CN101581200A - 一种120钢级钻杆及其制造工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种120钢级钻杆及其制造工艺方法，此种120钢级钻杆管体采用27CrMnMo，接头材料采用AISI4137HM，其中，接头化学成分及质量百分比分别为C≤0.40％，S≤0.015％，P≤0.010％，N≤0.009％，B≤0.005％，公母接头尺寸与G105钻具相同，机械性能分别为：屈服强度130－150Ksi，延伸率≥17％，布氏硬度HB290－330，纵向冲击功80J，横向冲击功60J，端面收缩率≥45％。此种钻杆的制造工艺方法包括管体制造、接头制造、对焊等工艺等步骤。本发明提供的120钢级钻杆具有良好的机械性能，适用于4000－5000m深井钻井，由于接头内孔扩大，有利于钻进过程中的水力破岩作用，并可充分发挥大功率钻井泵的作用，提高机械钻速；本发明提供的钻杆制造工艺方法，易于实施，实用可靠，效果良好。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于石油钻井工程特别是中深井钻的钻具及其制造工艺方法，属石油钻井工程及机械加工技术类。
背景技术：
石油钻杆是石油钻井过程中的重要工具和易耗品，随着石油天然气行业的发展和浅层油气层的逐渐减少和枯竭，钻井深度逐渐由2000m左右增加到4000m左右，部分井深达到4000m以上，探井深度达到5000-7000m，甚至达到10000m。由于钻井深度的增加，钻井施工过程使用的钻机、钻具均需随之升级，取代原有的浅层钻井设备和工具。目前，现场在石油钻井施工时使用的钻杆通常采用美国石油协会(API)的制造标准，其中，G105和S135钢级钻杆适用的钻井深度分别为4000±500m和4500m。这两种钢级钻杆的管体外型尺寸和材料基本相同，只是通过对热处理参数进行调整得到不同的屈服强度：G105钻杆为105-135Ksi(724-931Mpa)，S135钻杆为135-165Ksi(931-1138Mpa)。对于钻井工程的实际工况而言，G105钢级钻杆强度较低，而S135钻杆强度虽超过135Ksi，但其公接头内孔直径较小，过流截面小，在钻井过程中易发生脆性断裂，生产实际需要推出一种既有足够强度又有良好防脆性断裂性能的新型钢级钻杆。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种具有足够强度和良好防脆性断裂性能的120钢级钻杆及其制造工艺方法。
本发明目的技术方案如下。此种120钢级钻杆管体采用27CrMnMo，接头材料采用AISI4137HM，其中，接头化学成分及质量百分比分别为C≤0.40％，S≤0.015％，P≤0.010％，N≤0.009％，B≤0.005％，公母接头尺寸与G105钻具相同，机械性能分别为：屈服强度130-150Ksi，延伸率≥17％，布氏硬度HB290-330，纵向冲击功80J，横向冲击功60J，端面收缩率≥45％，晶粒度等级7级。此种钻杆的制造工艺方法和实施步骤如下：
1、管体制造：选用优质改进型合金材料27CrMnMo4s/1作为钻杆管体材料，将其两端烧红(1100-1200℃)后，利用加厚压力机和专门设计的模具，采用内外加厚方式将两端150mm范围内的管体外径加大、内径缩小到美国石油协会标准API Spec5D要求，管体一端1.2m范围内感应圈三次逐步加热，防止管体加热过快造成管体爆裂，三次加热的目的是每次加热时间都不长，以提高生产线的进度；管端镦粗两次镦粗到标准规定尺寸，两次镦粗的目的在于一方面防止一步到位造成管端或过渡带裂纹，同时提高生产线速度；掉头用同样方式镦粗管体另一端；将加厚过的管体通过900-920℃淬火和600-620℃回火热处理，使其最低屈服强度达到120-135Ksi(827-931Mpa)；为了获得均匀的热处理效果，避免管体弯曲变形，利用天然气整体炉式加热、整体式水淬，温度必须均匀，炉内多处采用实时摄像头监控，炉内全部支架和传动系统采用耐高温不锈钢制造；对热处理后的管体经校直处理和步进式缓慢冷却后进行电磁探伤，找出裂纹或挤压缺陷；对管体端部同样进行校直、加工，然后用磁粉或超声波探伤，发现微型裂纹采取补救办法或锯掉重新加厚；
2、接头制造：选用优质改进型合金材料AISI4137HM作为钻杆接头材料，要求每件单独锻造成型，不得将长料锯断作为原料，后者金属锻造过程中形成的细长晶粒沿轴向方向延伸，加工过程中会被切断，不利于保持接头机械性能；热处理采用880-920℃淬火和600-620℃回火工艺，毛坯粗加工后，热处理过程中适当碳氮共渗，防止接头表面的金属层碳元素流失，然后在精加工过程中将渗碳层加工掉，以避免接头裸露表面脆硬，使得机械性能更加均匀；对螺纹表面镀铜，用以防止螺纹在大扭矩下发生粘合现象；按ASTMA370方法进行冲击功试验，10×10mm试件的纵向冲击功超过90J，横向冲击功超过70J，冲击功要求远远高于API Spec7要求，以保证接头性能满足P120钻杆大水眼方面的强度要求；
