стальная труба с высокой расширяемостью и способ ее изготовления

Формула изобретения

1. Стальная труба, расширяемая в скважине, выполненная из стали, содержащей, вес.%, С: от 0,1 до 0,45%; Si: от 0,3 до 3,5%; Mn: от 0,5 до 5%; Р: 0,03% или менее; S: 0,01% или менее; растворимый Al: от 0,01 до 0,8% при условии, что содержание Si меньше, чем 1,5%, содержание Al равно 0,1% или более; N: 0,05% или менее; О: 0,01% или менее, и, по выбору, по меньшей мере один элемент, выбранный из, по меньшей мере, одной из описанных ниже групп (А)-(Е), с балансом из Fe и загрязняющих примесей, при этом сталь имеет смешанную микроструктуру, включающую феррит и одну или более структур, выбранных из тонкого перлита, бейнита и мартенсита, при этом сталь имеет прочность на растяжение, равную 600 МПа или более, и равномерное удлинение, связанное с прочностью на растяжение по следующей зависимости (1):

,

где u-el - равномерное удлинение, %, TS - прочность на растяжение, МПа:

при этом группа (А) элементов включает Cr в количестве, составляющем 1,5% или менее, и Cu в количестве, составляющем 3,0% или менее;

группа (В) элементов включает Мо в количестве, составляющем 1,0% или менее;

группа (С) элементов включает Ni в количестве, составляющем 2% или менее;

группа (D) элементов включает Ti в количестве, составляющем 0,3% или менее; Nb в количестве, составляющем 0,3% или менее; V в количестве, составляющем 0,3% или менее; Zr в количестве, составляющем 0,3% или менее, и В в количестве, составляющем 0,01% или менее;

группа (Е) элементов включает Са, в количестве, составляющем 0,01% или менее; Mg в количестве, составляющем 0,01% или менее, и REM в количестве, составляющем 1,0% или менее.

2. Стальная труба, расширяемая в скважине по п.1, в которой стальная труба имеет равномерное удлинение, связанное с прочностью на растяжение по следующей зависимости (2):

,

где u-el - равномерное удлинение, %, TS - прочность на растяжение, МПа.

3. Стальная труба, расширяемая в скважине по п.1 или 2, в которой смешанная микроструктура дополнительно включает в себя остаточный аустенит.

4. Способ изготовления стальной трубы, расширяемой в скважине, содержащий следующие этапы, на которых:

(а) нагревают стальную трубу, выполненную из стали, содержащей, вес.%, С: от 0,1 до 0,45%; Si: от 0,3 до 3,5%; Mn: от 0,5 до 5%; Р: 0,03% или менее; S: 0,01% или менее; растворимый Al: от 0,01 до 0,8% при условии, что содержание Si меньше, чем 1,5%, содержание Al равно 0,1% или более; N: 0,05% или менее; О: 0,01% или менее, и, по выбору, по меньшей мере один элемент, выбранный из, по меньшей мере, одной из описанных ниже групп (А)-(Е), с балансом из Fe и загрязняющих примесей,

при этом группа (А) элементов включает Cr в количестве, составляющем 1,5% или менее, и Cu в количестве, составляющем 3,0% или менее;

группа (В) элементов включает Мо в количестве, составляющем 1% или менее;

группа (С) элементов включает Ni в количестве, составляющем 2% или менее;

группа (D) элементов включает Ti в количестве, составляющем 0,3% или менее; Nb в количестве, составляющем 0,3% или менее; V в количестве, составляющем 0,3% или менее; Zr в количестве, составляющем 0,3% или менее, и В в количестве, составляющем 0,01% или менее;

группа (Е) элементов включает Са, в количестве, составляющем 0,01% или менее; Mg в количестве, составляющем 0,01% или менее, и REM в количестве, составляющем 1,0% или менее, до температуры, составляющей от 700 до 790°С, и

(b) принудительно охлаждают стальную трубу до температуры, составляющей 100°С или менее, при этом стальную трубу охлаждают от 700 до 500°С со скоростью охлаждения, равной 100°С/мин или более.

