Труба для скважин

Полезная модель относится к устройствам для добычи нефти и газа, а именно к трубам и может быть использована при изготовлении труб, используемых в среде, насыщенной кислыми газами, при отношении парциального давления СО₂ к парциальному давлению H₂S менее 20. Сущность полезной модели заключается в том, что труба для скважин выполнена из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, ниобий, титан, алюминий, никель, медь, серу, фосфор и железо, дополнительно включающей молибден и кальций при следующем содержании компонентов, масс.%: Углерод 0,14-0,23; Кремний 0,14-0,40; Марганец 0,50-0,90; Хром 0,60-1,10; Молибден 0,10-0,30; Ванадий 0,05-0,17; Ниобий 0,02-0,08; Титан 0,005-0,030; Алюминий 0,020-0,050; Кальций 0,0010-0,0030; Никель не более 0,30; Медь не более 0,30; Сера не более 0,010; Фосфор не более 0,015; Железо остальное, при этом 1,6Cr_экв2,5, где Cr_экв=[Cr]+2·[Mo]+5·[V]+1,5·[Nb]+1,5·[Ti]. Реализация полезной модели позволяет повысить коррозионную стойкость высокопрочных труб.

Полезная модель относится к устройствам для добычи нефти и газа, а именно к трубам и может быть использована при изготовлении труб, используемых в среде, насыщенной кислыми газами, при отношении парциального давления CO₂ к парциальному давлению H₂S менее 20.

В нефтепромысловых средах, содержащих коррозионно-опасные газы H₂S и CO₂, возможно протекание коррозионных процессов как по сульфидному, так и углекислотному механизму. При коррозионное разрушение стали проявляется преимущественно в виде водородного расслоения (BP) либо сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением (СКРН), которые считаются более опасными по сравнению с собственно коррозией металла (растворение в коррозионной среде). Коррозионное разрушение стали по механизму BP и СКРН связано с действием водорода, образующегося в результате электрохимического процесса, протекающего на поверхности стали, проникающего и скапливающегося в стали в местах напряженного состояния (границы зерен, карбидные и сульфидные включения). Повышение стойкости стали к BP и СКРН обеспечивается за счет измельчения кристаллического зерна, увеличения доли мартенсита в структуре, температуры закалки и содержания легирующих элементов, подавляющих коррозию.

В качестве прототипа выбрана труба нефтяного сортамента повышенной прочности (патент RU 2352647) из стали содержащей углерод, кремний, марганец, ниобий, ванадий, бор, алюминий, титан, хром, серу, фосфор, азот, никель, медь и железо.

Недостатком указанной трубы является ее невысокая коррозионная стойкость. Известно, что при сочетании бора и хрома велика вероятность выделения крупных карбидов сложного состава типа Cr₂₃(С,В)₆. С точки зрения коррозионной стойкости в минерализованных средах, насыщенных кислыми газами, присутствие дополнительной карбидной фазы нежелательно. Во-первых, карбиды состава M₂₃C (где М - металл) выступают в качестве очагов развития коррозионных трещин в H₂ S-содержащих средах. Во-вторых, хром оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость стали в минерализованных средах (обеспечивает устойчивую пассивацию) только тогда, когда присутствует в стали в твердом растворе.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение коррозионной стойкости высокопрочных труб для скважин.

Указанная техническая задача решается тем, что труба для скважин выполнена из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, ниобий, титан, алюминий, никель, медь, серу, фосфор и железо, дополнительно включающей молибден и кальций при следующем содержании компонентов, масс.%:

при этом 1,6Cr_экв2,5, где

CR_экв=[Cr]+2·[Mo]+5·[V]+1,5·[Nb]+1,5·[Ti].

Содержание углерода в стали на уровне 0,14-0,23% позволяет обеспечить удовлетворительную прокаливаемость матрицы железа и получать требуемый уровень прочностных свойств труб как высоких, так и низких групп прочности. Более высокое содержание углерода существенно снижает растворимость ниобия, ванадия и титана в матрице железа, что нивелирует эффект от микролегирования данными карбидообразующими элементами. Снижение массовой доли углерода ограничивает возможности производства качественной исходной трубной заготовки для изготовления бесшовных труб нефтяного сортамента, в частности исключается возможность применения более качественной непрерывной разливки готовой стали на МНЛЗ или УНРС с кристаллизаторами круглого сечения.