3、对焊；采用大型惯性摩擦机进行钻杆管体和接头的对焊，焊缝采取890-920℃淬火和590-610℃回火处理，使最低屈服强度达到105Ksi(724Mpa)。由于焊缝部位是两种金属的融合线，壁厚一般为管体的两倍，为了保证焊区在使用过程中不发生硬性脆裂，强度要求可比管体略低一些；对焊后主要工作如下：冲压钻杆内孔焊缝溢出物，在焊缝处于红热状态时，用设在对焊机上的冲头将钻杆内孔中的金属溢出物冲掉；焊缝退火，降低焊缝硬度；外圆焊缝机加工，用车床将钻杆外圆焊缝处的金属溢出物车去；焊缝淬火和回火处理，使钻杆机械性能达到标准要求，可抽样进行试验检测；内外焊缝修模，使用机械砂轮进行打磨，使管体端部与接头端部同心；焊缝检测，进行超声波探伤和磁粉探伤；焊耐磨带，用以减少钻杆接头直接承受的摩擦力，延长使用寿命；钻杆内表面涂覆内涂层，用以防止钻杆内壁腐蚀或被高压泥浆直接冲刷，延长钻杆使用寿命；钻杆外表面喷油漆、标识；重量、长度测量，准备质量证明文件；钻杆加工完毕，待发运使用。
本发明提供的120钢级钻杆具有良好的机械性能，强度和防脆性断裂性能，适用于4000-5000m深井钻井，由于接头内孔扩大，有利于钻进过程中的水力破岩作用，并可充分发挥大功率钻井泵的作用，提高机械钻速；本发明提供的钻杆制造工艺方法易于实施，实用可靠，效果良好。
附图说明：
附图为本发明的结构和制造工艺示意图。
具体实施方式：
以下结合附图加以说明。
如图所示，本发明提供的120钢级钻杆由公接头1、钻杆管体2和母接头3组成，图中，标号“4”、“5”分别为公接头1、母接头3与钻杆管杆2对焊的焊缝。该钻杆的各部件和总体制造加工工艺过程如前所述。
Claims (2)
1、一种120钢级钻杆，其特征在于：此种120钢级钻杆管体采用27CrMnMo，接头材料采用AISI4137HM，其中，接头化学成分及质量百分比分别为C≤0.40％，S≤0.015％，P≤0.010％，N≤0.009％，B≤0.005％，公母接头尺寸与G105钻具相同，机械性能分别为：屈服强度130-150Ksi，延伸率≥17％，布氏硬度HB290-330，纵向冲击功80J，横向冲击功60J，端面收缩率≥45％，晶粒度等级7级。
2、一种120钢板钻杆及其制造工艺方法，其特征在于：此种钻杆的制造工艺方法和实施步骤如下：
(1)、管体制造：选用优质改进型合金材料27CrMnMo4s/1作为钻杆管体材料，将其两端烧红(1100-1200℃)后，利用加厚压力机和专门设计的模具，采用内外加厚方式将两端150mm范围内的管体外径加大、内径缩小到美国石油协会标准API Spec5D要求，管体一端1.2m范围内感应圈三次逐步加热，防止管体加热过快造成管体爆裂，提高生产线的进度；管端镦粗两次镦粗到标准规定尺寸；掉头用同样方式镦粗管体另一端；将加厚过的管体通过900-920℃淬火和600-620℃回火热处理，使其最低屈服强度达到120-135Ksi；利用天然气整体炉式加热、整体式水淬，温度必须均匀，炉内多处采用实时摄像头监控，炉内全部支架和传动系统采用耐高温不锈钢制造；对热处理后的管体经校直处理和步进式缓慢冷却后进行电磁探伤，找出裂纹或挤压缺陷；对管体端部同样进行校直、加工，然后用磁粉或超声波探伤，发现微型裂纹采取补救办法或锯掉重新加厚；
(2)、接头制造：选用优质改进型合金材料AISI4137HM作为钻杆接头材料，要求每件单独锻造成型，不得将长料锯断作为原料；热处理采用880-920℃淬火和600-620℃回火工艺，毛坯粗加工后，热处理过程中适当碳氮共渗，防止接头表面的金属层碳元素流失，然后在精加工过程中将渗碳层加工掉，以避免接头裸露表面脆硬，使得机械性能更加均匀；对螺纹表面镀铜，用以防止螺纹在大扭矩下发生粘合现象；按ASTMA370方法进行冲击功试验，10x10mm试件的纵向冲击功超过90J，横向冲击功超过70J，冲击功要求远远高于API Spec7要求，以保证接头性能满足P120钻杆大水眼方面的强度要求；
(3)、对焊；采用大型惯性摩擦机进行钻杆管体和接头的对焊，焊缝采取890-920℃淬火和590-610℃回火处理，使最低屈服强度达到105Ksi；对焊后主要工作如下：冲压钻杆内孔焊缝溢出物，在焊缝处于红热状态时，用设在对焊机上的冲头将钻杆内孔中的金属溢出物冲掉；焊缝退火，降低焊缝硬度；外圆焊缝机加工，用车床将钻杆外圆焊缝处的金属溢出物车去；焊缝淬火和回火处理，使钻杆机械性能达到标准要求，可抽样进行试验检测；内外焊缝修模，使用机械砂轮进行打磨，使管体端部与接头端部同心；焊缝检测，进行超声波探伤和磁粉探伤；焊耐磨带，用以减少钻杆接头直接承受的摩擦力，延长使用寿命；钻杆内表面涂覆内涂层，用以防止钻杆内壁腐蚀或被高压泥浆直接冲刷，延长钻杆使用寿命；钻杆外表面喷油漆、标识；重量、长度测量，准备质量证明文件；钻杆加工完毕，待发运使用。
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