CN104357746A - 一种超高韧性超高强度钻杆及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高韧性超高强度钻杆，其包括管体和管端加厚段，其化学元素质量百分配比为：C：0.24～0.35％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.7～1.5％，Cr：0.7～1.5％，Mo：0.82～0.98％，V：0.01～0.10％，Nb：0.01～0.05％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了一种超高韧性超高强度钻杆的制造方法，其包括步骤：冶炼→精炼→铸造成管坯→热轧制得无缝钢管并对其进行管端加厚处理，得到具有管端加厚段的管体→热处理→热矫直；其中在热处理步骤中，采用单次淬火+回火工艺。本发明的超高韧性超高强度钻杆兼具超高的强度和冲击韧性。

Description

一种超高韧性超高强度钻杆及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种冶金产品及其制造方法，尤其涉及一种钻杆及其制造方法。

背景技术

用于石油天然气钻探的钻杆是按照API标准来生产制造的。根据APISPEC 5DP标准，钻杆具有E、X、G、S四种钢级，它们分别对应75ksi，95ksi、105ksi和135ksi四种强度。在以上四种强度钢级中，X、G、S被称之为高强度钻杆。为了保证钻杆的冲击性能，API SPEC 5DP还规定了钻杆室温纵向全尺寸冲击韧性需要≥54J。

随着石油工业的发展，钻杆的服役工作条件日趋恶劣。API标准钻杆已不能满足环境日益苛刻的钻井的作业需求。近年来，随着深井、超深井的不断开发，对钻杆的各项力学性能提出了更高要求。特别是随着超深井技术的不断发展，即使是S级的高强度钻杆也不能满足超深井的钻探要求。超深井的钻井实践表明，钻杆材料不仅要有较高的强度水平，而且还要有充足的韧性储备，只有这样的钻杆才能抵御过载操作中的强拉、强扭、冲击振动以及各种交变载荷作用，并且能够适应各种特殊工作条件对钻杆的使用要求。因此，API SPEC 5DP标准中所规定的室温纵向全尺寸冲击韧性≥54J的要求的钻杆已经无法满足日益苛刻的钻井作业要求。为此，期望获得一种能够满足超深井钻探要求的高强度高韧性的钻杆。

公开号为CN1690241A，公开日为2005年11月2日，名称为“高强度石油钻杆及其制造方法”的中国专利文献公开了一种高强度石油钻杆，其各化学元素的质量百分含量为：C：0.20～0.30％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.7～1.5％，Mo：0.1～0.4％，V：0.01～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。该中国专利文献所记载的石油钻杆中所添加的合金含量较低，即使钻杆达到了150钢级的超高强度，但其仍无法同时达到-20℃纵向全尺寸冲击韧性≥100J的力学性能要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高韧性超高强度钻杆，该钻杆兼具有超高强度和超高冲击韧性，能够满足深井、超深井、水平井、大位移井等高难度苛刻井的钻探要求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超高韧性超高强度钻杆，其化学元素质量百分配比为：

C：0.24～0.35％，

Si：0.1～0.5％，

Mn：0.7～1.5％，

Cr：0.7～1.5％，

Mo：0.82～0.98％，

V：0.01～0.10％，

Nb：0.01～0.05％，

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本技术方案中不可避免的杂质元素主要是指P元素和S元素，一般希望将钢中的P和S元素控制得越低越好，其原因在于：S元素的增加会相应增加硫化物的含量，从而影响钢的冲击韧性，P元素的增加则会加大微观组织的偏析，从而会影响钢的冲击韧性。对于本发明的技术方案来说，可以将控制P≤0.015wt.％，并控制S≤0.005wt.％。

本发明所述的超高韧性超高强度钻杆中的各化学元素的设计原理为：

C：C为钢中碳化物的形成元素，其可以提高钢的强度，当C含量太低时，其提高钢的强度的效果并不明显，而当C含量太高时，则会大大降低钢的韧性，并有可能产生淬火裂纹。对于本发明所述的超高韧性超高强度钻杆而言，将C含量控制为0.24～0.35wt.％。

