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CN104099527B - 一种超级13Cr加厚钻杆的制造方法 - Google Patents

一种超级13Cr加厚钻杆的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种超级13Cr加厚钻杆的制造方法，包括如下步骤：首先下述成分的钢管进行管端加厚处理，制成带加厚端的钻杆，成分重量百分比为：C0.01～0.05％，Si≤0.5％，Mn0.2～1.0％，Cr12～14％，Mo1～3％，Ni4～6％，余Fe和不可避免杂质；然后，整体加热到950～1000℃后空冷，经600～650℃回火；两加厚端分别加工为外螺纹钻杆接头和内螺纹钻杆接头；管端加厚处理为外加厚，包括三次加热、三次加厚；每次至少进行一道次变形，每次加热温度1150～1200℃；第一次外加厚顶锻压力为180～220bar；第二次顶锻压力180～220bar；第三次顶锻压力140～180bar。本发明钻杆既可做钻杆用，也可做油管用，满足含CO2致密砂岩气田获得高产的钻采作业要求。

Description

一种超级13Cr加厚钻杆的制造方法
技术领域
本发明涉及钻杆制造领域，特别涉及一种超级13Cr加厚钻杆的制造方法。
背景技术
用于石油天然气钻探的钻杆是按APISPEC5DP标准生产制造的。其结构是在钻杆管体两端各摩擦对焊一个外螺纹钻杆接头和一个内螺纹钻杆接头。符合APISPEC5DP标准的钻杆为低合金钢材质。
随着石油工业的发展，钻杆的服役条件日趋恶劣，APISPEC5DP标准的低合金钢材质钻杆已不能满足日益苛刻的钻井作业要求，迫切需要高合金钻杆。为此，国外厂商开发了铝合金钻杆与钛合金钻杆。
铝合金钻杆是按照ISO15546标准生产的。铝合金钻杆是由铝合金钻杆管体与一个低合金钢制外螺纹接头和一个低合金钢制内螺纹接头通过细扣螺纹连接而成的。
钛合金钻杆的结构与铝合金钻杆类似。美国专利6305723提出了一种钛合金钻杆接头的连接方式，其结构也是由钛合金钻杆管体与一个低合金钢制外螺纹接头和一个低合金钢制内螺纹接头通过细扣螺纹连接而成的。
采用铝合金钻杆与钛合金钻杆的主要目的有两个：一是利用铝合金钻杆与钛合金钻杆比重低的特点钻探超深井，二是利用铝合金钻杆与钛合金钻杆可以抵抗硫化物应力腐蚀钻探含硫井。
但对于某些含CO2气田，其地层为致密砂岩，如果采用常规的钻杆钻井、油管完井的作业方式(即采用钻杆在钻井液中钻井，钻井完成后将钻杆取出，下入油管完井的方式)，由于钻井液对储层产生污染，致使产量仅有几万立方米/天，加之含有较高的CO2，必须采用价格昂贵的超级13Cr系列高合金油管产品，成本太高，无工业开采价值。如果能够采用氮气钻井工艺，钻井时没有钻井液对储层的污染，就可能获得日产百万立方米天然气的高产量。但采用氮气钻井工艺后，不能将钻杆提出，换成油管完井(因为在氮气中起钻将引起井喷，进而造成井毁人亡的惨剧，因此如需起钻，必须将氮气置换为钻井液)，否则又将污染产层，使产量重回几万立方米/天，失去了氮气钻井的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超级13Cr加厚钻杆的制造方法，既用做钻杆使用，用于前期氮气钻井作业，也用做油管使用，用于后期油管完井，从而满足了含CO2致密砂岩气田获得高产的钻采作业要求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明的超级13Cr加厚钻杆制造方法，包括如下步骤：首先下述成分的钢管进行管端加厚处理，制成带加厚端的钻杆，其成分重量百分比为：C：0.01～0.05％，Si：≤0.5％，Mn：0.2～1.0％，Cr：12～14％，Mo：1～3％，Ni：4～6％，其余为Fe和不可避免的杂质；经整体加热到950～1000℃的温度后，进行空气冷却，最后经600～650℃回火，钻杆管体与加厚端达到110ksi的力学性能；钻杆热处理后两加厚端分别加工一个外螺纹钻杆接头和一个内螺纹钻杆接头；其中，管端加厚处理为外加厚，包括三次加热、三次加厚；每次至少进行一道次变形，每次加热温度为1150～1200℃；第一次外加厚顶锻压力为180～220bar；第二次外加厚的顶锻压力为180～220bar；第三次外加厚的顶锻压力为140～180bar。
