稀土微合金化稠油熱采井套管BT100H的研究

張行剛，石曉霞，劉 金

(包頭鋼鐵集團有限責任公司技術中心 內蒙古 包頭 014010)

0 引 言

稠油是一種高粘度、高密度的原油，稠油的開采需注入高溫蒸汽，而套管被固定在井筒中處于約束狀態，不能自由膨脹和收縮[1]。在注入高溫高壓蒸汽階段(套管工作環境溫度平均高達320 ℃，有的井高達375 ℃，注氣壓力為12 MPa，有的高達17 MPa)，套管由于受熱膨脹和受約束而承受很大的壓應力，停注采油時，套管由于降溫收縮松弛而承受很大的拉應力，套管承受高溫熱應力和反復的拉-壓應力是造成套管損壞的主要原因；隨著注汽周期的增加，套管柱的殘余應力越來越大，過高的應力容易造成套管變形[2]。目前稠油熱采井管都要具有高溫強度高、工況溫度下強度下降小的特點，而線膨脹系數這一關鍵指標沒有得到足夠重視，國內外同行業都未報道線膨脹系數這一指標，而石油行業已有學者呼吁，降低材料的線膨脹系數也是保證熱采井管安全性的一項重要指標。以中碳Cr-Mo鋼以及稀土微合金生產的BT100H具有耐高溫以及低膨脹的特點，滿足稠油熱采井工況條件下的要求。

1 試驗材料

試驗材料為包鋼120 t轉爐+LF+VD+連鑄+連軋+熱處理生產的規格為177.8 mm×9.19 mm的套管，分別進行了加稀土和不加稀土大生產性能對比試驗，材料實際成分見表1(13號為不加稀土、14號為加稀土)。

2 試驗內容以及結果分析

2.1 稀土對材料拉伸性能的影響

從所試驗177.8 mm×9.19 mm的13號和14號套管上分別取樣進行拉伸性能試驗，結果見表2。

表1 加稀土和不加稀土鋼實際化學成分(質量分數) %

表2 稀土對常溫拉伸性能的影響

從表2的結果可見，加稀土和不加稀土對強度指標影響不大，延伸率略有提高，但不明顯，但無論是加稀土還是不加稀土的稠油熱采井套管，材料力學性能都能滿足設計要求。

2.2 稀土對材料組織的影響

從所試驗177.8 mm×9.19 mm的13號和14號套管上分別取樣進行金相試驗，其金相組織如圖1所示。另外，對13號和14號套管的金相試樣進行組織透射電鏡試驗，其材料組織透射微觀形貌如圖2所示。

從圖1可看出，調質后的金相組織為回火索氏體。圖2微觀形貌顯示，組織均為基體上分布著細小的碳化物顆粒，但加稀土后，因微量稀土可以促使碳化物由連續分布變為斷續分布，析出的碳化物細小彌散分布在整個基體內。對比結果表明稀土具有一定的細化組織的作用。

2.3 稀土對夾雜物的影響

對14號套管的金相試樣中的夾雜物進行掃描電鏡試驗，夾雜物形貌及成分如圖3所示。

圖1 加稀土和不加稀土套管材料金相組織

圖2 加稀土和不加稀土材料組織透射電鏡微觀形貌

圖3 14#稀土夾雜物掃描電鏡檢驗結果

從圖3掃描電鏡夾雜物形貌分析可以看到，夾雜物為球狀，核心部分是以稀土鋁氧化物為主，周圍主要由Ca-S-RE 夾雜包裹著。夾雜物的形態控制是稀土在鋼中的主要作用之一，稀土可控制硫、氧夾雜物的形態，對于用鋁終脫氧并加入稀土的鋼，會形成高熔點的在晶內任意分布的球形夾雜，取代沿晶界分布的硫化物，同時Al2O3可作為稀土硫化物的結晶核心，從而使群聚的Al2O3消失。

2.4 稀土對材料線膨脹系數的影響

從所試驗177.8 mm×9.19 mm的13號和14號套管上分別取樣進行線膨脹系數隨溫度變化情況試驗，結果見表3。13號和14號材料的線膨脹系數對比結果如圖4所示。