Si：Si是提高钢的浇铸性能必须加入的合金元素。不过，如果Si含量超过一定范围时会增加钢的脆性。在本发明的超高韧性超高强度钻杆中，将Si的添加量设定为0.1～0.5wt.％。

Mn：Mn为钢中奥氏体的形成元素。通过稳定的奥氏体组织来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，进而提高钢的淬透性。由于当Mn含量＜0.7wt.％时，提高钢的淬透性的作用并不明显，而当Mn含量＞1.5wt.％时，钢中的奥氏体过于稳定，会增加淬火后的残余奥氏体量。鉴于此，需要将本发明所述的超高韧性超高强度钻杆中的Mn元素的含量设定为0.7～1.5wt.％。

Cr：Cr为碳化物的形成元素，可以提高钢的强度和淬透性。为此，当Cr含量太低时，其提高强度和淬透性的效果并不是很明显，Cr含量太高时，则会大幅度地提高钢的硬度。因此，本发明所述的超高韧性超高强度钻杆中的Cr元素需要控制在0.7～1.5wt.％，

Mo：Mo元素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，这样有利于提高钢材料的冲击韧性。较高的Mo含量在形成Mo的碳化物的同时，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，进而提高钢的冲击韧性。对于本发明的技术方案来说，需要将Mo含量控制为0.82～0.98wt.％。

V：V元素能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但是当V含量达到一定量时，其效果增加的并不明显。基于此，在本发明所述的超高韧性超高强度钻杆中的V元素的含量应该控制在0.01～0.10wt.％。

Nb：Nb元素也能够起到细化晶粒的作用，并与C元素形成碳化物，从而来提高钢的强度和韧性。但是当Nb含量达到一定含量时，其起到细化晶粒的效果相对稳定，在该含量之上Nb元素在钢中的能够起到细化晶粒的作用不再会随着其添加量的增加而大幅度地提升。故而，在本发明所述的超高韧性超高强度钻杆中，需要将Nb含量控制在0.01～0.05wt.％范围之间。

进一步地，本发明所述的超高韧性超高强度钻杆的微观组织包括铁素体基体及其上弥散析出的细粒状合金碳化物。

更进一步地，所述合金碳化物的颗粒度≤0.7μm。

更进一步地，本发明所述的超高韧性超高强度钻杆的管体和管端加厚段的力学性能均达到150ksi，同时满足-20℃纵向全尺寸冲击韧性≥100J。

本发明所述的超高韧性超高强度钻杆中不含有A类、B类、C类夹杂物，仅有具有少量0.5级的D类夹杂物(按照ASTM E45标准进行检验)，钢质非常纯净，这也为制造工艺中提高钻杆的冲击韧性提供了先决条件。其中，所谓A类夹杂物是指硫化物夹杂，所谓B类夹杂物是指氧化铝夹杂，而C类夹杂物是指硅酸盐夹杂，D类是指球状氧化物夹杂。

由此，上述超高韧性超高强度钻杆的整体(即管体和管端加厚段)的力学性能均达到了150ksi，且整体钻杆的-20℃纵向全尺寸冲击韧性也大于等于100J，能够满足深井、超深井、水平井、大位移井等高难度苛刻井的钻探要求。

较之于现有技术中的150ksi钢级的钻杆，本发明所述的超高韧性超高强度钻杆的Mo含量较高，并且还添加了Nb和V元素，这样，在细化晶粒的同时还提高了钢的强度。

相应地，本发明还提供了一种上文所述的任意一种高韧性超高强度钻杆的制造方法，其依次包括步骤：冶炼→精炼→铸造成管坯→热轧制得无缝钢管并对其进行管端加厚处理，得到具有管端加厚段的管体→热处理→热矫直；其中在热处理步骤中，采用单次淬火+回火工艺。

不同于现有技术中的150ksi钢级钻杆的制造方法所普遍采用的双淬火+回火热处理的工艺，本发明所述的超高韧性超高强度钻杆的制造方法仅进行单淬火+回火热处理工艺，明显降低了制造工艺的成本投入，简化了生产步骤，提高了生产制造的产能。

