CN103060713B - 一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方法 - Google Patents

一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方法。该材料包括以下成分组成(wt％)：C0.15-0.25％，Mn0.20-0.50％，Si0.20-0.30％，Cr0.50-1.20％，Ni0.80-1.5％，Mo0.50-1.20％，Nb0.01-0.03％，V0.01-0.03％，Ti0.01-0.03％，Al1.0-3.0％，La0.005-0.01％，S≤0.001％，P≤0.003％，余量Fe。其制备方法包括：按成分组成选取原料，将原料进行熔炼、精炼及连铸得到铸锭；将铸锭进行轧制得到管材；对管材进行热处理，得到该高钢级抗硫钻杆材料。本发明的高钢级抗硫钻杆材料强度可达105-135ksi。

Description

一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方法，属于低碳合金钢金属材料技术领域。
背景技术
国内外现有抗硫钻杆最高钢级为105ksi，包括国外日本NKK、法国曼内斯曼、格兰特公司，及国内宝钢、渤海能克等公司均有105ksi钢级的抗硫钻杆。然而，国内西部油气田如四川、重庆及塔里木等重点油气田普遍井深达到5000米以上，又含有不同程度的硫化氢介质，对这些5000米以上深井，105ksi钢级无法满足钻井载荷的需要，而且高钢级钢质钻杆对硫化氢应力腐蚀开裂非常敏感，硫化氢的存在很容易造成高钢级钻杆发生硫化氢应力腐蚀开裂，造成钻具断裂、掉井等事故，给钻井工程造成极大危害。造成高钢级钻杆硫化氢应力腐蚀开裂的主要原因是钢质钻杆材料的成分设计及制造工艺对钻杆的微观组织特征影响明显，而后者又决定了钻杆的宏观性能特征。
因此，仍有必要研发出一种高钢级抗硫钻杆材料，通过合理的成分及工艺设计，来优化材料的微观组织特征，实现抗硫化氢应力腐蚀开裂。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方法。该高钢级抗硫钻杆材料的强度能够达到105-135ksi钢级范围，其能够应用于含硫化氢的油气田深井钻井工程，满足四川、重庆、塔里木等含硫化氢油气田5000-8000米深井安全钻井需要。
为达上述目的，本发明提供一种高钢级抗硫钻杆材料，以质量百分比计，其包括以下成分组成：C：0.15％-0.25％，Mn：0.20％-0.50％，Si：0.20％-0.30％，Cr：0.50％-1.20％，Ni：0.80％-1.5％，Mo：0.50％-1.20％，Nb：0.01％-0.03％，V：0.01％-0.03％，Ti：0.01％-0.03％，Al：1.0％-3.0％，La：0.005％-0.01％，S：≤0.001％，P：≤0.003％，余量为Fe。
在上述高钢级抗硫钻杆材料的成分组成中，碳元素(C)含量对于制备该材料时热处理后形成的碳化物种类、数量有直接影响。锰(Mn)、硅(Si)对于材料冶炼中的钢水流动性影响显著。铬(Cr)、钼(Mo)属于碳化物形成元素，与碳元素的合理搭配与调质热处理后第二相弥散物特征及材料的淬透性有直接关系。镍(Ni)溶解于基体中，对于提高钢的韧性水平具有重要意义，但其含量过多则会形成游离的镍单质，对硫化氢应力腐蚀有负面作用，而上述的含量则最为合适。铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)属于微量元素，适量添加可以抑制在制备该材料时的热轧过程中的晶粒异常长大，还能够细化晶粒，提高晶界强度及稳定性，但任一元素添加过量将导致弥散物长大粗化，增加材料对硫化氢应力腐蚀开裂的敏感性。铝(Al)的适量添加，可以提高抗氧化性，材料表面可以自发形成致密的Al2O3薄膜，阻止硫化氢分子及活性氢原子渗入基体，从而提高材料的耐腐蚀性，过量添加则会引起钢水冶炼中的自氧化，形成夹杂物，增加材料对硫化氢应力腐蚀开裂的敏感性。稀土元素镧(La)可以净化材料内夹杂物，降低不同物相界及晶界残余应力，提高第二相粒子形核位置均匀性，保证相界及晶界在硫化氢环境下不会发生应力腐蚀开裂。硫(S)、磷(P)属于钢中的杂质元素，需要严格控制，实现材料的纯净度。
