ВЫСОКОПРОЧНАЯ ТРУБА ДЛЯ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
HIGH-STRENGTH PIPE FOR OIL WELLS

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.
2
2
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 HS, так и СО.
в
т
2
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 - не менее 690 МПа, предел текучести σ - не менее 570 МПа, относительное удлинение δ - не менее 20%, ударная вязкость KCV при температуре -50°С - не менее 70 Дж/см и при этом обладает стойкостью к СКРН и углекислотной коррозии.
2
2
2
2
+
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 МоС, 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 СO до 300 ppm рекомендуется использовать данные трубы, изготовленные из стали с содержанием хрома 1,0-2,0 мас.%; в средах с концентрацией СO 300-1200 ppm - трубы из стали с содержанием хрома 2,0-3,0 мас.%, а в средах с концентрацией СO 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.
c3
Были изготовлены насосно-компрессорные трубы 75×5,5, которые затем подвергались нормализации с нагревом до температур А+(20-50°С), первому и второму отпуску с охлаждением на воздухе.
в
т
issc
2
2
l/2
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 - 760 МПа, предел текучести σ - 623 МПа, относительное удлинение δ - 26%, ударная вязкость KCV при температуре -50°С - не менее 176 Дж/см и при этом коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины K равен - 34 MПa·м, а скорость коррозии в СO-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<sub>т</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>/σ<sub>в</sub>
δ, %
KCV - 50°C Дж/см<sup>2</sup>
Стойкость к СКРН по NACE ТМ0177, метод Д, K<sub>lssc</sub>, МПа·м<sup>1/2</sup>
Скорость CO<sub>2</sub>-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