5. Способ изготовления стальной трубы, расширяемой в скважине, содержащий следующие этапы, на которых:

(а) нагревают стальную трубу, выполненную из стали, содержащей, вес.%, С: от 0,1 до 0,45%; Si: от 0,3 до 3,5%; Mn: от 0,5 до 5%; Р: 0,03% или менее; S: 0,01% или менее; растворимый Al: от 0,01 до 0,8% при условии, что содержание Si меньше, чем 1,5%, содержание Al равно 0,1% или более; N: 0,05% или менее; О: 0,01% или менее, и, по выбору, по меньшей мере один элемент, выбранный из, по меньшей мере, одной из описанных ниже групп (А)-(Е), с балансом из Fe и загрязняющих примесей,

при этом группа (А) элементов включает Cr в количестве, составляющем 1,5% или менее, и Cu в количестве, составляющем 3,0% или менее;

группа (В) элементов включает Мо в количестве, составляющем 1% или менее;

группа (С) элементов включает Ni в количестве, составляющем 2% или менее;

группа (D) элементов включает Ti в количестве, составляющем 0,3% или менее; Nb в количестве, составляющем 0,3% или менее; V в количестве, составляющем 0,3% или менее; Zr в количестве, составляющем 0,3% или менее, и В в количестве, составляющем 0,01% или менее;

группа (Е) элементов включает Са, в количестве, составляющем 0,01% или менее; Mg в количестве, составляющем 0,01% или менее, и REM в количестве, составляющем 1,0% или менее, до температуры, составляющей от 700 до 790°С, и

(b) принудительно охлаждают стальную трубу до конечной температуры принудительного охлаждения, составляющей от 250 до 450°С, при этом стальную трубу охлаждают от 700 до 500°С со скоростью охлаждения, равной 100°С/мин или более;

(c) выдерживают стальную трубу при температуре, составляющей от 250 до 450°С, в течение 10 мин или более, а затем

(d) охлаждают стальную трубу до комнатной температуры.

6. Способ изготовления стальной трубы, расширяемой в скважине, содержащий следующие этапы, на которых:

(а) нагревают стальную трубу, выполненную из стали, содержащей, вес.%, С: от 0,1 до 0,45%; Si: от 0,3 до 3,5%; Mn: от 0,5 до 5%; Р: 0,03% или менее; S: 0,01% или менее; растворимый Al: от 0,01 до 0,8% при условии, что содержание Si меньше, чем 1,5%, содержание Al равно 0,1% или более; N: 0,05% или менее; О: 0,01% или менее, и, по выбору, по меньшей мере один элемент, выбранный из, по меньшей мере, одной из описанных ниже групп (А)-(Е), с балансом из Fe и загрязняющих примесей,

при этом группа (А) элементов включает Cr в количестве, составляющем 1,5% или менее, и Cu в количестве, составляющем 3,0% или менее;

группа (В) элементов включает Мо в количестве, составляющем 1% или менее;

группа (С) элементов включает Ni в количестве, составляющем 2% или менее;

группа (D) элементов включает Ti в количестве, составляющем 0,3% или менее; Nb в количестве, составляющем 0,3% или менее; V в количестве, составляющем 0,3% или менее; Zr в количестве, составляющем 0,3% или менее, и В в количестве, составляющем 0,01% или менее;

группа (Е) элементов включает Са, в количестве, составляющем 0,01% или менее; Mg в количестве, составляющем 0,01% или менее, и REM в количестве, составляющем 1,0% или менее, до температуры, составляющей от 700 до 790°С, и

(b) принудительно охлаждают стальную трубу до финальной температуры принудительного охлаждения в диапазоне от более чем 250 до 450°С, при котором стальную трубу подвергают принудительному охлаждению со скоростью охлаждения, равной 100°С/мин или более, при температуре, составляющей от 700 до 500°С;

(c) осуществляют контрольное охлаждение стальной трубы от конечной температуры принудительного охлаждения до 250°С со скоростью охлаждения, составляющей 10°С/мин или менее, а затем

