火驅稠油熱采井TP90H-9Cr套管熱處理工藝優化試驗研究

扈立，趙強，李恒政，王正，張旭

火驅稠油熱采井TP90H-9Cr套管熱處理工藝優化試驗研究

扈立1，趙強2，李恒政1，王正1，張旭1

（1.天津鋼管集團股份有限公司，天津300301；2.中國石油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依834000）

分析了火驅稠油熱采井套管鋼種的化學成分特點和技術要求，選擇電站鍋爐用10Cr9Mo1VNb鋼作為火驅稠油熱采井套管的替代鋼種，并對其原有的熱處理工藝進行優化改進。結果表明：經過熱軋態直接回火處理的TP90H-9Cr套管材料，其高溫強度、抗氧化性能和抗CO2腐蝕性能滿足使用要求；TP90H-9Cr套管的室溫組織存在一定程度的軋態組織位相遺傳，但通過合金元素的固溶強化、析出強化可使其各項性能指標滿足要求。

套管；P91；火驅稠油熱采井；熱處理；熱軋態；回火

目前，稠油開采主要采取單井蒸汽吞吐、多井蒸汽驅、火驅等稠油熱采工藝。蒸汽驅稠油熱采工藝因其施工操作簡單成為油田首選的稠油開采方式，但該方法原油采收率低（約30%）、能源消耗大，且國內稠油主產區均已進入蒸汽驅采油后期，單井產能遞減快、經濟效益差局面日益凸顯，轉變稠油開采方式逐漸成為各稠油產區的首要任務［1］。

火驅稠油熱采工藝采收率高（約70%）、能源消耗低、溫室氣體排放少，近年來作為蒸汽驅稠油熱采的替代工藝，逐漸被油田采用。火驅稠油熱采通過人工點火或自燃的辦法加熱油層，使原油達到燃點溫度以上，通過生產井向油層注入壓縮空氣或富氧氣體作為助燃劑，原油中的重質成分在高溫下裂解，裂解產物——焦炭作為燃料就地燃燒，燃燒帶前端的原油輕質成分由壓縮氣體向生產井方向驅動并被采出［2－4］。在油層燃燒和采油的過程中，注氣井油層段套管使用環境溫度為450～650℃，對套管材料的高溫強度有特殊要求，同時套管在高溫富氧環境下使用，需要具備優異的抗氧化腐蝕性能［5］。原油燃燒產生大量CO2氣體，與高溫水蒸氣以及輕質原油混合共同流向生產井套管附近，熱流體溫度達100～150℃；因此套管材料面臨CO2腐蝕的服役環境。火驅稠油熱采井井下腐蝕環境參數見表1。

綜上所述，適用于火驅稠油熱采工藝的套管材料應具備優異的高溫強度、抗高溫氧化性能、抗CO2腐蝕性能。針對油田實際井況條件，天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）提出了套管材料各項性能指標要求，具體見表2。

表2 火驅稠油熱采井套管性能要求

根據套管性能指標要求，選擇10Cr9Mo1VNb（T/P91）耐熱鋼作為套管材料。該鋼種于20世紀70年代被開發成功，應用于600℃以下高溫環境，具備優異的熱強性和抗氧化性能［6］；同時，該鋼種高Cr高合金的成分特點使其具備耐CO2腐蝕的性能基礎。使用10Cr9Mo1VNb耐熱鋼生產的套管鋼級為TP90H－9Cr。TP90H－9Cr套管鋼種的化學成分見表3。

表3 TP90H－9Cr套管鋼種的化學成分（質量分數）%

10Cr9Mo1VNb耐熱鋼的熱處理工藝為正火+回火，奧氏體化溫度為1 100℃左右，回火溫度為750～780℃［7］。經1 050℃×30 min高溫正火處理后，10Cr9Mo1VNb耐熱鋼鋼管的表面氧化較為嚴重，內表面氧化鐵皮如圖1所示，內外表面均出現大量氧化鐵皮脫落現象，嚴重影響套管表面質量和尺寸精度，即使采用表面噴丸處理后，仍可見明顯氧化鐵皮痕跡；同時，噴丸處理會使套管的生產成本和交貨周期明顯增加。因此，10Cr9Mo1VNb耐熱鋼普遍采用的正火+回火熱處理工藝不適用于TP90H－9Cr套管的生產，必須在滿足使用性能要求的前提下，對熱處理工藝進行優化改進。

