一种钛合金油井管的制备方法与流程

本发明涉有色金属加工技术领域，具体涉及一种钛合金油井管的制备方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，石油天然气的需求与日俱增，加快了对含高H₂S、CO₂、CL^-等勘探开发成本高、工况极其苛刻的油气田的开发，我国广泛分布的天然气资源中含硫气的气田占相当大的比例，如四川、新疆塔里木区块都属于含硫油气田。国内对含高H₂S、CO₂、CL^-气田的防腐问题已经开展了多年的的研究与技术攻关，并采取多种防腐措施，如采用低合金抗硫管材、加注缓蚀剂，防腐涂层，镍基合金等。目前我国西部地区使用的耐腐蚀合金管材主要与13Cr和镍基合金为主，对于高含硫地区13Cr已经无法满足苛刻环境的需要。镍基合金虽然耐腐蚀性能好，但是镍基合金也存在加工工艺复杂，生产技术难度大，材料成本高表面容易损伤等缺陷，并且我国镍资源匮乏，依赖与镍基合金管材不利于油气田的长期战略发展。

由于普通的碳钢、低合金钢乃至13Cr、22Cr等材质的油井管，其机械性能和耐蚀性能差，以及目前采用的油井管丝扣和粘扣螺纹表面间的摩擦力和上扣扭矩大、抗黏扣性能差等问题，降低了油井管的气密性和使用寿命，已经不能满足上述特殊环境的要求，必须采用高耐腐蚀合金石油管材。钛合金密度小，比强度高，耐腐蚀性能优异，具有良好的抗疲劳和蠕变性能，在石油化工行业有巨大的应用潜力。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述机械性能、耐蚀性能差，油井管丝扣气密性和粘扣问题，提供一种钛合金油井管的制备方法，采用新的螺纹接头和纳米铜涂料，从而提高了油井管的气密性和使用寿命，有效的降低螺纹表面间的摩擦力和上扣扭矩，达到改善油套管抗黏扣性能的目的。

本发明技术方案如下：

一种钛合金油井管的制备方法，步骤包括：

1）制备钛合金管坯

将Ti-6Al-4V-0.1Ru钛合金坯料按要求长度切断，并对切断后的坯料按要求加工到相应的外径尺寸，同时保证其加工后的表面粗糙度Ra＜3.2μm，得钛合金管坯；

2）制备钛合金管

对钛合金坯料两端面加工定心孔，坯料表面涂刷防护涂料，然后置于环形炉中加热，再依次经穿孔、轧管、定径、冷却、矫正、锯切、喷砂工序，得钛合金管；

3）连接扣螺纹加工

将钛合金管连接扣部位的管体与接箍相互配合的密封面进行外圆加工，然后在管体与接箍两端分别加工出偏梯形螺纹的公、母螺纹，再通过数控车床进行螺纹精加工，完成螺纹车丝工作；

４）螺纹表面防黏扣处理

按下述质量百分含量组成的原料配制防黏扣涂料：有机粘结剂30～40%、固体润滑剂45～60%、防腐剂6～14%、润湿剂0.05～0.1%，混合后，上述原料混合后涂刷于螺纹表面，干燥，得钛合金油井管。

步骤２）中所述的防护涂料，质量百分含量组成：SiO₂ 20～45%、Al₂O₃ 2～5%、Li₂CO₃5～10%、H₂BO₃ 20～40%、TiO₂ 0～5%、CaCO₃ 3～10%、ZrO₂ 5～10%、Na₂CO₃ 5～10%、K₂CO₃ 10～15%、粘结剂１％；所述的粘结剂为95wt%的聚丙烯酸钠和5wt%NaSiO₃•9H₂O的混合物。

步骤2）中，环形炉中加热时，采用分段加热，包括低温慢速段和高温快速段，具体为：低温慢速段加热速度为10min/cm，包括预热段500～650℃、加热I段650～800℃、加热II段800～1000℃和加热III段1000～1080℃；高温快速段微氧化气氛加热保温，炉膛微正压，加热速度为7min/cm，包括均热段温度1000～1070℃，出料温度950～1120℃。