表3 線膨脹系數 ×10-6

圖4 不加稀土和加稀土鋼線膨脹系數

從表3和圖4可以看到，不加稀土的13#樣與加稀土的14#線膨脹系數隨溫度的變化趨勢類似，20～170 ℃時隨溫度的升高線膨脹系數增大，隨后測到370 ℃隨溫度的升高線膨脹系數降低亦即材料在170 ℃時膨脹最小。總之，相同的溫度下，加稀土的線膨脹系數要比不加稀土的線膨脹系數要低，說明稀土能降低稠油熱采井管的線膨脹系數，能夠增加稠油熱采井管注氣生產的安全性。

2.5 稀土對材料橫向低溫沖擊韌性的影響

從所試驗177.8 mm×9.19 mm的13號和14號套管上分別取樣進行橫向低溫沖擊試驗，結果見表4。13號和14號材料的橫向低溫沖擊韌性對比結果如圖5所示。

表4 材料橫向低溫沖擊韌性 J

注：1)橫向沖擊韌性尺寸為5 mm×10 mm×55 mm；

2)劃橫線的數據為平均值，括號內的數據為換算后全尺寸的沖擊韌性值。

圖5 加稀土和不加稀土鋼的低溫沖擊韌性

從表4和圖5的結果可以看出，隨著溫度的降低，加稀土和不加稀土試樣沖擊性能均呈現下降趨勢，在相同的溫度下，加稀土的14號試樣沖擊性能明顯要好于不加稀土13號試樣。一般認為稀土提高橫向沖擊的原因可以概括為對夾雜物的變化，即鋼中加入稀土后，稀土把鋼中常規夾雜物改變為稀土夾雜，使夾雜物的形貌由長形斷開變短，逐漸球化，一方面避免了鑄坯變性時對硫化物順變形方向伸長所造成的材料的各項異性，另一方面變性的夾雜物減輕了夾雜物引起的應力集中，減少了裂紋源，從而使材料的橫向沖擊韌性提高[3]，而橫線沖擊韌性是防止鋼管發生縱裂的一個重要指標。

2.6 稀土對高溫拉伸性能的影響

從所試驗177.8 mm×9.19 mm的13號和14號套管上分別取樣進行高溫拉伸性能試驗，結果見表5。

表5 高溫拉伸性能

注：設計要求：350 ℃下屈服強度：≥700 MPa；350 ℃下屈服強度與常溫強度相比，下降幅度≤20 %

從表5可以看出，350 ℃時，屈服強度下降幅度加稀土比不加稀土要低，材料的延伸率加稀土要好于不加稀土，但都滿足設計要求，總的來說區別不大，這可能是因為加稀土后，使鋼中的硫化物夾雜及Al2O3轉變為球狀或接近球狀的稀土氧化物夾雜，它們的膨脹系數和彈性模量與鋼基體接近，在高溫變形時，能延緩因夾雜物造成的應力集中，而改善材料的高溫延伸率。

3 結 論

1)工業生產的BT100H稠油熱采井套管具有強度高、橫向沖擊韌性高、耐熱、低膨脹的綜合性能，適用于稠油熱采工況下的生產，加入稀土與不加稀土鋼相比，加入稀土后材料表現出更好的綜合耐熱性能，更適用于稠油熱采井管的生產。

2)通過稀土投入法加入BT100H鋼中，稀土起到了凈化鋼質、改變夾雜物形態、減少夾雜物數量、改善低溫橫向沖擊韌性及高溫延伸率的作用。

3)稀土的加入能夠進一步降低鋼的線膨脹系數，在稠油熱采工況溫度范圍內，稀土鋼熱穩定性更好，更加安全。

[1] 盧小慶，方 華，張冬梅，等.高強度熱采井專用套管TP100H的開發[J].鋼鐵，2001，36(10)：30-31．

[2] 曾亞勤，徐永高，金業權.注水井改為注氣井的套管安全性研[J].石油機械，2004，32(8)：10-12.

[3] 杜 挺，王龍妹，吳夜明，等．稀土在鋼中應用的熱力學基礎作用、問題和前景[C]//中國稀土學會稀土在鋼中應用委員會，稀土在鋼中應用技術研討會論文集．包頭包鋼冶金研究所，1999年1月.