此前现有所有低合金钻杆的加厚温度均为1150～1250℃，而本发明的超级13Cr钻杆的加厚温度为1150～1200℃。为之所以采用这样较低的加厚温度与较窄的温度范围，是因为超级13Cr材质作为高合金钢变形抗力大，必须采用1150℃以上的加厚温度，但超过1200℃会产生高温铁素体使钢的性能变差。
由于超级13Cr材质作为高合金钢变形抗力大，尤其是将工具接头直接加厚出来如此大的变形量，一般会考虑采用较大的顶锻压力，与此同时此前的加厚过程都包括内加厚步骤，而由于高温铁素体的原因加厚温度不能大幅提高致使高温塑性提高有限，因此在内加厚时钢管的加厚端易抱紧冲头，当冲头退回时，易发生管子拉断现象。相反地，如果采用较小的顶锻压力，由于超级13Cr材质变形抗力大，则无法满足工具接头的加厚尺寸要求。这就是此前高合金钻杆无法进行加厚的原因所在。而本发明创造性地将大顶锻压力与外加厚相结合，成功地完成了超级13Cr高合金钻杆工具接头大变形量的加厚工作。
在本发明之前，所有高合金钻杆，包括铝合金钻杆与钛合金钻杆均是通过细扣螺纹将钢制接头与铝合金或钛合金管体连接。这种连接方法存在两个问题：一是在用做钻杆使用时，细扣螺纹连接强度低，钻杆容易在此连接处断裂；二是在用做油管使用时，钢制接头与铝合金或钛合金管体存在电偶腐蚀，钢制接头很容易产生严重腐蚀。
之所以此前的高合金钻杆均采用细扣连接的方法，是因为高合金材质变形抗力大，采用传统的加厚工艺难以变形，更无法完成工具接头如此大的加厚变形量。
而本发明首次采用低加热温度、大顶锻压力与外加厚相结合的崭新工艺将接头生产出来，克服了此前高合金钻杆细扣连接的缺点。在用做钻杆使用时，由于接头与管体实际是同一根管子，不存在细扣螺纹连接，不会在细扣连接处断裂；在用做油管使用时，由于接头与管体是同一根管子，材质完全等同，不存在电偶腐蚀，不会在接头部位产生严重腐蚀。
本发明的有益效果是：
本发明通过对管端外加厚工艺及加厚端分别加工为外螺纹钻杆接头和内螺纹钻杆接头，使获得的超级13Cr高合金钻杆既用做钻杆使用，用于前期氮气钻井作业，也用做油管使用，用于后期油管完井，从而满足了含CO2致密砂岩气田的获得高产的钻采作业要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
本发明实施例的化学成分如表1所示，其余为Fe。
选取Φ101.6mm钻杆进行管端加厚处理，加厚温度1150～1200℃，第一次外加厚步骤顶锻压力为200bar，第二次外加厚步骤的顶锻压力为200bar，第三次外加厚步骤的顶锻压力为160bar，制成带加厚端的钻杆，经整体加热到950～1000℃的温度后，进行空气冷却，最后经600～650℃回火，钻杆管体与加厚端达到110ksi的力学性能；钻杆热处理后两加厚端分别加工成一个外螺纹钻杆接头和一个内螺纹钻杆接头。
热处理后的机械性能如表2所示。从表2可以看出，采用本发明的工艺后，产品可以达到110ksi的力学性能。
表1实施例的化学成分(wt％)
钢种 C Si Mn Cr Mo Ni
实施例1 0.04 0.24 0.35 12.2 1.9 5.8
实施例2 0.03 0.32 0.52 12.9 2.8 4.1
实施例3 0.02 0.36 0.95 13.8 1.2 5.2
表2实施例的机械性能
本发明生产超级13Cr高合金钻杆，既用做钻杆使用，用于前期氮气钻井作业，也用做油管使用，用于后期油管完井，从而满足了含CO2致密砂岩气田的获得高产的钻采作业要求。

Claims (1)

1.一种超级13Cr加厚钻杆的制造方法，包括如下步骤：首先下述成分的钢管进行管端加厚处理，制成带加厚端的钻杆，其成分重量百分比为：C：0.01～0.05％，Si≤0.5％，Mn：0.2～1.0％，Cr：12～14％，Mo：1～3％，Ni：4～6％，其余为Fe和不可避免的杂质；然后，经整体加热到950～1000℃的温度后，进行空气冷却，最后经600～650℃回火，钻杆管体与加厚端达到110ksi的力学性能；钻杆热处理后两加厚端分别加工一个外螺纹钻杆接头和一个内螺纹钻杆接头；其中，钢管管端加厚处理为外加厚，包括三次加热、三次加厚；每次至少进行一道次变形，每次加热温度为1150～1200℃；第一次外加厚顶锻压力为180～220bar；第二次外加厚的顶锻压力为180～220bar；第三次外加厚的顶锻压力为140～180bar；获得的钻杆既可用做钻杆使用，用于前期氮气钻井作业，也用做油管使用，用于后期油管完井，从而满足了含CO2致密砂岩气田获得高产的钻采作业要求。
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