CN104404321A - 一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体及其制造方法，以重量百分比计包括Cu2.1～3.0％，Mg2.8～3.1％，Zn10.0～12.9％，Mn0.1～0.3％，Ni0.1～0.5％，Cr0.1～0.5％，Ti0.05～0.20％，Zr0.2～0.5％，B0.001～0.01％，Yb 0.02～0.05％，余量为Al和不可避免的杂质。本发明采用多级均匀化处理、多级固溶处理、时效等热处理工艺，大幅度消除了基体内部偏析、不均等，显著促进了铝合金基体内部未熔解共晶相的回熔，从而在保持高强度的同时，提高了热强性，解决了现有铝合金钻杆管体强度不足、表面硬度低、热强性不足等问题。

Description

一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体及其制造方法
技术领域
本发明涉及石油管制造技术领域，特别是涉及一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体及其制造方法。
背景技术
随着石油工业的发展，超深井及水平井数量不断增加，勘探开发难度增大。与现有钢制钻杆相比，铝合金钻杆具有重量轻、韧性好、耐硫化氢腐蚀、耐疲劳等优点，具有广阔的应用前景。
对于铝合金钻杆管体而言，由于超深井特定的服役工况，要求其上部承载钻柱具有极高的强度，和一定的耐热性。7000系合金是传统铸锭冶金法生产的铝合金中最具强韧性的合金，但一般也只能在100℃以下的环境下使用，无法达到超深井要求的120℃环境下使用要求。因此，进一步提高7000系合金组织性能的热稳定性，对于该合金作为钻杆材料应用于超深井的石油钻探具有重要的科学意义和极高的应用价值。为了提高7000系列合金的高温力学性能，国内外研究通常在7000系列合金中加入Fe、Ni元素以形成Al9FeNi耐热相，或者在较高Cu/Mg比的7000系中加入Ag，形成Ω耐热相，以提高热强性。但通过上述方法形成耐热相提高高温力学性能的同时，合金的室温力学性能降低，此外合金元素价格昂贵，且需要固溶和长时间时效处理，工艺复杂，供货周期长，影响了铝合金钻杆的服役安全性和广泛推广使用。
发明内容
本发明为克服现有技术中的问题，提供一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体及其制造方法，该制造方法在保证超深井用超高强度铝合金钻杆管体的室温力学性能的同时，提高了高温力学性能，并且成本低。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体，按重量百分比计，该超深井用铝合金钻杆管体组成包括：Cu 2.1～3.0％，Mg 2.8～3.1％，Zn10.0～12.9％，Mn 0.1～0.3％，Fe 0.1～0.3％，Ni 0.1～0.5％，Cr 0.1～0.5％，Ti 0.05～0.20％，Zr 0.2～0.5％，B 0.001～0.01％，Yb 0.02～0.05％，余量为Al和不可避免的杂质，重量百分数总计为100％。
一种制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，包括以下步骤：
(1)按重量百分比计，将Cu 2.1～3.0％，Mg 2.8～3.1％，Zn10.0～12.9％，Mn 0.1～0.3％，Fe 0.1～0.3％，Ni 0.1～0.5％，Cr 0.1～0.5％，Ti 0.05～0.20％，Zr 0.2～0.5％，B 0.001～0.01％，Yb 0.02～0.05％，余量为Al和不可避免的杂质，通过冶炼铸造获得管坯；
(2)将管坯进行多级均匀化处理；
(3)挤压：将经过多级均匀化处理后的管坯进行变截面挤压；
(4)固溶：将挤压后的管坯进行多级固溶处理；
(5)预变形：将经过多级固溶处理后的管坯进行预拉伸变形；
(6)最后，将预拉伸变形后的管坯进行多级固溶处理后于120℃下进行时效处理，得到超深井用铝合金钻杆管体。
步骤(2)所述的多级均匀化处理具体为：开始温度为380℃～395℃，保温时间8h，第二级均匀化处理开始温度为420℃～435℃，保温时间12h，第三级均匀化处理开始温度为455℃～460℃，保温时间32h。
步骤(3)中所述的挤压的温度为435～450℃。
步骤(4)中所述预拉伸变形的变形量为：3-4％。
步骤(4)和步骤(6)所述的多级固溶处理具体为：开始温度为450℃～460℃，保温时间为2h，第二级固溶开始温度为470℃～475℃，固溶时间为1h。
步骤(6)所述时效处理为自然时效或人工时效。
步骤(6)所述时效处理的时间为12～48h。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1、本发明通过采用熔炼、铸造、铸锭均匀化、挤压、固溶、预变形、时效的方式制得一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体。与以往的铝合金钻杆用管体所使用7000系合金相比，本发明在超深井用铝合金钻杆管体材料组成上控制Zn/Mg含量比(重量百分数)、适量添加Ni、Cr、Fe等提高耐热性元素，降低Mn含量，微量的Ti、B、Yb元素，不加入Ag等提高热强性的贵金属元素。利用Zn、Mg元素析出强化，Cu元素原子团簇偏聚区强化、Mn元素在特定温度下的固溶强化及晶粒细化，以及Yb、B、Ti复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合作用。超深井用超高强度铝合金钻杆管体由高Zn含量的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金组成，合金成分简单且成本低。
