一種抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿及其生產(chǎn)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿及其生產(chǎn)方法，該石油鉆桿的鋼種成分的質(zhì)量百分比組成是C0.20-0.40%，Si0.1-1.0%，Mn0.4-0.8%，Cr4.0-6.0%，Mo0.1-0.8%，Al0.004-0.01%，B0.001-0.008%，V0.01-0.1%，Ti0.01-0.06%，稀土元素0.005-0.20%，S<0.005%，P<0.008%，其余成分為Fe及不可避免雜質(zhì)；該稀土元素中具有鑭0.002-0.08%，鐠0.001-0.08%和釹0.002-0.04%。該石油鉆桿的制造方法是，經(jīng)過(guò)原料精選、冶煉、連鑄、連軋、再加熱及張力定徑和調(diào)質(zhì)熱處理，形成石油鉆桿管體，制造過(guò)程中采用了二次定徑、熱矯直去除應(yīng)力的處理技術(shù)。經(jīng)該方法制造的石油鉆桿，一個(gè)顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度高、韌性好、抗腐蝕能力，尤其是抗CO2腐蝕能力強(qiáng)，可以滿(mǎn)足含CO2腐蝕氣體的油井或天然氣井使用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種開(kāi)采石油或天然氣的石油鉆桿，特別是一種抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿及其生產(chǎn)方法。該鉆桿具有較好的強(qiáng)韌性指標(biāo)和較強(qiáng)的抗CO2腐蝕能力，可以滿(mǎn)足含CO2腐蝕氣體的油井或天然氣井使用
【背景技術(shù)】
[0002]石油和天然氣是人類(lèi)的重要能源，在有些油氣田，石油和天然氣中還伴隨有大量的CO2氣體。潮濕的CO2氣體對(duì)石油鉆桿具有很強(qiáng)的腐蝕性，很容易造成鉆桿失效進(jìn)而引發(fā)一系列惡性事故，這種情況下，普通的鉆桿無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。
[0003]通過(guò)查新檢索到三個(gè)抗腐蝕鉆桿用低合金鋼的發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)分別是ZL200410025586.3、ZL200910053666.2、ZL200910053668.1。其中 ZL200410025586.3 為抗二氧化碳、氯離子腐蝕石油鉆桿用鋼，其組成成分的重量百分比為:C:0.20~0.40wt%,S1:0.10 ~1.0wt%, Mn:0.10 ~1.5wt%, Cr: 1.0 ~4.0wt%, Mo:0.10 ~1.0wt%, Al:0.01 ~
0.10wt%, Cu:0.05 ~1.0wt%, N1:0.05 ~1.0wt%, V:0.01 ~0.lwt%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)組成。專(zhuān)利ZL200910053666.2為一種抗二氧化碳腐蝕用低合金鋼，其按重量百分比計(jì)的化學(xué)成分為 C:0.20 ~0.35%, S1:0.10 ~1.0%, Mn:0.20 ~1.5%, Cr:0.5 ~1.5%,Ni ( 0.35%，Cu ( 0.35%,Al:0.01~0.10%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中雜質(zhì)元素的總量低于0.05wt%o專(zhuān)利ZL200910053668.1為一種抗二氧化碳腐蝕用低合金鋼及其制造方法，其按重量百分比計(jì)的化學(xué)成分為:C:0.20~0.35%, S1: 0.10~1.0%，Μη:0.20~1.5%,Cr:0.5~1.5%,V:0.02~0.1%，A1:0.01~0.10%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素的總量低于0.05wt%。
[0004]綜合來(lái)看，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)所涉及的抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿的力學(xué)性能不是很理想，且成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿及其生產(chǎn)方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，滿(mǎn)足含CO2腐蝕氣體的油井或天然氣井的使用要求。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0007]一種抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿，其特征在于:該石油鉆桿的鋼種成分的質(zhì)量百分比組成是 C0.20-0.40%, Si0.1-1.0%, Mn0.4-0.8%, Cr4.0-6.0%, Mo0.1-0.8%,A10.004-0.01%, B0.001-0.008%, V0.01-0.1%，Ti0.01-0.06%,稀土元素 0.005-0.20%,S〈0.005%, P〈0.008%，其余成分為Fe及不可避免雜質(zhì)；該稀土元素中具有鑭0.002-0.08%,鐠 0.001-0.08% 和釹 0.002-0.04%。
