專利名稱：一種高鋼級抗硫鉆桿材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高鋼級抗硫鉆桿材料及其制備方法，屬于低碳合金鋼金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
國內(nèi)外現(xiàn)有抗硫鉆桿最高鋼級為105ksi，包括國外日本NKK、法國曼內(nèi)斯曼、格蘭特公司，及國內(nèi)寶鋼、渤海能克等公司均有105ksi鋼級的抗硫鉆桿。然而，國內(nèi)西部油氣田如四川、重慶及塔里木等重點油氣田普遍井深達(dá)到5000米以上，又含有不同程度的硫化氫介質(zhì)，對這些5000米以上深井，105ksi鋼級無法滿足鉆井載荷的需要，而且高鋼級鋼質(zhì)鉆桿對硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂非常敏感，硫化氫的存在很容易造成高鋼級鉆桿發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂，造成鉆具斷裂、掉井等事故，給鉆井工程造成極大危害。造成高鋼級鉆桿硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因是鋼質(zhì)鉆桿材料的成分設(shè)計及制造工藝對鉆桿的微觀組織特征影響明顯，而后者又決定了鉆桿的宏觀性能特征。
因此，仍有必要研發(fā)出一種高鋼級抗硫鉆桿材料，通過合理的成分及工藝設(shè)計，來優(yōu)化材料的微觀組織特征，實現(xiàn)抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高鋼級抗硫鉆桿材料及其制備方法。該高鋼級抗硫鉆桿材料的強(qiáng)度能夠達(dá)到105-135ksi鋼級范圍，其能夠應(yīng)用于含硫化氫的油氣田深井鉆井工程，滿足四川、重慶、塔里木等含硫化氫油氣田5000-8000米深井安全鉆井需要。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種高鋼級抗硫鉆桿材料，以質(zhì)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%，余量為 Fe。
在上述高鋼級抗硫鉆桿材料的成分組成中，碳元素(C)含量對于制備該材料時熱處理后形成的碳化物種類、數(shù)量有直接影響。錳(Mn)、硅(Si)對于材料冶煉中的鋼水流動性影響顯著。鉻(Cr)、鑰(Mo)屬于碳化物形成元素，與碳元素的合理搭配與調(diào)質(zhì)熱處理后第二相彌散物特征及材料的淬透性有直接關(guān)系。鎳(Ni)溶解于基體中，對于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(zhì)，對硫化氫應(yīng)力腐蝕有負(fù)面作用， 而上述的含量則最為合適。鈮(Nb)、釩(V)、鈦(Ti)屬于微量元素，適量添加可以抑制在制備該材料時的熱軋過程中的晶粒異常長大，還能夠細(xì)化晶粒，提高晶界強(qiáng)度及穩(wěn)定性，但任一元素添加過量將導(dǎo)致彌散物長大粗化，增加材料對硫化氫應(yīng)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(fā)形成致密的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(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。稀土元素鑭(La)可以凈化材料內(nèi)夾雜物，降低不同物相界及晶界殘余應(yīng)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(huán)境下不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。硫(S)、磷(P)屬于鋼中的雜質(zhì)元素，需要嚴(yán)格控制，實現(xiàn)材料的純凈度。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述的高鋼級抗硫鉆桿材料具備以下力學(xué)性能指標(biāo)室溫屈服強(qiáng)度為724-932MPa、室溫抗拉強(qiáng)度為850_1050MPa、延伸率為25-35%、室溫沖擊韌性為 145-180J、晶粒度為 9. 0-12. O 級、硬度為 HRC18-HRC25。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式
，優(yōu)選地，所述的高鋼級抗硫鉆桿材料滿足NACE0177 標(biāo)準(zhǔn)中A法試驗的性能要求，即在A溶液內(nèi)，對所述高鋼級抗硫鉆桿材料施加85%名義屈服強(qiáng)度，其持續(xù)720小時受載不會發(fā)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(jù)本發(fā)明的具體實施方式
