Предложена низколегированная сталь для скважинных нефтяных труб, обладающая высоким сопротивлением растрескиванию под действием напряжения в сульфидосодержащей среде и подходящая для обсадки или прокладки в нефтяных или газовых скважинах. Конкретно описана низколегированная сталь для скважинных нефтяных труб, содержащая, в мас.%, C: от 0,2 до 0,35%, Si: от 0,05 до 0,5%, Mn: от 0,05 до 1,0%, P: 0,025% или менее, S: 0,01% или менее, Al: от 0,005 до 0,10%, Сr: от 0,1 до 1,0%, Mo: от 0,5 до 1,0%, Ti: от 0,002 до 0,05%, V: от 0,05 до 0,3%, B: от 0,0001 до 0,005%, N: 0,01% или менее, O (кислород): 0,01% или менее, Nb: от 0 до 0,1%, Ca: от 0 до 0,01%, Mg: от 0 до 0,01% и Zr: от 0 до 0,1%, и имеющая полуширину (H) и коэффициент диффузии водорода (D) (10 ^-6 см ² /с), удовлетворяющие следующему уравнению (I): 30H + D _ 19,5 (1).

 

(57) Реферат / Формула:
низколегированная сталь для скважинных нефтяных труб, обладающая высоким сопротивлением растрескиванию под действием напряжения в сульфидосодержащей среде и подходящая для обсадки или прокладки в нефтяных или газовых скважинах. Конкретно описана низколегированная сталь для скважинных нефтяных труб, содержащая, в мас.%, C: от 0,2 до 0,35%, Si: от 0,05 до 0,5%, Mn: от 0,05 до 1,0%, P: 0,025% или менее, S: 0,01% или менее, Al: от 0,005 до 0,10%, Сr: от 0,1 до 1,0%, Mo: от 0,5 до 1,0%, Ti: от 0,002 до 0,05%, V: от 0,05 до 0,3%, B: от 0,0001 до 0,005%, N: 0,01% или менее, O (кислород): 0,01% или менее, Nb: от 0 до 0,1%, Ca: от 0 до 0,01%, Mg: от 0 до 0,01% и Zr: от 0 до 0,1%, и имеющая полуширину (H) и коэффициент диффузии водорода (D) (10 ^-6 см ² /с), удовлетворяющие следующему уравнению (I): 30H + D _ 19,5 (1).

 

---

2420-140692ЕА/052 НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ ДЛЯ СКВАЖИННЫХ НЕФТЯНЫХ ТРУБ, ОБЛАДАЮЩАЯ ВЫСОКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ РАСТРЕСКИВАНИЮ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НАПРЯЖЕНИЙ В СУЛЬФИДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЕ
Описание Область техники
Настоящее изобретение относится к низколегированной стали для скважинных нефтяных труб, обладающей высоким сопротивлением растрескиванию под действием напряжений в сульфидосодержащей среде, что позволяет использовать ее для обсадки или прокладки труб в нефтяных или газовых скважинах.
Уровень техники
Наряду с повышением глубины скважин на нефтяных и газовых месторождениях возросли требования к прочности скважинных труб, используемых в нефтяных или газовых скважинах. Вместо класса 80 ksi (предел текучести (YS) составляет от 551 до 654 МПа) или класса 95 ksi (YS составляет от ,654 до 758 МПа), обычно использовавшихся до настоящего времени скважинных нефтяных труб, в последние годы часто использовались скважинные нефтяные трубы класса 110 ksi (YS составляет от 758 до 861 МПа).
С другой стороны, разрабатываемые в последнее время глубокие скважины содержат коррозионный сероводород. В таких обстоятельствах в высокопрочных сталях возникает водородная хрупкость, называемая растрескиванием под действием напряжений в сульфидосодержащей среде (в дальнейшем именуемая "SSC"), которая иногда приводит к разрыву скважинных нефтяных труб. Соответственно, самой важной задачей высокопрочных скважинных нефтяных труб является преодоление SSC.
Одним из способов улучшения сопротивлению SSC у скважинных нефтяных труб класса 95-110 ksi является высокая очистка сталей или измельчение зерен микроструктуры. Например, в патентном документе 1 предложен способ улучшения сопротивлению SSC путем снижения содержания загрязняющих элементов, таких как Мп и Р. В патентном документе 2 предложен способ улучшения сопротивлению SSC путем измельчения зерен методом'двойной закалки.
Кроме того, в последние годы были начаты исследования
высокопрочных скважинных нефтяных труб, таких как трубы класса 125 ksi (YS составляет от 861 до 965 МПа) . Поскольку SSC чаще возникает в сталях с более высокой прочностью, потребовалось дальнейшее улучшение разработки материалов для скважинных нефтяных труб класса 125 ksi, взамен использовавшихся скважинных нефтяных труб класса 95 ksi (YS составляет от 654 до 758 МПа) или класса 110 ksi (YS составляет от 758 до 861 МПа). В патентном документе 3 предложен способ получения стальных материалов класса 125 ksi, обладающих высоким сопротивлением SSC, включающий измельчение зерен микроструктуры путем термической обработки с использованием индукционного нагрева. В патентном документе 4 предложен способ изготовления стальной трубы класса 110-125 ksi и класса 140 ksi (YS составляет от 965 до 1068 МПа), обладающей высоким сопротивлением SSC, путем повышения прокаливаемости и повышения температуры отпуска способом прямой закалки. В патентном документе 5 предложен способ получения низколегированной стали класса 110-140 ksi с высоким сопротивлением SSC путем оптимизации состава сплава. В патентном документе 6, патентном документе 7 и патентном документе 8 предложены способы улучшения сопротивления SSC для низколегированной стали, используемой для скважинных нефтяных труб класса от 110 до 14 0 ksi, путем регулирования форм карбидов. Кроме того, в патентном документе 9 предложен способ замедления наступления SSC у стальных материалов класса 110-125 ksi путем осаждения большого количества мелкозернистых карбидов ванадия.
