CN102330027B

CN102330027B - 一种120ksi钢级的初级抗硫钻杆及其制造方法

Info

Publication number: CN102330027B
Application number: CN 201110310545
Authority: CN
Inventors: 赵鹏; 王鸣华; 王超峰; 董长富; 耿鸿明
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: CN102330027A

Abstract

本发明公开了一种120ksi钢级的初级抗硫钻杆，其各化学元素的重量百分比为：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：≤0.015％；S：≤0.005％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还提供了该120ksi钢级的初级抗硫钻杆的制造工艺，该制造工艺通过对淬火步骤以及回火步骤的控制，使得该120ksi钢级的初级抗硫钻杆能够保持120ksi钢级强度的同时，并具有一定的抗硫能力；此外，该初级抗硫钻杆还具有成本较低的优点。

Description

一种120ksi钢级的初级抗硫钻杆及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钻杆及其制造方法，尤其涉及一种抗硫钻杆及其制造方法。

背景技术

用于石油天然气钻探的钻杆是按API标准生产制造的。根据API SPEC 5DP标准，钻杆仅有E、X、G、S四种钢级，分别对应75ksi、95ksi、105ksi、135ksi四种强度。但是，API标准的E、X、G、S四种钢级的钻杆不适用于含H₂S的油气井钻探。

对于含H₂S的油气井，油田一般采用抗硫钻杆进行钻探作业。所谓抗硫钻杆是指钻杆应在规定的拉伸载荷下，通过NACE 0177标准试验的抗硫化物应力腐蚀开裂的钻杆产品。抗硫钻杆一般采用加拿大IRP标准进行生产。该标准规定抗硫钻杆有75SS、95SS、105SS三种钢级，分别对应75ksi、95ksi、105ksi三种强度。

公开号为CN101581200，公开日为2009年11月18日，名称为“一种120钢级钻杆及其制造工艺方法”的中国专利文献公开了一种120ksi钢级钻杆。该钻杆采用27CrMnMo材质，其强度介于API标准G级与S级之间。但是该钻杆是普通的120ksi钻杆，不具备抗硫能力。

公开号为CN101117683，公开日为2008年2月6日，名称为“一种高性能抗硫化氢腐蚀用石油钻杆及其热处理工艺”的中国专利文献公开了一种抗硫钻杆，其成分重量百分比为：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：≤0.015％；S：≤0.010％；其余为Fe和不可避免杂质。该抗硫钻杆符合IRP标准，其强度为105ksi。

公开号为CN101928889A，公开日为2010年12月29日，名称为“一种抗硫化物腐蚀用钢及其制造方法”的中国专利文献公开了一种抗硫钻杆，其成分重量百分比为：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：≤0.015％；S：≤0.010％；0：≤30ppm；N：≤60ppm；Al：0.01～0.03％，其余为Fe和不可避免杂质。该抗硫钻杆符合IRP标准，其强度为105ksi。

由于抗硫钻杆生产难度大，因此价格非常之高。而实际上相当一部分含H₂S的油气井中的H₂S含量非常低，油气的产量也非常低，如果采用抗硫钻杆，生产成本将会相当高，但若采用API钢级钻杆，又不能满足抗硫性能。特别对于一些低含硫的超深井，采用105SS的抗硫钻杆强度太低容易发生过载断裂；采用普通120ksi钻杆的话，因其不能抗硫，从而容易发生硫化物应力腐蚀开裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种120ksi钢级的初级抗硫钻杆及其制造方法，该120ksi钢级的初级抗硫钻杆能够达到120ksi的强度，并同时具有一定的抗硫能力，从而满足低含硫超深井的钻探要求，此外本发明所述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆还应当符合制造成本低的要求。

根据上述发明目的，本发明提供了一种120ksi钢级的初级抗硫钻杆，其各化学元素的重量百分比为：

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：≤0.015％；

S：≤0.005％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

优选地，在上述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆中，Ca/S≥1。

优选地，上述120ksi钢级的初级抗硫钻杆各化学元素的重量百分比为：

C：0.25～0.29％；

Si：0.2～0.40％；

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：≤0.015％；

S：≤0.005％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明所述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆的成分设计原理如下：

