一種120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆及其製造方法
2023-11-06 04:54:57 2
專利名稱：一種120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種鑽杆及其製造方法，尤其涉及一種抗硫鑽杆及其製造方法。
背景技術：
用於石油天然氣鑽探的鑽杆是按API標準生產製造的。根據API SPEC 5DP標準， 鑽杆僅有E、X、G、S四種鋼級，分別對應75ksi、95ksi、105ksi、135ksi四種強度。但是，API 標準的Ε、X、G、S四種鋼級的鑽杆不適用於含H2S的油氣井鑽探。對於含的油氣井，油田一般採用抗硫鑽杆進行鑽探作業。所謂抗硫鑽杆是指鑽杆應在規定的拉伸載荷下，通過NACE 0177標準試驗的抗硫化物應力腐蝕開裂的鑽杆產品。抗硫鑽杆一般採用加拿大IRP標準進行生產。該標準規定抗硫鑽杆有75SS、95SS、105SS 三種鋼級，分別對應75ksi、95ksi、l(^ksi三種強度。公開號為CN101581200，
公開日為2009年11月18日，名稱為「一種120鋼級鑽杆及其製造工藝方法」的中國專利文獻公開了一種120ksi鋼級鑽杆。該鑽杆採用27CrMnM0 材質，其強度介於API標準G級與S級之間。但是該鑽杆是普通的120ksi鑽杆，不具備抗硫能力。公開號為CN101117683，
公開日為2008年2月6日，名稱為「一種高性能抗硫化氫腐蝕用石油鑽杆及其熱處理工藝」的中國專利文獻公開了一種抗硫鑽杆，其成分重量百分比為C :0. 20 0. 32% ；Si 0. 1 0. 5% ；Mn 1. 0 1. 5% ；Cr 0. 5 1. 5% ；Mo 0. 8 1. 2% ；Ca 0. 002 0. 02% ；P 彡0. 015% ；S 彡0. 010% ；其餘為Fe和不可避免雜質。該抗硫鑽杆符合IRP標準，其強度為10證8士。公開號為CN101^8889A，
公開日為2010年12月29日，名稱為「一種抗硫化物腐蝕用鋼及其製造方法」的中國專利文獻公開了一種抗硫鑽杆，其成分重量百分比為C 0. 20 0. 35 % ；Si :0. 1 0. 5 % ；Mn :0. 8 1. 5 % ；Cr :0. 5 1. 5 % ；Mo :0. 5 1. 5 % ； V :0 0. 25 % ；Ti 0 0. 05 % ；Nb 0 0. 05 % ；Ca :0. 008 0. 02 % ;P 彡 0. 015 % ；S ^ 0. 010% ；0 ^ 30ppm ；N ^ 60ppm ；Al :0. 01 0. 03%，其餘為！^e 和不可避免雜質。該抗硫鑽杆符合IRP標準，其強度為10證8士。由於抗硫鑽杆生產難度大，因此價格非常之高。而實際上相當一部分含的油氣井中的含量非常低，油氣的產量也非常低，如果採用抗硫鑽杆，生產成本將會相當高， 但若採用API鋼級鑽杆，又不能滿足抗硫性能。特別對於一些低含硫的超深井，採用105SS 的抗硫鑽杆強度太低容易發生過載斷裂；採用普通120ksi鑽杆的話，因其不能抗硫，從而容易發生硫化物應力腐蝕開裂。
發明內容
本發明的目的在於提供一種120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆及其製造方法，該 120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆能夠達到120ksi的強度，並同時具有一定的抗硫能力，從而滿足低含硫超深井的鑽探要求，此外本發明所述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆還應當符合製造成本低的要求。 根據上述發明目的，本發明提供了-素的重量百分比為
-種120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆，其各化學元C 0. 24 030% ；
Si0. 1 05% ；
Mn0. 8 14% ；
Cr0. 8 14% ；
Mo0. 5 08% ；
V 0. 05 010% ；
Nb0. 01 --0. 05% ；
Ca0. 002 0. 007%
P (0. 015% ；
S 彡 0. 005% ；
餘量為!^e和其他不可避免的雜質。
優選地，在上述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆中，Ca/S彡1。 優選地，上述120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆各化學元素的重量百分比為C 0. 25 --0.29%
Si0. 2 --0.40%
Mn1. 0 --1.2%
Cr1. 0 --1.2%
