一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法技术

一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，将低合金耐热钢熔化后添加纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，浇铸形成钢锭；其中，钢锭中纳米稀土氧化物的质量含量为0.2％～2.0％；将钢锭进行控轧、控冷热加工处理，然后，进行调质热处理，得到基于应变设计的热采套管材料。本发明专利技术针对稠油蒸汽热采井普遍存在的套损问题，基于应变设计的套管柱设计方法，制备600～1200m井深范围的稠油井开发90SH热采套管材料。本发明专利技术为热采井套损治理、稠油资源的安全、高效开发奠定坚实的技术支撑。

A method of preparing thermal recovery casing materials based on strain design by adding nano rare earth oxides

A method for preparing nano rare earth oxide material strain and thermal recovery casing design based on the low alloy heat-resistant steel melt after adding nano rare earth oxide powder, after homogenization, solution treatment, the formation of casting ingot; the content of nano rare earth oxide in the ingot is 0.2% ~ 2%; the ingot is controlled rolling and the control of hot and cold processing, then quenching and tempering heat treatment, get the casing material strain design based on thermal recovery. Aiming at the widespread casing damage problem in heavy oil steam thermal recovery wells, the design method of casing string based on strain design is applied to prepare thick oil wells of 600 ~ 1200m depth and develop 90SH thermal recovery casing materials. The invention lays a solid technical support for the harnessing of thermal recovery wells, the safety of heavy oil resources and the efficient development of the heavy oil resources.

