一种油气开发用高强高韧钛合金钻杆及其制备方法与流程

本发明属于石油天然气装备领域，涉及一种油气开发用高强高韧钛合金钻杆及其制备方法。

背景技术：

1、随着石油天然气开发的进一步深入，许多油气田具有高温(大于140摄氏度)、高压(大于100mpa)、井深(大于5000m)并含高腐蚀介质(二氧化碳、硫化氢、氯气)等苛刻环境，为了适应这些油气田开发中对油套管耐腐蚀性的要求，考虑到钛合金材料具有比强度高、耐蚀性优异、弹性模量低、易于冷成型、耐海水冲刷等优良特性，钛合金管已经被引入制造钻具管并具有非常优异的性能表现。

2、由于油气开发工况比较复杂，很多油气田井的总压力、二氧化碳分压和硫化氢分压等腐蚀条件比较恶劣，特别是一些地区的油气田井大多具有超深、高压等特征，因此在钻探这类油气井时对钻具的强度和韧性提出更高的要求。因此并不是所有的钛合金材料都适用于严酷油气开发工况，因此常规的钛合金如ta18、tc4等材料制成的管材在韧性方面通常达不到油气开发行业所要求的“先漏后破”要求，从而制约了钛合金材料在石油开发钻探领域中的使用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中，常规的钛合金材料制成的管材在韧性方面达不到油气开发行业所要求的“先漏后破”要求的缺点，提供油气开发用高强高韧钛合金钻杆及其制备方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种油气开发用高强高韧钛合金钻杆，以质量百分数计，油气开发用高强高韧钛合金钻杆的组成包括：al：3.8％～5.0％；v：2.4％～3.3％；fe：1.3％～1.8％；nb：0.4％～0.8％；ni：0.3％～1.0％；o≤0.2％；c≤0.04％；n≤0.04％；h≤0.0135％；余量为ti。

4、优选地，油气开发用高强高韧钛合金钻杆还包括铬和/或钼；

5、以质量百分数计，cr的含量为0.15％～0.35％；mo的含量为0.05％～0.10％。

6、一种所述油气开发用高强高韧钛合金钻杆的制备方法，包括如下步骤：

7、步骤1)按照钛合金的组成成分选取原材料，并对原材料进行处理，得到钛合金铸锭；

8、步骤2)对钛合金铸锭进行加热锻造，得到钛合金热轧制棒料；

9、步骤3)对钛合金热轧制棒料进行加热穿孔，得到钛合金热轧穿孔管；

10、步骤4)对钛合金热轧穿孔管进行缺陷处理，得到无缺陷的直钛合金管；

11、步骤5)对直钛合金管的两端进行加热镦粗处理，得到镦粗钛合金管；

12、步骤6)对镦粗钛合金管进行真空退火，得到油气开发用高强高韧钛合金钻杆。

13、优选地，步骤1)的具体过程为：

14、对原材料首先进行分散配料处理，并将分散配料后的原材料压制成电极，再进行真空熔炼，得到钛合金铸锭，钛合金铸锭的外径最大为600毫米。

15、优选地，步骤2)中，

16、在加热锻造之前对钛合金铸锭依次进行扒皮、切冒口、去底垫处理，并对处理后的钛合金铸锭进行化学成分分析；

17、加热锻造过程具体为：在温度为1000～1050℃下加热1～2h，得到中间坯；然后将中间坯在970℃～1030℃下退火1～2h，之后在1000℃以上对中间坯进行精煅，直至精锻变形量不小于40％，得到钛合金热轧制棒料。

18、优选地，步骤3)的具体过程为：

19、将钛合金热轧棒料置于920～980℃下加热，并进行斜轧穿孔，空冷至室温，得到钛合金热轧穿孔管。

20、优选地，步骤4)的具体过程为：对钛合金热轧穿孔管进行校直处理，之后使用5％-10％盐酸或者10-20％naoh进行酸碱洗处理，检查表面状态去除缺陷，获得无缺陷的直钛合金管。

