CN103206175A

CN103206175A - 高抗疲劳钻铤

Info

Publication number: CN103206175A
Application number: CN2013100818114A
Authority: CN
Inventors: 郑锡坤; 李桂变; 姚亚丽
Original assignee: Shanxi North Machine Building Co Ltd
Current assignee: Shanxi North Machine Building Co Ltd
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2013-07-17

Abstract

本发明涉及一种高抗疲劳钻铤，属于石油钻井领域。本发明钻铤的制备步骤，首先采用合理的配方将合金粉末混合物依次经过偏心炉底电炉冶炼、钢包精炼、真空脱气、钢包喂线、模铸、锻造工艺加工成所需尺寸的合金结构钢棒体。对得到的合金结构钢棒体分别进行淬火处理，采用28～32℃水冷却至50-200℃；再进行回火处理，再采用28～32℃水将工件冷却至100-250℃，最后自然冷却至室温。加工钻铤的内外形时，在钻铤前后部分螺纹连接处加工有两个台肩。本发明的高抗疲劳钻铤有效延长了钻铤的使用寿命，减少钻井作业次数，尤其适应于超深井、大位移井等复杂井矿的应用。

Description

高抗疲劳钻铤

技术领域

本发明涉及一种高抗疲劳钻铤，属于石油钻井领域。

背景技术

钻铤是钻柱最重要的组成部分之一，具有向钻头提供钻压及提高钻柱刚性的作用，它在运转过程中除承受弯曲、扭转、内压和振动等载荷作用之外，还要承受一定的冲击作用，在钻井作业中容易产生疲劳失效。

AISI4145H是国内外生产钻铤的最广泛用材料，虽然目前通过对热处理工艺改进，部分钻铤的冲击韧性已经可以达到80J以上，但综合机械性能不高，可靠性不强。随着油田开发向深井、超深井及定向钻井发展，由于钻井作业工作环境越来越苛刻，对抗低温、抗扭转等方面提出更高的要求，普通钻铤越来越难以满足钻井作业要求。

因此，钻铤不仅要有一定的强度，还要有足够的韧性，从而提高疲劳性能，降低钻铤疲劳失效风险。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统工艺制作的钻铤时，存在综合机械性能不高，可靠性不强等问题，而提供一种力学性能高于目前行业最高标准，同时疲劳强度大大超过目前石油行业使用的钻铤，通过使用这种高抗疲劳钻铤将有效的提高钻铤的强度及韧性，提高使用寿命，降低事故率，延长钻铤使用时间，提高钻井效率，

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种高抗疲劳钻铤，其具体制备步骤如下：

1、合金结构钢光坯的制备：

首先按照下列重量百分比配置合金粉末混合物：

碳0.38％～0.42％，硅0.13％～0.18％，锰0.90％～1.15％，钼0.21％～0.24％，铬0.90％～1.15％，磷0.003～0.015％，硫0.005～0.020％，铜0.10～0.13％，镍0.2～0.4％，氮0.01～0.015％，铁92～96％。

制造流程如下：将上述合金粉末混合物依次经过偏心炉底电炉冶炼、钢包精炼、真空脱气、钢包喂线、模铸、锻造工艺加工成所需尺寸的合金结构钢棒体。

2、钻铤的热处理：

采用贯通式天然气热处理炉对第1步得到的合金结构钢棒体分别进行淬火处理；淬火处理的参数为：采用7纵淬火，各纵淬火的温度范围均为880-980℃，淬火过程采用旋转进给，旋转进给的进给速率6HZ-30HZ；淬火处理后采用28～32℃水冷却至50-200℃；将冷却后的工件送入回火炉内进行回火处理，回火处理的参数为：采用6纵回火，各纵回火的温度范围均为600-700℃、回火过程采用旋转进给，旋转进给的进给速率6HZ-30HZ；回火处理后采用28～32℃水将工件冷却至100-250℃，最后自然冷却至室温。

