专利名称：一种适用于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆及其加工方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于石油天然气开采的钻杆及其加工方法，特别是一种适用 于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆，属于石油钻杆技术领域。
背景技术：
随着石油天然气开采需求的增加，很多石油天然气的开发项目都集中到了深井、 超深井、高腐蚀性井中，特别是在对含氢、硫等腐蚀性较强的油气井中，需要性能更好的钻 杆来完成钻采任务。根据埃克森美孚公司的预测，容易开采的普通井比例将由2003年的 80%下降到2010年的57%，说明石油天然气已转向开采难度大的非常规资源的开发。这表 明了必须不断地研究开发新型的满足钻采新技术的钻杆产品才能满足开采条件日益苛刻 的钻井作业要求。自1958年我国首次在四川盆地发现含硫化氢天然气以来，硫化氢含量从微含硫 化氢(刚能检测到)到气体中硫化氢含量占92%左右。硫化氢对钻具有极强的腐蚀作用，可 造成钻具“氢脆”破坏事故，缩短钻具使用寿命，降低含硫井开发的经济性和安全性。钻具的 脆性断裂正是由于钢材中吸收了氢原子，氢原子扩散以及在高应力部位的聚集引起的。狗 在阴极区吸收阴极产物氢原子。由于氢原子在金属表面的吸附，使金属表面氢原子浓度大 增，使其逐步向金属内部渗入占据金属原子空穴而引起氢脆。在有存在的情况下发生 钻具脆断的可能性会大幅提升。传统的API钢质钻具几乎没有抵抗含硫、氢应力腐蚀开裂 的能力。因此，研究适用于含硫、氢等酸性条件下的钻杆成为十分重要的问题。中国专利CN1715438A，发明了一种抗二氧化碳、氯离子腐蚀石油钻杆用钢，解决 了现有钻杆用钢耐co2、Cl一腐蚀性能不好的缺陷。该专利考虑了在(X)2和Cl一存在的情 况下的钻杆的使用，但是对S、P等有害元素没有严格控制，使得该钢种在抗硫化氢应力腐 蚀性能并不理想，不适用于含氢、含硫环境下的石油天然气的开采。中国专利CN1390972A 2003. 1. 15给出了一种低合金超高强度钢种，具有较高的强度，但是不适用于在酸性环境下 使用；中国专利CN1361306A给出了一种抗硫化氢应力腐蚀石油套管及其生产方法，但该套 管经热轧成型后，其强度和韧性不能得到很好的保证；美国专利US4570708也给出了一种 抗酸性环境的套管生产方法，对碳钢采用冷加工方式，其强度和韧性也不能得到很好的保 证。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计一种适用于腐蚀酸性环境下的高韧 性钻杆，以满足酸性油气田的开采，属于石油钻杆技术领域。所述目的是通过如下方案实现的
一种适用于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆，所述高韧性钻杆由下述重量百分比的成分 组成=C 0. 01-0. 35%, Si 0. 02-0. 5%, Mn 0. 1-1. 8%, Ca 0. 0005-0. 008%, Ti 0. 003-0. 1%， Zr 0. 003-0. 1%，P 0-0. 015%, S 0-0. 003%, Cu 0. 2-0. 6%, Ni 0. 1-1. 0%, Cr 0. 2-3. 0%, Mo0. 1-1. 0%, Nb 0. 01-0. 15%, V 0. 01-0. 15%，其余成分为 Fe。进一步地，所述高韧性钻杆由下述重量百分比的成分组成C 0. 1-0. 15%， Si 0. 05-0. 2%, Mn 0. 5-0. 8%, Ca 0. 0006-0. 005%, Ti 0. 005-0. 08%, Zr 0. 005-0. 08%, P 0-0. 01%, S 0-0. 003%, Cu 0. 2-0. 3%, Ni 0. 1-0. 5%, Cr 1. 2-2. 0%, Mo 0. 1-0. 5%, Nb
0.01-0. 1%，V 0. 01-0. 06%，其余成分为 Fe。又，所述高韧性钻杆由下述重量百分比的成分组成C 0. 2-0. 35%，Si 0. 05-0. 3%， Mn 1-1. 2%, Ca :0.0008-0. 008%,Ti 0. 005-0. 1%, Zr 0. 005-0. 1%,P 0-0. 015%,S 0-0. 003%, Cu 0. 3-0. 5%, Ni 0. 1-1. 0%, Cr 2. 0-3. 0%, Mo 0. 1-1. 0%, Nb 0. 05-0. 15%, V 0. 05-0. 10%，其 余成分为i^e。上述一种适用于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆的加工方法，所述高韧性钻杆的 加工采用热加工方式，热轧钢制成钻杆本体后，对其进行淬火和正火热处理，淬火温度为 850 880°C，保温时间不少于30分钟，淬火介质为水；正火温度600 650°C，保温时间不 少于45分钟。