1 熱處理工藝優化及性能試驗結果

1.1 熱處理工藝優化及力學性能測試

10Cr9Mo1VNb耐熱鋼中w（Cr）為8%～10%，通過與其他合金元素配合，在熱軋后空冷過程中即可形成馬氏體組織［6］；因此，為了避免高溫正火處理對TP90H－9Cr套管的表面燒損，考慮采用熱軋態直接回火的熱處理方式。根據TP90H－9Cr套管強度級別要求，適當降低回火溫度后，再進行套管的熱處理試驗。TP90H－9Cr套管熱處理試驗結果見表4。

圖1 10Cr9Mo1VNb耐熱鋼鋼管的內表面氧化鐵皮

結果顯示：采用直接回火熱處理方式的套管材料，其各項常規力學性能指標滿足表2相關要求；相比于正火+回火處理的套管，直接回火后的TP90H－9Cr套管強度偏大、韌性下降。同時，熱處理后TP90H－9Cr套管的內外表面光滑，無氧化皮脫落，TP90H－9Cr套管直接回火處理后的內表面質量如圖2所示。

表4 TP90H－9Cr套管熱處理試驗結果

圖2 TP90H－9Cr套管直接回火處理后的內表面質量

1.2 高溫強度測試

測試TP90H－9Cr套管材料的高溫強度。TP90H－9Cr套管與同鋼級普通套管的高溫強度對比如圖3所示，TP90H－9Cr套管在450℃的屈服強度檢測結果如圖4所示。

圖3 TP90H－9Cr套管與同鋼級普通套管的高溫強度對比

從圖3可以看出：當溫度低于450℃時，兩種套管（TP90H－9Cr套管與TP90H普通套管）材料的屈服強度、抗拉強度隨溫度升高的變化趨勢基本相同，450℃屈服強度與室溫屈服強度比值分別為0.76（TP90H普通套管）和0.84（TP90H－9Cr套管）。當環境溫度高于450℃時，TP90H普通套管的屈服強度和抗拉強度明顯減小，550℃時的屈服強度不足400 MPa，與室溫屈服強度的比值僅為0.46；而TP90H－9Cr套管在溫度高于450℃時仍能保持穩定的熱強性，550℃時屈服強度與室溫屈服強度比值為0.76，高溫強度穩定性明顯優于TP90H普通套管材料。從圖4可看出：TP90H－9Cr套管在450℃的屈服強度最小值、平均值、最大值依次為562 MPa、593 MPa、639 MPa，性能指標滿足用戶要求。

圖4 TP90H－9Cr套管在450℃的屈服強度檢測結果

1.3 抗氧化試驗

按照HB 5258—2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》標準，在500～700℃條件下，對TP90H－9Cr套管材料進行100 h抗氧化性能試驗評定。TP90H－9Cr套管材料的氧化腐蝕試驗結果見表5。

從表5可以看出：TP90H－9Cr套管材料在500℃、600℃環境下表現為完全抗氧化級別，在700℃條件下為抗氧化級別；TP90H－9Cr套管材料的氧化腐蝕速率遠小于用戶要求。

1.4 抗CO2腐蝕試驗

根據表1所列實測井況參數，按照NACE TM0169—2000《實驗室腐蝕腐蝕測試的金屬產品編號：21200》標準對TP90H－9Cr套管材料在120℃和150℃條件下的抗CO2腐蝕性能進行檢測，試驗時間為168 h。試驗與普通套管材料共同進行。兩種套管材料的主要合金元素含量見表6，抗CO2腐蝕試驗結果見表7。