Патентный документ 1: публикация нерассмотренного японского патентного документа № S62-253720
Патентный документ 2: публикация нерассмотренного японского патентного документа № S59-232220
Патентный документ 3: публикация нерассмотренного японского патентного документа № Н6-322478
Патентный документ 4: публикация нерассмотренного японского патентного документа № Н8-311551
Патентный документ 5: публикация нерассмотренного японского патентного документа № Н11-335731
Патентный документ 6: публикация нерассмотренного японского патентного документа № 20Э0-178682
Патентный документ 7: публикация нерассмотренного японского патентного документа № 20Э0-256783
Патентный документ 8: публикация нерассмотренного японского патентного документа № 2000-297344
Патентный документ 9: публикация нерассмотренного японского патентного документа № 2000-119798
Сущность изобретения Задача, решаемая в данном изобретении
Даже вышеупомянутые предложенные марки стали не способны гарантировать стабильное сопротивление SSC. Целью настоящего изобретения является получение стойкой к SSC стали для скважинных нефтяных труб, способной стабильно обеспечивать высокое сопротивление SSC, даже будучи использованной для изготовления высокопрочных скважинных нефтяных труб класса 125 ksi или более высоких классов.
Авторы настоящего изобретения провели различные исследования причин возникновения ?> SC и способов устранения их в высокопрочных сталях для скважинных нефтяных труб, изучая в том числе плотность дислокаций и коэффициент диффузии водорода в стали, и в результате обнаружили,, что плотность дислокаций и коэффициент диффузии водорода связаны с сопротивлением SSC описанным ниже образом.
(a) Считается, что SSC имеет тенденцию к возникновению в высокопрочных сталях по причине, заключающейся в том, что по мере повышения прочности плотность дислокаций проявляет тенденцию к повышению, при этом диффундирующий водород проявляет тенденцию к более высокой степени окклюзии в областях дислокации. Ввиду вышесказанного возникновение SSC может быть подавлено путем снижения объема захваченного водорода даже в высокопрочной стали, что может быть достигнуто путем снижения плотности дислокации в кристаллах до как можно меньшей степени с целью сокращения областей дислокаций.
(b) Существует альтернативное мнение о том, что SSC
проявляет тенденцию к возникновению в высокопрочной стали из-за
г-- ¦
того, что водород скапливается на участках концентрации напряжений, таких как дно коррозионной язвы. С учетом вышесказанного возникновение SSC может быть подавлено путем предотвращения скопления водорода на участках концентрации напряжений, что может быть достигнуто путем разработки состава материала, в котором предотвращается диффузия водорода.
(с) Плотность дислокаций в основном зависит от полуширины для кристаллографической плоскости [211] (уровень напряжения кристаллической решетки), определяемого рентгеновской дифракцией. А диффузия водорода в материал в основном зависит от коэффициента диффузии водорода в стали, определяемого при помощи оценки проницаемости водорода.
Соответственно, появляется возможность получать
высокопрочные скважинные нефтяные трубы с высоким сопротивлением SSC, в которых половинная ширина и коэффициент диффузии водорода могут быть отрегулированы до желаемых величин.
Настоящее изобретение было осуществлено на основании таких новых сведений. Высокопрочная сталь для скважинных нефтяных труб представляет собой сталь, описанную в следующих пунктах (1)- (5). В дальнейшем изобретения, касающиеся сталей, описанных в пунктах (1)-(5), могут упоминаться в виде совместной ссылки.
1. Низколегированная сталь для скважинных нефтяных
труб, содержащая, в % мае, С: от 0,2 до 0,35%, Si: от 0,05 до 0,5%, Мп: от 0,05 до 1,0%, Р: 0, 025% или менее, S: 0,01% или менее, А1: от 0,005 до 0,10%, Сг: от 0,1 до 1,0%, Мо: от 0,5 до 1,0%, Ti: от 0,002 до 0,05%, V: от 0,05 до 0,3%, В: от 0, 0001 до 0, 005%, N: 0,01% или менее, О (кислород): 0,01% или менее, Nb: от 0 до 0,1%, Са: от 0 до 0,01%, Мд: от 0 до 0,01% и Zr: от 0 до 0,1%, в которой полуширина Н и коэффициент диффузии водорода D (10"6 см2/сек.) удовлетворяют следующему уравнению (1):
ЗОН + D ^ 19,5 (уравнение 1)
(2) Низколегированная сталь для скважинных нефтяных труб согласно вышеприведенному п.(1), в которой предел текучести составляет 8 61 МПа или более.
(3) Низколегированная сталь для скважинных нефтяных труб согласно любому из вышеприведенных пп.(1) или (2), отличающаяся тем, что она дополнительно содержит Nb в количестве от 0 до О,1% мае.
(4) Низколегированная сталь для скважинных нефтяных труб согласно любому из вышеприведенных пп.(1)-(3), отличающаяся тем, что она дополнительно содержит один или оба следующих элемента: Са в количестве от 0 до 0,01% и Мд в количестве от 0 до 0,01% мае.
(5) Низколегированная сталь для скважинных нефтяных труб согласно любому из вышеприведенных пп.(1)-(4), отличающаяся тем, что она дополнительно содержит Zr в количестве от 0 до
0. 1% мае.
Сущность изобретения Настоящее изобретение обеспечивает стабильное получение скважинных нефтяных труб, обладающих высоким сопротивлением SSC, даже при высоком значении предела текучести (YS) , составляющем 8 61 МПа или более.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения Высокопрочная сталь для скважинных нефтяных труб согласно настоящему изобретению может быть конкретно описана следующим образом:
А. Полуширина и коэффициент диффузии водорода стали При описании стали для скважинных нефтяных труб согласно настоящему изобретению, поскольку необходимо, чтобы полуширина и коэффициент диффузии водорода регулировались таким образом, чтобы удовлетворять уравнению (1), вначале представлено описание способа измерения полуширины и коэффициента диффузии водорода стали.
Стали, имеющие химический состав, представленный в таблице
1, вначале были расплавлены в вакууме порциями по 150 кг, подвергнуты горячей ковке, а затем горячей прокатке в листы, после чего - закалке и отпуску.