在本发明中，优选地，所述的高钢级抗硫钻杆材料具备以下力学性能指标：室温屈服强度为724-932MPa、室温抗拉强度为850-1050MPa、延伸率为25-35％、室温冲击韧性为145-180J、晶粒度为9.0-12.0级、硬度为HRC18-HRC25。
根据本发明的具体实施方式，优选地，所述的高钢级抗硫钻杆材料满足NACE0177标准中A法试验的性能要求，即在A溶液内，对所述高钢级抗硫钻杆材料施加85％名义屈服强度，其持续720小时受载不会发生断裂。其中，A溶液为含有5wt％NaCl和0.5wt％CH3COOH的饱和H2S水溶液。
根据本发明的具体实施方式，在透射电子显微镜下观察，本发明的高钢级抗硫钻杆材料在平均每100平方微米面积中包含渗碳体及合金元素碳化物粒子颗粒数为5-15个，粒子的长径比为1-1.5，晶界上粒子间距与晶粒内粒子间距比值为0.8-1。该材料具有晶粒等轴化、第二相粒子等轴化及弥散分布的特征，可以实现钻杆材料微观组织的均匀化特征，降低材料微观应力集中效应。
本发明还提供一种上述高钢级抗硫钻杆材料的制备方法，其包括以下步骤：按照所述高钢级抗硫钻杆材料的成分组成选取原料，将所述原料进行熔炼、精炼及连铸后，得到铸锭；将所述铸锭进行轧制得到管材；然后对所述管材进行热处理，得到所述的高钢级抗硫钻杆材料。
在上述的制备方法中，优选地，所述热处理步骤包括依次进行的正火处理、调质处理及球化处理三个阶段。
在上述的制备方法中，优选地，所述正火处理包括以下步骤：使所述管材在900-930℃下保温30-60分钟，随后空冷至室温，得到正火后的管材。
在上述的制备方法中，优选地，所述调质处理包括以下步骤：使所述正火后的管材在900-950℃下保温45-60分钟，随后水淬至室温，之后在600-640℃下回火45-90分钟，然后水冷至室温，得到调质后的管材。
在上述的制备方法中，优选地，所述球化处理包括以下步骤：使所述调质后的管材在680-720℃下保温30-45分钟，随后水冷至室温，得到所述高钢级抗硫钻杆材料。
在上述热处理的过程中，正火处理能够消除管材的残余应力、使微观组织均匀化。调质处理能够获得单一、均匀的回火索氏体组织，控制奥氏体化温度及时间，可以保证管材实现全奥氏体化，又不会发生晶粒粗化现象。球化处理能够对回火索氏体组织上第二相粒子进行球化，降低其长径比，以降低管材的第二相粒子周围的微观应力集中，降低所得到的钻杆材料对硫化氢应力腐蚀裂纹的敏感性。回火及球化阶段的水冷处理可以控制第二相粒子数量及形态特征，防止其进一步长大和粗化。
在上述的制备方法中，优选地，所述熔炼、精炼及连铸包括以下步骤：在纯铁水中添加合金元素作为原料，将所述原料通过转炉熔炼，然后经真空脱气、炉外精炼及电渣重熔净化处理后，浇铸成铸锭；更优选地，所述铸锭为外径为Φ230-Φ350的圆柱形铸锭。采用上述工艺可以实现材料的纯净化目标，满足P、S杂质含量较低的技术要求。
在上述的制备方法中，优选地，所述轧制包括以下步骤：使所述铸锭在950℃-1150℃下保温45-60分钟，得到具有全奥氏体组织的材料，随后在900-1100℃下使所述具有全奥氏体组织的材料进行依次进行穿孔、轧管后，得到管材；更优选地，所述管材的截面积为所述铸锭的截面积的4-10％。按照上述轧制工艺处理后的材料具有细小的晶粒度尺寸，为后续热处理提供基础材料性能。
在上述轧制的过程中，对于轧制温度的控制可以有效利用Cr、Mo、Nb、V、Ti合金元素在特定温度区间的游离单质态特征，增加动态再结晶异质形核作用，实现晶粒细化和均匀化。对于保温时间的控制可以保证铸锭完全实现奥氏体化，但不会发生晶粒粗化。对于管材截面积的控制，即对于轧制变形量的控制，其能够充分利用机械变形进一步细化晶粒，同时提高材料的强韧性。
