张行刚，石晓霞，刘 金

(包头钢铁集团有限责任公司技术中心 内蒙古 包头 014010)

0 引 言

稠油是一种高粘度、高密度的原油，稠油的开采需注入高温蒸汽，而套管被固定在井筒中处于约束状态，不能自由膨胀和收缩[1]。在注入高温高压蒸汽阶段(套管工作环境温度平均高达320 ℃，有的井高达375 ℃，注气压力为12 MPa，有的高达17 MPa)，套管由于受热膨胀和受约束而承受很大的压应力，停注采油时，套管由于降温收缩松弛而承受很大的拉应力，套管承受高温热应力和反复的拉-压应力是造成套管损坏的主要原因；随着注汽周期的增加，套管柱的残余应力越来越大，过高的应力容易造成套管变形[2]。目前稠油热采井管都要具有高温强度高、工况温度下强度下降小的特点，而线膨胀系数这一关键指标没有得到足够重视，国内外同行业都未报道线膨胀系数这一指标，而石油行业已有学者呼吁，降低材料的线膨胀系数也是保证热采井管安全性的一项重要指标。以中碳Cr-Mo钢以及稀土微合金生产的BT100H具有耐高温以及低膨胀的特点，满足稠油热采井工况条件下的要求。

1 试验材料

试验材料为包钢120 t转炉+LF+VD+连铸+连轧+热处理生产的规格为177.8 mm×9.19 mm的套管，分别进行了加稀土和不加稀土大生产性能对比试验，材料实际成分见表1(13号为不加稀土、14号为加稀土)。

2 试验内容以及结果分析

2.1 稀土对材料拉伸性能的影响

从所试验177.8 mm×9.19 mm的13号和14号套管上分别取样进行拉伸性能试验，结果见表2。

表1 加稀土和不加稀土钢实际化学成分(质量分数) %

表2 稀土对常温拉伸性能的影响

从表2的结果可见，加稀土和不加稀土对强度指标影响不大，延伸率略有提高，但不明显，但无论是加稀土还是不加稀土的稠油热采井套管，材料力学性能都能满足设计要求。

2.2 稀土对材料组织的影响

从所试验177.8 mm×9.19 mm的13号和14号套管上分别取样进行金相试验，其金相组织如图1所示。另外，对13号和14号套管的金相试样进行组织透射电镜试验，其材料组织透射微观形貌如图2所示。

从图1可看出，调质后的金相组织为回火索氏体。图2微观形貌显示，组织均为基体上分布着细小的碳化物颗粒，但加稀土后，因微量稀土可以促使碳化物由连续分布变为断续分布，析出的碳化物细小弥散分布在整个基体内。对比结果表明稀土具有一定的细化组织的作用。

2.3 稀土对夹杂物的影响

对14号套管的金相试样中的夹杂物进行扫描电镜试验，夹杂物形貌及成分如图3所示。

图1 加稀土和不加稀土套管材料金相组织

图2 加稀土和不加稀土材料组织透射电镜微观形貌

图3 14#稀土夹杂物扫描电镜检验结果

从图3扫描电镜夹杂物形貌分析可以看到，夹杂物为球状，核心部分是以稀土铝氧化物为主，周围主要由Ca-S-RE 夹杂包裹着。夹杂物的形态控制是稀土在钢中的主要作用之一，稀土可控制硫、氧夹杂物的形态，对于用铝终脱氧并加入稀土的钢，会形成高熔点的在晶内任意分布的球形夹杂，取代沿晶界分布的硫化物，同时Al2O3可作为稀土硫化物的结晶核心，从而使群聚的Al2O3消失。

2.4 稀土对材料线膨胀系数的影响

从所试验177.8 mm×9.19 mm的13号和14号套管上分别取样进行线膨胀系数随温度变化情况试验，结果见表3。13号和14号材料的线膨胀系数对比结果如图4所示。

