ТРУБА БЕСШОВНАЯ НЕФТЯНОГО СОРТАМЕНТА ВЫСОКОПРОЧНАЯ В СЕРОВОДОРОДОСТОЙКОМ ИСПОЛНЕНИИ
SEAMLESS HIGH-STRENGTH PIPE OF OIL SORTAMENT IN HYDROGEN SULFIDE-RESISTANT PERFORMANCE

2
Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к изготовлению бесшовных насосно-компрессорных и обсадных труб, предназначенных для эксплуатации в вертикальных, горизонтальных и наклонно-направленных скважинах, находящихся в умеренных макроклиматических районах, среды которых содержат сероводород при парциальном давлении более 1,5 МПа (15,0 кгс/см).
Разработка глубоких скважин для добычи нефти и газа в условиях высоких температур и наличия агрессивных сред требует применения труб повышенной прочности в сочетании с коррозионной стойкостью против сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением (СКРН). Наиболее сложной задачей является обеспечение стойкости труб с пределом текучести более 655 МПа против комплексного воздействия механических напряжений и сероводорода.
Основным способом повышения эксплуатационной надежности является применение труб из специальных сталей, состав легирующих элементов которых обеспечивает стойкость против СКРН.
Известна труба из хромомолибденовой стали, содержащей, масс. %: углерод 0,1-0,35, хром 1,0-6,0, молибден 0,4-1,0 и подвергнутая термической обработке - нормализации и двойному отпуску. Труба предназначена для эксплуатации в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ [пат. РФ №2368836, опубл. 27.09.2009].
в
т
Недостатком данной трубы является низкий уровень прочностных свойств после термической обработки (временное сопротивление σ не менее 690 МПа, предел текучести σ не менее 570 МПа). Кроме того, введение хрома в количестве 1,0-6,0 масс. % необходимо для подавления общей коррозии стали в средах, содержащих углекислый газ, а для обеспечения стойкости стали против СКРН нецелесообразно введение хрома более 1,0 масс. %.
Известна сталь, содержащая, масс. %: углерод 0,01-0,6; кремний 0,01-2,0; марганец 0,01-3,0; алюминий 0,005-0,1; серу ≤0,005; фосфор ≤0,1; хром ≤2,0; молибден ≤1,0; никель ≤1,0; медь ≤1,0; азот ≤0,01; бор ≤0,005; титан ≤0,2; железо и неизбежные примеси остальное [пат. JP 2004-292922 A, опубл. 21.10.2004].
Недостатком данной стали является то, что она не может быть использована для изготовления труб в сероводородостойком исполнении, в виду того, что кремний и марганец в количествах более 1,0% значительно снижают коррозионную стойкость стали.
Известна высокопрочная труба из стали, содержащей, масс. %: углерод от 0,15 до 0,50, кремний от 0,1 до 1,0, марганец от 0,3 до 1,0, фосфор 0,015 или менее, серу 0,005 или менее, алюминий от 0,01 до 0,1, азот 0,01 или менее, хром от 0,1 до 1,7, молибден от 0,4 до 1,1, ванадий от 0,01 до 0,12, ниобий от 0,01 до 0,08, бор от 0,0005 до 0,003 или дополнительно содержащая по меньшей мере одну или две следующие группы элементов (A)-(D), масс. %: (A) медь 0,03-1,0; (B) никель 1,0 или менее; (C) титан 0,03 или менее и/или вольфрам 2,0 или менее; (D) кальций от 0,001 до 0,005 [пат. 2493268, опубл. 20.09.2013].
Данная труба обладает необходимой стойкостью против СКРН, однако, применение легирования стали молибденом, хромом, вольфрамом, никелем в указанных количествах ведет к значительному увеличению стоимости стали и, соответственно, трубы из нее.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является труба (варианты), выполненная из стали, имеющей следующее соотношение компонентов, масс. % [пат. 2564191, опубл. 27.09.2015]:
1 вариант:
углерод
0,21-0,28
кремний
0,15-0,45
марганец
0,50-0,95
хром
0,80-1,30
молибден
0,25-0,45
никель
не более 0,50
медь
не более 0,30
алюминий
0,015-0,050
сера
не более 0,010
фосфор
не более 0,015
азот
не более 0,012
ванадий
0,03-0,08
железо и неизбежные примеси
остальное,
при этом она имеет предел прочности не менее 655 МПа и предел текучести от 552 до 826 МПа.