，在透射電子顯微鏡下觀察，本發(fā)明的高鋼級抗硫鉆桿材料在平均每100平方微米面積中包含滲碳體及合金元素碳化物粒子顆粒數(shù)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(nèi)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征，可以實現(xiàn)鉆桿材料微觀組織的均勻化特征， 降低材料微觀應(yīng)力集中效應(yīng)。
本發(fā)明還提供一種上述高鋼級抗硫鉆桿材料的制備方法，其包括以下步驟按照所述高鋼級抗硫鉆桿材料的成分組成選取原料，將所述原料進(jìn)行熔煉、精煉及連鑄后，得到鑄錠；將所述鑄錠進(jìn)行軋制得到管材；然后對所述管材進(jìn)行熱處理，得到所述的高鋼級抗硫鉆桿材料。
在上述的制備方法中，優(yōu)選地，所述熱處理步驟包括依次進(jìn)行的正火處理、調(diào)質(zhì)處理及球化處理三個階段。
在上述的制備方法中，優(yōu)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，隨后空冷至室溫，得到正火后的管材。
在上述的制備方法中，優(yōu)選地，所述調(diào)質(zhì)處理包括以下步驟使所述正火后的管材在900-950°C下保溫45-60分鐘，隨后水淬至室溫，之后在600_640°C下回火45-90分鐘，然后水冷至室溫，得到調(diào)質(zhì)后的管材。
在上述的制備方法中，優(yōu)選地，所述球化處理包括以下步驟使所述調(diào)質(zhì)后的管材在680-720°C下保溫30-45分鐘，隨后水冷至室溫，得到所述高鋼級抗硫鉆桿材料。
在上述熱處理的過程中，正火處理能夠消除管材的殘余應(yīng)力、使微觀組織均勻化。 調(diào)質(zhì)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(xiàn)全奧氏體化，又不會發(fā)生晶粒粗化現(xiàn)象。球化處理能夠?qū)鼗鹚魇象w組織上第二相粒子進(jìn)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(yīng)力集中，降低所得到的鉆桿材料對硫化氫應(yīng)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(shù)量及形態(tài)特征，防止其進(jìn)一步長大和粗化。
在上述的制備方法中，優(yōu)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(zhuǎn)爐熔煉，然后經(jīng)真空脫氣、爐外精煉及電渣重熔凈化處理后，澆鑄成鑄錠；更優(yōu)選地，所述鑄錠為外徑為Φ230-Φ350的圓柱形鑄錠。采用上 述工藝可以實現(xiàn)材料的純凈化目標(biāo)，滿足P、S雜質(zhì)含量較低的技術(shù)要求。
在上述的制備方法中，優(yōu)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，隨后在900-1100°C下使所述具有全奧氏體組織的材料進(jìn)行依次進(jìn)行穿孔、軋管后，得到管材；更優(yōu)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后的材料具有細(xì)小的晶粒度尺寸，為后續(xù)熱處理提供基礎(chǔ)材料性能。
在上述軋制的過程中，對于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(qū)間的游離單質(zhì)態(tài)特征，增加動態(tài)再結(jié)晶異質(zhì)形核作用，實現(xiàn)晶粒細(xì)化和均勻化。對于保溫時間的控制可以保證鑄錠完全實現(xiàn)奧氏體化，但不會發(fā)生晶粒粗化。對于管材截面積的控制，即對于軋制變形量的控制，其能夠充分利用機(jī)械變形進(jìn)一步細(xì)化晶粒， 同時提聞材料的強(qiáng)朝性。
本發(fā)明提供的高鋼級抗硫鉆桿材料通過攻螺紋、鉆孔等常規(guī)的工藝能夠制備得到 105-135ksi鋼級范圍的抗硫鉆桿產(chǎn)品。該抗硫鉆桿產(chǎn)品能夠應(yīng)用于含硫化氫的油氣田深井鉆井工程，滿足四川、重慶、塔里木等含硫化氫油氣田5000-8000米深井安全鉆井需要。


圖1為實施例1的高鋼級抗硫鉆桿材料的金相圖。
圖2為實施例1的高鋼級抗硫鉆桿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的高鋼級抗硫鉆桿材料經(jīng)抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂性能測試后的照片。
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鉆桿材料，其制備方法包括以下步驟
按照所述高鋼級抗硫鉆桿材料的成分選取原料，其中，實施例1-3的高鋼級抗硫鉆桿材料的成分如表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(zhuǎn)爐熔煉，然后經(jīng)真空脫氣、 爐外精煉及電渣重熔凈化處理后，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；