(d) охлаждают стальную трубу до комнатной температуры.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к стальной трубе, используемой для бурения нефтяной скважины или газовой скважины и расширяемой в скважине, а также к способу ее изготовления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В скважине для подачи по трубам нефти или газа из нефтяного или газового месторождения обсадная труба для предотвращения разрушения боковой стенки во время/после бурения имеет конструкцию вставленных одна в другую труб, при этом на участке вблизи к поверхности земли размещают несколько вставленных одна в другую обсадных труб. При использовании конструкции вставленных труб необходимо пробуривать большой ствол, соответствующий наружной обсадной трубе, что ведет к повышению затрат. В последние годы с целью решения вышеупомянутой проблемы используют технологию расширения обсадных труб, т.е. обсадную трубу расширяют в скважине. Согласно данному способу появляется возможность закончить скважину бурением скважины меньшего диаметра по сравнению с традиционным способом, что позволяет заметно снизить затраты.

Однако при формировании скважины, имеющей одну скважину с одинаковым диаметром сверху донизу, требуется существенный высокий уровень расширения трубы, вызывающий проблемы, такие как сильный изгиб или перфорированный участок из-за местного утончения трубы. Таким образом, затруднено применение данного способа на практике. Что касается стальной трубы с высокой расширяемостью, из уровня техники известны следующие патенты.

В Патентном документе 1 описана бесшовная стальная труба для нефтяной скважины с высоким уровнем расширяемости, характеризующаяся определенным химическим составом с целью сохранения остаточной аустенитной фазы в количестве, превышающем или равном 5% об. фракции.

В Патентном документе 2 описана бесшовная стальная труба для нефтяной скважины, характеризующаяся определенным химическим составом, а также связью между содержанием Mn, Cr и Мо, а также связью между содержанием С, Si, Mn, Cr и Мо.

Патентный документ 1: JP 2006-9078 А

Патентный документ 2: JP 2005-146414 А

В обоих патентных документах 1 и 2 раскрыты технологии создания стальных труб с учетом их расширяемости. Однако в примерах, иллюстрирующих данные патенты, описаны материалы, имеющие равномерное удлинение, максимально составляющее 21%, при уровне прочности на растяжение, составляющем от 700 до 800 МПа, однако не имеющие достаточных характеристик расширения труб.

Таким образом, авторы настоящего изобретения исследовали создание материалов с большим равномерным удлинением исходя их того, что необходимо повысить равномерное удлинение материалов, чтобы обеспечить их намного более высокую расширяемость. В результате было установлено, что равномерное удлинение отпущенной мартенситной стали, в основном используемой для получения бесшовных стальных труб для нефтяных скважин, в целом является низким. Дальнейшие исследования показали, что плохое равномерное удлинение обуславливается отпущенной мартенситной структурой, состоящей из единственной ферритной фазы. Поэтому было исследовано действие металлографической структуры равномерного удлинения и были получены следующие результаты.

(а) Равномерную мартенситную структуру получают в результате закалки, представляющей собой основной способ термической обработки для получения бесшовных стальных труб для нефтяных скважин, после чего такую структуру изменяют на структуру, состоящую из единственной ферритной фазы, в результате последующего отпуска. В этом отношении данный способ является неадекватным с точки зрения равномерного удлинения.

(b) В том случае, если бесшовную трубу для нефтяной скважины охлаждают после нагревания при температуре закалки, получаемая микроструктура представляет собой смешанную структуру из феррита/перлита, а равномерное удлинение намного улучшается при таком же уровне прочности. Полученные результаты показывают, что равномерное удлинение лучше при смешанной структуре, состоящей из более мягкого феррита и более твердого перлита, чем при микроструктуре, состоящей из единственной ферритной фазы.

(с) Однако задача по определению достаточной прочности и вязкости, необходимых для трубы, предназначенной для нефтяной скважины и имеющей смешанную структуру, состоящую из феррита и перлита, является затруднительной.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является разработка стальной трубы, имеющей прочность на растяжение, равную или превышающую 60 МПа, и высокую расширяемость, предотвращающую возникновение любого сильного изгиба или перфорированного участка из-за местного утончения трубы при ее сильном расширении. Другой задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления таких стальных труб.

Авторы настоящего изобретения сконцентрировались на данной проблеме с точки зрения химического состава, температуры термической обработки, скорости охлаждения, характеристик охлаждения и т.п. и реализовали настоящее изобретение.

