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 CO₂ к парциальному давлению H₂S более 200. 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 2,0-3,0; 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 Cr_экв>3,0, где Cr_экв=[Cr]+2·[Мо]+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 более 200.

В нефтепромысловых средах, содержащих коррозионно-опасные газы (углекислый газ и сероводород), при коррозия металла протекает преимущественно по углекислотному механизму. Стойкость стали к углекислотной коррозии повышается за счет легирования компонентами, обеспечивающими ее устойчивое пассивное состояние. Хром является одним из самых эффективных элементов в этом отношении. Самопассивация Cr-содержащих сталей, приводящая к подавлению углекислотной коррозии, связана с образованием на поверхности тонких защитных пленок из продуктов коррозии, обогащенных хромом в виде аморфного Cr(OH)₃. Причем отмечено, что способность сталей к пассивации увеличивается с ростом концентрации Cr в стали.

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 ограниченная коррозионная стойкость. Известно, что хром оказывает положительное влияние на стойкость стали к углекислотной коррозии только тогда, когда находится в твердом растворе. В случае же, если хром связан в карбидные фазы, повышения стойкости стали к углекислотной коррозии не происходит. Вместе с тем, при сочетании бора и хрома велика вероятность выделения крупных карбидов сложного состава типа Cr₂₃(C,B)₆. То есть данная труба не обеспечивает надежной работы в нефтепромысловых средах, насыщенных CO₂.

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 Cr _экв>3,0, где

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

Выбранное соотношение содержания отдельных химических элементов определяется следующими факторами.

Содержание углерода и марганца в предлагаемых пределах обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств трубы. Снижение содержания вышеперечисленных элементов ниже заявленной концентрации приводит к падению прочности ниже допустимого уровня, а превышение - к снижению коррозионной стойкости.

Кремний и алюминий в предлагаемых пределах вводятся для раскисления стали. При меньшем их содержании не обеспечивается полное раскисление стали, при большем - образуются неметаллические включения, и то и другое снижает коррозионную стойкость.

Присутствие хрома в наибольшей степени способствует повышению пассивации железа в СО₂-содержащих средах. Положительный эффект от введения ограниченного содержания хрома (2,0-3,0% масс.) проявляется при ограничении содержания углерода, а также благодаря введению сильных карбидообразующих элементов таких, как ванадий, ниобий, титан, молибден. В этом случае удается минимизировать образование карбидов хрома и обеспечить присутствие большей части хрома в твердом растворе.

Добавка молибдена повышает стойкость Cr-содержащих сталей к локальной коррозии в высокоминерализованных средах за счет преобразования пассивной хром-обогащенной пленки в смешанную шпинель. Кроме того, добавка молибдена повышает прокаливаемость стали, понижает температуру фазового перехода, способствует формированию структуры игольчатого феррита, который в свою очередь обеспечивает лучшую поверхность для связи с образующимся в процессе CO₂ -коррозии карбонатом железа за счет включения в осадок и образования, так называемого, «коррозита». Благоприятное влияние молибдена на стойкость к углекислотной коррозии начинает сказываться при концентрации более 0,10%(масс). Увеличение содержания молибдена свыше 0,30%(масс.) приводит к снижению технологических свойств стали.

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, более электрохимически устойчивой.

Добавки ванадия и титана обладают свойством понижать скорость CO₂-коррозии за счет повышения стабильности адгезии хром-обогащенной пленки пассивной пленки.

Однако превышение концентрации карбидообразующих составляющих в композиции свыше заявленного не желательно, так как добавка большого количества приводит к выделению избыточного количества грубых карбонитридов, приводящих к снижению стойкости к коррозионному растрескиванию.

Относительный вклад легирующих элементов в установление структуры определяется Cr-эквивалентом по соотношению: Cr _экв=[Cr]+2·[Mo]+5·[V]+1,5·[Nb]+1,5·[Ti]. Предварительными экспериментами установлено, что требуемая коррозионная стойкость в минерализованной CO₂-содержащей среде обеспечивается при условии: Cr_экв>3,0. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

При обработке стали кальцием в количестве, обеспечивающем его содержание в стали в указанном диапазоне, происходит модифицирование сульфидных включений, приводящим к локальному усилению коррозии в минерализованных средах. 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.

Ограничение содержания меди и никеля обусловлено необходимостью обеспечения хладостойкости труб при отрицательных температурах.

Фосфор и сера входят в состав нежелательных примесей, а именно неметаллических включений, снижающих коррозионную стойкость. 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 достаточной коррозионной стойкостью в средах, обусловливающих протекание углекислотной коррозии, ее использование позволяет повысить надежность эксплуатации и увеличить межремонтный период скважины при незначительном увеличении затрат.

Таблица 1
Химический состав, % (масс.)	Crэкв	Предел текучести, МПа	Временное сопротивление, МПа	Скорость CO2-коррозии мм/год
С	Si	Mn	Al	Cr	Mo	V	Nb	Ti	S	Р
Опытные образцы
0,13	0,27	0,72	0,03	8,85	0,27	0,03	0,02	0,015	0,006	0,010	9,60	681	775	0,04
0,18	0,29	0,75	0,044	7,56	0,29	0,04	0,03	0,027	0,005	0,009	8,45	733	863	0,05
0,14	0,22	0,99	0,033	4,85	0,23	0,03	0,02	0,018	0,005	0,011	5,53	678	801	0,06
0,13	0,26	0,89	0,033	2,96	0,26	0,03	0,08	0,015	0,006	0,011	3,79	614	729	0,07
0,12	0,26	0,91	0,031	2,44	0,26	0,03	0,03	0,026	0,006	0,008	3,20	639	743	0,10
0,17	0,3	0,75	0,032	2,01	0,25	0,10	0,08	0,015	0,008	0,011	3,15	652	758	0,10
0,25	0,25	0,92	0,046	2,01	0,20	0,04	0,05	0,018	0,006	0,010	2,84	607	733	0,47
0,21	0,27	0,75	0,03	1,56	0,32	0,04	0,08	0,015	0,007	0,010	2,54	598	702	0,57
0,23	0,27	0,91	0,044	0,52	0,27	0,04	0,02	0,017	0,009	0,028	1,34	580	690	0,62
Примечание:
После выдержки в растворе 3% NaCl, насыщенном CO2 (3 атм), в течение 72 ч.
Согласно классификации ГОСТ 9.502-82, металл считается устойчивым в коррозионной среде при скорости коррозии не более 0,1 мм/год

Труба для скважин, выполненная 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, мас.%:

при этом Cr_экв >3,0,

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