然后使所述鑄 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，隨后在一定溫度下使所述具有全奧氏體組織的材料進(jìn)行依次進(jìn)行穿孔、軋管后，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、軋管溫度以及軋制后的管材與軋制前的鑄錠的截面積比均如表2所示；
隨后使所述管材進(jìn)行熱處理，所述熱處理包括正火、調(diào)質(zhì)及球化，形成所述高鋼級抗硫鉆桿材料，其中，實施例1-3的熱處理工藝中的正火、調(diào)制以及球化的工藝參數(shù)如表3 所示。
表I實施 例1-3的高鋼級抗硫鉆桿材料的成分，Wt %
實施例CSiMnPSCrNi
權(quán)利要求
1.一種高鋼級抗硫鉆桿材料，以質(zhì)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%，余量為Fe。
2.如權(quán)利要求1所述的高鋼級抗硫鉆桿材料，其具備以下力學(xué)性能指標(biāo)室溫屈服強(qiáng)度為724-932MPa、室溫抗拉強(qiáng)度為850_1050MPa、延伸率為25-35 %、室溫沖擊韌性為 145-180J、晶粒度為 9. 0-12. 0 級、硬度為 HRC18-HRC25。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高鋼級抗硫鉆桿材料，其滿足NACE0177標(biāo)準(zhǔn)中A法試驗的性能要求，即在A溶液內(nèi)，對所述高鋼級抗硫鉆桿材料施加85%名義屈服強(qiáng)度，其持續(xù)720 小時受載不會發(fā)生斷裂。
4.權(quán)利要求1-3任一項所述的高鋼級抗硫鉆桿材料的制備方法，其包括以下步驟按照所述高鋼級抗硫鉆桿材料的成分組成選取原料，將所述原料進(jìn)行熔煉、精煉及連鑄后，得到鑄錠；將所述鑄錠進(jìn)行軋制得到管材；然后對所述管材進(jìn)行熱處理，得到所述的高鋼級抗硫鉆桿材料。
5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其中，所述熱處理步驟包括依次進(jìn)行的正火處理、調(diào)質(zhì)處理及球化處理三個階段。
6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，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，隨后空冷至室溫，得到正火后的管材。
7.如權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其中，所述調(diào)質(zhì)處理包括以下步驟使所述正火后的管材在900-950°C下保溫45-60分鐘，隨后水淬至室溫，之后在600-640°C下回火45-90 分鐘，然后水冷至室溫，得到調(diào)質(zhì)后的管材。
8.如權(quán)利要求5-7任一項所述的制備方法，其中，所述球化處理包括以下步驟使所述調(diào)質(zhì)后的管材在680-720°C下保溫30-45分鐘，隨后水冷至室溫，得到所述高鋼級抗硫鉆桿材料。
9.如權(quán)利要求4-8任一項所述的制備方法，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(zhuǎn)爐熔煉，然后經(jīng)真空脫氣、爐外精煉及電渣重熔凈化處理后，澆鑄成鑄錠；優(yōu)選地，所述鑄錠為外徑為Φ230-Φ350的圓柱形鑄錠。
10.如權(quán)利要求4-9任一項所述的制備方法，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，隨后在900-1100°C 下使所述具有全奧氏體組織的材料進(jìn)行依次進(jìn)行穿孔、軋管后，得到管材；優(yōu)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(fā)明提供一種高鋼級抗硫鉆桿材料及其制備方法。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％，余量Fe。其制備方法包括按成分組成選取原料，將原料進(jìn)行熔煉、精煉及連鑄得到鑄錠；將鑄錠進(jìn)行軋制得到管材；對管材進(jìn)行熱處理，得到該高鋼級抗硫鉆桿材料。本發(fā)明的高鋼級抗硫鉆桿材料強(qiáng)度可達(dá)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(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)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(tuán)公司, 中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所