Как заявлено ниже в п.п.1-7, предметом настоящего изобретения является создание стальной трубы с высокой расширяемостью, и, как заявлено ниже в п.п.8-10, способа изготовления стальной трубы с высокой расширяемостью.

1. Стальная труба с высокой расширяемостью, состав стали которой включает, в % вес., С: от 0,1 до 0,45%; Si: от 0,3 до 3,5%; Mn: от 0,5 до 5%; Р: 0,03% или менее; S: 0,01% или менее; растворимый Al: от 0,01 до 0,8% (0,1% или более в том случае, если содержание Si составляет менее 1,5%); N: 0,05% или менее; О: 0,01% или менее, с балансом из Fe и загрязняющих примесей, в котором сталь имеет прочность на растяжение, равную 600 МПа или более, и равномерное удлинение, удовлетворяющее следующей формуле (1):

где u-el означает равномерное удлинение; TS означает прочность на растяжение (МПа).

2. Стальная труба с высокой расширяемостью по п.1, состав стали которой дополнительно включает, в % вес., один или два элемента, выбранных из Cr в количестве, составляющем 1,5% или менее, и Cu в количестве, составляющем 3,0% или менее.

3. Стальная труба с высокой расширяемостью, по п.1 или 2, состав стали которой дополнительно включает, в % вес., Мо в количестве, составляющем 1,0% или менее.

4. Стальная труба с высокой расширяемостью, по любому из п.п.1-3, состав стали которой дополнительно включает, в % вес., Ni в количестве, составляющем 2% или менее.

5. Стальная труба с высокой расширяемостью, по любому из п.п.1-4, состав стали которой дополнительно включает, в % вес., по меньшей мере, один элемент, выбранный из Ti, в количестве, составляющем 0,3% или менее; Nb в количестве, составляющем 0,3% или менее; V в количестве, составляющем 0,3% или менее; Zr в количестве, составляющем 0,3% или менее, и В в количестве, составляющем 0,01% или менее.

6. Стальная труба с высокой расширяемостью, по любому из п.п.1-5, состав стали которой дополнительно включает, в % вес., по меньшей мере, один элемент, выбранный из Са, в количестве, составляющем 0,01% или менее; Mg в количестве, составляющем 0,01% или менее, и REM (редкоземельный металл) в количестве, составляющем 1,0% или менее.

7. Стальная труба с высокой расширяемостью, по любому из п.п.1-6, где стальная труба имеет равномерное удлинение, удовлетворяющее следующей формуле:

где u-el означает равномерное удлинение (%); TS означает прочность на растяжение (МПа).

8. Способ изготовления стальной трубы с высокой расширяемостью, содержащий следующие этапы, на которых:

нагревают стальную трубу, имеющую состав, описанный выше по любому из п.п.1-6, до температуры от 700 до 790°С, и

принудительно охлаждают стальную трубу до температуры, составляющей 100°С или менее, при помощи охлаждающего устройства, охлаждающая способность которого, выражаемая скоростью охлаждения от 700 до 500°С, составляет 100°С/мин или более.

9. Способ изготовления стальной трубы с высокой расширяемостью, содержащий следующие этапы, на которых:

нагревают стальную трубу, имеющую состав, описанный выше по любому из п.п.1-6, до температуры, составляющей от 700 до 790°С,

принудительно охлаждают стальную трубу до температуры, составляющей от 250 до 450°С, при помощи охлаждающего устройства, охлаждающая способность которого, выражаемая скоростью охлаждения от 700 до 500°С, составляет 100°С/мин или более;

выдерживают стальную трубу при температуре, составляющей от 250 до 450°С, в течение 10 минут или более, а затем

охлаждают стальную трубу до комнатной температуры.

10. Способ изготовления стальной трубы с высокой расширяемостью, содержащий следующие этапы, на которых:

нагревают стальную трубу, имеющую состав, описанный выше по любому из п.п.1-6, до температуры, составляющей от 700 до 790°С,

принудительно охлаждают стальную трубу до температуры, составляющей от 250 до 450°С, при помощи охлаждающего устройства, охлаждающая способность которого, выражаемая скоростью охлаждения от 700 до 500°С, составляет 100°С/мин или более;

производят контрольное охлаждение стальной трубы от конечной температуры принудительного охлаждения до 250°С со скоростью охлаждения, составляющей 10°С/мин или менее, а затем

охлаждают стальную трубу до комнатной температуры.

РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ БЛАГОДАРЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В процессе расширения трубы согласно настоящему изобретению даже при высоком коэффициенте растяжения не возникает таких проблем, как сильный изгиб или перфорированный участок из-за местного утончения трубы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой вид, показывающий связь между прочностью на растяжение и равномерным удлинением стальной трубы согласно настоящему изобретению и полученной известным способом.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Стальная труба согласно настоящему изобретению имеет высокую расширяемость, несмотря на высокую прочность на растяжение, равную 600 МПа или более. Кроме того, способ изготовления стальной трубы согласно настоящему изобретению представляет собой способ изготовления стальной трубы с заданным химическим составом и термической обработкой в заданных условиях с целью улучшения расширяемости стальной трубы. Прежде всего, далее следует описание химического состава согласно настоящему изобретению, а затем условий термической обработки и причин ограничений.

1. Химический состав

С: от 0,1 до 0,45%

Углерод является существенным элементом, определяющим прочность материала. Иными словами, С способствует улучшению равномерного удлинения, увеличивая разницу в прочности между более мягкой и более твердой фазами. Для оказания подобного действия содержание С должно составлять 0,1% или более. И наоборот, содержание С, составляющее более 0,45%, ухудшает вязкость из-за излишнего отвердения более твердой фазы. Поэтому содержание С регулируют на уровне от 0,1 до 0,45%. Предпочтительный нижний предел составляет 0,15%, более предпочтительный - 0,25%, а еще более предпочтительный - 0,35%.

Si: от 0,3 до 3,5%

Кремний является важным элементом для достижения высокого уровня равномерного удлинения, поскольку Si способствует стабилизации более мягкой фазы и, безусловно, получению более мягкой фазы. Для оказания подобного действия содержание Si должно составлять 0,3% или более. И наоборот, избыточное добавление Si ухудшает горячую обработку, поэтому его содержание должно быть отрегулировано на уровне, составляющем от 0,3 до 3,5%. Для того чтобы обеспечить достаточно высокий уровень равномерного удлинения, предпочтительный нижний предел содержания Si должен составлять 1,5%, однако более предпочтительный нижний предел содержания Si составляет 2,1%. В том случае, если содержание растворимого Al составляет менее 0,1%, содержание Si должно составлять 1,5% или более.

Mn: от 0,5 до 5%

Марганец также является важным элементом для поддержания высокого уровня равномерного удлинения посредством стабилизации более мягкой фазы, помимо оказания упрочняющего действия благодаря усиленному закалочному упрочнению. Для оказания подобного действия содержание Mn должно составлять 0,5% или более. И наоборот, избыточное добавление Mn, составляющее более 5%, вызывает ухудшение вязкости, поэтому его содержание регулируют на уровне, составляющем от 0,5 до 5%. Предпочтительный нижний предел составляет 1,0%, а более предпочтительный нижний предел составляет 2,5%. Еще более предпочтительный нижний предел составляет 3,5%.

Р: 0,03% или менее

Фосфор ухудшает вязкость из-за снижения межкристаллической адгезии, поэтому его содержание должно быть снижено до возможно более низкого уровня. Однако излишнее снижение содержания Р вызывает повышение стоимости процесса получения стали, поэтому как с точки зрения поддержания вязкости, так и с экономической точки зрения верхний предел регулируют на уровне, составляющем 0,003%. Было установлено, что допустимый верхний предел содержания Р составляет 0,04%. Для сохранения достаточной вязкости предпочтительный верхний предел составляет 0,02%, а более предпочтительный верхний предел должен составлять 0,015%.

