[发明专利]一种轻质钻具材料的热处理工艺

说明书

技术领域

    本发明属于石油钻井机械材料领域，特别涉及一种轻质钻具材料的热处理工艺。

背景技术

随着石油工业的不断发展，油气井钻井深度不断增加，井深度增加，使得钻井工况越来越复杂，在钻超深井时钻柱的重量问题就给石油钻机带来了更大的负荷，对地面承载结构提出了很大的挑战，因此研究一种制造轻质钻具的新型材料迫在眉睫，不但要减轻整个钻柱的重量，而且这种材料特性能够满足现场复杂使用工况下钻具性能的要求。

为了获得轻质钻具，选材上可以从两个方面进行考虑：一是考虑选择密度低的材料；二是考虑选择强度高的材料进行设计。目前，针对密度低的材料制造成的钻具有三类：1.碳纤维材料的钻具；2.铝合金钻具；3.钛合金材料的钻具。其中铝合金材料的钻具在这三种低密度材料钻具中应用的数量最大，性价比最高。但是铝合金材料的钻具在国内大规模推广还是有很大困难的，这是因为国内生产铝合金钻具的基础条件还不能满足，它的制造工艺与普通钢质钻具的的制造工艺差别很大，有许多独特的制造工艺，如非等截面铝合金钻杆管体生产工艺；铝合金管材专用热处理生产线(铝合金无磁性，现有的钢钻杆电感应固溶生产线不能使用；铝合金杆体热处理后拉伸矫直工艺(钢钻杆一般采用轧辊矫直法、非外平钻杆采用静压矫直法；螺纹车削工艺(光洁度加工、煤油切削液配制等)、锥配合+管螺纹+热过盈嵌装铝合金钻杆接头拧固装置等。

国内外厂家制造G105和S135常规钻具所用材料均为优质合金钢。材料的使用状态是淬火、回火后的调质态，组织为回火索氏体，即在铁素体基体上弥散分布着粒状碳化物。国内外在高强钻杆用材上，基本上都是含有Cr、Mo的中碳合金钢，采用调质处理。因此，原材料成本较高，且淬火过程控制不当易出现裂纹，工艺复杂。

目前，现有材料在钻具的制造应用中主要存在以下几个问题：

1. 碳纤维复合材料钻具的主要缺点在于其水力特性和效率，阻碍了其在超深井钻井和大位移井钻井（ERD）的应用, 碳纤维复合材料钻杆价格为普通钢钻杆的3倍以上，这会增加投资。

2.新型贝氏钢(高强度钢)钻具的主要缺点在于减轻重量后容易出现失稳现象，减轻的重量有限制，否则保证不了钻具的稳定性。

3. 铝合金钻具的缺点主要缺点在于价格昂贵，铝合金钻杆的成本大约是常规钢钻杆的2.5~3倍多；屈服强度较低，需要通过增加壁厚来提升强度重力比，从而影响水力性能，且当温度高于120度多度时，屈服强度急剧降低。

4. 钛合金钻具主要缺点在于相同载荷作用下，变形量大；对扭矩变动会有延时效应；成本太高，常规钻井不适合用。

发明内容

为了克服现有的钻具重量大对石油勘探开发超深井的限制这一难题，本发明提供了一种新型材料——低碳锰-硅空冷贝氏体/马氏体复相钢的热处理工艺，是在Mn系贝氏体钢的基础上添加Si元素得到的新型Mn-Si系贝氏体钢，空冷获得无碳化物贝氏体/马氏体复相组织，低温回火，与等强度的回火马氏体相比，无碳化物贝氏体/马氏体复相组织具有更好的韧性，更高的疲劳强度和耐延迟断裂性能，用该材料制造的钻具强度重量比高、重量轻。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用适量Mn对中温转变的拖曳和类拖曳作用，改变等温转变C曲线的形状，利用Mn、Cr降低钢的Bs点，Si抑制碳化物析出，研制出在连续冷却条件下获得CFB/M（无碳化物贝氏体/马氏体）复相组织的新钢种。控制硅含量后，可以提高残余奥氏体的稳定性，从而显著提高回火温度，改善中碳、中低碳Mn-B系贝氏体钢的强韧性。硅的作用既有利于在贝氏体中形成残余奥氏体薄膜,又能推迟第一类回火脆性，可将回火温度提高至300℃以上，从而增加韧性及抗延迟断裂性能。并且该材料碳含量较低，对焊接工艺性有利。

Mn系中低碳贝氏体钢空冷条件下得到贝氏体/马氏体复相组织，经低温回火后，具有高的强度和一定的韧性；经中高温回火，韧性进一步提高，可以代替40CrNiMo等高Ni含量及高淬透性调质钢，适用于各类韧性要求高的调质件以及需表面淬火的调质件。在Mn系贝氏体钢的基础上添加Si元素得到的新型Mn-Si系贝氏体钢，空冷获得无碳化物贝氏体/马氏体复相组织，与等强度的回火马氏体相比，无碳化物贝氏体/马氏体复相组织具有更好的韧性，更高的疲劳强度和耐延迟断裂性能，可以制造多种性能指标苛刻的特殊结构件。

低碳锰-硅空冷贝氏体/马氏体复相钢料热处理后得到常规力学性能如下：