上述适用于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆的加工方法，所述高韧性钻杆的加工采 用热加工方式，热轧钢制成钻杆本体后，对其进行淬火和正火热处理，淬火温度为850 8800C，保温时间不少于30分钟，淬火介质为水；正火温度600 650°C，保温时间不少于45 分钟。严格控制钢的组成成分，C是最基本的元素，要持续改善钢的强度水平，其含量最 低应为0. 01%，但是，当C的含量超过0. 35%时，对钢的韧性会有较大的影响，所以其含量应 该控制在0. 01-0. 35% ；Si对于改善钢的强度具有重要作用，其含量应该在0. 02%以上，但 是为了保证钢的韧性其含量不能超过0. 5%，所以其含量为0. 02-0. 5% ；Mn也是改善钢的强 度的重要元素，其含量应该在0. 1%以上，为了保证钻杆材料的可焊接性，其含量不能超过
1.8%，因此，其含量为0. 1-1. 8% ；Ca元素对于改善材料的抗酸性能具有重要作用，因为Ca可 以和S元素结合成CaS而防止MnS的形成，因此其含量不能低于0. 0005%,但是超过0. 008% 会有可能形成CaS和CaO的混合物，所以其含量控制在0. 0005-0. 008% ；Ti和rLx是重要的 抗氧化元素，这两种元素的总含量控制在0. 006-0. 2%，因为含量低于0. 006%起不到抗氧化 的作用，而高于0. 2%则会影响材料的韧性；P元素的含量应控制在0. 015%以内，因为P会 加速氧化的过程而引起裂纹产生；S元素应控制在0. 003%以内，以保证材料的抗酸性能； Cu, Ni以及Cr元素可以增强材料的抗酸以及抗腐蚀性能，Cu的含量应该在0. 2-0. 6%之 间，低于0. 2%不会起到相应的作用，高于0. 6%则会影响材料的加工性能；M的含量应该在 0. 1-1. 0%之间，同样小于0. 1%不会起到相应的作用，大于1. 0%则会引起硫化应力裂纹；Cr 可以增强材料的韧性，其含量一般为0. 2-3. 0% ；Mo, Nb和V元素可以增强材料的强度，当超 过0. 1%的Mo和超过0. 01%的Nb和V存在时会提高材料的强度，单其含量应控制在1. 0% 和0. 15%之间，所以Mo的含量为0. 1-1. 0%，Nb和V的含量分别控制在0. 01-0. 15%之间。在满足了上面的材料成分之后，对钻杆材料进行热处理和表面加工，热轧钢制成 钻杆本体后，对其进行淬火和正火热处理，淬火温度为850 880°C，保温时间30分钟左右， 淬火介质为水，正火温度600 650°C，保温时间不少于45分钟，至60分钟较佳。本发明的效果经以上方法制成的钻杆，可以适用于含硫、氢等酸性环境的石油和 天然气的开采中，并且具有较好的韧性，可以满足酸性油气田开采的需要。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用 于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员 根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。实施例1
X95钢级，φ 73. 02X9. 19mm钻杆。该钻杆的化学成分为C 0. 1-0. 15%, Si 0. 05-0. 2%, Mn 0. 5-0. 8%, Ca 0. 0006-0. 005%, Ti 0. 005-0. 08%, Zr 0. 005-0. 08%, P 0-0. 01%, S 0-0. 003%, Cu 0. 2-0. 3%, Ni 0. 1-0. 5%, Cr 1. 2-2. 0%, Mo 0. 1-0. 5%, Nb 0. 01-0. 1%，V 0. 01-0. 06%，其余成分为！^。热轧钢制成钻杆本体后，对其进行淬火和正火热 处理，淬火温度为850 860°C，保温时间35分钟，淬火介质为水，正火温度600 620°C， 保温时间50分钟。该钻杆各项性能指标满足API 5D要求，按照NACE测试方法01对其进 行检验，施加80%内屈服应力，分别浸泡在饱和硫化氢溶液和氯化钠溶液中，至少720小时 内无开裂。实施例2