[0008]其中，C在珠光體+鐵素體鋼中，以滲碳體形式提高珠光體含量，提高強(qiáng)度，降低韌性，降低硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC);在調(diào)質(zhì)鋼中，低C(板條、位錯(cuò))馬氏體的回火組織對(duì)強(qiáng)韌性有益，對(duì)SSCC有益，高C孿晶馬氏體及回火組織對(duì)韌性有害，對(duì)SSCC有害；本發(fā)明中控制碳元素的含量為0.20~0.40%，在淬透能力方面對(duì)綜合機(jī)械性能和SSCC有益；
[0009]Si為有效脫氧元素，出于脫氧的目的，Si≥0.05%即可；Si同時(shí)具有抗回火軟化效果；Si ≥ 1.0%會(huì)促進(jìn)析出作為軟化相的鐵素體。本發(fā)明中控制硅含量為0.1~1.0%。
[0010]Mn易與鋼中S親合，形成MnS夾雜，使強(qiáng)韌性下降；Mn含量太高，則會(huì)與P、S等雜質(zhì)一起在晶界處偏析，使鋼的韌性；C-Mn系低合金鋼，降C量增Mn量，嚴(yán)格控制Mn/C重量比及S含量，重量比Mn/C≥3，S≥0.005%，可以改善綜合機(jī)械性能；Mn(% )=
0.5+12S(% )+0.0086/C(% );本發(fā)明中控制Mn的含量為0.4%~0.8%，在調(diào)質(zhì)鋼中Mn擴(kuò)大淬透性，并使相變溫度降低，易形成殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，提高綜合機(jī)械性能。
[0011]Cr是碳化物形成元素，Cr7C3是經(jīng)濟(jì)型抗CO2鋼中的主要碳化物，Cr23C6是馬氏體不銹鋼中的主要碳化物；在淬火高溫回火的調(diào)質(zhì)鋼中，Cr可以改善鋼的耐腐蝕性能，保證綜合機(jī)械性能。本發(fā)明控制Cr的含量為4.0~6.0%。
[0012]Mo與Cr相似，也是擴(kuò)大淬透性元素，在連續(xù)冷卻過(guò)程中Mo還推遲奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變;Mo與C有較強(qiáng)的親和力，是碳化物形成元素，減少固溶的C含量，增強(qiáng)抗SSCC能力；在淬火高溫回火的調(diào)質(zhì)鋼中，Mo與C形成的合金碳化物質(zhì)點(diǎn)析出，起到二次硬化作用，保證基體α中碳(間隙相化合物)充分析出。本發(fā)明控制Mo的含量為0.1%~0.8%,Cr-Mo的有效配合，在淬火+高溫回火狀態(tài)，可保證鋼種在較高的強(qiáng)度下具有良好的綜合機(jī)械性能。
[0013]Al、B、V、T1、均屬于微合金化元素，其中B、V、Ti又屬?gòu)?qiáng)碳化物形成元素，它們與碳/氮形成的金屬間隙相化和物質(zhì)點(diǎn)硬度高，并通過(guò)提高淬透性，細(xì)化晶粒，增強(qiáng)抗腐蝕性能；在調(diào)質(zhì)態(tài)Cr-Mo鋼中，V與Mo促進(jìn)生成微細(xì)碳化物MC，可提高回火溫度。本發(fā)明中Α10.004-0.01%, Β0.001-0.008%, V0.01-0.1%, Ti0.01-0.06%。
[0014]P、S是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，屬于有害元素。這兩種元素會(huì)降低鐵素體/Y晶界的強(qiáng)度，顯著降低熱加工性和抗腐蝕性能。因此，將P含量控制在0.008%以下，將S含量控制在0.005%以下。
[0015]稀土元素:加入適量稀土元素能有效去除氧、硫、磷、氫、氮等氣體，以及與雜質(zhì)鉛、砷等形成熔點(diǎn)較高的化合物，從而有效降低雜質(zhì)元素對(duì)鋼質(zhì)量的影響，改善夾雜物數(shù)量和尺寸，明顯改善鋼的韌性和高溫持久強(qiáng)度，改善鋼的鑄態(tài)組織及熱加工性能。稀土的添加改變了合金氧化過(guò)程的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，對(duì)金屬陽(yáng)離子的向外擴(kuò)散起了抑制作用，促進(jìn)了陰離子向內(nèi)傳輸，改變了氧化膜的形成和生長(zhǎng)機(jī)制，生成致密切與圖層本體有很強(qiáng)粘附力的保護(hù)性氧化膜，是合金抗氧化能力等到增強(qiáng)。
[0016]一種如上所述的抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿的生產(chǎn)方法，其特征在于:它包括如下生產(chǎn)步驟:
[0017]a、原料精選、冶煉(包括爐外精煉):將鋼水經(jīng)脫碳精練，制成鋼坯，其中鋼水的成分的質(zhì)量百分比組成是 C0.20-0.40%, Si0.1-1.0%, Mn0.4-0.8%, Cr4.0-6.0%, Mo0.1-0.8%,A10.004-0.01%, B0.001-0.008%, V0.01-0.1%，Ti0.01-0.06%,稀土元素 0.005-0.20%,S〈0.005%, P〈0.008%，其余成分為Fe及不可避免雜質(zhì)；該稀土元素中具有鑭0.002-0.08%,鐠 0.001-0.08% 和釹 0.002-0.04% ；
[0018]b、連鑄、連軋:將上述高純凈鋼水連鑄成圓坯，將冷卻后的連鑄坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱，加熱溫度1200-1220°C，連軋溫度970-1020°C ；