S: 0,01% или менее

Сера ухудшает вязкость из-за снижения межкристаллической адгезии, поэтому желательным является снижение ее содержания до возможно более низкого уровня. Однако излишнее снижение содержания S вызывает повышение стоимости процесса получения стали. Поэтому как с точки зрения поддержания вязкости, так и с деловых позиций допустимый верхний предел регулируют на уровне, составляющем 0,01%. Было установлено, что допустимый верхний предел составляет 0,04%. С целью сохранения достаточной вязкости предпочтительный верхний предел составляет 0,005%, а более предпочтительный верхний предел должен составлять 0,002%.

Растворимый Al: от 0,01 до 0,8% (0,1% или более в том случае, если содержание Si составляет менее 1,5%)

Алюминий необходим для раскисления, а также для улучшения равномерного удлинения благодаря стабилизации более мягкой фазы. Стабилизационный эффект и хорошее равномерное удлинение достигаются в том случае, если содержание растворимого Al составляет 0,01% или более. В том случае, если его содержание является слишком низким, достижение достаточного уровня улучшения становится затруднительным. В том случае, если содержание Al составляет 0,1% или более, может быть достигнут достаточный уровень улучшения. Даже если содержание растворимого Al составляет 0,01% или более и менее 0,1%, достигается достаточный уровень улучшения при добавлении Si в количестве, составляющем 1,5% или более. В том случае, если содержание растворимого Al превышает 0,8%, в процессе получения стали формируются неметаллические кластерные включения, что приводит к ухудшению вязкости. Поэтому содержание растворимого Al регулируют на уровне, составляющем от 0,01 до 0,8%. В том случае, если содержание Si составляет менее 1,5%, содержание растворимого Al должно составлять 0,1% или более. Для сохранения равномерного удлинения предпочтительный нижний предел растворимого Al составляет 0,2%, а более предпочтительный нижний предел составляет 0,3%.

N: 0,05% или менее

Было установлено, что верхний предел содержания N в виде загрязняющих примесей составляет 0,05%, поскольку N ухудшает вязкость.

О: 0,01% или менее

Было установлено, что верхний предел содержания О в виде загрязняющих примесей составляет 0,01%, поскольку О ухудшает вязкость.

Стальная труба согласно настоящему изобретению включает вышеописанные легирующие элементы и баланс из Fe и загрязняющих веществ. Стальная труба согласно настоящему изобретению может, вместо части Fe, содержать следующие элементы для улучшения различных свойств.

Cr: 1,5% или менее

Хром не является существенным элементом, однако его добавление, помимо усиливающего действия для закалочного упрочнения, способно усилить стальную трубу посредством стабилизации более твердой фазы благодаря взаимодействию с атомами С. Таким образом, Cr может быть использован с целью упрочнения. Заметный эффект достигается в том случае, если содержание Cr составляет 0,1% или более, однако его избыточное добавление вызывает ухудшение вязкости. Поэтому при использовании Cr его содержание должно предпочтительно составлять 1,5% или менее.

Cu: 3,0% или менее

Медь не является существенным элементом, однако ее добавление способно усилить стальную трубу посредством дисперсионного твердения во время медленного охлаждения или изотермической выдержки. Заметный упрочняющий эффект достигается в том случае, если содержание Cu составляет 0,3% или более. Однако его избыточное добавление вызывает ухудшение вязкости и горячей обрабатываемости. Поэтому при использовании Cu его содержание должно предпочтительно составлять 3,0% или менее. Для сохранения хорошей горячей обрабатываемости желательно добавлять Cu совместно с Ni.

Мо: 1% или менее

Молибден не является существенным элементом, однако его добавление способно улучшить коррозионную стойкость в условиях нефтяного промысла. Поэтому в тех случаях, когда стальная труба должна иметь более высокую коррозионную стойкость, целесообразно добавлять Мо. Заметный эффект достигается в том случае, если содержание Мо составляет 0,05% или более. Однако его избыточное добавление вызывает ухудшение вязкости, поэтому при использовании Cr его содержание должно предпочтительно составлять 1% или менее.

Ni: 2% или менее

Никель не является существенным элементом, однако его добавление способствует поддержанию высокого уровня равномерного удлинения в результате стабилизации более мягкой фазы. Заметный эффект стабилизации более мягкой фазой достигается в том случае, если содержание Ni составляет 0,1% или более. Однако его добавление вызывает повышение стоимости, поэтому при использовании Ni его содержание должно предпочтительно составлять 1,5% или менее, а более предпочтительно, верхний предел составляет 1,0%.