2 вариант:
углерод
0,21-0,28
кремний
0,15-0,45
марганец
0,50-0,95
хром
0,80-1,30
молибден
0,25-0,45
никель
не более 0,50
медь
не более 0,30
алюминий
0,015-0,050
сера
не более 0,010
фосфор
не более 0,015
азот
не более 0,012
бор
0,001-0,004
титан
не более 0,045
железо и неизбежные примеси
остальное,
при этом она имеет предел прочности не менее 655 МПа и предел текучести от 552 до 826 МПа.
3
Недостатком данной трубы является то, что с повышением прочностных свойств ее стойкость против СКРН снижается и при достижении предела текучести 826 МПа и более она не может быть использована в средах, содержащих сероводород. Кроме того, в высокопрочном состоянии легирующие добавки бора (2 вариант) оказывают отрицательное влияние на стойкость трубы против СКРН, так как микроструктура трубы характеризуется наличием карбоборидов Fe(B, C) грубой формы на границах зерен, которые являются потенциальными очагами зарождения и развития коррозионной трещины под воздействием сероводорода.
2
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение работоспособности трубы в высокопрочном состоянии под воздействием сероводорода при парциальном давлении более 1,5 МПа (15,0 кгс/см).
Поставленная задача решается за счет того, что труба выполнена из сероводородостойкой стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, медь, ванадий, алюминий, серу, фосфор, азот, железо и неизбежные примеси в следующем соотношении, масс. %:
углерод
0,24-0,30
кремний
0,15-0,45
марганец
0,50-0,95
хром
0,80-1,30
молибден
0,50-1,00
никель
не более 0,30
медь
не более 0,30
алюминий
0,02-0,05
сера
не более 0,007
фосфор
не более 0,015
азот
не более 0,010
ванадий
0,03-0,08
железо и неизбежные примеси (мышьяк не более 0,010; свинец не более 0,020; олово не более 0,020; висмут не более 0,001; сурьма не более 0,005; цинк не более 0,005, в том числе титан и ниобий) остальное,
при этом она имеет предел текучести 965 МПа и менее, а также загрязненность стали неметаллическими включениями не превышает по среднему баллу 1,5 по оксидам и силикатам каждого вида и 1,0 по сульфидам.
Техническим результатом является повышение коррозионной стойкости (пороговое напряжение 85% и более при испытании трубы на СКРН по стандарту NACE ТМ 0177) при одновременном достижении высокого уровня прочностных свойств трубы (предел текучести 965 МПа и менее).
Заявленный технический результат обеспечивается выбранным соотношением содержания отдельных химических элементов в стали, из которой выполнена труба.
Известно, что углерод образует с железом твердые растворы внедрения и является эффективным упрочнителем стали. Углерод в количестве 0,24-0,30 масс. % обеспечивает достаточно высокую устойчивость переохлажденного аустенита стали и позволяет достичь требуемый уровень прочностных свойств. Менее 0,24 масс. % упрочняющее действие углерода снижается, а содержание углерода более 0,30 масс. % приводит к снижению вязко-пластичных свойств стали по причине образования крупных частиц цементита на границах зерен.
Марганец также оказывает упрочняющее действие, а его влияние на коррозионную стойкость стали зависит от содержания углерода и других легирующих элементов. Известно, что марганец вызывает искажение кристаллической решетки феррита, что, с одной стороны увеличивает прочностные свойства стали, а с другой стороны, препятствует релаксации упругих микронапряжений, повышая склонность к хрупкому разрушению. При этом пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений для роста трещины в среде сероводорода значительно снижается. Экспериментально установлено, что марганец в количестве 0,50-0,95 масс. % в разработанном составе стали обеспечивает одновременное повышение прочностных свойств и выполнение требований по коррозионной стойкости.
Хром в количестве 0,80-1,30 масс. % оказывает положительное воздействие на устойчивость переохлажденного аустенита стали и повышение ее прочности. Данный эффект обуславливается введением комбинации элементов хром-молибден-ванадий за счет их взаимной растворимости в стали. Молибден и ванадий, как более сильные карбидообразующие элементы, при нагреве вытесняют хром из карбидной фазы в твердый раствор, тем самым повышая степень его легирования и устойчивость при последующем охлаждении.
Ванадий обладает большим сродством к углероду и азоту, в результате введения 0,03-0,08 масс. % образуются мелкодисперсные карбонитриды, которые обладают зародышевым действием и предотвращают укрупнение зерна аустенита при нагреве стали. Измельчение зерна является эффективным способом повышения прочности и сопротивления хрупкому разрушению. При содержании ванадия менее 0,03 масс. % данный эффект измельчения зерна не реализуется, а повышение содержания ванадия более 0,08 масс. % может привести к росту твердости стали при высокотемпературном отпуске (вторичное твердение), что снижает коррозионную стойкость трубы.