表5 TP90H－9Cr套管材料的氧化腐蝕試驗結果

表6 兩種套管材料的主要合金元素含量（質量分數）%

表7 兩種套管材料的抗CO2腐蝕試驗結果

從表7可以看出：在120℃與150℃溫度下，TP90H－9Cr的腐蝕速率均小于0.50 mm/a，遠比普通套管材料腐蝕速率小，滿足用戶要求。

2 分析與討論

2.1 微觀組織

由于TP90H－9Cr套管材料未經過高溫正火處理，直接回火后微觀組織遺傳了軋態馬氏體組織位相特征，使用掃描電鏡對套管顯微組織進行分析。

TP90H－9Cr套管材料熱軋態及正火處理后馬氏體組織如圖5～6所示。從圖5～6可以看出：熱軋態馬氏體組織存在明顯位相，而經過正火處理后，晶粒等軸化明顯，同時位相消除。

TP90H－9Cr套管材料熱軋態直接回火組織和正火+回火組織如圖7～8所示。從圖7～8可以看出：熱軋態直接回火組織存在位相遺傳，位相明顯、晶粒粗大，造成套管材料強度偏大同時韌性相對較低；而正火+回火組織為細小等軸晶。

圖5 TP90H－9Cr套管材料熱軋態馬氏體組織

圖6 TP90H－9Cr套管材料正火處理后馬氏體組織

圖7 TP90H－9Cr套管材料熱軋態直接回火組織

圖8 TP90H－9Cr套管材料正火+回火組織

2.2 套管材料強化方式

2.2.1 位錯強化

由于10Cr9Mo1VNb耐熱鋼的合金元素含量較高，熱處理后并不發生再結晶，而是通過高溫回復的馬氏體板條碎化和形成高密度位錯來釋放形變儲存能，從而獲得室溫下的回火馬氏體組織［8－9］。因此，板條馬氏體強化及位錯強化對P91鋼的強化起到一定作用。

TP90H－9Cr套管材料直接回火處理后，得到的板條馬氏體組織及高密度位錯如圖9所示。位錯發生運動時，將與臨近的其他位錯產生各種交互作用，使其運動受阻從而產生強化。

圖9 板條馬氏體組織及高密度位錯

另一方面，P91耐熱鋼廣泛應用于電站鍋爐用管材，長時間高溫使用環境會使材料位錯密度明顯下降，從而影響強化效果［10］。而火驅采油工藝中井下點火周期較短，套管不會長時間服役于高溫環境；因此，位錯強化效果受高溫環境影響較小，更有利于產生強化作用。

2.2.2 析出強化

P91鋼在正火溫度時是均一奧氏體，合金元素完全固溶，高溫回火時鋼中的V、Nb、Cr等合金元素能與C、N形成合金化合物并析出。P91鋼中的析出相主要由位于馬氏體板條界和原奧氏體晶界的M23C6型碳化物及彌散分布于板條基體的MX型Nb/V碳氮化合物組成。這些顆粒能有效阻止位錯運動，起到析出強化的作用［11－12］。

使用P91鋼種生產套管時的終軋溫度為940～960℃，該溫度高于P91鋼奧氏體化溫度；因此，在軋制變形結束時，TP90H－9Cr套管材料處于均一奧氏體狀態，合金元素固溶于基體未發生析出。未經過正火處理只是限制了奧氏體晶粒的等軸化及位相消除，并不影響合金元素的充分固溶。TP90H－9Cr套管材料熱軋態板條馬氏體組織掃描電鏡照片如圖10所示，可見馬氏體板條界，未見碳化物析出跡象。

由于TP90H－9Cr套管材料合金元素在熱軋后仍處于固溶狀態，因此在后續回火過程中將以碳化物、碳氮化物形式析出，起到強化作用。

圖10 TP90H－9Cr套管材料熱軋態板條馬氏體組織掃描電鏡照片

使用透射電鏡，觀察TP90H－9Cr套管材料回火后析出的顆粒狀合金元素碳化物/碳氮化物，其晶界碳化物如圖11所示。隨后，使用50 g/L氯化鉀+10 g/L檸檬酸水溶液進行碳化物萃取，萃取后的碳化物經過分離、風干過程得到碳化物粉末，并使用XRD（X射線衍射）確定析出相結構。

