Nb+Ta=0. 14% ;其余為 Ni 及不可避免的雜 質(zhì)。Mo+0.5XW=8.53%，（（Nb+Ta)/8)/ (C+N)=1.03。
[0025] 油套管制造方法實(shí)施例一 本實(shí)施例的高酸性油氣田用鎳基耐蝕合金油套管的制造方法，包括如下依次的步驟： 一、冶煉 本鎳基耐蝕合金經(jīng)VM+ ESR方法冶煉獲得電渣錠，其成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為： C ：0. 011%；Si ：0. 30% ；Mn ：0. 45% ；P ：0. 017% ；S ：0. 0027% ；Cr ：22. 32%；Fe ：18. 53% ； Mo :8. 53% ;Cu :1. 72% ; Co :1. 92% ;N :0? 006% ;Nb+Ta=0. 14% ;其余為 Ni 及不可避免的雜 質(zhì)。Mo+0.5XW=8.53%，（（Nb+Ta)/8)/ (C+N)=1.03。
[0026] 二、管坯加工 (a)鍛造管坯 電渣錠鍛造前加熱溫度為1180°C，均熱時(shí)間為120min，徑鍛始鍛溫度為1135°C，終鍛 溫度為920 °C。
[0027] (b)管坯準(zhǔn)備 將管坯采用機(jī)加工剝皮并經(jīng)深孔鉆機(jī)加工中心通孔。
[0028] 三、制管 (a)熱擠壓 將打好通心孔的管坯放入環(huán)形爐內(nèi)預(yù)熱，加熱總時(shí)間為150min，出環(huán)形爐溫度為 900°C ;坯料一次感應(yīng)加熱溫度為1160°C ;擴(kuò)孔；二次感應(yīng)加熱溫度為1195°C ;然后坯料內(nèi)