Молибден в количестве 0,50-1,00 масс. % обеспечивает коррозионную стойкость стали в среде сероводорода в высокопрочном состоянии. Легирование молибденом тормозит процессы рекристаллизации феррита и коагуляции карбидной фазы, следствием чего является замедление падения твердости при отпуске, что позволяет достичь высокого уровня механических свойств после проведения высокотемпературного отпуска. Стойкость металла против СКРН определяется как системой легирования стали, так и проведением термической обработки, включающей закалку и высокотемпературный длительный отпуск, после которого плотность дислокаций и остаточные напряжения в объеме металла минимальны. Для выполнения высокотемпературного отпуска труб содержание молибдена в стали должно быть не менее 0,50 масс. %, а увеличение содержания молибдена более 1,00 масс. % может привести к значительной химической неоднородности твердого раствора по карбидообразующим элементам, что приводит к снижению коррозионной стойкости стали.
Развитие процессов коррозионного разрушения стали напрямую зависит от состояния границ зерен. Среди примесей, наиболее активно перераспределяющихся из тела зерна к границам и образующих зернограничные сегрегации, которые снижают когезию границ зерен, особое место занимает группа цветных металлов: мышьяк, свинец, олово, сурьма и другие. Ограничение содержания примесных элементов, масс. %: мышьяк не более 0,010; свинец не более 0,020; олово не более 0,020; висмут не более 0,001; сурьма не более 0,005; цинк не более 0,005, позволяет снизить образование зернограничных сегрегации и риск развития трещины под воздействием сероводорода и механических напряжений.
Ограничение по содержанию неметаллических включений, а именно по среднему баллу, не более 1,5 по оксидам и силикатам для каждого вида и 1,0 по сульфидам, определяемых по ГОСТ 1778, является дополнительной мерой в обеспечении коррозионной стойкости трубы. Частицы неметаллических включений служат очагами развития локальных коррозионных повреждений и разрушений под воздействием сероводорода.
Пример осуществления изобретения.
В Публичном акционерном обществе «Синарский трубный завод» (ПАО «СинТЗ») изготовлены насосно-компрессорные, обсадные трубы и трубы-заготовки для муфт к ним (далее - трубы) из стали в соответствии с заявляемым изобретением. Проведена оценка механических свойств, микроструктуры и коррозионной стойкости металла труб. Размеры труб и химический состав трубной заготовки приведены в таблице 1.
Термическая обработка труб выполнена по схеме закалки с отпуском на оборудовании, в состав которого входят печи с шагающими балками для нагрева с регулированием теплового режима в рабочем пространстве с высокой точностью ведения процесса (±5°C) и спрейерная установка с автоматическим управлением охлаждением труб. Режимы нагрева под закалку (890-910°C) и охлаждения в спрейере выбраны таким образом, чтобы обеспечить полную аустенизацию при нагреве и прокаливаемость при охлаждении, соответствующую содержанию не менее 95% мартенсита в структуре металла. Последующее проведение длительного высокотемпературного отпуска (690-710°C) в качестве завершающей операции термической обработки с выдержкой до двух часов привело к образованию оптимальной мелкодисперсной однородной микроструктуры металла и достижению уровня механических свойств, который соответствует группам прочности С90, Т95, С110, Р110 (с пределом текучести 965 МПа и менее) согласно требованиям ГОСТ Р 53366, API Spec 5CT/ISO 11961. Механические свойства труб после термической обработки представлены в таблице 2.
Следует отметить, что при достижении высоких прочностных характеристик (временное сопротивление, предел текучести) вязко-пластичные свойства трубы (относительное удлинение, ударная вязкость/работа удара) сохраняются на высоком уровне за счет того, что предложенное соотношение химических элементов сдерживает процессы разупрочнения при отпуске и позволяет реализовать длительный высокотемпературный отпуск.
Положительные результаты испытаний на стойкость против СКРН по стандарту NACE ТМ 0177 по методу А при нагрузке 85% и более от минимального нормируемого предела текучести для групп прочности С90, Т95, С110, Р110 подтверждают правильность соотношения химических элементов в составе стали и режимов термической обработки труб (таблица 3).
Таким образом, совокупность механических свойств и коррозионной стойкости труб, изготовленных в соответствии с заявляемым изобретением, делает эффективным использование их в качестве насосно-компрессорных и обсадных труб в условиях скважин, осложненных наличием сероводорода в составе добываемой среды.