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

摘要

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。

说明书

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。

本发明进一步的改进在于，回火处理的条件为650℃下保温1h，随炉冷却。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

(1)Cr-Mo+微合金成分套管材料存在由于微合金元素含量控制不当引起氮化铝、碳氮化物在晶界析出，导致塑性降低、材料开裂，所以本发明基于“氧化物冶金”理念，添加纳米稀土氧化物变质杂质，有效利用形成的超细夹杂物改善材料组织和性能；从热力学过程，相比于Al₂O₃、TiO₂，稀土氧化物中稀土元素不仅净化晶界，同时变质夹杂物，本发明有效利用夹杂物的异质形核作用，一方面有利于针状铁素体形核细化组织，提高强/塑性匹配；另一方面添加纳米稀土氧化物生成的稀土复合夹杂物是高熔点、高稳定性超细氧化物，改善高温热稳定性能。因此，本发明不同于常规的材料设计思路，有效利用夹杂物作为针状铁素体形核核心，属于全新的设计方法，拓宽了材料设计的体系。

(2)基于应变的热采井套管柱设计方法不但需要满足强度要求，而且满足多轮次循环注-采作业过程的塑性累积损伤。因此，强/塑性能的高匹配是热采套管选材的关键性能指标。本发明通过细化晶粒实现材料的强度/塑性高匹配，同时，形成的超细复合夹杂物改善热稳定性，为热采井套损问题的解决奠定坚实的材料基础，为稠油资源的安全、经济开发提高坚实的保障。

(3)由于纳米尺寸氧化物比表面积较大，容易粘附聚集，为保证添加纳米稀土氧化物在低合金耐热钢中均匀分布，先将低合金耐热钢溶化后，再加入纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，使低合金耐热钢与纳米稀土氧化物粉末混合均匀；本发明中添加纳米稀土氧化物生产复合氧硫夹杂物，但是添加过量或不足都会有较多单一氧化物生产，所以本发明中纳米稀土氧化物含量为热采套管材料质量的0.2％～2.0％。

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。

进一步的，本发明中稀土氧化物(Ce₂O₃)的平均粒径为85～100nm，利于针状铁素体在氧化物颗粒上形成。

附图说明

图1为室温/高温350℃下热采套管拉伸应力-应变曲线。

图2为高温350℃下热采套管蠕变-时间关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明中的低合金耐热钢为Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢，其成分见表1。

表1 Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢学成分(质量分数，％)

本发明属于非常规油气资源开发套管柱所需材料的新型制备方法，从理论基础、设计方法、选材依据等方面均实现创新，具体内容包括：

本发明利用“氧化物冶金”理论，添加纳米稀土氧化物变质夹杂物，有效利用形成的复合夹杂物作为有效的针状铁素体形核核心。

(1)稀土氧化物的添加依据

从热力学过程，相比于Al₂O₃、TiO₂，添加稀土氧化物(Ce₂O₃)后生成熔点高、高温塑性小的氧化物、硫化物和氧硫化物组成的稀土复合夹杂物，成为有效的针状铁素体形核核心。

(2)稀土氧化物尺寸

针状铁素体相对形核能力P可表示为：

式中：V_1AF-针状铁素体的体积分数；g-奥氏体平均晶粒尺寸；-单位体积内晶界夹杂物数量；d-夹杂物平均直径；-单位体积内晶内夹杂物数量。

Zener模型中奥氏体平均晶粒尺寸是夹杂物体积分数/尺寸的函数：

式中：g-奥氏体平均晶粒尺寸；n_v-单位体积内夹杂物数量；d-夹杂物平均直径；

根据上式可知：夹杂物颗粒直径为0.2～0.8μm时，有利于针状铁素体在氧化物颗粒上形成，故本发明选用稀土氧化物(Ce₂O₃)平均粒径为85～100nm，优选为100nm。

(3)纳米稀土氧化物(Ce₂O₃)的预分散处理

不同于宏观尺度的金属材料，纳米尺寸氧化物比表面积较大，容易粘附聚集。为保证添加纳米稀土氧化物在Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢中均匀分布，对其进行预分散处理。本发明中通过将Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢高温熔化后，再加入纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，使纳米稀土氧化物均匀分散在Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢中。

(4)添加氧化物的含量

添加纳米稀土氧化物生产复合氧硫夹杂物，但是添加过量或不足都会有较多单一氧化物生成，本发明中纳米稀土氧化物(Ce₂O₃)含量为热采套管材料质量的0.2％～2.0％，优选为1.0～1.2％。