【技术实现步骤摘要】
一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法
本专利技术针对稠油热采井套管的损坏及选材，属于油气开采工程应用领域，涉及一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法。
技术介绍
稠油是我国重要的油气资源种类之一，主要作业工艺是循环蒸汽吞吐。由于井筒温度的大幅变化(280～350℃)和套管柱的轴向位移约束，套管在循环作业中产生累积损伤，造成大量热弹-塑性失效。统计表明，普通C-Mn成分设计的N80、P110材质的热采井套损率超过30％，局部区块达到70％。目前，常规的热采套管柱强度设计方法，要求管材的强度满足钻完井工程需求，同时考虑注高温蒸汽产生的热应力。但是，油田现场出现的热采井套损模式，如变形、缩颈、剪切、断裂等表明：套管材料在服役过程中发生的塑性永久变形造成最终断裂失效。因此，热采套管柱设计不仅要考虑强度需求，更要考虑多轮次循环注-采作业需求，采用基于应变的套管柱设计方法，包括高温长时服役蠕变行为、低周应变疲劳行为等。基于Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢初步解决了热采工况下管材的热稳定性问题，高温强度折减系数、蠕变速率明显改善。但是开发的80SH(钢级80ksi、S代表基于应变设计strain-baseddesign，H代表热采用钢heat-resistancesteel)热采套管钢级较低，不能在较深的热采井使用(譬如1000m以上)，同时，微合金添加控制不当，氮化铝和V、Nb的碳氮化物大量在晶界析出，降低钢的塑性，劣化高温服役性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，采用“氧化物冶金”新理论，有效利用添加的纳米稀土氧化物变质夹杂物，形成有效的针状铁素体形核核心细化基体组织，实现套管材料强/塑性高匹配和良好的热稳定性。本专利技术为稠油埋藏在600～1200m范围、基于应变设计的热采套管柱设计提供可用的套管材料。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，包括以下步骤：(1)将低合金耐热钢熔化后添加纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，浇铸形成钢锭；其中，钢锭中纳米稀土氧化物的质量含量为0.2％～2.0％；(2)热加工处理和调质热处理将钢锭进行控轧、控冷热加工处理，然后，进行调质热处理，得到基于应变设计的热采套管材料。本专利技术进一步的改进在于，纳米稀土氧化物为Ce2O3。本专利技术进一步的改进在于，纳米稀土氧化物的平均粒径为85～100nm。本专利技术进一步的改进在于，钢锭中纳米稀土氧化物的质量含量为1.0～1.2％。本专利技术进一步的改进在于，控轧、控冷热加工处理的具体条件为：控轧压下量为80～85％，终轧温度为900℃，并以1.5℃/s冷却速度冷却至750℃。本专利技术进一步的改进在于，调质热处理的具体过程为进行淬火和回火处理。本专利技术进一步的改进在于，淬火的条件为980℃下保温1h，油冷。本专利技术进一步的改进在于，回火处理的条件为650℃下保温1h，随炉冷却。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：(1)Cr-Mo+微合金成分套管材料存在由于微合金元素含量控制不当引起氮化铝、碳氮化物在晶界析出，导致塑性降低、材料开裂，所以本专利技术基于“氧化物冶金”理念，添加纳米稀土氧化物变质杂质，有效利用形成的超细夹杂物改善材料组织和性能；从热力学过程，相比于Al2O3、TiO2，稀土氧化物中稀土元素不仅净化晶界，同时变质夹杂物，本专利技术有效利用夹杂物的异质形核作用，一方面有利于针状铁素体形核细化组织，提高强/塑性匹配；另一方面添加纳米稀土氧化物生成的稀土复合夹杂物是高熔点、高稳定性超细氧化物，改善高温热稳定性能。因此，本专利技术不同于常规的材料设计思路，有效利用夹杂物作为针状铁素体形核核心，属于全新的设计方法，拓宽了材料设计的体系。(2)基于应变的热采井套管柱设计方法不但需要满足强度要求，而且满足多轮次循环注-采作业过程的塑性累积损伤。因此，强/塑性能的高匹配是热采套管选材的关键性能指标。本专利技术通过细化晶粒实现材料的强度/塑性高匹配，同时，形成的超细复合夹杂物改善热稳定性，为热采井套损问题的解决奠定坚实的材料基础，为稠油资源的安全、经济开发提高坚实的保障。(3)由于纳米尺寸氧化物比表面积较大，容易粘附聚集，为保证添加纳米稀土氧化物在低合金耐热钢中均匀分布，先将低合金耐热钢溶化后，再加入纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，使低合金耐热钢与纳米稀土氧化物粉末混合均匀；本专利技术中添加纳米稀土氧化物生产复合氧硫夹杂物，但是添加过量或不足都会有较多单一氧化物生产，所以本专利技术中纳米稀土氧化物含量为热采套管材料质量的0.2％～2.0％。本专利技术针对稠油蒸汽热采井普遍存在的套损问题，基于应变设计的套管柱设计方法，制备600～1200m井深范围的稠油井开发90SH热采套管材料。本专利技术为热采井套损治理、稠油资源的安全、高效开发奠定坚实的技术支撑。进一步的，本专利技术中稀土氧化物(Ce2O3)的平均粒径为85～100nm，利于针状铁素体在氧化物颗粒上形成。附图说明图1为室温/高温350℃下热采套管拉伸应力-应变曲线。图2为高温350℃下热采套管蠕变-时间关系曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细描述。本专利技术中的低合金耐热钢为Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢，其成分见表1。表1Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢学成分(质量分数，％)本专利技术属于非常规油气资源开发套管柱所需材料的新型制备方法，从理论基础、设计方法、选材依据等方面均实现创新，具体内容包括：本专利技术利用“氧化物冶金”理论，添加纳米稀土氧化物变质夹杂物，有效利用形成的复合夹杂物作为有效的针状铁素体形核核心。(1)稀土氧化物的添加依据从热力学过程，相比于Al2O3、TiO2，添加稀土氧化物(Ce2O3)后生成熔点高、高温塑性小的氧化物、硫化物和氧硫化物组成的稀土复合夹杂物，成为有效的针状铁素体形核核心。(2)稀土氧化物尺寸针状铁素体相对形核能力P可表示为：式中：V1AF-针状铁素体的体积分数；g-奥氏体平均晶粒尺寸；-单位体积内晶界夹杂物数量；d-夹杂物平均直径；-单位体积内晶内夹杂物数量。Zener模型中奥氏体平均晶粒尺寸是夹杂物体积分数/尺寸的函数：式中：g-奥氏体平均晶粒尺寸；nv-单位体积内夹杂物数量；d-夹杂物平均直径；根据上式可知：夹杂物颗粒直径为0.2～0.8μm时，有利于针状铁素体在氧化物颗粒上形成，故本专利技术选用稀土氧化物(Ce2O3)平均粒径为85～100nm，优选为100nm。(3)纳米稀土氧化物(Ce2O3)的预分散处理不同于宏观尺度的金属材料，纳米尺寸氧化物比表面积较大，容易粘附聚集。为保证添加纳米稀土氧化物在Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢中均匀分布，对其进行预分散处理。本专利技术中通过将Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢高温熔化后，再加入纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，使纳米稀土氧化物均匀分散在Cr-Mo+微合金组分的低合金耐热钢中。(4)添加氧化物的含量添加纳米稀土氧化物生产复合氧硫夹杂物，但是添加过量或不足都会有较多单一氧化物生成，本专利技术中纳米稀土氧化物(Ce2O3)含量为热采套管材料质量的0.2％～2.0％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将低合金耐热钢熔化后添加纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，浇铸形成钢锭；其中，钢锭中纳米稀土氧化物的质量含量为0.2％～2.0％；(2)热加工处理和调质热处理将钢锭进行控轧、控冷热加工处理，然后，进行调质热处理，得到基于应变设计的热采套管材料。

【技术特征摘要】
1.一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将低合金耐热钢熔化后添加纳米稀土氧化物粉末，经均匀化、固溶处理，浇铸形成钢锭；其中，钢锭中纳米稀土氧化物的质量含量为0.2％～2.0％；(2)热加工处理和调质热处理将钢锭进行控轧、控冷热加工处理，然后，进行调质热处理，得到基于应变设计的热采套管材料。2.根据权利要求1所述的一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，其特征在于，纳米稀土氧化物为Ce2O3。3.根据权利要求1所述的一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法，其特征在于，纳米稀土氧化物的平均粒径为85～100nm。4.根据权利要求1所述的一种添加纳米稀土氧化物制备基于应变设计的热采套管材料的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王航，韩礼红，王建军，杨尚谕，田涛，朱丽娟，路彩虹，蒋龙，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11