Содержание марганца более 0,5% необходимо для повышения прочности и твердости стали, однако при более высокой концентрации (более 0,90%) происходит сегрегация примесей S и Р на границах зерен тем самым снижая твердость и стойкость к СКРН, а также из-за получения разнородной микроструктуры происходит снижение вязкости стали с низким содержанием хрома (менее 1,0%).

Кремний - эффективный раскислитель. При недостаточном содержании сталь не полностью раскисляется при выплавке. Кроме того, при одновременном невысоком содержании марганца менее 0,50% за счет снижения эффекта твердорастворного упрочнения снижаются прочностные характеристики металла. Превышение содержания кремния более 0,4%, способствует выделению перлитной фазы как размягчающей и снижает твердость и стойкость к СКРН.

Хром является основным легирующим элементом, обеспечивающим эффективное подавление CO₂-коррозии, при этом зависимость скорости коррозии от содержания хрома линейна (в диапазоне концентрации 0-10% (масс.)). Вместе с тем для сталей с высоким содержанием хрома получение микроструктуры, требуемой для обеспечения стойкости к СКРН, сопряжено с известными трудностями. Заявленная концентрация хрома обеспечивает необходимый уровень защиты для рассматриваемых условий эксплуатации, а именно в высокоминерализованных средах, содержащих сероводород и углекислый газ в соотношении .

Введение в состав стали ниобия и ванадия способствует связыванию углерода в карбиды, а азота в нитриды. Мелкодисперсные карбиды и нитриды, располагающиеся по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокаций и тем самым упрочняют сталь. Ниобий и ванадий также обеспечивают формирование мелкозернистой однородной структуры, также предпочтительной с точки зрения повышения стойкости к СКРН.

Микролегирование титаном применяется при выплавке стали для связывания неизбежно присутствующего в стали азота во избежание его связывания с углеродом с образованием крупных частиц карбонитридов. При микролегировании стали титаном одновременно с ниобием образуются включения состава Ti-Nb(C,N), являющиеся сильными ловушками водорода вследствие их высокой способности связывать водород в устойчивые кластеры Ti-H, препятствуя тем самым его диффузии, а значит, снижая проникновение водорода в матрицу железа.

Превышение концентрации карбидообразующих составляющих в композиции свыше указанного не желательно, так как добавка большого количества приводит к выделению нитридов большого размера, которые являются центрами BP, более низкие концентрации - не обеспечивают заявленного эффекта.

Микролегирование молибденом в количестве 0,10-0,30%(масс.) в комбинации с Cr повышают стойкость к СКРН и BP благодаря модификации микроструктуры стали в игольчатый феррит и вторичной фазы карбида железа на границе зерен в вырожденный перлит или мелкие мартенситно-аустенитные островки. Дислокации игольчатого феррита возможно действуют как ловушки для проникающего водорода, повышая стойкость к СКРН и BP. Содержание молибдена менее 0,10% не обеспечивает существенного понижения температуры фазовых превращений, а значит, не приводит к модификации структуры стали при работе в заданном температурном диапазоне. Повышение концентрации молибдена более 0,30% или отсутствие хрома может приводить к преобладающему образованию мартенситно-аустенитной составляющей, действующей в определенных условиях как очаг зарождения трещин. Кроме того, большое содержание молибдена может приводить к образованию карбидов состава Mo₂C, провоцирующих проникновение атомарного водорода в сталь.

Относительный вклад легирующих элементов в установление структуры определяется Cr-эквивалентом по соотношению: Cr_экв=[Cr]+2·[Мо]+5·[V]+1,5·[Nb]+1,5·[Ti]. Предварительными экспериментами установлено, что требуемая стойкость против СКРН обеспечивается при условии: 1,6Cr_экв2,5. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

При обработке стали кальцием в количестве, обеспечивающем его содержание в стали в указанном диапазоне, происходит модифицирование сульфидных включений, наиболее опасных с точки зрения СКРН. При снижении содержания кальция менее 0,001% положительное влияние проявляется слабо. Чрезмерное содержание кальция снижает чистоту металла по неметаллическим включениям (типа алюмокальциевых и т.п.), провоцирующих локальные виды коррозии в минерализованных средах.