Таблица 1
Сталь
Химический состав (% мае.)
soLAl
(а)
0,27
0,19
0,43
0,005
0,0018
0,034
0,50
0,73
0,015
0,11
0,0011
0,0044
0,0031
(Ь)
0,28
0,21
0,44
0,008
0,0011
0,033
0,51
0,71
0,016
0,02
0,0012
0,0034
0,0042
(с)
0,28
0,18
0,45
0,004
0,0012
0,032
1,21
0,74
0,016
0,12
0,0009
0,0036
0,0043
(d)
0,26
0,15
0,43
0,003
0,0011
0,034
0,51
0,35
0,015
0,11
0,0011
0,0034
0,0041
Примечание: Балансом являются Fe и загрязняющие примеси.
В данном случае, как проиллюстрировано в таблице 2, общий коэффициент обжатия (%) и температура конца горячей прокатки (°С) варьируются. Общий коэффициент обжатия (%) представляет собой величину, определяемую следующим образом:
общий коэффициент обжатия = 100 х {(площадь поперечного сечения плиты до обработки) - (площадь поперечного сечения после окончательной обработки)} /(площадь поперечного сечения плиты до обработки).
Таблица 2
испытания
Сталь
Общий коэффициент обжатия (%)
Температура конца прокатки (С")
Температура перед
закалкой (С °)
Прочность
Полуширина Н
Коэффициент диффузии водорода D(10"6CM2/C)
30H+D
Результаты испытания SSC
YS (Мпа)
Испытание под
постоянной нагрузкой
Испытание DCB (коэф. интенсивного напряжения Kissc)
(а)
20,5
1060
920
951
0,41
2,1
14,4
27,1
(а)
7,2
1100
910
958
0,47
2,3
16,4
28,1
(а)
7,1
960
930
944
0,51
3,9
19,2
27,8
(а)
25,6
1050
1050
958
0,33
1,1
11,0
30,5
(а)
40,5
1090
1030
944
0,31
1,3
10,6
30,1
(а)
37,6
990
920
951
0,36
3,9
14,7
27,6
(а)
62,6
970
950
958
0,49
3,4
18,1
28,1
(а)
30,5
940
920
937
0,57
4,3
21,4
24,2
(а)
53,5
1030
990
958
0,39
2,8
14,5
29,4
(а)
69,1
1060
920
944
0,64
2,3
21,5
20,9
(а)
35,5
1050
890
951
0,56
5,5
22,3
23,1
(а)
3,5
920
850
958
0,68
6,1
26,5
19,5
(а)
5,3
910
830
951
0,63
6,8
25,7
21,2
(а)
15,4
1040
950
944
0,31
8,1
17,4
28,4
(а)
25,4
1030
920
958
0,55
1,2
17,7
27,9
(Ь)
20,5
990
920
944
0,45
9,2
22,7
20,2
(Ь)
24,6
1040
920
937
0,32
П,5
21,1
20,1
(с)
31,3
1050
920
944
0,69
1,3
22,0
19,8
(с)
34,6
1100
920
951
0,59
2,2
19,9
23,1
(d)
25,5
1090
920
944
0,63
10,8
29,7
22,4
(d)
25,3
1050
920
944
0,62
8,9
27,5
23,5
Закалка и отпуск применялись для обеспечения прочности стальных материалов (YS), близкой к верхнему пределу класса 125 ksi; их прочность указана в таблице 2. Закалку осуществляют путем охлаждения водой после их выдерживания при различных температурах в течение 30 минут, а отпуск осуществляют путем охлаждения воздухом после их выдерживания при различных температурах в течение часа соответственно.
Исследуемый образец размером 1 х 10 х 10 мм3 был вырезан из стальных материалов, отполирован наждачной бумагой # 1200, а затем механически упрочненный слой был удален с поверхности исследуемого образца путем его погружения в водный пероксид водорода при комнатной температуре с добавлением небольшого количества фтористоводородной кислоты. Его подвергают рентгеноструктурному исследованию с целью измерения полуширины для кристаллографической плоскости [211] кристалла.
Затем круглый стержень с диаметром параллельного участка, равным б мм, и длиной параллельного участка, равной 4 0 мм, вырезают из стальных материалов в направлении прокатки для испытания на растяжение и подвергают данному испытанию при комнатной температуре, определяя при этом прочность исследуемого образца на основании полученной величины YS.
Для определения сопротивления SSC было использовано два вида способов, включающих испытание под постоянной нагрузкой и испытание DCB (образец в виде двухконсольной балки). Результаты представлены в таблице 2.
Вначале для испытания под постоянной нагрузкой вырезают круглый стержень с диаметром параллельного участка, равным 6,35 мм, и длиной параллельного участка, равной 25,4 мм, из стальных материалов в направлении прокатки в качестве образца для испытания на растяжение в соответствии со способом ТМ 0177А NACE (Национальная Ассоциация инженеров по коррозии). Было использовано два вида ванн для анализа. Одна ванна включает водный раствор 5% мае. хлорида натрия + 0,5% мае. уксусной кислоты при комнатной температуре, насыщенный газообразным сероводородом (сбалансированный газообразный диоксид водорода) при давлении 0,1 атм (в дальнейшем называемая "ванна А").
Другая ванна включает водный раствор 5% мае. хлорида натрия + 0,5% мае. уксусной кислоты при комнатной температуре, насыщенный газообразным сероводородом при давлении 1 атм (в дальнейшем называемая "ванна В") . Каждый из исследуемых образцов оценивают в зависимости от того, был ли он разрушен в течение 70 часов при нагрузке, составляющей 90% напряжения для величины YS, указанной в таблице 2. Неразрушенный образец оценивают как образец, имеющий хорошее сопротивление SSC.
Затем осуществляют оценку при помощи испытания DCB, вырезая прямоугольный образец для испытаний толщиной 10 мм, шириной 20 мм и длиной 100 мм в виде DCB (двухконсольная балка) из стальных материалов в соответствии со способом NACE ТМ 0177D. Образцы для испытаний погружают в ванну А и ванну В на 336 часов с целью определения коэффициентов интенсивности напряжений, KISSC. Полученные результаты представлены в таблице 2. В тех случаях, когда коэффициент интенсивности напряжений, Kissc/ равен 25 или более, считается, что сопротивление SSC является удовлетворительным.