圖11 晶界碳化物

萃取碳化物XRD檢測結果如圖12所示。由圖12可以確定碳化物為M23C6型和M C型兩種，碳化物分子式分別為Cr19Fe4C6和Cr0.6V0.4C，其中以M23C6型碳化物為主。

圖12 萃取碳化物XRD檢測結果

文獻［13］研究了P91鋼在不同熱處理條件下的微觀組織和機械性能。結果證實，回火溫度為650～760℃時，鋼中析出相以細小的MX型、M23C6型為主，這些析出相顆粒能有效阻止位錯運動，明顯提高持久強度。文獻［14］通過對P91鋼經過高溫蠕變后微觀組織的研究證實，M23C6及MX型碳化物的析出強化是提高P91鋼持久強度的主要原因。

2.2.3 固溶強化

從圖12可以看出：TP90H-9Cr套管材料的析出相中未檢測到Mo元素，說明Mo元素主要以固溶方式存在于鋼中，起固溶強化作用。

相關研究表明，Mo元素能優先溶于固溶體中，是鐵素體基體最重要的固溶強化元素，其固溶強化作用明顯強于Cr、Mn等元素［15］。另外，Mo元素還可以使析出的M23C6穩定，限制M23C6在高溫蠕變條件下的粗化與聚集，保證M23C6的析出強化作用。同時，鋼中加入的少量強碳化物形成元素Nb、V能夠阻止Cr、Mo等碳化物的形成，使其盡量溶于固溶體中，一定程度上增強了固溶強化作用。

3 結論

（1）使用10Cr9Mo1VNb耐熱鋼生產TP90H-9Cr火驅稠油熱采井用套管，采用熱軋態直接回火工藝處理后得到回火馬氏體組織，盡管存在一定程度軋態組織位相遺傳，常規力學性能、高溫強度、抗氧化及抗CO2腐蝕性能均滿足相關技術要求。

（2）TP90H-9Cr套管回火處理后形成回火板條馬氏體及高密度位錯的室溫組織，起到馬氏體強化和位錯強化作用；同時在馬氏體板條界和原奧氏體晶界形成M23C6型為主的析出相顆粒，產生明顯的析出強化作用；Mo元素以固溶形式存在于基體中，起到固溶強化作用，同時限制碳化物顆粒長大，進一步穩定析出強化效果。

（3）TP90H-9Cr套管的使用方式決定其不會長期服役于高溫環境，因此高溫蠕變對位錯密度和析出相粗化的影響很小，保證套管材料具備穩定的強韌性指標。

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Experimental Study on Process Optimization of Heat Treatment of TP90H-9Cr Casings for ThermalRecovery Wellfor in-situ Combustion Super Heavy Oil

HU Li1，ZHAO Qiang2，LI Hengzheng1，WANG Zheng1，ZHANG Xu1
（1.Tianjin Pipe（Group）Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China；2.CNPC Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China）

Analyzed in the essay are the chemical composition characteristics and technique requirements of the steel types of casings for thermal recovery well for in-situ combustion super heavy oil.10Cr9Mo1VNb steel normally used on power plant boiler is used as a substitution steel type for casings for thermal recovery well for in-situ combustion super heavy oil，with it’s original heat treatment process being optimized.The research shows that the TP90H-9Cr casing which is tempered right after hot-rolling is satisfactory to the application requirements in terms of elevated-temperature strength，oxidation resistance and CO2corrosion resistance.Although the microstructure of a TP90H-9Cr casing under room temperature is inherited from that of the as-rolled pipe to a certain extent，the desirable performance indexes are able to be obtained by means of solution strengthening and precipitation strengthening of alloy elements.

casing；P91；thermal recovery well for in-situ combustion super heavy oil；heat treatment；as -hot-rolled；tempering

TG156；TE931+.2

B

1001-2311（2016）05-0009-06

2016-04-23；修定日期：2016-05-16）

扈立（1983-），男，碩士，工程師，主要從事油井管的設計開發工作。