ВЫСОКОПРОЧНАЯ ТРУБА ДЛЯ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН Российский патент 2009 года по МПК F16L9/02 C21D8/10 C21D9/08 C21D1/28 C22C38/22 

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к обсадным и насосно-компрессорным трубам, предназначенным для эксплуатации в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ.

Известна высокопрочная труба, изготовленная из стали с содержанием углерода менее 0,18 мас.%, легированная хромом, марганцем, молибденом в количествах и соотношении элементов, обеспечивающих закалку стали с образованием мартенситной структуры при проведении нормализации с температур прокатного нагрева (патент РФ №2070585, МПК C21D 9/14). Указанная труба имеет прочностные характеристики, соответствующие ГОСТ 633-80, но не обладает необходимой коррозионной стойкостью и хладостойкостью.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является высокопрочная труба, изготовленная из стали группы прочности L80 типа 9Сr с содержанием до 0,15 мас.% углерода, 8,0-10,0 мас.% хрома, 0,9-1,1 мас.% молибдена, подвергнутая нормализации и отпуску, обеспечивающими достаточные прочностные показатели и стойкость к углекислотной коррозии (API Specification 5CT Eighth Edition, July 1, 2005 / ISO 11960:2004, Petroleum and natural gas industries - Steel pipes for use as casing or tubing for wells. EFFECTIVE DATA: JANUARY 1, 2006). Однако указанная труба не может эксплуатироваться в средах, содержащих сероводород, так как не обладает стойкостью к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН). Кроме того, эта труба имеет низкую хладостойкость, что не позволяет использовать ее в условиях Крайнего Севера.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание высокопрочных обсадных и насосно-компрессорных труб для нефтяных скважин, которые обладали бы достаточно высокими прочностными характеристиками в сочетании с коррозионной стойкостью, что обеспечит возможность их эксплуатации в агрессивных средах, содержащих как H₂S, так и СО₂.

Поставленная задача решается путем того, что высокопрочная труба для нефтяных скважин, изготовленная из хромомолибденовой стали и подвергнутая термообработке, в отличие от прототипа изготовлена из стали, содержащей углерода 0,1-0,35 мас.%, хрома 1,0-6,0 мас.%, молибдена 0,4-1,0 мас.%, подвергнута нормализации и двойному отпуску, характеризуется следующими механическими свойствами: временное сопротивление σ_в - не менее 690 МПа, предел текучести σ_т - не менее 570 МПа, относительное удлинение δ - не менее 20%, ударная вязкость KCV при температуре -50°С - не менее 70 Дж/см² и при этом обладает стойкостью к СКРН и углекислотной коррозии.

Технический результат - обеспечение высокой прочности в совокупности с коррозионной стойкостью достигается при осуществлении заявляемого изобретения за счет следующего. Термическая обработка предлагаемых труб из углеродистой стали, легированной хромом и молибденом в указанных количествах, осуществляется в три стадии - нормализация, первый отпуск, второй отпуск. При этом первый отпуск (вторая стадия термообработки) служит для формирования в структуре стали мелких рекристаллизованных зерен феррита и обеспечивает полное растворение легирующих элементов в твердом растворе. На третьей стадии термообработки - повторном отпуске - происходит формирование в структуре стали равномерно распределенных мелкодисперсных карбидов Мо₂С, которые являются «ловушками» атомарного водорода Н⁺, препятствующими его скоплению по границам зерен и охрупчиванию стали. Это улучшает прочностные характеристики труб и делает их стойкими к СКРН. Кроме того, достаточно неожиданным техническим результатом, который нельзя было предвидеть, располагая известными из уровня техники сведениями, оказалось значительное повышение вязкопластических характеристик стали, что обеспечивает хладостойкость предложенных труб и возможность их эксплуатации в условиях Крайнего Севера. При этом содержание углерода в указанном интервале значений достаточно для получения необходимых прочностных показателей труб. Известно также, что стойкость к углекислотной коррозии обеспечивается в основном за счет наличия хрома в составе стали. С учетом проведенных исследований в средах с концентрацией СO₂ до 300 ppm рекомендуется использовать данные трубы, изготовленные из стали с содержанием хрома 1,0-2,0 мас.%; в средах с концентрацией СO₂ 300-1200 ppm - трубы из стали с содержанием хрома 2,0-3,0 мас.%, а в средах с концентрацией СO₂ выше 1200 ppm - трубы, изготовленные из стали, содержащей 3,0-6,0 мас.% хрома. При содержании хрома в стали менее 1,0 мас.% не обеспечивается стойкость труб к углекислотной коррозии, а при содержании хрома свыше 6,0 мас.% ухудшается стойкость труб к СКРН. Трубы, изготовленные из стали с содержанием молибдена менее 0,4 мас.%, не обладают хладостойкостью, а при содержании молибдена свыше 1,0 мас.% также снижается стойкость труб к СКРН.