Затем в качестве образца для испытаний из стального материала вырезают образец в вице диска диаметром 70 мм и толщиной 1,5 мм и определяют коэффициент диффузии водорода при помощи испытания на водородную проницаемость.
Фиг.1 представляет схематическое изображение прибора для испытания на водородную проницаемость. Ванна, используемая для испытания на SSC, заполняет изнутри камеру со стороны проникающего водорода (катодная камера 1). Водный 1N раствор NaOH заполняет изнутри камеру на противоположной стороне (анодная камера 2), при этом поддерживают постоянный потенциал образца для испытаний 3, равный 0 В, относительно сравнительного электрода 5 (в данном варианте электрод из серебра-хлорида серебра). Атомы водорода, образующиеся в катодной камере, окисляются до ионов водорода в тот момент, когда они проникают в образец для испытаний и высвобождаются в анодную камеру. Величину тока, протекающего между образцом для испытаний и противоэлектродом 6 (в данном варианте противоэлектрод из платины), измеряют при помощи регулятора
напряжения в виде текущего значения величины проникновения водорода.
Фиг.2 представляет собой график, показывающий текущее значение величины проникновения водорода, измеряемое в результате осуществления испытания на водородную проницаемость. После погружения образца для испытаний в раствор проникновение водорода происходит через некоторый промежуток времени до тех пор, пока текущее значение величины проникновения наконец не достигнет величины стационарного состояния (Jmax) / при котором определяют коэффициент диффузии водорода D, показывающий способность водорода к захвату стальным материалом на основании процесса перехода (подъем кривой) в стационарное состояние. В таком случае коэффициент диффузии водорода D определяют на основании времени Х.\/г, необходимого для достижения половины величины стационарного состояния (Jmax) согласно следующему уравнению (2):
D = L2(7,14ti/2) уравнение (2)
в котором: D - коэффициент диффузии водорода (см2/сек),
L - толщина образца (см),
ti/2 - период времени (сек) до тех пор, пока текущее значение проникновения не достигнет половины стационарной величины.
В таблице 2 представлены результаты определения коэффициента диффузии водорода D (10~б см2/сек). В таблице 2 также суммированы условия производства стальных материалов (общий коэффициент обжатия, температура чистовой прокатки, температура закалки), прочность (YS), полуширина Н и результаты испытания на SSC (испытание под постоянной нагрузкой, испытание DCB) .
Фиг.З представляет собой график, показывающий результаты испытания под постоянной нагрузкой, на котором на горизонтальной оси отложены значения полуширины Н, а на вертикальной оси отложены значения коэффициента диффузии водорода D (10~6 см2/сек). Очевидно, что сопротивление SSC улучшается по мере уменьшения как полуширины, так и коэффициента диффузии водорода. Может быть сделан вывод о том,
что достаточное сопротивление SSC для класса 125 ksi достигается в том случае, когда связь между полушириной Н и коэффициентом диффузии водорода D (10~6 см2/сек) удовлетворяет следующему уравнению (1):
ЗОН + D <¦ 19,5 (уравнение 1)
Далее следует описание способа снижения упомянутой полуширины и коэффициента диффузии водорода в стали. Как показано в следующих разделах (i) •- (iv) , сталь для скважинных нефтяных труб согласно данному изобретению может быть получена с величиной полуширины и коэффициентом диффузии водорода, удовлетворяющим уравнению (1), путем контроля условий производства стальных материалов (общий коэффициент обжатия, температура чистовой прокатки, температура закалки) и химического состава высокопрочной стали.
(i) На фиг.4 представлены результаты исследования корреляции между общим коэффициентом обжатия и полушириной для стали (а) из таблицы 1. Как очевидно из таблицы 4, упомянутая полуширина увеличивается при слишком высоком общем коэффициенте обжатия. Это, вероятно, объясняется рабочим напряжением во время прокатки, которое все еще сохраняется после термической обработки в том случае, когда общий коэффициент обжатия слишком высок. Более того, полуширина также увеличивается при слишком низком общем коэффициенте обжатия. Это, вероятно, объясняется крупной микроструктурой, имеющейся после закалки в том случае, когда общий коэффициент обжатия слишком низок.
(ii) На фиг.5 представлены результаты исследования корреляции между температурой чистовой прокатки и коэффициентом диффузии водорода в стали (а) из таблицы 1. Как очевидно из фигуры 5, полуширина и коэффициент диффузии водорода снижаются по мере повышения температуры чистовой прокатки. Это, вероятно, объясняется тем, что по мере повышения температуры чистовой прокатки мелкозернистые карбидообразующие элементы, такие как Мо и V, по окончании прокатки еще; находятся в стали в виде твердых растворов, что ведет к осаждению мелкозернистых карбидов во время последующей термической обработки.
(iii) На фиг.6 представлены результаты исследования
корреляции между температурой закалки и полушириной, а также корреляции между температурой закалки и коэффициентом диффузии водорода. Как очевидно из таблицы 6, как полуширина, так и коэффициент диффузии водорода снижаются по мере повышения температуры закалки. Это, вероятно, как и в вышеописанном случае (ii) , также объясняется тем, что по мере повышения температуры закалки мелкозернистые карбидообразующие элементы, такие как Мо и V, по окончании прокатки находятся в стали в виде твердых растворов, что ведет к осаждению мелкозернистых карбидов во время последующей термической обработки.
Из таблицы 2 следует, что как полуширина, так и коэффициент диффузии водорода повышаются, и сопротивление SSC стали (Ь) с низким содержанием V и стали (d) с низким содержанием Мо не является удовлетворительным даже при ее получении в таких же условиях, как и стали (а). Это, вероятно, объясняется тем, что количество V и Мо недостаточно для формирования мелкозернистых карбидов.
Из таблицы 2 также следует, что как полуширина снижается в стали (с) с высоким содержанием Сг. Это, вероятно, объясняется тем, что Сг достаточно растворим в твердом состоянии в стали, что ведет к повышению плотности дислокаций.