Mo0. 6 --0.75%
V 0. 05 --0.09%
Nb 0. 01 0. 05% ； Ca 0. 003 0. 007% ； P 彡 0. 015% ； S 彡 0. 005% ；
餘量為Fe和其他不可避免的雜質。
本發明所述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆的成分設計原理如下 C :C為碳化物形成元素，可以提高鋼的強度，太低時效果不明顯，太高時會大大降低鋼的韌性，並有可能產生淬火裂紋。發明人通過試驗發現，對於本技術方案需要將C控制在0. 24 0. 30%範圍內。Mn =Mn為奧氏體形成元素，通過穩定奧氏體組織，推遲高溫冷卻過程中奧氏體向鐵素體和貝氏體的轉變，從而得到更多的淬火馬氏體，提高鋼的淬透性。對於本技術方案來說，若Mn含量小於0. 8%時，提高淬透性的作用不明顯；若Mn含量過高，則奧氏體過於穩定，會增加淬火後的殘餘奧氏體量，從而影響抗硫性能。因此，需要控制在0. 8 1. 4%範圍內。Cr :Cr為碳化物形成元素，可以提高鋼的強度和淬透性，太低時效果不明顯；太高時會大大提高鋼的硬度，從而影響抗硫性能。因此，在本技術方案中需要控制其含量在 0. 8 1. 4%範圍內。
Mo 在本技術方案中，Mo主要是通過碳化物析出強化及固溶強化形式來提高鋼的強度和回火穩定性。Mo的碳化物顆粒細小，不會造成微觀組織結構的應力集中，從而有利於提高抗硫性能。較高的Mo含量在形成Mo的碳化物同時，還會有一部分多餘的Mo固溶在基體中，以固溶強化的形式提高鋼的回火穩定性。回火穩定性的提高有利於提高回火溫度，從而降低熱處理後的殘餘應力，提高抗硫性能；但是Mo含量過高則會大大提高成本。因此將 Mo的含量控制在0.5 0.8%範圍內。V 本技術方案通過加入V來細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性；但V 含量達到一定量時，其效果增加便不明顯，同時兼顧到成本因素，本技術方案將其控制在 0. 05 0. 10%的範圍內。Nb 本技術方案通過加入Nb來細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性；但含量達到一定量時，其效果增加便不明顯，同時兼顧到成本因素，本技術方案中將其控制在 0. 01 0. 05%的範圍內。Si 本技術方案中為了提高鑽杆的澆鑄性能必須加入Si元素，但其含量過高會增加鋼的脆性，因此本技術方案中將其含量控制在0. 1 0. 5%的範圍內。Ca :Ca可以使夾雜物球化，從而提高抗硫性能。通常MnS聚集在鋼的晶間成條狀夾雜，使鋼的延展性變差。通過加入Ca可以使鋼中的MnS夾雜物轉變為球狀的複合夾雜， 從而提高抗硫化物應力破壞性。因此，在本技術方案中，Ca的含量控制在0. 002 0. 007% 範圍內；尤其是當Ca/S ^ 1時，會得到更好的抗硫性能。S =S為雜質元素，所以其含量越低越好，當S含量超過0. 005%時，會增加硫化物含量，從而影響鋼的抗硫能力。因此本技術方案中將其含量控制在0. 005%以下。P =P為雜質元素，所以其含量越低越好，當P元素超過0. 015%時，會增加微觀偏析，從而影響鋼的抗硫能力。因此本技術方案中將其含量控制在0. 015%以下。與滿足IRP標準的l(^ksi抗硫鑽杆相比，本技術方案所加入的Mo含量較低，並且不含Ti元素，也不必嚴格控制0、N、Al元素的含量，從而降低了鑽杆製造成本。相應地，本發明還提供了該120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆的製造方法在淬火步驟中，將鑽杆整體加熱到900 950°C後，進行鑽杆內表面軸流噴水冷卻和鑽杆外表面層流噴水冷卻，同時控制鑽杆加厚管端的噴水量與管體的噴水量不同以使不同壁厚的管體和加厚管端具有相同的冷卻速度，以保證管體和加厚端具有相同的淬火組織；在回火步驟中，控制回火溫度為680 720°C。本技術方案中的回火溫度遠高於普通120ksi鋼級鑽杆的回火溫度，從而使本發明專利的鑽杆的衝擊韌性遠高於普通120ksi 鋼級鑽杆的水平，具有一定的抗硫能力。優選地，在上述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆的製造方法中，所述淬火步驟中， 將鑽杆整體加熱到920°C。優選地，在上述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆的製造方法中，所述回火步驟中， 控制回火溫度為690 710°C。本發明所述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆由於採用了上述技術方案，使得其具有以下優點1.本發明所述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆達到了 120ksi鋼級的強度；