G105钢级，φ 101. 6X8. 38mm钻杆，该钻杆的化学成分为C 0. 2-0. 35%, Si 0. 05-0. 3%, Mn 1-1. 2%, Ca :0. 0008-0. 008%, Ti 0. 005-0. 1%，Zr 0. 005-0. 1%，P 0-0. 015%, S 0-0. 003%, Cu 0. 3-0. 5%, Ni 0. 1-1. 0%, Cr 2. 0-3. 0%, Mo 0. 1-1. 0%, Nb 0. 05-0. 15%, V 0.05-0. 10%，其余成分为狗。热轧钢制成钻杆本体后，对其进行淬火和正火热处理，淬火温 度为860 880°C，保温时间40分钟，淬火介质为水，正火温度620 650°C，保温时间60 分钟。该钻杆各项性能指标满足API 5D要求，按照NACE测试方法01对其进行检验，施加 80%内屈服应力，分别浸泡在饱和硫化氢溶液和氯化钠溶液中，至少720小时内无开裂。所述高韧性钻杆由下述重量百分比的成分组成均可达到本发明目的 C 0. 01-0. 35%, Si 0. 02-0. 5%, Mn 0. 1-1. 8%, Ca 0. 0005—0. 008%, Ti 0. 003—0. 1%，Zr 0. 003-0. 1%，P 0-0. 015%, S 0-0. 003%, Cu 0. 2-0. 6%, Ni 0. 1-1. 0%, Cr 0. 2-3. 0%, Mo 0. 1-1. 0%, Nb 0. 01-0. 15%, V 0. 01-0. 15%，其余成分为 Fe。上述淬火温度为850 880°C均可，保温时间不少于30分钟，淬火介质为水；正火 温度600 650°C，保温时间不少于45分钟。
权利要求
1.一种适用于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆，其特征在于，所述高韧性钻杆由下述重 量百分比的成分组成:C 0. 01-0. 35%, Si 0. 02-0. 5%, Mn 0. 1-1. 8%, Ca 0. 0005-0. 008%, Ti 0. 003-0. 1%，Zr 0. 003-0. 1%，P 0-0. 015%, S 0-0. 003%, Cu 0. 2-0. 6%, Ni 0. 1-1. 0%, Cr 0. 2-3. 0%, Mo 0. 1-1. 0%, Nb 0. 01-0. 15%, V 0. 01-0. 15%，其余成分为 Fe。
2.根据权利要求1所述的适用于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆，其特征在于，所述高 韧性钻杆由下述重量百分比的成分组成=C 0. 1-0. 15%，Si 0. 05-0. 2%，Mn 0. 5-0. 8%，Ca 0. 0006-0. 005%,Ti 0.005-0. 08%,Zr 0. 005-0. 08%,P 0-0. 01%,S 0-0. 003%,Cu 0. 2-0. 3%, Ni 0. 1-0. 5%, Cr 1. 2-2. 0%, Mo 0. 1-0. 5%, Nb 0. 01-0. 1%，V 0. 01-0. 06%，其余成分为 Fe。
3.根据权利要求1所述的适用于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆，其特征在于，所述 高韧性钻杆由下述重量百分比的成分组成=C 0. 2-0. 35%，Si 0. 05-0. 3%，Mn 1-1. 2%，Ca 0.0008-0. 008%, Ti 0. 005—0. 1%，Zr 0. 005—0. 1%，P 0-0. 015%, S 0-0. 003%, Cu 0.3-0. 5%, Ni 0. 1-1. 0%, Cr 2. 0-3. 0%, Mo 0. 1-1. 0%, Nb 0. 05-0. 15%, V 0. 05-0. 10%，其余成分为 Fe。
4.权利要求1至3任一所述的一种适用于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆的加工方法， 其特征在于，所述高韧性钻杆的加工采用热加工方式，热轧钢制成钻杆本体后，对其进行淬 火和正火热处理，淬火温度为850 880°C，保温时间不少于30分钟，淬火介质为水；正火 温度600 650°C，保温时间不少于45分钟。
全文摘要
本发明涉及一种适用于腐蚀酸性环境下的高韧性钻杆及其加工方法，所述高韧性钻杆由高强度的碳钢或合金钢热加工而成，用于含腐蚀性气体的酸性环境下的石油或天然气的开采。所述高韧性钻杆由下述重量百分比的成分组成C0.01-0.35%，Si0.02-0.5%，Mn0.1-1.8%，Ca0.0005-0.008%，Ti0.003-0.1%，Zr0.003-0.1%，P0-0.015%，S0-0.003%，Cu0.2-0.6%，Ni0.1-1.0%，Cr0.2-3.0%，Mo0.1-1.0%，Nb0.01-0.15%，V0.01-0.15%，其余成分为Fe。热轧钢制成钻杆本体后，对其进行淬火和正火热处理，淬火温度为850～880℃，保温时间不少于30分钟，淬火介质为水，正火温度600～650℃，保温时间不少于45分钟。经以上方法制成的钻杆，可以适用于含硫、氢等酸性环境的石油和天然气的开采中，并且具有较好的韧性，可以满足pH值较低的酸性油气田开采的需要。
文档编号E21B17/00GK102071366SQ201110045859
公开日2011年5月25日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者周勇其, 袁鹏斌, 高连新 申请人:上海海隆石油管材研究所, 上海海隆石油钻具有限公司