Соответственно, чтобы снизить полуширину и коэффициент диффузии водорода до нужной степени, необходимо, чтобы содержание Сг составляло 1,0% мае. или менее, Мо - 0,5% мае. или менее и V - 0,05% мае. или менее.
В. Химический состав стали
Ниже приведен химический состав стали для скважинных нефтяных труб согласно данному изобретению. "%" Означают "% мае."
С: от 0,2 до 0,35
Углерод (С) представляет собой элемент, эффективно улучшающий прокаливаемость, одновременно повышая прочность. В том случае, если его содержание составляет менее 0,2%, прокаливаемость снижается, тем самым препятствуя получению достаточной прочности. С другой стороны, если его содержание превышает 0,35%, уровень растрескивания при закалке повышается,
поэтому верхний предел составляет 0,35%. Предпочтительный диапазон составляет от 0,25 до 0,30%. Si: от 0,05 до 0,5%
Кремний (Si) представляет собой элемент, эффективно раскисляющий сталь, а также повышающий сопротивление размягчению при отпуске. С целью раскисления он должен содержаться в количестве, составляющем 0,05% или более. С другой стороны, если его содержание превышает 0,5%, он вызывает выделение мягкой ферритной фазы и ухудшает ударную вязкость и сопротивление SSC. Соответственно, содержание Si должно составлять от 0,05 до 0,5%. Предпочтительный диапазон составляет от 0,05 до 0,3%.
Мп: от 0,05 до 1,0%
Марганец (Мп) представляет собой элемент, эффективно улучшающий прокаливаемость стали. Поэтому он должен содержаться в количестве, составляющем 0,05% или более. С другой стороны, если его содержание превышает 1%, он сегрегирует в месте с загрязняющими элементами, такими как Р и S, на границу зерен, что ухудшает ударную вязкость и сопротивление SSC. Соответственно, содержание Мп должно составлять от 0,05 до 1%. Желательный диапазон составляет от 0,1 до 0,6%.
Р: 0,025 или менее
Фосфор (Р) сегрегирует на границу зерен, что ухудшает ударную вязкость и сопротивление SSC. Поскольку такое действие становится заметным в том случае, если его содержание превышает 0,025%, его верхний предел составляет 0,025%. Верхний предел Р предпочтительно составляет 0,015%. Желательно, чтобы содержание Р было как можно меньшим.
S: 0,01% или менее
Сера (S) также сегрегирует на границу зерен подобно Р, что ухудшает ударную вязкость и сопротивление SSC. Поскольку такое действие становится заметным в тем случае, если ее содержание превышает 0,01%, ее верхний предел составляет 0,01%. Верхний предел S предпочтительно составляет 0,003%. Желательно, чтобы содержание S было как можно меньшим.
А1: от 0,005 до 0,10%
Алюминий (А1) представляет собой элемент, эффективно раскисляющий сталь. Если его содержание составляет менее 0,005%, достаточный эффект не может быть получен. С другой стороны, поскольку эффект является насыщенным даже в том случае, если его содержание превышает 0,10%, то его верхний предел составляет 0,10%. Под А1 в данном изобретении подразумевается кислоторастворимый А1 (так называемый "раств. А1") .
Сг: от 0,1 до 1,0%
Хром (Сг) представляет собой элемент, эффективно улучшающий прокаливаемость стали. Чтобы обеспечить такое действие, он должен содержаться в количестве, составляющем 0,1% или более. Однако в том случае, если его содержание превышает 1,0%, он повышает плотность дислокаций стали, что ухудшает сопротивление SSC. Соответственно, содержание Сг должно составлять от 0,1 до 1,0%. Предпочтительный диапазон составляет от 0,1 до 0,6%.
Мо: от 0,5 до 1,0%
Молибден (Мо) является важным элементом в стали согласно данному изобретению, поскольку он улучшает ее прокаливаемость, а также формирует мелкозернистые карбиды во время отпуска. Он также снижает полуширину и коэффициент диффузии водорода, улучшая таким образом сопротивление SSC. Чтобы обеспечить такое действие, он должен содержаться в количестве, составляющем 0,5% или более. С другой стороны, поскольку эффект достигает "насыщения" в том случае, если его содержание превышает 1,0%, то его верхний предел составляет 1,0%. Предпочтительный диапазон составляет от 0,6 до 0,8%.
Ti: от 0,002 до 0,05%
Титан (Ti) образует нитрид в результате взаимодействия с N, представляющим собой загрязняющую сталь примесь. Содержание Ti, не прореагировавшее с N, образует мелкозернистые карбиды, эффективно обеспечивающие получение мелкозернистой стали в результате закрепления дислокаций. Образование нитридов также подавляет взаимодействие N с В, добавляемым с целью улучшения
прокаливаемости стали, что приводит к сохранению твердого растворимого состояния В, обеспечивающего достаточную прокаливаемость.
Чтобы обеспечить такое действие, Ti должен содержаться в количестве, составляющем 0,002% или более. С другой стороны, эффект получается насыщенным и ударная вязкость ухудшается даже в том случае, если его содержание превышает 0,05%. Следовательно, верхний предел его содержания составляет 0,05%. Предпочтительное содержание составляет от 0,005 до 0,03%. Еще более предпочтительное содержание составляет от 0,001 до 0,02%.
V: от 0,05 до 0,3%
Ванадий (V) является важным элементом стали согласно данному изобретению. Он образует мелкозернистые карбиды во время отпуска подобно Мо, которые эффективно снижают полуширину, а также коэффициент диффузии водорода во время высокотемпературного отпуска. Чтобы обеспечить такое действие, он должен содержаться в количестве, составляющем 0,05% или более. С другой стороны, эффект является насыщенным в том случае, если его содержание превышает 0,3%. Следовательно, верхний предел его содержания составляет 0,3%. Предпочтительный диапазон составляет от 0,05 до 0,20%.
В: от 0,0001 до 0,005%
Даже небольшое содержание бора (В) вызывает эффект улучшения прокаливаемости стали. В том случае, если содержание составляет менее 0,0001%, эффект сказывается недостаточным. С другой стороны, если его содержание превышает 0,005%, эффект является насыщенным и обеспечивает образование Сг2з(С, В)6 в виде крупнозернистых карбидов, что ухудшает сопротивление SSC. Соответственно, верхний предел его содержания составляет 0,005%. Предпочтительный диапазон составляет от 0,0002 до 0,002%.
