用於衝擊巖石鑽探的延伸部件和鋼的製作方法
2023-05-19 23:51:11
專利名稱：用於衝擊巖石鑽探的延伸部件和鋼的製作方法
背景技術：
本發明涉及一種馬氏體的耐腐蝕鋼，用於巖石鑽探，具有新穎的改良性質，特別與耐腐蝕疲勞相關。
現有技術
在衝擊巖石鑽探中，衝擊波和旋轉從鑽床經過一個或多個杆或管道傳輸到一個硬質合金裝配地鑽頭。鑽鋼，即用於鑽頭、杆、管道、套管和柄適配器等的材料，在鑽探時經受腐蝕的侵襲。特別是在地下鑽探中，這裡的水用作衝洗介質，總體環境比較潮溼。腐蝕侵襲對於壓力最大的部位即螺紋底部和螺紋間隔處尤其嚴重。由彎曲所引起的脈動應力和上面所提到的衝擊波兩者相結合，就會發生所謂的腐蝕疲勞(
圖1)。這是鑽鋼破壞的常見原因。
低合金的表面硬化鋼通常用於鑽探。原因是螺紋部分的磨損和損耗通常限制使用壽命。由於鑽床和刀具已變得更有效，這些問題已經減少，腐蝕疲勞已成為限制因素。表面硬化在表面施加壓縮應力，這在某些程度上延緩了疲勞。
US-A-5,496,421涉及了一種高強度的馬氏體不鏽鋼。這種鋼含有不多於0.06wt％的C、12-16wt％的Cr、不多於1wt％的Si、不多於2wt％的Mn、0.5-8wt％的Ni、0.1-2.5wt％的Mo、0.3-4wt％的Cu、不多於0.05wt％的N、其餘為Fe和一些不可避免的雜質，所說的鋼含有的δ-鐵相的面積比率最多為10％。所知的鋼用於解決由酸性環境所引起的應力腐蝕問題。
發明目的
本發明的一個目的是提供一種用於衝擊巖石鑽探的延伸部件，它能進一步提高現代採礦效率。
本發明的另一目的是提供一種壽命較長的用於衝擊巖石鑽探的延伸部件。
本發明還有另一目的是提供一種具有降低的腐蝕率的鑽鋼。
本發明還有另一目的是提供一種具有降低的腐蝕疲勞敏感度的鑽鋼。
附圖的簡要說明
上述以及其它的目的是通過一個延伸部件和鑽鋼實現的，正如參照附圖在所附的專利權利要求書中所定義的。
圖1顯示了在25倍下，一種低合金鋼的螺紋底部的裂縫。
圖2顯示了在500倍下，根據本發明的一種鑽鋼的結構。
發明詳述
本發明涉及一種用於巖石鑽探的鋼，用一種具有馬氏體基質的耐腐蝕的合金製成，這種耐蝕性是通過加入Cr以及Mo、W、Cu，或者再加入N而獲得的。由馬氏體結構(圖2)，得到應用時所必需的強度和核心硬度。優選的馬氏體濃度是50～100wt％，最佳為大於75wt％。最終的抗張強度將大於800Mpa，最佳為1300～3000MPa。
通過使用一種抗腐蝕合金製作鑽鋼，由於增加了鉻，在表面上得到了一個鈍態層，它防止了腐蝕或者減小了腐蝕速率，從而降低了腐蝕疲勞度，特別是在螺紋底部，如圖1所示。按照本發明，為了使鑽鋼能充分耐腐蝕，要求含有至少11％濃度的鉻。碳和/或氮(c+N)的總濃度必須大於0.05％，優選為0.1～0.8％。
另一方面，鉻濃度可以低於11％，最低為5％，這可由優選加入鉬(最高為5％，優選為0.5～2wt％)、鎢(最高為5％，優選為0.5～2wt％)和/或銅(最高為2％，優選為0.1～1wt％)進行補償，其中Mo+W+Cu的總濃度大於0.5％，優選為大於1wt％。
還有一種方法是合金含有的成分的PRE數目大於10，優選為12～17。PRE表示「耐點蝕等價物」，描述了一種合金對於點蝕的抵抗力。PRE定義式如下
PRE＝Cr+3.3(Mo+W)+16N
其中Cr、Mo、W和N為相應元素的質量百分比含量。
根據本發明所製得的鋼另外會有大於400維氏硬度的表面硬度，優選為500～800維氏硬度，以便進一步增加它的耐磨損力，這些磨損由螺紋聯接處的運動、鑽子切割或者與周圍巖石的接觸(砂球牆)所產生。所述的鋼優選具有硬度增加的0.5～2.0mm厚的表面層。
