一種高鋼級抗硫鑽杆材料及其製備方法
2023-06-06 09:47:26 1
專利名稱：一種高鋼級抗硫鑽杆材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種高鋼級抗硫鑽杆材料及其製備方法，屬於低碳合金鋼金屬材料技術領域。
背景技術：
國內外現有抗硫鑽杆最高鋼級為105ksi，包括國外日本NKK、法國曼內斯曼、格蘭特公司，及國內寶鋼、渤海能克等公司均有105ksi鋼級的抗硫鑽杆。然而，國內西部油氣田如四川、重慶及塔裡木等重點油氣田普遍井深達到5000米以上，又含有不同程度的硫化氫介質，對這些5000米以上深井，105ksi鋼級無法滿足鑽井載荷的需要，而且高鋼級鋼質鑽杆對硫化氫應力腐蝕開裂非常敏感，硫化氫的存在很容易造成高鋼級鑽杆發生硫化氫應力腐蝕開裂，造成鑽具斷裂、掉井等事故，給鑽井工程造成極大危害。造成高鋼級鑽杆硫化氫應力腐蝕開裂的主要原因是鋼質鑽杆材料的成分設計及製造工藝對鑽杆的微觀組織特徵影響明顯，而後者又決定了鑽杆的宏觀性能特徵。
因此，仍有必要研發出一種高鋼級抗硫鑽杆材料，通過合理的成分及工藝設計，來優化材料的微觀組織特徵，實現抗硫化氫應力腐蝕開裂。發明內容
為解決上述技術問題，本發明的目的在於提供一種高鋼級抗硫鑽杆材料及其製備方法。該高鋼級抗硫鑽杆材料的強度能夠達到105-135ksi鋼級範圍，其能夠應用於含硫化氫的油氣田深井鑽井工程，滿足四川、重慶、塔裡木等含硫化氫油氣田5000-8000米深井安全鑽井需要。
為達上述目的，本發明提供一種高鋼級抗硫鑽杆材料，以質量百分比計，其包括以下成分組成C 0. 15 % -O. 25 %, Mn 0. 20 % -O. 50 %，Si 0. 20 % -O. 30 %， Cr 0. 50 % -1. 20 %, Ni 0. 80 % -1. 5 %, Mo 0. 50 % -1. 20 %, Nb 0. 01 % -O. 03 %, V 0. 01 % -O. 03 %, Ti 0. 01 % -O. 03 %, Al 1. O % -3. O %, La 0. 005 % -O. 01 %, S ^ O. 001%, P ·.( O. 003%，餘量為 Fe。
在上述高鋼級抗硫鑽杆材料的成分組成中，碳元素(C)含量對於製備該材料時熱處理後形成的碳化物種類、數量有直接影響。錳(Mn)、矽(Si)對於材料冶煉中的鋼水流動性影響顯著。鉻(Cr)、鑰(Mo)屬於碳化物形成元素，與碳元素的合理搭配與調質熱處理後第二相彌散物特徵及材料的淬透性有直接關係。鎳(Ni)溶解於基體中，對於提高鋼的韌性水平具有重要意義，但其含量過多則會形成游離的鎳單質，對硫化氫應力腐蝕有負面作用， 而上述的含量則最為合適。鈮(Nb)、釩(V)、鈦(Ti)屬於微量元素，適量添加可以抑制在製備該材料時的熱軋過程中的晶粒異常長大，還能夠細化晶粒，提高晶界強度及穩定性，但任一元素添加過量將導致彌散物長大粗化，增加材料對硫化氫應力腐蝕開裂的敏感性。鋁 (Al)的適量添加，可以提高抗氧化性 ，材料表面可以自發形成緻密的Al2O3薄膜，阻止硫化氫分子及活性氫原子滲入基體，從而提高材料的耐腐蝕性，過量添加則會引起鋼水冶煉中的自氧化，形成夾雜物，增加材料對硫化氫應力腐蝕開裂的敏感性。稀土元素鑭(La)可以淨化材料內夾雜物，降低不同物相界及晶界殘餘應力，提高第二相粒子形核位置均勻性，保證相界及晶界在硫化氫環境下不會發生應力腐蝕開裂。硫(S)、磷(P)屬於鋼中的雜質元素，需要嚴格控制，實現材料的純淨度。
在本發明中，優選地，所述的高鋼級抗硫鑽杆材料具備以下力學性能指標室溫屈服強度為724-932MPa、室溫抗拉強度為850_1050MPa、延伸率為25-35%、室溫衝擊韌性為 145-180J、晶粒度為 9. 0-12. O 級、硬度為 HRC18-HRC25。
根據本發明的具體實施方式
，優選地，所述的高鋼級抗硫鑽杆材料滿足NACE0177 標準中A法試驗的性能要求，即在A溶液內，對所述高鋼級抗硫鑽杆材料施加85%名義屈服強度，其持續720小時受載不會發生斷裂。其中，A溶液為含有5wt% NaCl和O. 5wt% CH3COOH的飽和H2S水溶液。
根據本發明的具體實施方式