21、优选地，步骤5)的具体过程为：加热直钛合金管的两端端部至950-1050℃，使用端部镦粗设备进行对直钛合金管两头端部镦粗，镦粗完毕后，将镦粗钛合金管空冷至室温，并检查表面状态去除缺陷，对端部镦粗部位进行手工超声波探伤和涡流探伤。

22、优选地，步骤6)中，退火的条件为：温度700～900℃，真空度小于0.33pa，时间1～2h；

23、退火后，将镦粗钛合金管空冷至室温，对镦粗钛合金管进行酸碱洗，检查镦粗钛合金管内外表面状态，对表面缺陷进行处理，得到油气开发用高强高韧钛合金钻杆。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、本发明公开了一种油气开发用高强高韧钛合金钻杆，采用合理的合金成分设计，使用少量成本较低的fe元素来代替部分价格较高的v元素，并使用合理的ni元素与nb元素进行搭配，控制了合金中氧元素的含量，不但提高了合金的强度和韧性，同时利用ni、cr、mo等元素协同作用，提高了钛合金表面析氢反应速率提高，加速了氢气的形成速度，所以使本发明的钛合金的表面钝化膜(氧化钛)在恶劣的酸性环境中保持较高的稳定和完成，从而提高了该合金的耐腐蚀性能，使该钛合金管在具有较高的强度和优良的韧性的同时，仍然具有较高的耐腐蚀性能；同时由于该合金的贵金属元素用量较少，成本较低，可以显著的降低钛合金管的成本。保持强度和耐蚀性的条件下，在满足工况要求的高强高韧钛合金管材料及其制备加工工艺，实现钛合金油井管产品在油气开采领域的工业化应用。

26、进一步地，fe元素是一种共析型β相稳定元素，在钛合金中含有一定量的fe元素，不但可以在一定程度上提高钛合金的强度，同时降低了管材的成本和后期的加工难度；同时，在酸性环境中随着fe离子含量的增高，钛合金的腐蚀速率显著下降，当fe离子浓度达到一定的含量时(约为10000ppm)腐蚀速率趋于稳定,并且随着盐酸浓度和温度的增加，要获得较好的耐蚀性能所需的fe离子数量越多。ni元素也是一种共析型β相稳定元素，加入ni元素可以提高钛的在盐酸和硫酸中的耐蚀性，特别是和其他耐蚀金属配合使用时，可以相互作用极大提高耐蚀能力。同时加入ni元素可以一定程度上提高钛合金的强度和塑性。nb元素是一种同晶型β相稳定元素，nb可在β相中无限固溶，在钛合金中添加nb元素不但可以细化晶粒，还能够降低基体中的氧浓度，并使合金中sn等元素转移到稀土氧化物中，抑制脆性ti3al(α2相)的析出，还能形成细小稳定的rexoy颗粒，产生弥散强化，进一步提高合金的强度。cr元素可以和钛合金中的β相形成无限固溶体并稳定β相，当667℃时0.5％wt.的cr元素可以与钛发生共析反应，生成α相和ticr2相，在钛中添加cr元素可以使钛的flade电位(钝化电位)向活跃区移动，与使用可以促进钛合金的钝化。mo元素是一种同晶型β相稳定元素，mo可在β相中无限固溶，在钛合金中添加mo元素不但可以细化晶粒，提高合金的强度和塑性，而且在钛中加入适当微量的mo元素使得ru-mo元素配合作用可以提高钛合金的耐蚀性，但是当mo元素添加到一定量时再继续添加反而会带来耐蚀性的下降。

27、本发明还公开了一种油气开发用高强高韧钛合金钻杆的制备方法，依次进行真空熔炼、加热锻造、加热穿孔、缺陷处理、加热镦粗处理和真空退火，得到油气开发用高强高韧钛合金钻杆。使用本合金成分和制备工艺制备的高强高韧钛合金钻具用管显微组织为α+β相的双态组织，成分均匀、晶粒细小，无明显偏析，整个钛合金管具有优良的力学性能，屈服强度不小于931mpa，抗拉强度不小于1000mpa，延伸率不小于13％，全尺寸夏比v型冲击能不小于41j。具有优异的机械性能的同时，成本低廉方便制备加工，可以满足深井、超深井油气开发工况下对高强高韧钛合金钻具用管的需求。