Один или более элементов, выбранных из Ti 0,3%, Nb 0,3%, V 0,3%, Zr 0,3% и В 0,01%.

Титан, ниобий, ванадий и циркон не являются существенными элементами. Помимо добавления одного или более упомянутых элементов, зернистая структура стальной трубы рафинируется в результате осаждения ими карбонитридов, что приводит к улучшению вязкости. Такое действие является заметным в том случае, если содержание одного или более упомянутых элементов составляет 0,003% или более, и наоборот, их избыточное добавление вызывает ухудшение вязкости. Поэтому при использовании одного или более элементов, выбранных из Ti, Nb, V и Zr, содержание каждого элемента должно предпочтительно составлять 0,3% или менее.

Бор не является существенным элементом, но его добавление способно улучшить вязкость стальной трубы благодаря улучшению межкристаллической адгезии. Такое действие является заметным в том случае, если содержание В составляет 0,0005% или более. И, наоборот, его избыточное добавление вызывает формирование карбонитрида на границах зерен, что приводит к ухудшению вязкости. Поэтому при добавлении В его содержание должно предпочтительно составлять 0,01% или менее.

Один или более элементов, выбранных из Са 0,01%, Mg 0,01% и REM 1,0%.

Кальций, магний и REM (редкоземельный металл) не являются существенными элементами, однако добавление упомянутых элементов способно улучшить горячую обрабатываемость и может быть эффективным в том случае, когда стальную трубу получают интенсивной горячей обработкой. Действие по улучшению горячей обработки является заметным в том случае, если содержание каждого элемента составляет 0,0005% или более. И, наоборот, их избыточное добавление снижает прецизионность поверхности на резьбовом участке. Поэтому при использовании одного или более элементов, выбранных из Ca, Mg и REM, содержание каждого элемента должно предпочтительно составлять 0,01%, 0,01% и 1,0% соответственно. Совместное добавление двух или более упомянутых элементов способно обеспечить дальнейшее улучшение горячей обработки.

Согласно данному описанию REM является общим термином, представляющим 17 видов элементов, т.е. Sc, Y и лантаноидные элементы, а содержание REM означает общее количество вышеупомянутых элементов.

2. Способ получения

(1) Получение стали и изготовление труб

Способы получения стали и изготовления труб в настоящем изобретении не являются ограничительными, поэтому могут быть использованы обычные способы. Например, могут быть использованы способы изготовления труб, включающие изготовление бесшовных стальных труб, сварное соединение после сворачивания стальных листов в виде цилиндра или т.п.

(2) Термическая обработка

Настоящее изобретение позволяет получить стальную трубу с высокой расширяемостью, высокий коэффициент расширения которой обеспечивается заданной термической обработкой стальной трубы, имеющей вышеописанный химический состав, с целью придания ей большого равномерного удлинения. Процесс термической обработки осуществляют в следующих условиях.

Температура нагревания: от 700 до 790°С

Поскольку температура нагревания является слишком низкой, высокий уровень закалочного упрочнения не может быть достигнут, поэтому материал должен быть нагрет до температуры, составляющей 700°С или более. И, напротив, поскольку более высокая температура нагревания снижает или уменьшает содержание ферритной фазы в более мягкой фазе, верхний температурный предел должен составлять 790°С или более. Продолжительность выдержки, которая не ограничивается в настоящем изобретении, предпочтительно должна составлять от 5 мин или более до 60 мин или менее.

Скорость охлаждения: средняя скорость охлаждения, составляющая 100°С/мин или более при температуре от 700 до 500°С.

Благодаря принудительному охлаждению нагретой стальной трубы до температуры, составляющей 100°С или менее, охлаждающей установкой, охлаждающая способность которой, рассчитываемая по скорости охлаждения при температуре от 700 до 500°С, составляет 100°С/мин или более, микроструктура стальной трубы превращается в смешанную микроструктуру, в которой более твердый перлит, бейнит или мартенсит тонко диспергируется в более мягкой ферритной матрице. Это обеспечивает намного более лучшее равномерное распределение с точки зрения смешанной микроструктуры с более мягкой и твердой фазами.

