Патент на изобретение №2368836

(54) ВЫСОКОПРОЧНАЯ ТРУБА ДЛЯ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

(57) Реферат:

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 _в – не менее 690 МПа, предел текучести _т – не менее 570 МПа, относительное удлинение – 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.

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 _в – не менее 690 МПа, предел текучести _т – не менее 570 МПа, относительное удлинение – 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 _в – 760 МПа, предел текучести _т – 623 МПа, относительное удлинение – 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	т, МПа	т, МПа	т/в	, %	KCV – 50°C Дж/см2	Стойкость к СКРН по NACE ТМ0177, метод Д, Klssc, МПа·м1/2	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

Формула изобретения

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 _в не менее 690 МПа, предел текучести _т не менее 570 МПа, относительное удлинение не менее 20%, ударная вязкость KCV при температуре -50°С не менее 70 Дж/см².