本发明提供的高钢级抗硫钻杆材料通过攻螺纹、钻孔等常规的工艺能够制备得到105-135ksi钢级范围的抗硫钻杆产品。该抗硫钻杆产品能够应用于含硫化氢的油气田深井钻井工程，满足四川、重庆、塔里木等含硫化氢油气田5000-8000米深井安全钻井需要。
附图说明
图1为实施例1的高钢级抗硫钻杆材料的金相图。
图2为实施例1的高钢级抗硫钻杆材料的第二相粒子的透射电子显微镜照片。
图3为实施例1-3的高钢级抗硫钻杆材料经抗硫化氢应力腐蚀开裂性能测试后的照片。
具体实施方式
实施例1-3
实施例1-3分别提供一种高钢级抗硫钻杆材料，其制备方法包括以下步骤：
按照所述高钢级抗硫钻杆材料的成分选取原料，其中，实施例1-3的高钢级抗硫钻杆材料的成分如表1所示；
在纯铁水中添加合金元素作为原料，将所述原料通过转炉熔炼，然后经真空脱气、炉外精炼及电渣重熔净化处理后，浇铸成铸锭，其中，实施例1-3所得到的铸锭的外径如表2所示；
然后使所述铸锭在一定温度下保温一定时间，得到具有全奥氏体组织的材料，随后在一定温度下使所述具有全奥氏体组织的材料进行依次进行穿孔、轧管后，形成管材，其中，实施例1-3的轧制工艺中的穿孔前保温工艺、穿孔温度、轧管温度以及轧制后的管材与轧制前的铸锭的截面积比均如表2所示；
随后使所述管材进行热处理，所述热处理包括正火、调质及球化，形成所述高钢级抗硫钻杆材料，其中，实施例1-3的热处理工艺中的正火、调制以及球化的工艺参数如表3所示。
表1实施例1-3的高钢级抗硫钻杆材料的成分，wt％
实施例 C Si Mn P S Cr Ni
1 0.16 0.21 0.22 0.0026 0.00075 1.15 1.45
2 0.20 0.25 0.35 0.0024 0.00082 0.83 1.19
3 0.24 0.29 0.48 0.0019 0.00078 0.56 0.86
实施例 Mo V Nb Ti Al La Fe
1 1.16 0.012 0.026 0.013 1.15 0.0052 余量
2 0.97 0.020 0.016 0.028 1.82 0.0075 余量
3 0.58 0.028 0.011 0.019 2.85 0.0096 余量
表2实施例1-3的铸锭外径及轧制工艺参数
实施例 连铸坯外径 穿孔前保温工艺 穿孔温度 轧管温度 终/始截面积比
1 Φ230 955℃×60min 1100℃ 1050℃ 10％
2 Φ280 1050℃×50min 1030℃ 980℃ 8％
3 Φ340 1146℃×45min 960℃ 910℃ 5％
表3实施例1-3的热处理工艺
对于实施例1-3的高钢级抗硫钻杆材料进行屈服强度、抗拉强度、延伸率、室温冲击功、洛氏硬度的测定以及抗硫化氢应力腐蚀开裂性能测试，试验结果如表4所示。各项力学性能按照API Spec5D钻杆标准进行，力学性能指标符合105-135ksi强度范围，材料的塑性、韧性良好。抗硫化氢应力腐蚀开裂性能测试是按照NACE TM0177标准A法进行的，具体步骤如下：使高钢级抗硫钻杆材料在A溶液(含有5wt％NaCl和0.5wt％CH3COOH的饱和H2S水溶液)中按85％的名义钢级(即屈服强度)恒载荷下保持720小时，若该高钢级抗硫钻杆材料不断裂，则代表其通过测试，评价为合格。图3为实施例1-3的高钢级抗硫钻杆材料经抗硫化氢应力腐蚀开裂性能测试后的照片，由上至下依次为实施例1、实施例2、实施例3的高钢级抗硫钻杆材料。由图3可知，实施例1-3的钻杆材料均通过抗硫化氢应力腐蚀开裂性能测试。
表4实施例1-3的高钢级抗硫钻杆材料的性能试验结果