2、本发明在制造方法上采用多级均匀化处理、多级固溶处理、时效等热处理工艺，大幅度消除了基体内部偏析、不均等，显著促进了铝合金基体内部未熔解共晶相的回熔，从而在保持高强度的同时，提高了热强性。
本发明制造方法形成耐热相提高高温力学性能的同时，合金的室温力学性能并没有降低，铝合金钻杆的性能达到以下要求：
(1)管体拉伸性能：室温下，Rt0.2＝550～650MPa，Rm≥700MPa，δ5≥8.0。
(2)管体耐热性能：在120℃下热暴露500小时后的室温抗拉强度≥490MPa、屈服强度≥455MPa、δ5≥7.0。
(3)管体的微观组织以弥散细化的η’相为主。
进一步的，采用人工时效热处理工艺，大幅度消除了基体内部偏析、不均等，显著促进了铝合金基体内部未熔解共晶相的回熔，从而在保持高强度的同时，提高了热强性。
附图说明
图1是实施例1中铝合金试样在室温下的透射电镜组织图。
图2是实施例2中铝合金试样在120℃热暴露500小时后的透射电镜组织图。
图3是实施例3中铝合金试样在120℃热暴露500小时后的透射电镜组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体，按重量百分比计，该超深井用铝合金钻杆管体组成包括：Cu2.9％，Mg2.8％，Zn10.0％，Mn0.3％，Fe0.3％，Ni0.5％，Cr0.5％，Ti0.20％，Zr0.2％B0.001％，Yb 0.02％，余量为Al和不可避免的杂质。
一种制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，管坯经380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h均匀化处理，435℃挤压变形，455℃×2h+470℃×1h固溶淬火处理，预拉伸变形4.0％后进行人工时效处理36h。
经上述方法制造的铝合金钻杆管体的力学性能达到：抗拉强度为735MPa，屈服强度为704MPa，延伸率为8.5％；120℃热暴露500h后，拉伸性能达到：抗拉强度为694MPa，屈服强度为663MPa，延伸率为7.5％。其性能指标完全达到ISO标准对铝合金钻杆管体的要求。该实施例制得的铝合金钻杆管体在室温下的透射电镜组织见图1。
实施例2
本发明提供一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体，按重量百分比计，该超深井用铝合金钻杆管体组成包括Cu2.1％，Mg2.8％，Zn10.9％，Mn0.3％，Fe0.3％，Ni0.3％，Cr0.5％，Ti0.20％，Zr0.2％B0.001％，Yb 0.02％，余量为Al和不可避免的杂质。
一种制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，上述管坯经380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h均匀化处理，440℃挤压变形，455℃×2h+470℃×1h固溶淬火处理，预拉伸变形4.0％后进行人工时效处理12h。
经上述方法制造的铝合金钻杆管体的力学性能达到：抗拉强度为713MPa，屈服强度为675MPa，延伸率为8.0％；120℃热暴露500h后，拉伸性能达到：抗拉强度为648MPa，屈服强度为628MPa，延伸率为7.5％。其性能指标完全达到ISO标准对铝合金钻杆管体的要求。该实施例制得的铝合金钻杆管体在120℃下热暴露500h后透射电镜组织见图2。
实施例3
一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体，按重量百分比计，该超深井用铝合金钻杆管体组成包括：Cu2.3％，Mg3.1％，Zn11.9％，Mn0.3％，Fe0.3％，Ni0.3％，Cr0.5％，Ti0.20％，Zr0.2％B0.001％，Yb 0.05％，余量为Al和不可避免的杂质。
一种制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，上述管坯经380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h均匀化处理，440℃挤压变形，455℃×2h+470℃×1h固溶淬火处理，预拉伸变形4.0％后进行人工时效处理48h。
经上述方法制造的铝合金的力学性能达到：抗拉强度为740MPa，屈服强度为719MPa，延伸率为8.5％；120℃热暴露500h后，拉伸性能达到：抗拉强度为719MPa，屈服强度为709MPa，延伸率为7.0％。其性能指标完全达到ISO标准对铝合金钻杆管体的要求。该实施例制得的铝合金钻杆管体在120℃下热暴露500h后透射电镜组织见图3。
实施例4
一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体，按重量百分比计，该超深井用铝合金钻杆管体组成包括：Cu3.0％，Mg3.1％，Zn10.5％，Mn0.1％，Fe0.2％，Ni0.2％，Cr0.1％，Ti0.05％，Zr0.4％B0.008％，Yb 0.03％，余量为Al和不可避免的杂质。
一种制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，管坯经395℃×8h+425℃×12h+459℃×32h均匀化处理，445℃挤压变形，450℃×2h+475℃×1h固溶淬火处理，预拉伸变形3.0％后进行人工时效处理20h。
实施例5