2.本發明所述的一種120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆具有一定的抗硫性能；3.本發明所述的一種120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆大幅地降低了抗硫鑽杆的成本。
具體實施例方式實施例1-6採用下述步驟製備120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆(本案實施例1-6以及對比例各鋼種成分見表1，其中對比例為現有技術常用的CrMnMo鋼鑽杆)(1)對管端進行加厚處理，製成加厚鑽杆的管體；(2)淬火將鑽杆整體加熱到900 950°C後，放置於一個旋轉淬火臺架上，在鑽杆旋轉的同時，進行鑽杆內表面軸流噴水冷卻和鑽杆外表面層流噴水冷卻，同時控制鑽杆加厚管端的噴水量與管體的噴水量不同以使不同壁厚的管體和加厚管端具有相同的冷卻速度；(3)回火在溫度為680 720°C的範圍內對鑽杆進行回火。表1.(餘量為!^e以及除P、S以外其他不可避免的雜質))
權利要求
1.一種120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆，其特徵在於，其各化學元素的重量百分比為C 0. 24 0. 30 %，Si :0. 1 0. 5 %，Mn :0. 8 1. 4 %，Cr :0. 8 1. 4 %，Mo :0. 5 0. 8 %，V :0. 05 0. 10 %，Nb :0. 01 0. 05 %，Ca :0. 002 0. 007 %，P 彡 0. 015 %，S ^ 0. 005 %，餘量為！^和其他不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆，其特徵在於，Ca/S^ 1。
3.如權利要求2所述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆，其特徵在於，其各化學元素的重量百分比為C 0. 25 0. 29%, Si :0. 2 0. 4%，Mn :1. 0 1. 2%，Cr :1. 0 1. 2%，Mo :0. 6 0. 75%, V 0. 05 0. 09%, Nb :0. 01 0. 05%, Ca :0. 003 0. 007%，P 彡 0. 015%, S ^ 0. 005 %，餘量為！^和其他不可避免的雜質。
4.如權利要求1-3中任意一項所述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆的製造方法，其特徵在於在淬火步驟中，將鑽杆整體加熱到900 950°C後，進行鑽杆內表面軸流噴水冷卻和鑽杆外表面層流噴水冷卻，同時控制鑽杆加厚管端的噴水量與管體的噴水量不同以使不同壁厚的管體和加厚管端具有相同的冷卻速度；在回火步驟中，控制回火溫度為680 720°C。
5.如權利要求4所述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆的製造方法，其特徵在於，所述淬火步驟中，將鑽杆整體加熱到920°C。
6.如權利要求4所述的120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆的製造方法，其特徵在於，所述回火步驟中，控制回火溫度為690 710°C。
全文摘要
本發明公開了一種120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆，其各化學元素的重量百分比為C0.24～0.30％；Si0.1～0.5％；Mn0.8～1.4％；Cr0.8～1.4％；Mo0.5～0.8％；V0.05～0.10％；Nb0.01～0.05％；Ca0.002～0.007％；P≤0.015％；S≤0.005％；餘量為Fe和其他不可避免的雜質。相應地，本發明還提供了該120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆的製造工藝，該製造工藝通過對淬火步驟以及回火步驟的控制，使得該120ksi鋼級的初級抗硫鑽杆能夠保持120ksi鋼級強度的同時，並具有一定的抗硫能力；此外，該初級抗硫鑽杆還具有成本較低的優點。
文檔編號C21D1/18GK102330027SQ20111031054
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月13日 優先權日2011年10月13日
發明者王超峰, 王鳴華, 耿鴻明, 董長富, 趙鵬 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司