C：C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的韧性，并有可能产生淬火裂纹。发明人通过试验发现，对于本技术方案需要将C控制在0.24～0.30％范围内。

Mn：Mn为奥氏体形成元素，通过稳定奥氏体组织，推迟高温冷却过程中奥氏体向铁素体和贝氏体的转变，从而得到更多的淬火马氏体，提高钢的淬透性。对于本技术方案来说，若Mn含量小于0.8％时，提高淬透性的作用不明显；若Mn含量过高，则奥氏体过于稳定，会增加淬火后的残余奥氏体量，从而影响抗硫性能。因此，需要控制在0.8～1.4％范围内。

Cr：Cr为碳化物形成元素，可以提高钢的强度和淬透性，太低时效果不明显；太高时会大大提高钢的硬度，从而影响抗硫性能。因此，在本技术方案中需要控制其含量在0.8～1.4％范围内。

Mo：在本技术方案中，Mo主要是通过碳化物析出强化及固溶强化形式来提高钢的强度和回火稳定性。Mo的碳化物颗粒细小，不会造成微观组织结构的应力集中，从而有利于提高抗硫性能。较高的Mo含量在形成Mo的碳化物同时，还会有一部分多余的Mo固溶在基体中，以固溶强化的形式提高钢的回火稳定性。回火稳定性的提高有利于提高回火温度，从而降低热处理后的残余应力，提高抗硫性能；但是Mo含量过高则会大大提高成本。因此将Mo的含量控制在0.5～0.8％范围内。

V：本技术方案通过加入V来细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性；但V含量达到一定量时，其效果增加便不明显，同时兼顾到成本因素，本技术方案将其控制在0.05～0.10％的范围内。

Nb：本技术方案通过加入Nb来细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性；但含量达到一定量时，其效果增加便不明显，同时兼顾到成本因素，本技术方案中将其控制在0.01～0.05％的范围内。

Si：本技术方案中为了提高钻杆的浇铸性能必须加入Si元素，但其含量过高会增加钢的脆性，因此本技术方案中将其含量控制在0.1～0.5％的范围内。

Ca：Ca可以使夹杂物球化，从而提高抗硫性能。通常MnS聚集在钢的晶间成条状夹杂，使钢的延展性变差。通过加入Ca可以使钢中的MnS夹杂物转变为球状的复合夹杂，从而提高抗硫化物应力破坏性。因此，在本技术方案中，Ca的含量控制在0.002～0.007％范围内；尤其是当Ca/S≥1时，会得到更好的抗硫性能。

S：S为杂质元素，所以其含量越低越好，当S含量超过0.005％时，会增加硫化物含量，从而影响钢的抗硫能力。因此本技术方案中将其含量控制在0.005％以下。

P：P为杂质元素，所以其含量越低越好，当P元素超过0.015％时，会增加微观偏析，从而影响钢的抗硫能力。因此本技术方案中将其含量控制在0.015％以下。

与满足IRP标准的105ksi抗硫钻杆相比，本技术方案所加入的Mo含量较低，并且不含Ti元素，也不必严格控制O、N、Al元素的含量，从而降低了钻杆制造成本。

相应地，本发明还提供了该120ksi钢级的初级抗硫钻杆的制造方法：

在淬火步骤中，将钻杆整体加热到900～950℃后，进行钻杆内表面轴流喷水冷却和钻杆外表面层流喷水冷却，同时控制钻杆加厚管端的喷水量与管体的喷水量不同以使不同壁厚的管体和加厚管端具有相同的冷却速度，以保证管体和加厚端具有相同的淬火组织；

在回火步骤中，控制回火温度为680～720℃。本技术方案中的回火温度远高于普通120ksi钢级钻杆的回火温度，从而使本发明专利的钻杆的冲击韧性远高于普通120ksi钢级钻杆的水平，具有一定的抗硫能力。

