一种适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢制造技术

本发明专利技术涉及一种适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其成分按质量百分比计为：C：0.01‑0.06%、Mn：20.3‑21.7%、Cr：18.0‑20.0%、Mo：0.5%‑3.5%、Ni：1.4‑4.5%、N：0.6‑2.2%、Cu：1.15‑1.84%，Nb：0.38‑0.82%，余量为Fe和不可避免的杂质，并且Cu和Nb满足([Cu]/63.5)/([Nb]/92.9)=2.56‑5.17，式中，[Cu]和[Nb]分别代表钢中Cu和Nb的质量百分含量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，该钻铤用钢不仅具有与传统钻铤用钢等同或更高的力学性能，其还具有优异的抗ssc特性，特别适用于酸性油气田钻采过程中使用。

技术介绍

1、钻铤是钻柱的主要组成构件，在石油、天然气钻探过程中，通常靠磁性的指南针或者磁性仪器来进行定位，为了避免对定位的干扰，需要采用无铁磁性的钻铤。同时，为了向钻头提供钻进的压力并且提高钻柱的刚性，需要钻铤具有优异的强度和韧性特性。钻采工作过程中常常面临着电化学腐蚀、点蚀等，要求钻铤材料具有优异的耐蚀性能。综合以上，现有的钻铤材料由于各项特性要求都比严苛，导致成本造价比较高，因此，期望钻铤材料能够尽可能长时间的服役。

2、然而，在酸性油气田钻采过程中，工作环境中伴随着高浓度含量的h2s，在较高的h2s下长时间工作将导致钻铤产生硫化物应力开裂（sulfide stress cracking，ssc），常常造成钻铤开裂、断裂失效，服役寿命短，钻采成本居高不下。

3、基于上述问题，本专利技术的专利技术人希望提供一种能够有效抵抗硫化物应力开裂的钻铤材料，延长其在酸性油气田钻采过程中的稳定、可靠服役时间，降低钻采成本。

技术实现思路

1、本专利技术提供一种适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，该钻铤用钢不仅具有与传统钻铤用钢等同或更高的力学性能，其还具有优异的抗ssc特性，当用于酸性油气田钻采过程中时，不易开裂或者断裂，具有稳定工作表现和可靠服役时间，可以有效降低钻采成本。

2、本专利技术的技术目的是通过以下手段实现的。

3、本专利技术的目的在于提供一种适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其成分按质量百分比计为：c：0.01-0.06%、mn：20.3-21.7%、cr：18.0-20.0%、mo：0.5%-3.5%、ni：1.4-4.5%、n：0.6-2.2%、cu：1.15-1.84%，nb：0.38-0.82%，余量为fe和不可避免的杂质，并且cu和nb满足([cu]/63.5)/([nb]/92.9)=2.56-5.17，式中，[cu]和[nb]分别代表钢中cu和nb的质量百分含量。

4、下面，对本专利技术的成分设计原理进行介绍。

5、c：碳是最重要的奥氏体形成元素之一，本专利技术旨在获得全奥氏体组织从而确保材料的顺磁性，因此，需要一定的碳含量。并且，碳的加入有助于提高钢材的强度，对于确保钢材的强度特性也是十分重要的。但是，碳含量过高容易形成碳化物，导致钢材的耐蚀性下降。因此，综合考虑本专利技术的金相组织、强度、耐蚀性能，本专利技术设置钢材中碳的含量为0.01-0.06%。

6、mn：在本专利技术中，锰是至关重要的元素，其有利于确保钢材的强度并且稳定奥氏体组织，同时，只有足够高的锰含量才能够确保足量的氮溶解到钢材中，进而确保钢材中具有足够高的氮含量以实现以氮代镍，降低钢材的成本，但是锰含量过高将会导致钢材的耐蚀性恶化。综合考虑本专利技术的金相组织、强度、耐蚀性能，本专利技术设置钢材中锰的含量为20.3-21.7%。

7、cr：铬一方面可以稳定钢材的奥氏体组织，另一方面，铬最重要的作用是确保钢材具有足够的耐蚀性，但是铬过高将导致钢材的加工性能下降，并且韧性也随之恶化。综合考虑本专利技术的金相组织、耐蚀性能、加工性能、韧性等特性，本专利技术设置钢材中的铬含量为18.0-20.0%。

8、mo：钼是确保钢材具有优异耐蚀性的重要元素，同时钼也是大幅提高强度的元素，但是钼含量过高将恶化钢材的加工性能。综合考虑本专利技术的耐蚀性能、加工性能，本专利技术设置钢材中的钼含量为0.5%-3.5%。

9、ni：镍是改善钢材耐蚀性的重要元素，并且对于维持奥氏体稳定性是重要的，然而，镍资源匮乏日益严重，镍的价格居高不下，因此，本专利技术采用高锰高氮的方式替代镍。基于耐蚀性考虑和成本控制，本专利技术设置钢材中的镍含量为1.4-4.5%。

10、n：氮的加入可以维持奥氏体稳定性，是提高强度和确保耐蚀性的元素，通过提高锰的加入量，可以提高氮在钢材基体中的溶解度，从而实现以锰和氮替代大部分的镍元素，但是氮的含量过高会导致加入困难，并且容易在钢材基体中形成气孔，影响钢材的各项性能。基于金相组织、强度和耐蚀性的需要，本专利技术设置钢材中氮的含量为0.6-2.2%。