，在透射電子顯微鏡下觀察，本發明的高鋼級抗硫鑽杆材料在平均每100平方微米麵積中包含滲碳體及合金元素碳化物粒子顆粒數為5-15個， 粒子的長徑比為1-1. 5，晶界上粒子間距與晶粒內粒子間距比值為O. 8-1。該材料具有晶粒等軸化、第二相粒子等軸化及彌散分布的特徵，可以實現鑽杆材料微觀組織的均勻化特徵， 降低材料微觀應力集中效應。
本發明還提供一種上述高鋼級抗硫鑽杆材料的製備方法，其包括以下步驟按照所述高鋼級抗硫鑽杆材料的成分組成選取原料，將所述原料進行熔煉、精煉及連鑄後，得到鑄錠；將所述鑄錠進行軋製得到管材；然後對所述管材進行熱處理，得到所述的高鋼級抗硫鑽杆材料。
在上述的製備方法中，優選地，所述熱處理步驟包括依次進行的正火處理、調質處理及球化處理三個階段。
在上述的製備方法中，優選地，所述正火處理包括以下步驟使所述管材在 900-930°C下保溫30-60分鐘，隨後空冷至室溫，得到正火後的管材。
在上述的製備方法中，優選地，所述調質處理包括以下步驟使所述正火後的管材在900-950°C下保溫45-60分鐘，隨後水淬至室溫，之後在600_640°C下回火45-90分鐘，然後水冷至室溫，得到調質後的管材。
在上述的製備方法中，優選地，所述球化處理包括以下步驟使所述調質後的管材在680-720°C下保溫30-45分鐘，隨後水冷至室溫，得到所述高鋼級抗硫鑽杆材料。
在上述熱處理的過程中，正火處理能夠消除管材的殘餘應力、使微觀組織均勻化。 調質處理能夠獲得單一、均勻的回火索氏體組織，控制奧氏體化溫度及時間，可以保證管材實現全奧氏體化，又不會發生晶粒粗化現象。球化處理能夠對回火索氏體組織上第二相粒子進行球化，降低其長徑比，以降低管材的第二相粒子周圍的微觀應力集中，降低所得到的鑽杆材料對硫化氫應力腐蝕裂紋的敏感性。回火及球化階段的水冷處理可以控制第二相粒子數量及形態特徵，防止其進一步長大和粗化。
在上述的製備方法中，優選地，所述熔煉、精煉及連鑄包括以下步驟在純鐵水中添加合金元素作為原料，將所述原料通過轉爐熔煉，然後經真空脫氣、爐外精煉及電渣重熔淨化處理後，澆鑄成鑄錠；更優選地，所述鑄錠為外徑為Φ230-Φ350的圓柱形鑄錠。採用上 述工藝可以實現材料的純淨化目標，滿足P、S雜質含量較低的技術要求。
在上述的製備方法中，優選地，所述軋制包括以下步驟使所述鑄錠在 9500C -1150°C下保溫45-60分鐘，得到具有全奧氏體組織的材料，隨後在900-1100°C下使所述具有全奧氏體組織的材料進行依次進行穿孔、軋管後，得到管材；更優選地，所述管材的截面積為所述鑄錠的截面積的4-10%。按照上述軋制工藝處理後的材料具有細小的晶粒度尺寸，為後續熱處理提供基礎材料性能。
在上述軋制的過程中，對於軋制溫度的控制可以有效利用Cr、Mo、Nb、V、Ti合金元素在特定溫度區間的游離單質態特徵，增加動態再結晶異質形核作用，實現晶粒細化和均勻化。對於保溫時間的控制可以保證鑄錠完全實現奧氏體化，但不會發生晶粒粗化。對於管材截面積的控制，即對於軋制變形量的控制，其能夠充分利用機械變形進一步細化晶粒， 同時提聞材料的強朝性。
本發明提供的高鋼級抗硫鑽杆材料通過攻螺紋、鑽孔等常規的工藝能夠製備得到 105-135ksi鋼級範圍的抗硫鑽杆產品。該抗硫鑽杆產品能夠應用於含硫化氫的油氣田深井鑽井工程，滿足四川、重慶、塔裡木等含硫化氫油氣田5000-8000米深井安全鑽井需要。
圖1為實施例1的高鋼級抗硫鑽杆材料的金相圖。
圖2為實施例1的高鋼級抗硫鑽杆材料的第二相粒子的透射電子顯微鏡照片。
圖3為實施例1-3的高鋼級抗硫鑽杆材料經抗硫化氫應力腐蝕開裂性能測試後的照片。
具體實施方式
實施例1-3
實施例1-3分別提供一種高鋼級抗硫鑽杆材料，其製備方法包括以下步驟
按照所述高鋼級抗硫鑽杆材料的成分選取原料，其中，實施例1-3的高鋼級抗硫鑽杆材料的成分如表I所示；
在純鐵水中添加合金元素作為原料，將所述原料通過轉爐熔煉，然後經真空脫氣、 爐外精煉及電渣重熔淨化處理後，澆鑄成鑄錠，其中，實施例1-3所得到的鑄錠的外徑如表 2所示；
然後使所述鑄 錠在一定溫度下保溫一定時間，得到具有全奧氏體組織的材料，隨後在一定溫度下使所述具有全奧氏體組織的材料進行依次進行穿孔、軋管後，形成管材，其中，實施例1-3的軋制工藝中的穿孔前保溫工藝、穿孔溫度、軋管溫度以及軋制後的管材與軋制前的鑄錠的截面積比均如表2所示；
隨後使所述管材進行熱處理，所述熱處理包括正火、調質及球化，形成所述高鋼級抗硫鑽杆材料，其中，實施例1-3的熱處理工藝中的正火、調製以及球化的工藝參數如表3 所示。