N: 0,01% или менее
Азот (N) присутствует в стали в качестве загрязняющей примеси и сегрегирует на границу зерен, ухудшая сопротивление SSC. Затем, после добавления Ti или Zr, он образует TiN или ZrN. В том случае, если содержание N превышает 0,01%,
избыточное количество N, не прореагировавшее с Ti или Zr, образует осадки BN. Это приводит к недостаточному улучшению прокаливаемости в результате добавления В, что ухудшает сопротивление SSC и ударную вязкость. Соответственно, верхний предел его содержания составляет 0,01%. Верхний предел содержания N предпочтительно составляет 0,007%. Желательно, чтобы содержание N было как можно меньшим. О (кислород): 0,01% или менее
О (кислород), подобно N, присутствует в стали в качестве загрязняющей примеси. В том случае, если его содержание превышает 0,01%, это вызывает формирование крупных оксидов, ухудшающих ударную вязкость и сопротивление SSC. Соответственно, верхний предел его содержания составляет 0,01%. Верхний предел содержания О (кислород) предпочтительно составляет 0,005%. Желательно, чтобы содержание О было как можно меньшим.
Что касается стали для скважинных нефтяных труб согласно данному изобретению, она может содержать, помимо Fe, другие компоненты, такие как Nb, Zr, Са и Mg.
Nb: от 0 до 0,1%
Ниобий (Nb) является необязательной добавкой. Будучи добавленным, он формирует карбиды, эффективно способствующие получению мелкозернистой стали в результате закрепления дислокаций. Чтобы обеспечить такое действие, он должен содержаться в количестве, составляющем 0,002% или более. С другой стороны, эффект оказывается насыщенным и ударная вязкость ухудшается благодаря избыточно сформировавшимся карбидам Nb даже в том случае, если его содержание превышает 0,1%. Следовательно, верхний предел его содержания составляет 0,1%. Предпочтительный диапазон составляет от 0,005 до 0,03%.
Zr: от 0 до 0,1%
Цирконий (Zr) является необязательной добавкой. Будучи добавленным, он способствует образованию нитрида путем взаимодействия с N, представляющим собой загрязняющую сталь примесь. Содержание Zr, не прореагировавшее с N, образует мелкозернистые осадки карбидов, эффективно обеспечивающие
получение мелкозернистой стали в результате закрепления дислокаций. Образование нитридов подавляет взаимодействие N с В, добавляемым с целью улучшения прокаливаемости стали, что приводит к сохранению твердого растворимого состояния В, обеспечивающего достаточную прокализаемость.
Чтобы обеспечить такое действие, Zr должен содержаться в количестве, составляющем 0,002% или более. С другой стороны, эффект получается насыщенным и ударная вязкость ухудшается даже в том случае, если его содержание превышает 0,1%. Следовательно, верхний предел его содержания составляет 0,1%. Предпочтительное содержание составляет от 0,005 до 0,06%. Еще более предпочтительное содержание составляет от 0,01 до 0,04%.
Са: от 0 до 0,01%
Кальций (Са) является необязательной добавкой. Будучи добавленным, он соединяется с S в стали, образуя сульфиды и улучшая форму включений, что улучшает сопротивление SSC. Чтобы обеспечить такое действие, он должен содержаться в количестве, составляющем 0,0001% или более. С другой стороны, эффект получается насыщенным и ударная вязкость и сопротивление SSC ухудшаются из-за образования крупных включений Са даже в том случае, если его содержание превышает 0,01%. Следовательно, верхний предел его содержания составляет 0,01%. Предпочтительное содержание составляет от 0,0003 до 0,003%.
Мд: от 0 до 0,01%
Магний (Мд) является необязательной добавкой. Будучи добавленным, он соединяется с S в стали, подобно Са, образуя сульфиды и улучшая форму включений, а также улучшая сопротивление SSC. Чтобы обеспечить такое действие, он должен содержаться в количестве, составляющем 0,0001% или более. С другой стороны, эффект получается насыщенным и ударная вязкость и сопротивление SSC ухудшаются из-за образования крупных включений Мд даже в том случае, если его содержание превышает 0,01%, поэтому верхний предел его содержания составляет 0,01%. Предпочтительное содержание составляет от 0,0003 до 0,003%.
Пример 1
Стали, имеющие химические составы, представленные в
таблице 3, были выплавлены в зиде заготовок с наружным диаметром от 225 до 310 мм. После нагревания заготовок до температуры 1250°С они были сформованы в виде бесшовных стальных труб различных размеров способом Маннессманна, включающим прошивку труб на оправках. В данном случае общий коэффициент обжатия (%) после формования и температура конца прокатки (°С) после окончательной прокатки варьировались. Затем прочность регулировали путем закалки с водяным охлаждением после выдерживания при различных температурах в течение 30 минут с последующим отпуском во время охлаждения воздухом после их выдерживания при различных температурах в течение 30 минут.
Таблица 3
Химический состав (% мае.)