优选地，在上述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆的制造方法中，所述淬火步骤中，将钻杆整体加热到920℃。

优选地，在上述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆的制造方法中，所述回火步骤中，控制回火温度为690～710℃。

本发明所述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆由于采用了上述技术方案，使得其具有以下优点：

1.本发明所述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆达到了120ksi钢级的强度；

2.本发明所述的一种120ksi钢级的初级抗硫钻杆具有一定的抗硫性能；

3.本发明所述的一种120ksi钢级的初级抗硫钻杆大幅地降低了抗硫钻杆的成本。

具体实施方式

实施例1-6

采用下述步骤制备120ksi钢级的初级抗硫钻杆(本案实施例1-6以及对比例各钢种成分见表1，其中对比例为现有技术常用的CrMnMo钢钻杆)：

(1)对管端进行加厚处理，制成加厚钻杆的管体；

(2)淬火：将钻杆整体加热到900～950℃后，放置于一个旋转淬火台架上，在钻杆旋转的同时，进行钻杆内表面轴流喷水冷却和钻杆外表面层流喷水冷却，同时控制钻杆加厚管端的喷水量与管体的喷水量不同以使不同壁厚的管体和加厚管端具有相同的冷却速度；

(3)回火：在温度为680～720℃的范围内对钻杆进行回火。

表1.(余量为Fe以及除P、S以外其他不可避免的杂质)(wt％)

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Nb	Ca
											实施例1	0.27	0.32	1.08	0.006	0.001	1.14	0.68	0.07	0.03	0.003
实施例2	0.25	0.40	1.01	0.010	0.002	1.01	0.61	0.05	0.02	0.005
											实施例3	0.29	0.25	1.18	0.008	0.002	1.18	0.74	0.09	0.04	0.007
实施例4	0.29	0.20	1.00	0.009	0.001	1.20	0.65	0.05	0.03	0.003

实施例5	0.27	0.28	1.15	0.007	0.002	1.15	0.60	0.08	0.01	0.005
											实施例6	0.27	0.30	1.20	0.006	0.001	1.00	0.75	0.06	0.05	0.004
对比例	0.25	0.23	1.00	0.006	0.002	1.01	0.23	/	/	/

表2显示了实施例1-6与对比例的工艺参数和机械性能。

表2.

(斜体加粗的均表示未达到性能要求)

从表2可以看出，本实施例中的120ksi钢级的初级抗硫钻杆较之对比例在屈服强度、抗拉强度以及硬度上性能表现相当，但是本实施例中的钻杆的冲击韧性远高于对比例中的钻杆的冲击韧性，即抗硫能力远高于对比例。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种120ksi钢级的初级抗硫钻杆，其特征在于，其各化学元素的重量百分比为：

C：0.24～0.29%，Si：0.1～0.5%，Mn：0.8～1.4%，Cr：0.8～1.4%，Mo：0.5～0.75%，V：0.05～0.10%，Nb：0.01～0.05%，Ca：0.002～0.007%，P：≤0.015%，S：≤0.005%，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆，其特征在于，Ca/S≥1。

3.如权利要求2所述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆，其特征在于，其各化学元素的重量百分比为：

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：≤0.015%，S：≤0.005%，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆的制造方法，其特征在于：

在淬火步骤中，将钻杆整体加热到900～950℃后，进行钻杆内表面轴流喷水冷却和钻杆外表面层流喷水冷却，同时控制钻杆加厚管端的喷水量与管体的喷水量不同以使不同壁厚的管体和加厚管端具有相同的冷却速度；

在回火步骤中，控制回火温度为680～720℃。

5.如权利要求4所述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆的制造方法，其特征在于，所述淬火步骤中，将钻杆整体加热到920℃。

6.如权利要求4所述的120ksi钢级的初级抗硫钻杆的制造方法，其特征在于，所述回火步骤中，控制回火温度为690～710℃。