表I實施 例1-3的高鋼級抗硫鑽杆材料的成分，Wt %
實施例CSiMnPSCrNi
權利要求
1.一種高鋼級抗硫鑽杆材料，以質量百分比計，其包括以下成分組成C : 0. 15 % -0. 25 %, Mn 0. 20 % -0. 50 %, Si 0. 20 % -0. 30 %, Cr 0. 50 % -1. 20 %, Ni 0. 80 % -1. 5 %, M0 0. 50 % -1. 20 %, Nb 0. 01 % -0. 03 %, V 0. 01 % -0. 03 %, Ti 0. 01% -0. 03%, Al 1. 0% -3. 0%, La 0. 005% -0. 01 %, S 0. 001 %, P 0. 003%，餘量為Fe。
2.如權利要求1所述的高鋼級抗硫鑽杆材料，其具備以下力學性能指標室溫屈服強度為724-932MPa、室溫抗拉強度為850_1050MPa、延伸率為25-35 %、室溫衝擊韌性為 145-180J、晶粒度為 9. 0-12. 0 級、硬度為 HRC18-HRC25。
3.如權利要求1或2所述的高鋼級抗硫鑽杆材料，其滿足NACE0177標準中A法試驗的性能要求，即在A溶液內，對所述高鋼級抗硫鑽杆材料施加85%名義屈服強度，其持續720 小時受載不會發生斷裂。
4.權利要求1-3任一項所述的高鋼級抗硫鑽杆材料的製備方法，其包括以下步驟按照所述高鋼級抗硫鑽杆材料的成分組成選取原料，將所述原料進行熔煉、精煉及連鑄後，得到鑄錠；將所述鑄錠進行軋製得到管材；然後對所述管材進行熱處理，得到所述的高鋼級抗硫鑽杆材料。
5.如權利要求4所述的製備方法，其中，所述熱處理步驟包括依次進行的正火處理、調質處理及球化處理三個階段。
6.如權利要求5所述的製備方法，其中，所述正火處理包括以下步驟使所述管材在 900-930°C下保溫30-60分鐘，隨後空冷至室溫，得到正火後的管材。
7.如權利要求5或6所述的製備方法，其中，所述調質處理包括以下步驟使所述正火後的管材在900-950°C下保溫45-60分鐘，隨後水淬至室溫，之後在600-640°C下回火45-90 分鐘，然後水冷至室溫，得到調質後的管材。
8.如權利要求5-7任一項所述的製備方法，其中，所述球化處理包括以下步驟使所述調質後的管材在680-720°C下保溫30-45分鐘，隨後水冷至室溫，得到所述高鋼級抗硫鑽杆材料。
9.如權利要求4-8任一項所述的製備方法，其中，所述熔煉、精煉及連鑄包括以下步驟在純鐵水中添加合金元素作為原料，將所述原料通過轉爐熔煉，然後經真空脫氣、爐外精煉及電渣重熔淨化處理後，澆鑄成鑄錠；優選地，所述鑄錠為外徑為Φ230-Φ350的圓柱形鑄錠。
10.如權利要求4-9任一項所述的製備方法，其中，所述軋制包括以下步驟使所述鑄錠在950°C -1150°C下保溫45-60分鐘，得到具有全奧氏體組織的材料，隨後在900-1100°C 下使所述具有全奧氏體組織的材料進行依次進行穿孔、軋管後，得到管材；優選地，所述管材的截面積為所述鑄錠的截面積的4-10%。
全文摘要
本發明提供一種高鋼級抗硫鑽杆材料及其製備方法。該材料包括以下成分組成(wt％)C0.15-0.25％，Mn0.20-0.50％，Si0.20-0.30％，Cr0.50-1.20％，Ni0.80-1.5％，Mo0.50-1.20％，Nb0.01-0.03％，V0.01-0.03％，Ti0.01-0.03％，Al1.0-3.0％，La0.005-0.01％，S≤0.001％，P≤0.003％，餘量Fe。其製備方法包括按成分組成選取原料，將原料進行熔煉、精煉及連鑄得到鑄錠；將鑄錠進行軋製得到管材；對管材進行熱處理，得到該高鋼級抗硫鑽杆材料。本發明的高鋼級抗硫鑽杆材料強度可達105-135ksi。
文檔編號C21D8/10GK103060713SQ20131002402
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月22日 優先權日2013年1月22日
發明者韓禮紅, 李方坡, 路彩虹, 王航, 李金鳳, 馮耀榮, 劉永剛 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣集團公司管材研究所