根據本發明的鑽鋼以傳統的鋼條生產和加工方法製備。為了得到所需的馬氏體結構，鋼需要經過硬化或冷卻處理。耐磨損力可以通過表面的感應加熱淬滅或應用表面處理方法，比如滲碳和滲氮而進一步改進。
本發明也涉及根據本發明的鋼作為鑽鋼的應用。
不需在整個部件上使用根據本發明的鋼，而只將一個或兩個螺紋末端進行處理，然後焊接或聯結於杆或管道或其它材料上。
實施例
在所謂的通徑試驗機鑽探中，使用大約有4米長的杆。這些杆的關鍵部分是陽螺紋的底部，如圖1所示，其中衝洗液和脈動應力引起腐蝕疲勞，這通常導致斷裂。
通徑試驗機杆是用三種合金製成的，其組成如下所示
鑽探是在用於通徑試驗機地下鑽探的裝置上進行的，持續鑽探直到發生斷裂或磨損。以鑽探距離為衡量單位，得到下列壽命長度
傳統型號的通徑試驗機杆(即低合金的表面硬化鋼)的普通壽命在所考慮的試驗點(這裡的巖石主要由花崗巖組成)大約為2000米，這表明使用本發明的鑽鋼其使用壽命可得到顯著的提高。
換句話說，根據本發明的所有鋼含有共同的特性C+N≥0.1wt％，這樣的一種優選的鋼來自於下列的組成之一
C+N≥0.1wt％並且Cr≥11wt％ 或者
C+N≥0.1wt％並且Cr≥5wt％、Mo≤5wt％、W≤5wt％、Cu≤2wt％、Mo+W+Cu＞0.5％或者
C+N≥0.1wt％並且Cr+3.3(Mo+W)+16N＞10wt％。
權利要求
1.用於衝擊巖石鑽探用的延伸部件的鋼，這種部件包括至少一個螺紋和衝洗管道，其特徵在於至少螺紋處的鋼是耐腐蝕的，其腐蝕疲勞的敏感度降低，並且主要含有馬氏體結構。
2.根據權利要求1所述的鋼，其中馬氏體的含量介於50％和100％之間，這種鋼含有
C+N≥0.1wt％並且Cr≥11wt％或者
C+N≥0.1wt％並且Cr≥5wt％、Mo≤5wt％、W≤5wt％、Cu≤2wt％、Mo+W+Cu＞0.5％或者
C+N≥0.1wt％並且Cr+3.3(Mo+W)+16N＞10wt％。
3.根據權利要求2所述的鋼，其中馬氏體含量大於75wt％。
4.根據權利要求1、2或3之一所述的鋼，其中Cr＞5wt％。
5.根據權利要求4所述的鋼，它另外含有Mo＜5wt％、W＜5wt％和/或Cu＜2wt％。
6.根據權利要求1到5的任何一個所述的鋼，其中鋼的組成給出的PRE數大於10，這裡PRE由如下公式定義PRE＝Cr+3.3(Mo+W)+16N，並且其中Cr、Mo、W和N為所述元素的相應的質量百分比含量。
7.用於衝擊巖石鑽探的延伸部件，包含至少一個螺紋和衝洗管道，其特徵在於至少螺紋是由腐蝕疲勞敏感度較小的耐腐蝕的鋼製成的，並且所述的鋼主要含有馬氏體結構。
8.根據權利要求7所述的部件，其中馬氏體含量介於50wt％和100wt％之間，並且這種鋼含有
C+N≥0.1wt％並且Cr≥11wt％ 或者
C+N≥0.1wt％並且Cr≥5wt％、Mo≤5wt％、W≤5wt％、Cu≤2wt％、Mo+W+Cu＞0.5％或者
C+N≥0.1wt％並且Cr+3.3(Mo+W)+16N＞10wt％。
9.根據權利要求8所述的部件，其中馬氏體含量大於75wt％。
10.用於衝擊巖石鑽探用的延伸部件的鋼的用途，所述延伸部件包括至少一個螺紋和衝洗管道，其特徵在於在至少一個螺紋上的鋼是耐腐蝕的，其腐蝕疲勞敏感度降低，並且主要含有馬氏體結構。
全文摘要
本發明涉及一種馬氏體的耐腐蝕鋼，用於巖石鑽探，其改善的性質主要與耐腐蝕疲勞相關。用主要為馬氏體結構的耐腐蝕鋼製成了至少包括一個螺紋和一個衝洗管道的用於衝擊巖石鑽探的延伸部件。
文檔編號E21B17/042GK1401013SQ0180505
公開日2003年3月5日 申請日期2001年2月13日 優先權日2000年2月16日
發明者約翰·林登, 拉爾斯貢納爾·倫德爾 申請人:桑德維克公司