步骤2）中，所述的穿孔，穿孔前温度为920～1050℃，穿孔过程中温度960～1120℃，穿孔后温度930～1080℃；

步骤2）中，所述的轧管，对管坯进行二次精轧，其中，精轧前温度880～1050℃，精轧过程中温度930～1010℃，精轧后温度830～980℃。

步骤2）中，所述的定径，定径前温度为850～980℃，最高加热温度为1100℃，定径后温度为760～840℃。

步骤3）中，所述的管体端部和接箍内台阶面相互配合的密封面优选圆弧型；

步骤3）中，所述的偏梯形螺纹，优选为每英寸8牙、6牙、5牙，具体根据尺寸确定。

步骤3）中，所述偏梯形螺纹加工使用错齿丝锥进行攻丝操作，即将丝锥的刀齿每间隔一个就去掉一个，呈交错排列；偏梯形螺纹加工设备为：采用FANUC系统，床身导轨采用重载滚动直线导轨，可承受重切削，60°倾斜式床身结构，液压卡盘，上下固定刀架组合。

步骤4）中，所述的有机粘结剂优选聚酰胺酰亚胺树脂；所述的固体润滑剂优选组成为60wt%纳米铜、20wt%聚四氟乙烯和20wt%二硫化铜的混合物；所述的防腐剂优选硬脂酸钙；所述的润湿剂优选聚醚硅氧烷共聚物。

本发明钛合金油井管制备方法，选用 Ti-6Al-4V-0.1Ru作为油井管管体材料，与一般TC4材质的钛合金相比，提高了其在氯离子环境中抗缝隙腐蚀和抗应力腐蚀。坯料在加热前表面涂刷防护涂料可以避免棒坯在加热时与氧、氮、碳、铁等发生各种化学反应及吸氢，由于封闭涂料的应用隔离了有害成分，实现了环形炉加热工艺，相对电炉加热工艺降低了成本、提高了效率。采用新型的接头，新型接头具有良好的气密性能、连接强度高、不易错扣、上扣扭矩易控制。接扣密封面圆弧设计降低了应力集中腐蚀，接头内孔流线型设计，提高了流动效率，减少了涡流和冲蚀。改进偏梯形螺纹，连接强度高、不易错扣、黏扣；接头部位的抗拉强度，屈服强度，不低于管体的强度，提供精确的拧结定位，增强了接头的密封能力及整体连接强度。新型的纳米铜复合纳米减磨涂料，不但能有效的提高钛合金抗黏扣性能，而且不会损伤钛合金的力学性能，采用纳米铜为基体，加入其它纳米颗粒，环氧树脂作为主要粘合剂，符合节能环保要求。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：本发明制备一种新型的油井管，耐腐蚀性强，机械性能好，使用寿命长，而且抗黏扣能力优异。通过对油井套管特殊螺纹和接扣的处理，以及防护和防黏扣涂料的研发和使用，从而提高了油井管的气密性和使用寿命，有效的降低螺纹表面间的摩擦力和上扣扭矩，达到改善油套管抗黏扣性能的目的。

附图说明

图1为本发明钛合金管连接扣部位的管体（A）与接箍（B）及螺纹；

图2为本发明钛合金油井管与普通油井管不同载荷下的摩擦因数；

图中，1、2N-普通油井管，2、6N-普通油井管，3、10N-普通油井管， 4、2N-钛合金油井管，5、6N-钛合金油井管，6、10N-钛合金油井管；

图3为本发明钛合金油井管与普通碳钢油井管耐盐雾腐蚀速率对比。

具体实施方式

下面将通过实施例进一步的描述本发明技术方案。这些描述并不是对本发明内容作进一步的限定。凡对本发明内容所作的等同替换，或相应的改进，仍属于本发明的保护范围之内。

实施例1

一种钛合金油井管的制备方法，步骤包括：

1）制备钛合金管坯

将Ti-6Al-4V-0.1Ru钛合金坯料按要求长度切断，并对切断后的坯料按要求加工到相应的外径尺寸，同时保证其加工后的表面粗糙度Ra＜3.2μm，得钛合金管坯；

2）制备钛合金管

对钛合金坯料两端面加工定心孔，坯料表面涂刷防护涂料（防护涂料，质量百分含量组成SiO₂ 32%，Al₂O₃5%，Li₂CO₃ 5%，H₂BO₃ 23%，TiO₂ 5%，CaCO₃ 7%，ZrO₂5%，Na₂CO₃ 7%，K₂CO₃10%，粘结剂１%；粘结剂为0.95wt%的聚丙烯酸钠和5wt%NaSiO3•9H2O混合组成）；

然后置于环形炉中分段加热，低温慢速段加热速度为10min/cm，包括预热段500℃～650℃、加热I段650～800℃、加热II段800～1000℃和加热III段1000～1080℃；高温快速段微氧化气氛加热保温，炉膛微正压，加热速度为7min/cm，包括均热段温度1000～1070℃，出料温度950～1120℃；