一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体，按重量百分比计，该超深井用铝合金钻杆管体组成包括：Cu2.5％，Mg3.0％，Zn11.4％，Mn0.2％，Fe0.15％，Ni0.1％，Cr0.4％，Ti0.1％，Zr0.3％B0.01％，Yb 0.04％，余量为Al和不可避免的杂质。
一种制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，管坯经390℃×8h+435℃×12h+457℃×32h均匀化处理，450℃挤压变形，460℃×2h+472℃×1h固溶淬火处理，预拉伸变形3.5％后进行人工时效处理30h。
实施例6
一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体，按重量百分比计，该超深井用铝合金钻杆管体组成包括：Cu 2.7％，Mg 2.9％，Zn 12.9％，Mn 0.15％，Fe 0.1％，Ni 0.4％，Cr 0.2％，Ti 0.15％，Zr 0.5％B 0.005％，Yb 0.02％，余量为Al和不可避免的杂质。
一种制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，管坯经385℃×8h+430℃×12h+455℃×32h均匀化处理，435℃挤压变形，455℃×2h+473℃×1h固溶淬火处理，预拉伸变形4.0％后进行自然时效处理42h。
本发明具有的优点：
1、与以往的铝合金钻杆用管体所使用7000系合金相比，本发明在管体材料配方上控制Zn/Mg含量比(质量百分数)、适量添加Ni、Cr、Fe等提高耐热性元素，降低Mn含量，微量的Ti、B、Yb元素，不加入Ag等提高热强性的贵金属元素。利用Zn、Mg元素析出强化，Cu元素原子团簇偏聚区强化、Mn元素在特定温度下的固溶强化及晶粒细化，以及Yb、B、Ti复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合作用。合金成分设计简单且成本低。
2、本发明在工艺上采用多级均匀化处理+多级固溶处理+人工时效等热处理工艺，大幅度消除了基体内部偏析、不均等，显著促进了铝合金基体内部未熔解共晶相的回熔，从而在保持高强度的同时，提高了热强性。
按照上述方法生产出的铝合金钻杆的性能达到以下要求：
(1)管体拉伸性能，Rt0.2＝550～650MPa，Rm≥700MPa，δ5≥8.0。
(2)管体耐热性能，在120℃下热暴露500小时后的室温抗拉强度≥490MPa、屈服强度≥455MPa、δ5≥7.0。
(3)管体的微观组织以弥散细化的η’相为主。
本发明还提供了这种超深井用超高强度铝合金钻杆管体的制造方法，解决了现有铝合金钻杆管体强度不足、表面硬度低、热强性不足等问题。

Claims (8)

1.一种超深井用超高强度铝合金钻杆管体，其特征在于，按重量百分比计，该超深井用铝合金钻杆管体组成包括：Cu 2.1～3.0％，Mg 2.8～3.1％，Zn10.0～12.9％，Mn 0.1～0.3％，Fe 0.1～0.3％，Ni 0.1～0.5％，Cr 0.1～0.5％，Ti 0.05～0.20％，Zr 0.2～0.5％，B 0.001～0.01％，Yb0.02～0.05％，余量为Al和不可避免的杂质，重量百分数总计为100％。
2.一种制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按重量百分比计，将Cu 2.1～3.0％，Mg 2.8～3.1％，Zn10.0～12.9％，Mn 0.1～0.3％，Fe 0.1～0.3％，Ni 0.1～0.5％，Cr 0.1～0.5％，Ti 0.05～0.20％，Zr 0.2～0.5％，B 0.001～0.01％，Yb 0.02～0.05％，余量为Al和不可避免的杂质，通过冶炼铸造获得管坯；
(2)将管坯进行多级均匀化处理；
(3)挤压：将经过多级均匀化处理后的管坯进行变截面挤压；
(4)固溶：将挤压后的管坯进行多级固溶处理；
(5)预变形：将经过多级固溶处理后的管坯进行预拉伸变形；
(6)最后，将预拉伸变形后的管坯进行多级固溶处理后于120℃下进行时效处理，得到超深井用铝合金钻杆管体。
3.根据权利要求2所述的制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，其特征在于：步骤(2)所述的多级均匀化处理具体为：开始温度为380℃～395℃，保温时间8h，第二级均匀化处理开始温度为420℃～435℃，保温时间12h，第三级均匀化处理开始温度为455℃～460℃，保温时间32h。
4.根据权利要求2所述的制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压的温度为435～450℃。
5.根据权利要求2所述的制造超深井用铝合金钻杆管体的方法，其特征在于：步骤(4)中所述预拉伸变形的变形量为：3-4％。
6.根据权利要求2所述的制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，其特征在于：步骤(4)和步骤(6)所述的多级固溶处理具体为：开始温度为450℃～460℃，保温时间为2h，第二级固溶开始温度为470℃～475℃，固溶时间为1h。
7.根据权利要求2所述的制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，其特征在于：步骤(6)所述时效处理为自然时效或人工时效。
8.根据权利要求2或7所述的制造超深井用超高强度铝合金钻杆管体的方法，其特征在于：步骤(6)所述时效处理的时间为12～48h。
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