Сталь
Раств. А1
0,25
0,20
0,44
0.005
0,0031
0,030
0,51
0,73
0,015
0,11
0,0011
0,0041
0,0040
0,29
0,18
0,45
0,004
0,0022
0,031
0,49
0,74
0,014
0,25
0,0010
0,0053
0,0033
0,27
0,22
0,51
0,005
0,0019
0,033
0,51
0,95
0,016
0,24
0,0006
0,0037
0,0028
0,25
0,19
0,43
0,006
0,0034
0,029
0,95
0,71
0,014
0,11
0,0005
0,024
0,0033
0,0038
0,27
0,18
0,44
0,003
0,0025
0,033
0,68
0,73
0,013
0,06
0,0009
0,015
0,0038
0,0044
0,25
0,23
0,41
0,006
0,0051
0,034
0,51
0,54
0,015
0,11
0,0009
0,022
0,013
0,0039
0,0028
0,25
0,21
0,35
0,005
0,0028
0,021
0,53
0,75
0,013
0,09
0,0007
0,0031
0,0037
0,0031
0,27
0,24
0,76
0,005
0,0021
0,033
0,53
0,73
0,016
0,12
0,0009
0,025
0,0035
0,0043
0,0034
0,30
0,22
0,30
0,002
0,0018
0,021
0,54
0,71
0,013
0,06
0,0011
0,009
0,0033
0,0028
0,0046
0,29
0,12
0,76
0,005
0,0011
0,024
0,21
0,68
0,013
0,20
0,0008
0,023
0,014
0,0022
0,0035
0,0031
0,28
0,20
0,43
0,004
0,0023
0,021
0,50
0,74
0,0013
0,11
0,0009
0,0022
0,0045
0,0045
0,27
0,17
0,44
0,005
0,0018
0,023
0,51
0,69
0,015
0,10
0,0012
0,031
0,0018
0,0050
0,0061
0,29
0,18
0,40
0,003
0,0025
0,024
0,48
0,71
0,008
0,09
0,0009
0,010
0,0017
0,0043
0,0031
0,26
0,16
0,44
0,004
0,0018
0,026
0,52
0,73
0,014
0,10
0,0010
0,0011
0,0012
0,0051
0,0041
0,28
0,18
0,45
0,005
0,0022
0,032
0,50
0,76
0,008
0,15
0,0011
0,024
0,008
0,0028
0,0060
0.0034
0,27
0,15
0,42
0,003
0,0021
0,030
0,50
0,81
0,014
0,10
0,0010
0,021
0,0010
0,0013
0,0052
0,0033
0,28
0,22
0,45
0,004
0,0015
0,025
0,51
0,71
0,009
0,10
0,0011
0,011
0,0011
0,0011
0,0053
0,0030
0,27
0,19
0,46
0,006
0,0021
0,028
0,49
0,67
0,008
0,09
0,0012
0,030
0,009
0,0012
0,0013
0,0051
0,0041
0,27
0,13
0,42
0,007
0,0009
0,022
0,54
0,94
0,015
0,12
0,0015
0,0039
0,0038
0,26
0,27
0,44
0,008
0,0024
0,034
1,01
0,75
0,015
0,10
0,0004
0,0035
0,0035
0,25
0,33
0,45
0,006
0,0031
0,023
0,51
0,78
0,015
0,19
0,0003
0,0041
0,0043
0,26
0,24
0,48
0,005
0,0022
0,024
1,23*
0,76
0,017
0,11
0,0001
0,0038
0,0041
0,29
0,22
0,46
0,004
0,0022
0,035
0,98
0,45*
0,015
0,09
0,0005
0,0041
0,0046
0,27
0,20
0,45
0,006
0,0016
0,019
0,53
0,77
0,013
0,03*
0,0009
0,0036
0,0048
Примечание: Балансом являются Fe и загрязняющие примеси. * Значения за пределами объема настоящего изобретения.
Образец для исследований размером 1 х 10 х 10 мм3 был вырезан из полученной бесшовной стальной трубы, отполирован наждачной бумагой # 1200, а затем механически упрочненный слой был удален с поверхности исследуемого образца путем его погружения в водный пероксид водорода при комнатной температуре с добавлением небольшого количества фтористоводородной кислоты. Его подвергают рентгеноструктурному исследованию с целью измерения полуширины пика для кристаллографической плоскости [211] .
Затем круглые стержни с диаметром параллельного участка, равным 6 мм, и длиной параллельного участка, равной 40 мм, вырезают из стальных материалов в направлении прокатки для испытания на растяжение и подвергают данному испытанию при комнатной температуре, определяя при этом прочность исследуемого образца на основании полученной в результате измерений величины YS.
Сопротивление SSC было установлено при помощи двух вышеописанных способов, включающих испытание под постоянной нагрузкой и испытание DCB.
Затем в качестве образцов для испытаний из стальных материалов вырезают образцы в виде дисков диаметром от 12 до 20 мм и толщиной 1,5 мм и определяют коэффициент диффузии водорода при помощи испытания на водородную проницаемость.
В таблице 4 представлены условия получения стальных материалов, YS, полуширина, коэффициент диффузии водорода и результаты теста на SSC.
Таблица 4
№ испы-
Общий коэффициент
Температура конца
Температура закалки (С°)
Прочность
Полуширина Н
Коэффициент диффузии
30H+D
Ванна для испытаний
Результаты испытания SSC
тания
Сталь
обжатия
прокатки (С°)
YS (Мпа)
водорода D(10^CM2/C)
Постоянная нагрузка
Испытания
DCBc постоянной
(Kissc) нагрузкой
17,8
1100
920
944
0,42
3,10
15,7
31,1
20,5
1050
910
958
0,46
2,40
16,2
27,3
15,3
1030
920
965
0,35
2,10
12,6
29,3
13,8
1040
920
951
0,37
1,80
12,9
29,5
25,3
960
1050
971
0,47
1,90
16,0
29,3
8,2
1030
930
944
0,54
2,00
18,2
31,3
S X
13,8
990
920
951
0,46
3,50
17,3
30,4
рете
14,1
1100
920
944
0,45
4,30
17,8
26,4
Ю о т
14,6
1010
920
958
0;42
1,90
14,5
11 I
К ;
<Ц
36,5
1050
920
951
0,51
1,30
16,6
31,4
Я W
20,5
1100
920
958
0,46
2,3
16,1
28,5
21,5
1050
920
951
0,47
2,4
16,5
29,1
20,5
1100
920
944
0,45
1,9
15,4
30,2
21,5
1050
920
958
0,47
. 2,1
16,2
29,5
19,5
1050
1050
951
0,48
2,3
16,7
28,3
19,5
1050
920
958
0,41
2,2
14,5
29,1
20,5
1100
920
951
0,45
1,8
15,3
31,0
19,5
1050
920
958
0,45
2,3
15,8
29,5
я т се а.
19 20 21 22 23 24
К L М N О Р
63,5 15,5 15,5 15,5 24,6 25,5
1050 930 1050 1040 1050 1030
920 920 900 920 920 920
з S
05 S-
О Ч>
Р а.
