[發(fā)明專利]一種輕質(zhì)鉆具材料的熱處理工藝

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210357411.7
• 申請日: 2012-09-24
• 公開（公告）號(hào): CN102828011A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡正敏;王柱軍;杜永彬;鄭申
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司工程服務(wù)公司
• 主分類號(hào): C21D9/22
• 分類號(hào): C21D9/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明屬于石油鉆井機(jī)械材料領(lǐng)域，特別涉及一種輕質(zhì)鉆具材料的熱處理工藝。

背景技術(shù)

隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，油氣井鉆井深度不斷增加，井深度增加，使得鉆井工況越來越復(fù)雜，在鉆超深井時(shí)鉆柱的重量問題就給石油鉆機(jī)帶來了更大的負(fù)荷，對地面承載結(jié)構(gòu)提出了很大的挑戰(zhàn)，因此研究一種制造輕質(zhì)鉆具的新型材料迫在眉睫，不但要減輕整個(gè)鉆柱的重量，而且這種材料特性能夠滿足現(xiàn)場復(fù)雜使用工況下鉆具性能的要求。

為了獲得輕質(zhì)鉆具，選材上可以從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：一是考慮選擇密度低的材料；二是考慮選擇強(qiáng)度高的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，針對密度低的材料制造成的鉆具有三類：1.碳纖維材料的鉆具；2.鋁合金鉆具；3.鈦合金材料的鉆具。其中鋁合金材料的鉆具在這三種低密度材料鉆具中應(yīng)用的數(shù)量最大，性價(jià)比最高。但是鋁合金材料的鉆具在國內(nèi)大規(guī)模推廣還是有很大困難的，這是因?yàn)閲鴥?nèi)生產(chǎn)鋁合金鉆具的基礎(chǔ)條件還不能滿足，它的制造工藝與普通鋼質(zhì)鉆具的的制造工藝差別很大，有許多獨(dú)特的制造工藝，如非等截面鋁合金鉆桿管體生產(chǎn)工藝；鋁合金管材專用熱處理生產(chǎn)線(鋁合金無磁性，現(xiàn)有的鋼鉆桿電感應(yīng)固溶生產(chǎn)線不能使用；鋁合金桿體熱處理后拉伸矯直工藝(鋼鉆桿一般采用軋輥矯直法、非外平鉆桿采用靜壓矯直法；螺紋車削工藝(光潔度加工、煤油切削液配制等)、錐配合+管螺紋+熱過盈嵌裝鋁合金鉆桿接頭擰固裝置等。

國內(nèi)外廠家制造G105和S135常規(guī)鉆具所用材料均為優(yōu)質(zhì)合金鋼。材料的使用狀態(tài)是淬火、回火后的調(diào)質(zhì)態(tài)，組織為回火索氏體，即在鐵素體基體上彌散分布著粒狀碳化物。國內(nèi)外在高強(qiáng)鉆桿用材上，基本上都是含有Cr、Mo的中碳合金鋼，采用調(diào)質(zhì)處理。因此，原材料成本較高，且淬火過程控制不當(dāng)易出現(xiàn)裂紋，工藝復(fù)雜。

目前，現(xiàn)有材料在鉆具的制造應(yīng)用中主要存在以下幾個(gè)問題：

1.?碳纖維復(fù)合材料鉆具的主要缺點(diǎn)在于其水力特性和效率，阻礙了其在超深井鉆井和大位移井鉆井（ERD）的應(yīng)用,?碳纖維復(fù)合材料鉆桿價(jià)格為普通鋼鉆桿的3倍以上，這會(huì)增加投資。

2.新型貝氏鋼(高強(qiáng)度鋼)鉆具的主要缺點(diǎn)在于減輕重量后容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，減輕的重量有限制，否則保證不了鉆具的穩(wěn)定性。

3.?鋁合金鉆具的缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴，鋁合金鉆桿的成本大約是常規(guī)鋼鉆桿的2.5~3倍多；屈服強(qiáng)度較低，需要通過增加壁厚來提升強(qiáng)度重力比，從而影響水力性能，且當(dāng)溫度高于120度多度時(shí)，屈服強(qiáng)度急劇降低。

4.?鈦合金鉆具主要缺點(diǎn)在于相同載荷作用下，變形量大；對扭矩變動(dòng)會(huì)有延時(shí)效應(yīng)；成本太高，常規(guī)鉆井不適合用。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有的鉆具重量大對石油勘探開發(fā)超深井的限制這一難題，本發(fā)明提供了一種新型材料——低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼的熱處理工藝，是在Mn系貝氏體鋼的基礎(chǔ)上添加Si元素得到的新型Mn-Si系貝氏體鋼，空冷獲得無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，低溫回火，與等強(qiáng)度的回火馬氏體相比，無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有更好的韌性，更高的疲勞強(qiáng)度和耐延遲斷裂性能，用該材料制造的鉆具強(qiáng)度重量比高、重量輕。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：利用適量Mn對中溫轉(zhuǎn)變的拖曳和類拖曳作用，改變等溫轉(zhuǎn)變C曲線的形狀，利用Mn、Cr降低鋼的Bs點(diǎn)，Si抑制碳化物析出，研制出在連續(xù)冷卻條件下獲得CFB/M（無碳化物貝氏體/馬氏體）復(fù)相組織的新鋼種。控制硅含量后，可以提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性，從而顯著提高回火溫度，改善中碳、中低碳Mn-B系貝氏體鋼的強(qiáng)韌性。硅的作用既有利于在貝氏體中形成殘余奧氏體薄膜,又能推遲第一類回火脆性，可將回火溫度提高至300℃以上，從而增加韌性及抗延遲斷裂性能。并且該材料碳含量較低，對焊接工藝性有利。

Mn系中低碳貝氏體鋼空冷條件下得到貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，經(jīng)低溫回火后，具有高的強(qiáng)度和一定的韌性；經(jīng)中高溫回火，韌性進(jìn)一步提高，可以代替40CrNiMo等高Ni含量及高淬透性調(diào)質(zhì)鋼，適用于各類韌性要求高的調(diào)質(zhì)件以及需表面淬火的調(diào)質(zhì)件。在Mn系貝氏體鋼的基礎(chǔ)上添加Si元素得到的新型Mn-Si系貝氏體鋼，空冷獲得無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，與等強(qiáng)度的回火馬氏體相比，無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有更好的韌性，更高的疲勞強(qiáng)度和耐延遲斷裂性能，可以制造多種性能指標(biāo)苛刻的特殊結(jié)構(gòu)件。

低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼料熱處理后得到常規(guī)力學(xué)性能如下：