进一步地，在上述热处理步骤中，淬火温度为900～950℃，保温时间为0.5～1h。。

进一步地，在上述热处理步骤中，回火温度为640～670℃，回火时间为1～2h。

由于本发明所述的超高韧性超高强度钻杆中的Mo含量相对较高，而且在钢中添加了Nb元素和V元素，在细化晶粒的同时还提高了钢的强度，为此，将回火温度设置在640～670℃之间，用以在较高的回火温度下不仅令钻杆达到150ksi钢级的强度水平，而且还使得钻杆的冲击韧性远高于现有技术中150ksi钢级钻杆所具备的冲击韧性的水平。

更进一步地，在上述精炼步骤中，采用LF+VD炉外精炼；其中钢水在LF工序进行喂丝操作，在进行脱氧的同时进行夹杂物变形处理；VD工序高真空处理时间为16～22分钟，高真空压力小于0.45乇；钢水经过VD工序的高真空处理后在VD工位再次进行喂丝；VD高真空处理后的吹氩时间大于10分钟，以大幅度地减少钻杆中夹杂物的数量。

现有技术中的超高韧性超高强度钻杆的制造方法侧重关注于钻杆的材质和热处理步骤，很少考虑精炼步骤对于钻杆力学性能的影响。然而，对于本发明的超高韧性超高强度钻杆来说，精炼是最重要的生产步骤。特别是对于本技术方案而言，夹杂物是影响冲击性能的最重要因素之一，而精炼步骤中相关工艺参数的设计对于控制夹杂物的数量、形态、大小等因素起着决定性的作用。

采用上述超高韧性超高强度钻杆的制造方法后，在钻杆中不存在A类、B类和C类夹杂物，仅含有少量0.5级的D类夹杂物，从而提高了钻杆的钢质纯净度，进而能够为后续的热处理步骤中提高钻杆的冲击韧性提供基础。

较之于现有的用于深井或超深井钻探的钻杆，本发明所述的钻杆兼具有超高的强度和冲击韧性，其管体和管端加厚段的力学性能均达到150ksi，同时满足-20℃纵向全尺寸冲击韧性≥100J。因此，本发明所述的超高韧性超高强度钻杆能够满足深井、超深井、水平井、大位移井等高难度苛刻井的钻探要求。

具体实施方式

下面将根据具体实施例对本发明所述的超高韧性超高强度钻杆及其制造方法做出进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。

实施例A1-A5和对比例B1

按照下述步骤制造实施例A1-A5和对比例B1中的钻杆：

1)冶炼：控制实施例A1-A5和对比例B1的各化学元素的质量百分配比；

2)精炼：采用LF+VD炉外精炼，其中钢水在LF工序进行喂丝操作，在进行脱氧的同时进行夹杂物变形处理，VD工序高真空处理时间为16～22min，高真空压力小于0.45乇，钢水经过VD工序的高真空处理后在VD工位再次进行喂丝，VD高真空处理后的吹氩时间大于10min，精确控制实施例A1-A5和对比例B1的各化学元素的质量百分配比如表1所示；

3)铸造成管坯；

4)热轧制得无缝钢管并对其进行管端加厚处理，得到具有管端加厚段的管体；

5)热处理：采用单次淬火+回火工艺，淬火温度为900～950℃，保温时间为0.5～1h；，回火温度为640～670℃，回火时间为1～2h；

6)热矫直：回火后立即进行热矫直以最终获得实施例A1-A5和对比例B1中的钻杆，各步骤中具体工艺参数详细参见表2。

表1列出了本案实施例A1-A5和对比例B1的各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt.％，余量为Fe和除了P和S元素之外的其他不可避免的杂质)