В том случае, если стальную трубу подвергают непрерывному принудительному охлаждению без изменения охлаждающей установки, скорость охлаждения понижается с понижением температуры. Согласно настоящему изобретению, принудительное охлаждение приблизительно до 100°С в условиях, при которых средняя скорость охлаждения при температуре от 700 до 500°С, составляет 100°С/мин или более, является достаточным для достижения поставленной цели. Скорость охлаждения, составляющая 100°С/мин, может быть использована при температуре менее 500°С.

Кроме того, выдержка после прекращения принудительного охлаждения при температуре от 450 до 250°С способствует формированию остаточного аустенита и вызывает заметное механическое упрочнение, которое обеспечивает намного более лучшее равномерное удлинение. Для получения достаточного эффекта предпочтительное время выдержки должно составлять 10 мин или более. После выдержки может быть использован любой способ охлаждения, такой как принудительное охлаждение или охлаждение на воздухе. Вместо выдержки подобное действие может быть достигнуто в результате медленного охлаждения со скоростью охлаждения, составляющей 10°С/мин или менее, при температуре от конечной температуры принудительного охлаждения до 250°С после прекращения принудительного охлаждения при температуре, составляющей более 250°С, но не выше 450°С, что также способствует формированию остаточного аустенита. После медленного охлаждения может быть использован любой способ охлаждения, такой как принудительное охлаждение или охлаждение на воздухе.

Прочее

Отпуск, который в принципе является избыточным в настоящем изобретении, может быть осуществлен при более низких температурах или при температуре менее 500°С.

ПРИМЕРЫ

Сорта стали, имеющие химические составы, указанные в Таблице 1, плавят, подвергают горячей ковке и горячей прокатке с получением образцов пластин толщиной 10 мм, шириной 120 мм и длиной 330 мм. После обработки, описанной в Таблице 2, получают образцы для испытаний на растяжение с базовым диаметром, равным 4 мм, прочность на растяжение и равномерное удлинение которых измеряют во время испытаний на растяжение.

Пример¹: Пример согласно настоящему изобретению.

Сравнительный пример

Испытания № № 1-26 иллюстрируют способы согласно настоящему изобретению, а испытания № № 27-66 иллюстрируют сравнительные способы. В сравнительных способах № № 31-36 химические составы стали находятся за пределами настоящего изобретения. Производственные процессы в сравнительных способах № № 31-36 соответствуют настоящему изобретению, несмотря на то, что их химические составы удовлетворяют настоящему изобретению. В испытании 37 сталь подвергают традиционной закалке и отпуску, что удовлетворяет химическому составу согласно настоящему изобретению.

Результаты примеров настоящего изобретения, сравнительных способов и традиционного способа, описанных в таблице 2, проиллюстрированы на фиг.1.

Как показано в таблице 2 и на фиг.1, образцы, используемые в способах согласно настоящему изобретению, имеют высокую прочность на разрыв (TS (МПа)), составляющую 600 МПа или более. В примерах согласно настоящему изобретению равномерное удлинение u-el(%) удовлетворяет следующей формуле (1), а также удовлетворяет формуле (2), представляющей собой предпочтительную связь, показывающую высокую степень равномерного удлинения:

Тогда как в сравнительном способе и традиционном способе (испытание № 27) прочность на растяжение была слишком низкой, даже в том случае, когда равномерное удлинение было приемлемым, либо равномерное удлинение было слишком низким, даже в том случае, когда прочность на растяжение была приемлемой, демонстрируя тем самым неудовлетворительные характеристики стальной трубы для нефтяной скважины.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Согласно настоящему изобретению стальная труба с высокой расширяемостью может быть получена более экономически выгодным способом по сравнению с традиционными способами. Поэтому, поскольку стальная труба согласно настоящему изобретению может быть расширена с высоким коэффициентом расширения, без какого-либо перфорированного участка из-за местного утончения или сильного изгиба трубы, становится возможной экономически выгодная разработка нефтяной скважины или газовой скважины, вносящая свой вклад в стабильное энергоснабжение во всем мире.