Таким образом, заданные пределы по содержанию легирующих элементов и указанный режим термообработки труб обеспечивают полный комплекс требуемых эксплуатационных характеристик обсадных и насосно-компрессорных труб, предназначенных для использования в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ. Подобная совокупность свойств не была обнаружена у известных из уровня техники аналогов.

Сущность заявляемого изобретения и обеспечиваемый им технический результат поясняются конкретным примером и данными проведенных исследований, представленными в таблице.

Были изготовлены насосно-компрессорные трубы 75×5,5, которые затем подвергались нормализации с нагревом до температур А_c3+(20-50°С), первому и второму отпуску с охлаждением на воздухе.

Из сопоставления результатов оценки комплекса характеристик исследованных труб (см. табл., варианты 2а и 2б, 3а и 3б, 4а и 4б, а также показатели прототипа) следует, что совокупность состава стали и режимов термообработки труб обеспечивает при сохранении необходимых прочностных показателей и стойкости к углекислотной коррозии значительное повышение стойкости к СКРН и хладостойкость. Так например, трубы, изготовленные из стали производства Оскольского электромеханического комбината и подвергнутые нормализации и двойному отпуску (вариант 4б), характеризуются следующими свойствами: временное сопротивление σ_в - 760 МПа, предел текучести σ_т - 623 МПа, относительное удлинение δ - 26%, ударная вязкость KCV при температуре -50°С - не менее 176 Дж/см² и при этом коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины K_issc равен - 34 MПa·м^l/2, а скорость коррозии в СO₂-содержащей среде составляет 0,30 мм/год, что подтверждает достижение вышеуказанного технического результата.

№ п/п Содержание элементов, мас.% Режимы ТО Механические свойства Коррозионная стойкость   С Cr Mo Н+O H+O+O σ_т, МПа σ_т, МПа σ_т/σ_в δ, % KCV - 50°C Дж/см² Стойкость к СКРН по NACE ТМ0177, метод Д, K_lssc, МПа·м^1/2 Скорость CO₂-коррозии, мм/год 1 0,35 1,0 0,4   + 693 575 0,83 20 71.1 15 1,0 2а 0,26 1,8 0,9 +   700 583 0,83 18 49,0 12 0,87 2б         + 705 571 0,81 25 137,2 31 0,82 3а 0,18 2,5 0,8 +   720 583 0,81 18 107,8 14 0,62 3б         + 725 558 0,77 24 166,6 33 0,60 4а 0,14 5,0 0,7 +   770 625 0,81 16 58,8 11 0,32 4б         + 760 623 0,82 26 176,4 34 0,30 5 0,10 6,0 1,0   + 782 657 0,84 27 181,3 31 0,23 6 (L80 9Сr) - прототип 0,15 9,0 1,0 +   701 560 0,80 17 29,4 10 0,19

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к обсадным и насосно-компрессорным трубам, предназначенным для эксплуатации в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ. Труба изготовлена из хромомолибденовой стали, содержащей 0,1-0,35 мас.% углерода, 1,0-6,0 мас.% хрома, 0,4-1,0 мас.% молибдена и подвергнута нормализации и двойному отпуску. Сталь имеет временное сопротивление σ_в - не менее 690 МПа, предел текучести σ_т - не менее 570 МПа, относительное удлинение δ - не менее 20% и ударную вязкость KCV при температуре -50°С - не менее 70 Дж/см². Обеспечивается высокая прочность труб в совокупности с хладостойкостью и стойкостью к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением и углекислотной коррозией. 1 табл.

Высокопрочная труба для нефтяных скважин, изготовленная из хромомолибденовой стали и подвергнутая термообработке, отличающаяся тем, что она изготовлена из стали, содержащей 0,1-0,35 мас.% углерода, 1,0-6,0 мас.% хрома, 0,4-1,0 мас.% молибдена, подвергнута нормализации и двойному отпуску и характеризуется стойкостью к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением и углекислотной коррозии при следующих механических свойствах: временное сопротивление σ_в не менее 690 МПа, предел текучести σ_т не менее 570 МПа, относительное удлинение δ не менее 20%, ударная вязкость KCV при температуре -50°С не менее 70 Дж/см².