再依次经穿孔（穿孔前温度为920～1050℃，穿孔过程中温度960～1120℃，穿孔后温度930～1080℃）、轧管（二次精轧，其中，精轧前温度880～1050℃，精轧过程中温度930～1010℃，精轧后温度830～980℃）、定径（定径前温度为850～980℃，最高加热温度为1100℃，定径后温度为760～840℃）、冷却、矫正、锯切、喷砂工序，得钛合金管；

3）连接扣螺纹加工

将钛合金管连接扣部位的管体与接箍相互配合的密封面进行外圆加工（使管体端部和接箍内台阶面相互配合的密封面为圆弧型），然后在管体与接箍两端分别加工出偏梯形螺纹的公、母螺纹（每英寸6牙），再通过数控车床进行螺纹精加工，完成螺纹车丝工作（图1）；

所述偏梯形螺纹加工使用错齿丝锥进行攻丝操作，即将丝锥的刀齿每间隔一个就去掉一个，呈交错排列；偏梯形螺纹加工设备为：采用FANUC系统，床身导轨采用重载滚动直线导轨，可承受重切削，60°倾斜式床身结构，液压卡盘，上下固定刀架组合；

４）螺纹表面防黏扣处理

按下述质量百分含量组成的原料配制防黏扣涂料：有机粘结剂35.1%、固体润滑剂54.8%、防腐剂10%、润湿剂0.1%，混合后，上述原料混合后涂刷于螺纹表面，干燥，得钛合金油井管。

其中有机粘结剂为聚酰胺酰亚胺树脂；固体润滑剂组成为60wt%纳米铜、20wt%聚四氟乙烯和20wt%二硫化铜的混合物；防腐剂为硬脂酸钙；润湿剂为聚醚硅氧烷共聚物。

实施例2

一种钛合金油井管的制备方法，与实施例1不同之处在于：

2）防护涂料，质量百分含量组成 SiO₂ 24%，Al₂O₃5%，Li₂CO₃ 9%，H₂BO₃ 26%，TiO₂ 5%，CaCO₃ 8%，ZrO₂ 4%，Na₂CO₃ 9%，K₂CO₃ 10%，粘结剂１%；粘结剂为95wt%的聚丙烯酸钠和5wt%NaSiO3•9H2O混合组成。

3）公、母螺纹每英寸8牙；

４）防黏扣涂料：有机粘结剂33.95%、固体润滑剂60%、防腐剂6%、润湿剂0.05%。

实施例3

一种钛合金油井管的制备方法，与实施例1不同之处在于：

2）防护涂料，质量百分含量组成SiO₂ 39%，Al₂O₃5%，Li₂CO₃ 5%，H₂BO₃ 20%，TiO₂ 5%，CaCO₃ 5%，ZrO₂ 5%，Na₂CO₃ 5%，K₂CO₃ 10%，粘结剂１%；粘结剂为95wt%的聚丙烯酸钠和5wt%NaSiO3•9H2O混合组成。

3）公、母螺纹每英寸5牙；

４）防黏扣涂料：有机粘结剂40%、固体润滑剂45.9%、防腐剂14%、润湿剂0.1%。

本发明制备的钛合金油井管产品（已实施例1为例）性能分析：

摩擦磨损实验在不同载荷下钛合金油井管和普通油井管摩擦因数的对比，摩擦磨损实验所采用的对磨材料为氮化硅，载荷分别为2、6、10N转速225r/min，时间为12分钟，结果如图2所示，结果显示：本发明制备的的钛合金油井管式样的摩擦因数随时间的变化曲线比普通钢要平缓的多，基本上不随时间而变化。随着载荷的增大，钛合金油井管的摩擦因数有所增加，但增加幅度不大，而参照试样的摩擦因数变化幅度较大。在不同载荷下普通油井管的摩擦因数都要大于钛合金油井管的摩擦因数。

本发明钛合金油井管与普通碳钢油井管耐盐雾腐蚀速率对比，如图3所示，结果显示：钛合金盐雾腐蚀速率是碳钢的万分之一、不锈钢的千分之一。

可见，本发明油井管采用了新型的螺纹接头和纳米铜涂料后，提高了油井管的气密性和使用寿命，有效的降低螺纹表面间的摩擦力和上扣扭矩，达到改善油井管抗腐蚀和抗黏扣性能的目的。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。