本发明的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具体如下：

(1)原始材料的熔炼

在真空感应炉内高温熔化Cr-Mo+微合金组分的低合金钢，随后添加纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理工艺环节，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％；纳米稀土氧化物为平均粒径为85～100nm的Ce₂O₃。

(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，其中，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℃；然后，随后淬火(980℃/保温1h/油冷)、回火处理(650℃、保温1h、随炉冷却)，得到基于应变设计的热采套管材料。

本发明制备的是90SH热采套管材料，其中，90SH中90表示钢级为90ksi、S表示基于应变设计(Strain-based design)、H表示热采耐热钢(Heat-resistance steel)。利用本发明制备的90SH热采套管能够满足600～1200m稠油埋深的热采井强度和注-采作业塑性累计损伤的要求，解决热采井套损问题，保证稠油资源的安全、经济开发。

下面为具体实施例。

实施例1

(1)在真空感应炉内高温熔化Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢，随后添加平均粒径为85～100nm纳米稀土氧化物Ce₂O₃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)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。具体的，控轧压下量为80％，终轧温度为900℃，并以1.5℃/s冷却速度冷却至750℃，空冷。随后进行淬火(980℃下保温1h，油冷)和回火处理(650℃下保温1h，随炉冷却)。

实施例2

(1)在真空感应炉内高温熔化Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢，随后添加平均粒径为85～100nm纳米稀土氧化物Ce₂O₃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1％；

(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。具体的，控轧压下量为85％，终轧温度为900℃，并以1.5℃/s冷却速度冷却至750℃，空冷。随后进行淬火(980℃下保温1h，油冷)和回火处理(650℃下保温1h，随炉冷却)。

实施例3

(1)在真空感应炉内高温熔化Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢，随后添加平均粒径为85～100nm纳米稀土氧化物Ce₂O₃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1.2％；

(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。具体的，控轧压下量为83％，终轧温度为900℃，并以1.5℃/s冷却速度冷却至750℃，空冷。随后进行淬火(980℃下保温1h，油冷)和回火处理(650℃下保温1h，随炉冷却)。

实施例4

(1)在真空感应炉内高温熔化Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢，随后添加平均粒径为85～100nm纳米稀土氧化物Ce₂O₃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2％；

(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。具体的，控轧压下量为80％，终轧温度为900℃，并以1.5℃/s冷却速度冷却至750℃，空冷。随后进行淬火(980℃下保温1h，油冷)和回火处理(650℃下保温1h，随炉冷却)。

对本发明制备的基于应变设计的热采套管材料进行了拉伸性能，见表2，表3为高温350℃下本发明制备的90SH热采套管蠕变本构方程。

表2热采套管90SH拉伸性能

表3高温350℃下90SH热采套管蠕变本构方程

从表2和图1可以看出，本发明制备的本发明制备的热采套管在高温下，具有较高的抗拉强度、屈服强度、伸长率、均匀延伸率和屈强比，在350℃下具有较好的拉伸性能。

从表3和图2可以看出，在高温下，本发明制备的热采套管满足蠕变要求，高温热稳定性强，满足标准要求。

稀土元素不仅净化晶界，同时变质夹杂物，本发明有效利用夹杂物的异质形核作用，一方面有利于针状铁素体形核细化组织，提高强/塑性匹配；另一方面添加纳米稀土氧化物生成的稀土复合夹杂物是高熔点、高稳定性超细氧化物，改善高温热稳定性能。

本发明通过添加纳米稀土氧化物(平均粒度为85～100nm)到熔化的Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢，经铸模锻造后进行热加工处理，具体加工工艺包括：控制轧制压下量(80％～85％)，轧终锻温度为900℃，并缓慢(控轧冷却速度为1.5℃/s)冷却至750℃左右，空冷；随后淬火(980℃/保温1h/油冷)，回火处理(650℃、保温1h、随炉冷却)。本发明利用“氧化物冶金”理论，添加纳米稀土氧化物变质夹杂物，从热力学过程，相比于Al₂O₃、TiO₂，添加稀土氧化物(Ce₂O₃)后生成熔点高、高温塑性小的氧化物、硫化物和氧硫化物组成的稀土复合夹杂物，成为有效的针状铁素体形核核心。

由于纳米尺寸氧化物比表面积较大，容易粘附聚集，为保证添加纳米稀土氧化物在Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢中均匀分布，对其进行预分散处理，使纳米稀土氧化物均匀分散在Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢中。本发明中添加纳米稀土氧化物生产复合氧硫夹杂物，但是添加过量或不足都会有较多单一氧化物生产，所以本发明中纳米稀土氧化物含量为热采套管材料质量的0.2％～2.0％。