表3 线膨胀系数 ×10-6

图4 不加稀土和加稀土钢线膨胀系数

从表3和图4可以看到，不加稀土的13#样与加稀土的14#线膨胀系数随温度的变化趋势类似，20～170 ℃时随温度的升高线膨胀系数增大，随后测到370 ℃随温度的升高线膨胀系数降低亦即材料在170 ℃时膨胀最小。总之，相同的温度下，加稀土的线膨胀系数要比不加稀土的线膨胀系数要低，说明稀土能降低稠油热采井管的线膨胀系数，能够增加稠油热采井管注气生产的安全性。

2.5 稀土对材料横向低温冲击韧性的影响

从所试验177.8 mm×9.19 mm的13号和14号套管上分别取样进行横向低温冲击试验，结果见表4。13号和14号材料的横向低温冲击韧性对比结果如图5所示。

表4 材料横向低温冲击韧性 J

注：1)横向冲击韧性尺寸为5 mm×10 mm×55 mm；

2)划横线的数据为平均值，括号内的数据为换算后全尺寸的冲击韧性值。

图5 加稀土和不加稀土钢的低温冲击韧性

从表4和图5的结果可以看出，随着温度的降低，加稀土和不加稀土试样冲击性能均呈现下降趋势，在相同的温度下，加稀土的14号试样冲击性能明显要好于不加稀土13号试样。一般认为稀土提高横向冲击的原因可以概括为对夹杂物的变化，即钢中加入稀土后，稀土把钢中常规夹杂物改变为稀土夹杂，使夹杂物的形貌由长形断开变短，逐渐球化，一方面避免了铸坯变性时对硫化物顺变形方向伸长所造成的材料的各项异性，另一方面变性的夹杂物减轻了夹杂物引起的应力集中，减少了裂纹源，从而使材料的横向冲击韧性提高[3]，而横线冲击韧性是防止钢管发生纵裂的一个重要指标。

2.6 稀土对高温拉伸性能的影响

从所试验177.8 mm×9.19 mm的13号和14号套管上分别取样进行高温拉伸性能试验，结果见表5。

表5 高温拉伸性能

注：设计要求：350 ℃下屈服强度：≥700 MPa；350 ℃下屈服强度与常温强度相比，下降幅度≤20 %

从表5可以看出，350 ℃时，屈服强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，但都满足设计要求，总的来说区别不大，这可能是因为加稀土后，使钢中的硫化物夹杂及Al2O3转变为球状或接近球状的稀土氧化物夹杂，它们的膨胀系数和弹性模量与钢基体接近，在高温变形时，能延缓因夹杂物造成的应力集中，而改善材料的高温延伸率。

3 结 论

1)工业生产的BT100H稠油热采井套管具有强度高、横向冲击韧性高、耐热、低膨胀的综合性能，适用于稠油热采工况下的生产，加入稀土与不加稀土钢相比，加入稀土后材料表现出更好的综合耐热性能，更适用于稠油热采井管的生产。

2)通过稀土投入法加入BT100H钢中，稀土起到了净化钢质、改变夹杂物形态、减少夹杂物数量、改善低温横向冲击韧性及高温延伸率的作用。

3)稀土的加入能够进一步降低钢的线膨胀系数，在稠油热采工况温度范围内，稀土钢热稳定性更好，更加安全。

[1] 卢小庆，方 华，张冬梅，等.高强度热采井专用套管TP100H的开发[J].钢铁，2001，36(10)：30-31．

[2] 曾亚勤，徐永高，金业权.注水井改为注气井的套管安全性研[J].石油机械，2004，32(8)：10-12.

[3] 杜 挺，王龙妹，吴夜明，等．稀土在钢中应用的热力学基础作用、问题和前景[C]//中国稀土学会稀土在钢中应用委员会，稀土在钢中应用技术研讨会论文集．包头包钢冶金研究所，1999年1月.