[0019]C、二次張力定徑:連軋后進(jìn)行再加熱及二次張力定徑，在850_870°C條件下，通過(guò)微張力減徑機(jī)進(jìn)行進(jìn)行第一次定徑，使鋼坯外徑改變量為±10%~±30%，然后在500-600°C進(jìn)行第二次定徑，使外徑改變量為±5% ；
[0020]d、溫矯直:定徑后在450_550°C用溫矯直機(jī)進(jìn)行溫矯直。
[0021]所述的抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿的生產(chǎn)方法，其特征在于:在張力定徑和溫矯后，進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理:采用淬火+高溫回火熱處理工藝，淬火溫度870~890°C，淬火介質(zhì)為水，保溫時(shí)間20~40min ;回火溫度為630~660°C，
[0022]本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在:本發(fā)明采用了新的鋼種成分設(shè)計(jì)，并同時(shí)采用了二次定徑和溫矯直去除內(nèi)應(yīng)力的處理技術(shù)，解決了石油鉆桿抗CO2腐蝕性能差的技術(shù)難題，同時(shí)也解決了抗H2S腐蝕門(mén)檻值低，腐蝕速度快的技術(shù)難題，使這種鉆桿同時(shí)具有較好的CO2腐蝕和抗H2S腐蝕的能力。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的金相組織100X。
[0024]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一的金相組織500x。
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例二的金相組織100X。
[0026]圖4是本發(fā)明實(shí)施例二的金相組織500x。
【具體實(shí)施方式】
[0027]實(shí)施例一
[0028]按API SPEC 7標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)G105鋼級(jí)、規(guī)格為127X9.19mm的抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿，鋼種材料化學(xué)成分見(jiàn)表1。
[0029]表1實(shí)施例1的化學(xué)成分
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿，其特征在于:該石油鉆桿的鋼種成分的質(zhì)量百分比組成是 C0.20-0.40%, Si0.1-1.0%, Mn0.4-0.8%, Cr4.0-6.0%, Mo0.1-0.8%,A10.004-0.01%, B0.001-0.008%, V0.01-0.1%，Ti0.01-0.06%,稀土元素 0.005-0.20%,S〈0.005%, P〈0.008%，其余成分為Fe及不可避免雜質(zhì)；該稀土元素中具有鑭0.002-0.08%,鐠 0.001-0.08% 和釹 0.002-0.04%。
2.一種如權(quán)利要求1所述的抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿的生產(chǎn)方法，其特征在于:它包括如下生產(chǎn)步驟: a、原料精選、冶煉(包括爐外精煉):將鋼水經(jīng)脫碳精練，制成鋼坯，其中鋼水的成分的質(zhì)量百分比組成是 C0.20-0.40%, Si0.1-1.0%, Mn0.4-0.8%, Cr4.0-6.0%, Mo0.1-0.8%,A10.004-0.01%, B0.001-0.008%, V0.01-0.1%，Ti0.01-0.06%,稀土元素 0.005-0.20%,S〈0.005%, P〈0.008%，其余成分為Fe及不可避免雜質(zhì)；該稀土元素中具有鑭0.002-0.08%,鐠 0.001-0.08% 和釹 0.002-0.04% ； b、連鑄、連軋:將上述高純凈鋼水連鑄成圓坯，將冷卻后的連鑄坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱，加熱溫度1200-1220°C，連軋溫度970-1020°C ； C、二次張力定徑:連軋后進(jìn)行再加熱及二次張力定徑，在850-870°C條件下，通過(guò)微張力減徑機(jī)進(jìn)行進(jìn)行第一次定徑，使鋼坯外徑改變量為±10%~±30%，然后在500-600°C進(jìn)行第二次定徑，使外徑改變量為±5%; d、溫矯直:定徑后在450-550°C用溫矯直機(jī)進(jìn)行溫矯直。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抗二氧化碳腐蝕的石油鉆桿的生產(chǎn)方法，其特征在于:在張力定徑和溫矯后，進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理:采用淬火+高溫回火熱處理工藝，淬火溫度870~890°C，淬火介質(zhì)為水，保溫時(shí)間20~40min ;回火溫度為630~660°C，保溫時(shí)間為60~ISOmin ;淬火后，鋼管全截面獲得98%以上的馬氏體組織；高溫回火后，形成細(xì)小、均勻的回火索氏體組織，晶粒度8級(jí)或者更細(xì)小。
【文檔編號(hào)】C22C38/32GK103789649SQ201410052563
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】高連新, 袁鵬斌, 周勇其 申請(qǐng)人:上海海隆石油管材研究所, 上海海隆石油鉆具有限公司