3、钻铤的内外形加工

其中，钻铤前后部分的连接处螺纹加工为相互匹配的锥形结构，内、外螺纹的锥形结构两端分别加工有圆柱段，使钻铤前后部分螺纹连接后具有两个台肩，且加工有外螺纹的锥形结构的长度小于加工有内螺纹的锥形结构的长度。上扣后钻铤前后部分的外台肩首先发生接触，继续施加上扣扭矩，外台肩屈服变形，内台肩开始接触。

钻铤所用钢中各个组份含量的确定如下：

碳：本发明中的高抗疲劳钻铤用钢金相组织主要是：回火索氏体和极少量的残余奥氏体，组织中无未溶铁素体或上贝氏体存在，以免造成钢的力学性能下降，脆性增强。因此碳的含量应适宜，本发明中碳含量控制在0.38～0.42之间。

钼：有提高淬透性以及增强钢的塑性，同时提高回火稳定性，有利于回火索氏体形成，但含量过高会使材料的脱碳性提高，影响强度指标提升，同时钼价格昂贵，从对材料影响的性能及经济两方面衡量，本发明中钼含量控制在0.21％～0.24％。

锰：可促进奥氏体化，增加淬火马氏体含量，细化回火索氏体晶粒，同时锰可替代价格昂贵的钼的一部分作用。因此钢中加入锰的含量相对高些以降低钼含量。但锰含量过高易形成MnS析于晶界而产生微裂纹。故本发明中锰含量控制在0.90％～1.15％。

硅：硅元素加入钢中主要以铬配合发挥其抗氧化性，使马氏体转化时不产生脆性组织，但硅含量过高又会使碳石墨化倾向增大，造成塑性下降，因此本发明中硅含量控制在0.13％～0.18％。

镍：少量镍元素与本合金钢中铬配合组成奥氏体形成元素，增加淬火马氏体的形成率，同时提高回火时回火索氏体的转变率，但镍价格较高，从经济考虑，含量控制在≤0.40％。

铬：具有提高淬透性作用，在本合金钢中与硅、镍组合可起到提高抗氧化性组织出现以及增加奥氏体化倾向，有利于回火索氏体的形成，因此本发明中铬含量控制在0.90％～1.15％。

有益效果

按照本发明配方加工的高抗疲劳钻铤，使其力学性能优于国内外石油行业标准。并且采用双台肩的螺纹连接结构，使连接螺纹形成两道密封面。当钻铤在井下承受拉压、弯曲、扭转载荷时，内、外台肩一样起到作用，增加了螺纹的受力截面积，不仅能提高钻铤螺纹连接强度和抗扭强度，而且能大大降低密封面发生刺漏的几率。本发明的高抗疲劳钻铤有效延长了钻铤的使用寿命，减少钻井作业次数，尤其适应于超深井、大位移井等复杂井矿的应用。

附图说明

图1为本发明高抗疲劳钻铤中前后部分连接处的螺纹结构示意图；

其中，1-钻铤后部分；2-钻铤前部分；3-外台肩；4-内台肩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明：

实施例

实施例1

本发明高抗疲劳钻铤的制作方法。包括以下技术方案：

1、合金结构钢材料的制备：按照下列重量百分比配置合金粉末混合物：碳：0.39％，硅0.13％，锰0.95％，钼：0.22％，铬：0.90％，磷：0.010％，硫：0.020％，铜：0.13％，镍：0.45％，氮：0.012％，余量为铁，将上述合金粉末混合在偏心炉底电炉冶炼(EBT)+钢包精炼(LF)+真空脱气(VD)+钢包喂线(FW)+模铸(IC)+锻造(将钢液浇注成700KG钢锭，再用奥地利1800吨精锻机锻造成φ300mm圆钢)，之后剪定成9.7m合金结构钢棒体，空冷到室温，进行500℃退火处理。

2、钻铤的热处理：启动贯通式天然气热处理炉，淬火处理的参数为：淬火炉分为7纵，各纵温度设置为：1纵：900℃、2-5纵：940℃、6、7纵：945℃；淬火过程采用旋转进给，旋转进给的进给速率9HZ，淬火处理后采用30℃水将工件冷却至80℃；淬火完成后，将工件放置到回火料架上进行回火处理，回火炉分为6纵，各纵温度设定分别为：1纵：620℃、2-5纵：630℃、6纵：635℃，旋转进给的进给速率9HZ；回火处理后采用30℃水将工件冷却至150℃，最后自然冷却至室温。