11、cu：铜是奥氏体形成元素，有利于确保钢材具有奥氏体基体从而提高强度并且确保钢材具有无磁特性，铜的加入会显著提高钢材的耐腐蚀性能，然而，过高的铜会导致钢材加工特性急剧下降，综合考虑钢材的组织、无磁性、强度、耐蚀性、加工性，本专利技术设置钢材中铜的含量为1.15-1.84%。

12、nb：铌是提高钢材淬透性的元素，可以稳定奥氏体从而确保钢材的顺磁性能，铌可以形成碳化物、氮化物等，细化晶粒，显著提高钢材强度，但是铌过高会导致成本上升和可加工性能下降，综合考虑本专利技术钢材的组织、强度和可加工性能，本专利技术设置钢材中铌的含量为0.38-0.82%。

13、([cu]/63.5)/([nb]/92.9)的值：如前
技术介绍
中所描述，现有的钻铤材料在酸性油气田中工作时，容易受到h2s的影响而出现裂纹甚至断裂，导致钻铤有效服役期限较短，工作稳定性不佳，钻采成本较高。本专利技术的专利技术人通过反复试验，发现通过协同控制cu和nb的含量，可以有效的提高钢材的抗ssc特性，从而使其在酸性油气田中工作时不会因为高浓度的h2s而产生硫化物应力开裂，确保钻铤具有优异的服役寿命，延长可靠稳定工作的时间，从而有效降低钻采成本。经过本专利技术专利技术人的确认，能够确保钢材具有优异抗ssc特性的cu和nb含量范围被定义为([cu]/63.5)/([nb]/92.9)=2.56-5.17。

14、本专利技术中，不可避免的杂质元素可以列举如p、s、o、h等，这些元素都是钢中常存元素，通过原料带入并且不可能完全去除，杂质元素的含量控制的越低，对应钢材的性能越好，但是钢材的制备成本越高，综合考虑性能和成本的，本专利技术的p和s均控制在0.01%以下，o和h均不高于50ppm。

15、作为非限定性的描述，本专利技术的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢的屈服强度在995mpa以上、抗拉强度在1075mpa以上、伸长率不低于20%、断面收缩率不低于50%、室温冲击功不低于90j、相对磁导率μr≤1.005。

16、本专利技术的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢具有优异的抗ssc特性。根据nacetm0177-2016中方法a进行测试，将本专利技术的钻铤用钢试样（φ6.35mm×25.4mm）浸渍于在试验液中，试验液为：向5wt.％nacl水溶液中添加乙酸+乙酸钠而将试验液的ph调整为3.5，液温：25℃，气氛co2：0.95atm、h2s：0.05atm，将屈服强度的90％作为负载应力进行负载，在浸渍液中浸渍720小时后无裂纹。

17、作为本专利技术的另一个方面，本专利技术还提供前述适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢在酸性油气田钻采中的应用，由于本专利技术的钻铤用钢除具有传统钻铤用钢优异的各项力学性能本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的成分按质量百分比计为：C：0.01-0.06%、Mn：20.3-21.7%、Cr：18.0-20.0%、Mo：0.5%-3.5%、Ni：1.4-4.5%、N：0.6-2.2%、Cu：1.15-1.84%，Nb：0.38-0.82%，余量为Fe和不可避免的杂质，并且Cu和Nb满足([Cu]/63.5)/([Nb]/92.9)=2.56-5.17，式中，[Cu]和[Nb]分别代表钢中Cu和Nb的质量百分含量。

2.根据权利要求1所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的屈服强度在995MPa以上。

3.根据权利要求1-2任一项权利要求所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的抗拉强度在1075MPa以上。

4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的伸长率不低于20%。

5.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的断面收缩率不低于50%。

6.根据权利要求1-5任一项权利要求所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的室温冲击功不低于90J。

7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的相对磁导率μr≤1.005。

8.根据权利要求1-7任一项权利要求所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢具有优异的抗SSC特性。

9.权利要求1-8任一项权利要求所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢的用途，其特征在于，所述适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢用于酸性油气田钻采。

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【技术特征摘要】

1.一种适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的成分按质量百分比计为：c：0.01-0.06%、mn：20.3-21.7%、cr：18.0-20.0%、mo：0.5%-3.5%、ni：1.4-4.5%、n：0.6-2.2%、cu：1.15-1.84%，nb：0.38-0.82%，余量为fe和不可避免的杂质，并且cu和nb满足([cu]/63.5)/([nb]/92.9)=2.56-5.17，式中，[cu]和[nb]分别代表钢中cu和nb的质量百分含量。

2.根据权利要求1所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的屈服强度在995mpa以上。

3.根据权利要求1-2任一项权利要求所述的适用于酸性油气田钻采的钻铤用钢，其特征在于，所述钻铤用钢的抗拉强度在1075mpa以上。

4.根据权利要求1-3任一项权利要求所...

【专利技术属性】
技术研发人员：帅德军，胡力，帅莉，朱昊月，
申请(专利权)人：襄阳金耐特机械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：