25 26 27 28
А В С D
17,8 20,5 15,3 13,8
1100 1050 1030 1040
920 910 920 920
944
0,59
2,20
19,9
24,1
937
0,61
6,31
24,6
19,1
944
0,49
6,90
21,6
23,4
937
0,61
2,31
20,6
22,6
944
0,59
6,90
24,6
19,8
937
0,61
7,31
25,6
18,1
861
0,42
3,10
15,7
30,1
854
0,46
2,40
16,2
29,4
861
0,35
2,10
12,6
28,8
854
0,37
3,80
14,9
29,4
Испытания №№ 1-18 представляют образцы для испытаний, имеющие прочность, установленную на уровне 965 МПа (верхний предел для класса 125 ksi) . Испытание на SSC (испытание под постоянной нагрузкой, испытание DCB) проводили с ванной А для оценки. Во всех образцах для исследований полуширина Н и коэффициент диффузии водорода D (1(Гб см2/сек) удовлетворял приведенному выше уравнению (1) . В результате испытания под постоянной нагрузкой разрушения не произошло; величина Kissc, установленная при помощи испытания DCB, составила 25 или более; и сопротивление SSC оказалось удовлетворительным.
И наоборот, общий коэффициент обжатия оказался высоким в испытании № 19, температура конца прокатки оказалась низкой в испытании № 20 и температура закалки оказалась низкой в испытании № 21. Соответственно, полуширина и коэффициент диффузии водорода повысились, а сопротивление SSC оказалось неудовлетворительным для каждого из них. Содержание Сг оказалось более 1,0% в испытании № 22, Мо - менее 0,5% в испытании № 23, а V - менее 0,05% в испытании № 24. Соответственно, полуширина и коэффициент диффузии водорода повысились, а сопротивление SSC оказалось неудовлетворительным для каждого из них.
Далее, испытания №№ 25-28 представляют образцы для испытаний из сталей A-D, имеющие прочность, отрегулированную до величины YS на уровне 8 61 МПа (верхний предел для класса 110 ksi). Данные образцы для испытаний, как и в испытаниях №№ 1-18, не подверглись разрушению в результате испытания под постоянной нагрузкой; величина К1ВЗС, установленная при помощи испытания DCB, составила 25 или более; и сопротивление SSC оказалось удовлетворительным.
В соответствии с вышеприведенным описанием стали согласно данному изобретению демонстрируют высокое сопротивление SSC в классе 125 ksi в испытаниях №№ 1-18, а также высокое сопротивление SSC в классе 110 ksi в испытаниях №№ 21-28.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение позволяет стабильно получать трубы для нефтяных скважин, имеющие высокое сопротивление SSC, даже с
высокой прочностью, предел текучести (YS) которой составляет 8 61 МПа или более.
Краткое описание прилагаемых чертежей
Фиг.1 представляет схематический вид прибора для испытания на водородную проницаемость.
Фиг. 2 представляет график, показывающий текущую величину проникновения водорода, измеряемую при помощи испытания на водородную проницаемость.
Фиг.З представляет график, показывающий результаты испытания под постоянной нагрузкой, на котором на горизонтальной оси отложена полуширина Н, а на вертикальной -коэффициент диффузии водорода D (XIО"6 см2/сек).
На фиг.4 представлены результаты исследования корреляции между общим рабочим коэффициентом (%) и полушириной Н стали (а) в Таблице 1.
На фиг.5 представлены результаты исследования корреляции между температурой конца прокатки (°С) и полушириной Н, и корреляции между температурой конца прокатки (°С) и коэффициентом диффузии водорода (Х10~6 см2/сек) стали (а) в таблице 1.
На фиг.6 представлены результаты исследования корреляции между температурой закалки (°С) и полушириной Н, а также корреляции между температурой закалки (°С) и коэффициентом диффузии водорода (Х10~6 см2/сек) стали (а) в таблице 1.
Цифровые обозначения
1- катодная камера
2- анодная камера
3- образец для исследований
4- регулятор напряжения
5- сравнительный электрод
6- противоэлектрод
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Низколегированная сталь для скважинных нефтяных труб, содержащая, % мае. , С: от 0,2 до 0,35%, Si: от 0,05 до
0,5%, Мп: от 0,05 до 1,0%, Р: 0, 025% или менее, S: 0,01% или менее, А1: от 0,005 до 0,10%, Сг: от 0,1 до 1,0%, Мо: от 0,5 до 1,0%, Ti: от 0,002 до 0,05%, V: от 0,05 до 0,3%, В: от 0,0001 до 0,005%, N: 0,01% или менее, О (кислород): 0,01% или менее, Nb: от 0 до 0,1%, Са: от 0 до 0,01%, Мд: от 0 до 0,01% и Zr: от 0 до 0,1%, для которой полуширина Н и коэффициент диффузии водорода D (10"6 см2/сек) удовлетворяют следующему соотношению:
ЗОН + D <. 19,5
2. Низколегированная сталь по п.1, у которой предел текучести составляет 8 61 МПа или более.
3. Низколегированная сталь п.1 или 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит Nb в количестве от 0 до 0,1% мае.
4. Низколегированная сталь по любому из п.п.1-3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит один или оба из следующих элементов: Са в количестве от 0 до 0,01% и Мд в количестве от 0 до 0,01% мае.
5. Низколегированная сталь по любому из п.п.1-4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит Zr в количестве от 0 до 0,1% мае.
По доверенности
1/4
Фиг. 1
H^S
катодная камера
(5% хлорид натрия + 0,5% уксусная кислота)
Фиг. 2
2/4
Фиг. 3
полуширина Н
Фиг. 4
О 10 20 30 40 60 60 70 Общий коэффициент обжатия (%)
3/4
Фиг. 5
полуширина Н коэффициент диффузии водорода
14 -I 12
10 8 6 4 2
900
1000
1100
1200
температура конца прокатки (°С)
4/4
Фиг. 6
полуширина Н
коэффициент диффузии водорода
BOO
900
1000
1101
температура закалки (°С)