3、钻铤的内外形加工

将热处理完成的工件进行内外形加工，其中，钻铤前后部分的连接处螺纹加工为相互匹配的锥形结构，内、外螺纹的锥形结构两端分别加工有圆柱段，使钻铤前后部分螺纹连接后具有两个台肩，且加工有外螺纹的锥形结构的长度小于加工有内螺纹的锥形结构的长度。上扣后钻铤前后部分的外台肩首先发生接触，继续施加上扣扭矩，外台肩屈服变形，内台肩开始接触。

实施例2

实施例2其他步骤同实施1，不同之处在于：

1、第一步中制作合金结构钢棒所用合金粉末混合物种化学成分百分比为：碳：0.4％，硅：0.14％，锰：1％，钼：0.21％，铬：1％，磷：0.018％，硫：0.009％，铜：0.16％，镍：0.40％，氮：0.011％；

2、第二步中工艺的调整情况：淬火各纵温度设置为：1纵：910℃、2-5纵：920℃、6纵：920℃，7纵：930℃，回火炉各纵温度设置为：1纵：600℃、2-5纵：630℃、6纵：635℃，其余参数不变。

实施例3

实施例3其他步骤同实施1，不同之处在于：

1、第一步中制作合金结构钢棒所用合金粉末混合物种化学成分百分比为：碳：0.39％，硅：0.16％，锰：0.95％，钼：0.22％，铬：1.0％，磷：0.013％，硫：0.012％，铜：0.15％，镍：0.50％，氮：0.015％，

2、第二步中工艺的调整情况：淬火各纵温度设置为：1纵：900℃、2-5纵：920℃、6纵、7纵：935℃，回火炉各纵温度设置为：1纵：600℃、2-5纵：635℃、6纵：640℃，其余参数不变。

实施例1、2、3制作的高抗疲劳钻铤的力学性能件表一

表一高抗疲劳钻铤的各实施例的力学性能

Claims

1.一种高抗疲劳钻铤，其特征是：具体制备步骤如下：

1)合金结构钢光坯的制备：

首先按照下列重量百分比配置合金粉末混合物：

碳0.38％～0.42％，硅0.13％～0.18％，锰0.90％～1.15％，钼0.21％～0.24％，铬0.90％～1.15％，磷0.003～0.015％，硫0.005～0.020％，铜0.10～0.13％，镍0.2～0.4％，氮0.01～0.015％，铁92～96％；

制造流程如下：将上述合金粉末混合物依次经过偏心炉底电炉冶炼、钢包精炼、真空脱气、钢包喂线、模铸、锻造工艺加工成所需尺寸的合金结构钢棒体；

2)钻铤的热处理：

采用贯通式天然气热处理炉对第1步得到的合金结构钢棒体分别进行淬火处理；淬火处理的参数为：采用7纵淬火，各纵淬火的温度范围均为880-980℃，淬火过程采用旋转进给，旋转进给的进给速率6HZ-30HZ；淬火处理后采用28～32℃水冷却至50-200℃；将冷却后的工件送入回火炉内进行回火处理，回火处理的参数为：采用6纵回火，各纵回火的温度范围均为600-700℃、回火过程采用旋转进给，旋转进给的进给速率6HZ-30HZ；回火处理后采用28～32℃水将工件冷却至100-250℃，最后自然冷却至室温；

3)钻铤的内外形加工

其中，钻铤前后部分的连接处螺纹加工为相互匹配的锥形结构，内、外螺纹的锥形结构两端分别加工有圆柱段，使钻铤前后部分螺纹连接后具有两个台肩，且加工有外螺纹的锥形结构的长度小于加工有内螺纹的锥形结构的长度；上扣后钻铤前后部分的外台肩首先发生接触，继续施加上扣扭矩，外台肩屈服变形，内台肩开始接触。