图1显示实施例1的高钢级抗硫钻杆材料的金相组织特征。图1中的金相组织形貌表明，该材料的晶粒度细小，等轴状，晶粒度直径为5um左右，处于9-12级范围内；并且材料组织均匀，无带状偏析现象。图2显示实施例1的高钢级抗硫钻杆材料在透射电子显微镜下的第二相粒子特征。图2表明该材料的第二相粒子为等轴状、尺寸细小，直径约0.2um，无粒子聚集现象，弥散分布特征良好。因此，实施例1的高钢级抗硫钻杆材料实现了微观组织的均匀化特征，降低了微观应力集中效应，进而降低了该钻杆材料对硫化氢应力腐蚀裂纹的敏感性。

Claims (8)

1.一种高钢级抗硫钻杆材料，以质量百分比计，其包括以下成分组成：C：0.15％-0.25％，Mn：0.20％-0.50％，Si：0.20％-0.30％，Cr：0.50％-1.20％，Ni：0.80％-1.5％，Mo：0.50％-1.20％，Nb：0.01％-0.03％，V：0.01％-0.03％，Ti：0.01％-0.03％，Al：1.0％-3.0％，La：0.005％-0.01％，S：≤0.001％，P：≤0.003％，余量为Fe；
所述高钢级抗硫钻杆材料是通过以下步骤制备得到的：按照所述高钢级抗硫钻杆材料的成分组成选取原料，将所述原料进行熔炼、精炼及连铸后，得到铸锭；将所述铸锭进行轧制得到管材；然后对所述管材进行热处理，得到所述的高钢级抗硫钻杆材料；
其中，所述热处理步骤包括依次进行的正火处理、调质处理及球化处理三个阶段；
所述正火处理包括：使所述管材在900-930℃下保温30-60分钟，随后空冷至室温，得到正火后的管材；
所述调质处理包括：使所述正火后的管材在900-950℃下保温45-60分钟，随后水淬至室温，之后在600-640℃下回火45-90分钟，然后水冷至室温，得到调质后的管材；
所述球化处理包括：使所述调质后的管材在680-720℃下保温30-45分钟，随后水冷至室温，得到所述高钢级抗硫钻杆材料。
2.如权利要求1所述的高钢级抗硫钻杆材料，其具备以下力学性能指标：室温屈服强度为724-932MPa、室温抗拉强度为850-1050MPa、延伸率为25-35％、室温冲击韧性为145-180J、晶粒度为9.0-12.0级、硬度为HRC18-HRC25。
3.如权利要求1或2所述的高钢级抗硫钻杆材料，其满足NACE 0177标准中A法试验的性能要求，即在A溶液内，对所述高钢级抗硫钻杆材料施加85％名义屈服强度，其持续720小时受载不会发生断裂。
4.权利要求1-3任一项所述的高钢级抗硫钻杆材料的制备方法，其包括以下步骤：按照所述高钢级抗硫钻杆材料的成分组成选取原料，将所述原料进行熔炼、精炼及连铸后，得到铸锭；将所述铸锭进行轧制得到管材；然后对所述管材进行热处理，得到所述的高钢级抗硫钻杆材料；
其中，所述热处理步骤包括依次进行的正火处理、调质处理及球化处理三个阶段；
所述正火处理包括：使所述管材在900-930℃下保温30-60分钟，随后空冷至室温，得到正火后的管材；
所述调质处理包括：使所述正火后的管材在900-950℃下保温45-60分钟，随后水淬至室温，之后在600-640℃下回火45-90分钟，然后水冷至室温，得到调质后的管材；
所述球化处理包括：使所述调质后的管材在680-720℃下保温30-45分钟，随后水冷至室温，得到所述高钢级抗硫钻杆材料。
5.如权利要求4所述的制备方法，其中，所述熔炼、精炼及连铸包括以下步骤：在纯铁水中添加合金元素作为原料，将所述原料通过转炉熔炼，然后经真空脱气、炉外精炼及电渣重熔净化处理后，浇铸成铸锭。
6.如权利要求5所述的制备方法，其中，所述铸锭为外径为Φ230-Φ350的圆柱形铸锭。
7.如权利要求4-6任一项所述的制备方法，其中，所述轧制包括以下步骤：使所述铸锭在950℃-1150℃下保温45-60分钟，得到具有全奥氏体组织的材料，随后在900-1100℃下使所述具有全奥氏体组织的材料进行依次进行穿孔、轧管后，得到管材％。
8.如权利要求7所述的制备方法，其中，所述管材的截面积为所述铸锭的截面积的4-10％。
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