序号	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Nb	P	S	夹杂物种类
											A1	0.34	0.24	1.17	1.01	0.82	0.05	0.02	0.010	0.002	0.5级D类
A2	0.25	0.32	1.02	1.12	0.98	0.09	0.03	0.007	0.002	0.5级D类
											A3	0.29	0.36	1.10	1.17	0.92	0.07	0.04	0.008	0.001	0.5级D类
A4	0.31	0.15	1.07	1.05	0.95	0.08	0.05	0.006	0.001	0.5级D类
											A5	0.27	0.18	1.15	1.08	0.89	0.06	0.01	0.009	0.001	0.5级D类
B1	0.26	0.27	1.02	1.00	0.34	0.07	/	0.007	0.002	2级D类

注：表1中显示的夹杂物级别为按照ASTM E45标准进行检验的结果。

表2列出了本案实施例A1-A5和对比例B1的超高韧性超高强度钻杆的制造方法的工艺参数。

表2.

表3列出了本案实施例A1-A5和对比例B1中的钻杆的力学性能参数。

表3.

序号	屈服强度(Mpa)	抗拉强度(Mpa)	-20℃纵向全尺寸冲击韧性(J)
				A1	1055	1130	128
A2	1135	1220	121
				A3	1115	1195	125
A4	1089	1170	126
				A5	1068	1150	127
B1	1055	1110	75

从表3中可以看出，上述各实施例A1-A5的钻杆整体(即管体和管端加厚段)的屈服强度均≥1055Mpa，抗拉强度均≥1130Mpa，并且-20℃纵向全尺寸冲击韧性均≥121J，其各项力学性能达到了150ksi钢级的水平；虽然对比例B1的钻杆的屈服强度和抗拉强度与实施例A1-A5的钻杆差别不是很大，然而其-20℃纵向全尺寸冲击韧性仅为75J(低于100J)，由此说明了较之于对比例B1的钻杆具有相对较低的冲击韧性，实施例A1-A5中的钻杆兼具有较大的强度和较高的冲击韧性，是一种能够满足深井、超深井、水平井、大位移井等高难度苛刻井的钻探要求的超高韧性超高强度钻杆。

需要注意的是，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 (9)

1.一种超高韧性超高强度钻杆，其包括管体和管端加厚段，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：C：0.24～0.35％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.7～1.5％，Cr：0.7～1.5％，Mo：0.82～0.98％，V：0.01～0.10％，Nb：0.01～0.05％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的超高韧性超高强度钻杆，其特征在于，其微观组织包括铁素体基体及其上弥散析出的细粒状合金碳化物。

3.如权利要求2所述的超高韧性超高强度钻杆，其特征在于，所述合金碳化物的颗粒度≤0.7μm。

4.如权利要求1所述的超高韧性超高强度钻杆，其特征在于，所述管体和管端加厚段的力学性能均达到150ksi，同时满足-20℃纵向全尺寸冲击韧性≥100J。

5.如权利要求1所述的超高韧性超高强度钻杆，其特征在于，其夹杂物仅为少量0.5级的球状氧化物夹杂。

6.如权利要求1～5中任意一项所述的超高韧性超高强度钻杆的制造方法，其特征在于，包括步骤：冶炼→精炼→铸造成管坯→热轧制得无缝钢管并对其进行管端加厚处理，得到具有管端加厚段的管体→热处理→热矫直；其中在所述热处理步骤中，采用单次淬火+回火工艺。

7.如权利要求6所述的超高韧性超高强度钻杆的制造方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，所述淬火温度为900～950℃，保温时间为0.5～1h。

8.如权利要求6所述的超高韧性超高强度钻杆的制造方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，所述回火温度为640～670℃，回火时间为1～2h。

9.如权利要求6所述的超高韧性超高强度钻杆的制造方法，其特征在于，在所述精炼步骤中，采用LF+VD炉外精炼；其中钢水在LF工序进行喂丝操作，在进行脱氧的同时进行夹杂物变形处理；VD工序高真空处理时间为16～22分钟，高真空压力小于0.45乇；钢水经过VD工序的高真空处理后在VD工位再次进行喂丝；VD高真空处理后的吹氩时间大于10分钟。