[发明专利]一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方法，属于低碳合金钢金属材料技术领域。

背景技术

国内外现有抗硫钻杆最高钢级为105ksi，包括国外日本NKK、法国曼内斯曼、格兰特公司，及国内宝钢、渤海能克等公司均有105ksi钢级的抗硫钻杆。然而，国内西部油气田如四川、重庆及塔里木等重点油气田普遍井深达到5000米以上，又含有不同程度的硫化氢介质，对这些5000米以上深井，105ksi钢级无法满足钻井载荷的需要，而且高钢级钢质钻杆对硫化氢应力腐蚀开裂非常敏感，硫化氢的存在很容易造成高钢级钻杆发生硫化氢应力腐蚀开裂，造成钻具断裂、掉井等事故，给钻井工程造成极大危害。造成高钢级钻杆硫化氢应力腐蚀开裂的主要原因是钢质钻杆材料的成分设计及制造工艺对钻杆的微观组织特征影响明显，而后者又决定了钻杆的宏观性能特征。

因此，仍有必要研发出一种高钢级抗硫钻杆材料，通过合理的成分及工艺设计，来优化材料的微观组织特征，实现抗硫化氢应力腐蚀开裂。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方法。该高钢级抗硫钻杆材料的强度能够达到105-135ksi钢级范围，其能够应用于含硫化氢的油气田深井钻井工程，满足四川、重庆、塔里木等含硫化氢油气田5000-8000米深井安全钻井需要。

为达上述目的，本发明提供一种高钢级抗硫钻杆材料，以质量百分比计，其包括以下成分组成：C：0.15％-0.25％，Mn：0.20％-0.50％，Si：0.20％-0.30％，Cr：0.50％-1.20％，Ni：0.80％-1.5％，Mo：0.50％-1.20％，Nb：0.01％-0.03％，V：0.01％-0.03％，Ti：0.01％-0.03％，Al：1.0％-3.0％，La：0.005％-0.01％，S：≤0.001％，P：≤0.003％，余量为Fe。

在上述高钢级抗硫钻杆材料的成分组成中，碳元素(C)含量对于制备该材料时热处理后形成的碳化物种类、数量有直接影响。锰(Mn)、硅(Si)对于材料冶炼中的钢水流动性影响显著。铬(Cr)、钼(Mo)属于碳化物形成元素，与碳元素的合理搭配与调质热处理后第二相弥散物特征及材料的淬透性有直接关系。镍(Ni)溶解于基体中，对于提高钢的韧性水平具有重要意义，但其含量过多则会形成游离的镍单质，对硫化氢应力腐蚀有负面作用，而上述的含量则最为合适。铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)属于微量元素，适量添加可以抑制在制备该材料时的热轧过程中的晶粒异常长大，还能够细化晶粒，提高晶界强度及稳定性，但任一元素添加过量将导致弥散物长大粗化，增加材料对硫化氢应力腐蚀开裂的敏感性。铝(Al)的适量添加，可以提高抗氧化性，材料表面可以自发形成致密的Al₂O₃薄膜，阻止硫化氢分子及活性氢原子渗入基体，从而提高材料的耐腐蚀性，过量添加则会引起钢水冶炼中的自氧化，形成夹杂物，增加材料对硫化氢应力腐蚀开裂的敏感性。稀土元素镧(La)可以净化材料内夹杂物，降低不同物相界及晶界残余应力，提高第二相粒子形核位置均匀性，保证相界及晶界在硫化氢环境下不会发生应力腐蚀开裂。硫(S)、磷(P)属于钢中的杂质元素，需要严格控制，实现材料的纯净度。

在本发明中，优选地，所述的高钢级抗硫钻杆材料具备以下力学性能指标：室温屈服强度为724-932MPa、室温抗拉强度为850-1050MPa、延伸率为25-35％、室温冲击韧性为145-180J、晶粒度为9.0-12.0级、硬度为HRC18-HRC25。

根据本发明的具体实施方式，优选地，所述的高钢级抗硫钻杆材料满足NACE0177标准中A法试验的性能要求，即在A溶液内，对所述高钢级抗硫钻杆材料施加85％名义屈服强度，其持续720小时受载不会发生断裂。其中，A溶液为含有5wt％NaCl和0.5wt％CH₃COOH的饱和H₂S水溶液。

根据本发明的具体实施方式，在透射电子显微镜下观察，本发明的高钢级抗硫钻杆材料在平均每100平方微米面积中包含渗碳体及合金元素碳化物粒子颗粒数为5-15个，粒子的长径比为1-1.5，晶界上粒子间距与晶粒内粒子间距比值为0.8-1。该材料具有晶粒等轴化、第二相粒子等轴化及弥散分布的特征，可以实现钻杆材料微观组织的均匀化特征，降低材料微观应力集中效应。