Присутствие в стали никеля и меди положительно влияет на стойкость стали против общей и питтинговой коррозии. Однако, содержание меди и никеля в количестве более 0,30% каждого нежелательно, поскольку образуется бейнитная структура, обеспечивающая повышение твердости стали и снижение ее стойкости против СКРН.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При содержании алюминия менее 0,020% его воздействие проявляется слабо, сталь имеет низкие механические свойства, а оставшийся в стали свободный азот связывается с углеродом. Увеличение содержания алюминия свыше 0,050% приводит к образованию интерметаллических пленок по границам зерен металла и крупным, неравномерно расположенным по объему металла оксидам и нитридам, что снижает стойкость к СКРН.

Фосфор и сера входят в состав нежелательных примесей, а именно неметаллических включений, снижающих стойкость к СКРН и BP. Ограничение по содержанию этих элементов введено для обеспечения требуемой чистоты металла по неметаллическим включениям.

Реализация полезной модели осуществляется следующим образом.

Способ изготовления труб из предлагаемой стали включает высокотемпературный нагрев, прошивку, раскатку стенки, подогрев, редуцирование или калибровку диаметра, охлаждение на воздухе. Однократный нагрев под прошивку осуществляют до 1150-1250°С, подогрев под редуцирование или калибрование диаметра осуществляют до 1000-1050°С, охлаждение прокатанной трубы ведут на воздухе на холодильнике стана при укладке труб, исключающей их соприкосновение. Для обеспечения механических свойств, соответствующих группам прочности Д, К, Е, Л по ГОСТ 633-80, трубы подвергают дополнительному термоупрочнению по режимам, включающим нормализацию и отпуск, либо закалку и отпуск.

Данная труба обладает высокой коррозионной стойкостью в средах, обусловливающих протекание сульфидной коррозии по механизму BP и СКРН при , ее использование позволяет повысить надежность эксплуатации и увеличить межремонтный период скважины.

Таблица 1
Химический состав, % (масс.)	Crэкв	Предел текучести, МПа	Временное сопротивление, МПа	Стойкость к СКРН
С	Si	Mn	Al	Cr	Mo	V	Nb	Ti	S	Р
Опытные образцы (термообработка по режиму «закалка + низкий отпуск»)
0,23	0,14	0,52	0,025	0,65	0,14	0,05	0,02	0,015	0,009	0,012	1,2	820	909	не устойчив
0,27	0,21	0,46	0,025	0,51	0,28	0,04	0,04	0,025	0,009	0,012	1,4	889	965	не устойчив
0,28	0,24	0,53	0,028	0,62	0,14	0,12	0,005	0,018	0,011	0,015	1,5	896	999	не устойчив
0,26	0,24	0,49	0,043	0,52	0,55	0,18	0,08	0,014	0,011	0,015	2,7	903	999	не устойчив
0,17	0,24	0,72	0,027	1	0,45	0,2	0,1	0,014	0,009	0,012	3,1	868	999	не устойчив
0,23	0,25	0,52	0,038	0,64	0,4	0,18	0,08	0,015	0,008	0,012	2,5	841	999	не устойчив
0,26	0,35	0,47	0,042	0,51	0,28	0,39	0,03	0,027	0,009	0,012	3,1	896	1006	не устойчив
0,23	0,35	0,47	0,042	0,6	0,23	0,15	0,03	0,026	0,006	0,012	1,9	903	971	устойчив
0,23	0,4	0,54	0,015	0,8	0,33	0,18	0,02	0,018	0,009	0,012	2,4	930	1020	устойчив
0,23	0,31	0,54	0,015	0,96	0,21	0,12	0,02	0,017	0,008	0,012	2,0	896	992	устойчив
Промышленная плавка (термообработка по режиму «закалка + отпуск»)
0,18	0,24	0,59	0,015	0,89	0,17	0,06	0,04	0,015	0,007	0,004	1,6	689	758	устойчив
Примечание:
Стойкость к СКРН оценивали по NACE ТМ 0177 (метод А), в течение 720 ч при пороговой нагрузке 75% от т

Труба для скважин выполнена из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, ниобий, титан, алюминий, никель, медь, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что сталь дополнительно содержит молибден и кальций при следующем содержании компонентов, мас.%:

при этом 1,6Cr_экв2,5,

где Cr_экв=[Cr]+2·[Mo]+5·[V]+1,5·[Nb]+1,5·[Ti].