專利名稱：一種120鋼級(jí)鉆桿及其制造工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于石油鉆井工程特別是中深井鉆的鉆具及其制 造工藝方法，屬石油鉆井工程及機(jī)械加工技術(shù)類。
背景技術(shù)：
石油鉆桿是石油鉆井過程中的重要工具和易耗品，隨著石油天然氣
行業(yè)的發(fā)展和淺層油氣層的逐漸減少和枯竭，鉆井深度逐漸由2000m 左右增加到4000m左右，部分井深達(dá)到4000m以上，探井深度達(dá)到 5000-7000m，甚至達(dá)到lOOOOm。由于鉆井深度的增加，鉆井施工過程 使用的鉆機(jī)、鉆具均需隨之升級(jí)，取代原有的淺層鉆井設(shè)備和工具。目 前，現(xiàn)場(chǎng)在石油鉆井施工時(shí)使用的鉆桿通常采用美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API) 的制造標(biāo)準(zhǔn)，其中，G105和S135鋼級(jí)鉆桿適用的鉆井深度分別為4000 土500m和4500m。這兩種鋼級(jí)鉆桿的管體外型尺寸和材料基本相同，只 是通過對(duì)熱處理參數(shù)進(jìn)行調(diào)整得到不同的屈服強(qiáng)度G105鉆桿為 105-135Ksi (724-931Mpa) ， S135鉆桿為135-165Ksi (931-1138Mpa)。對(duì) 于鉆井工程的實(shí)際工況而言，G105鋼級(jí)鉆桿強(qiáng)度較低，而S135鉆桿強(qiáng) 度雖超過135Ksi，但其公接頭內(nèi)孔直徑較小，過流截面小，在鉆井過 程中易發(fā)生脆性斷裂，生產(chǎn)實(shí)際需要推出一種既有足夠強(qiáng)度又有良好防 脆性斷裂性能的新型鋼級(jí)鉆桿。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有足夠強(qiáng)度和良好防脆性斷裂性能的120鋼級(jí)鉆桿及其制造工藝方法。
本發(fā)明目的技術(shù)方案如下。此種120鋼級(jí)鉆桿管體采用27CrMnMo， 接頭材料采用AISI4137HM，其中，接頭化學(xué)成分及質(zhì)量百分比分別為C 《0.40%， S《0.015%， P《0.010%， N《0.009%， B《0.005%，公母接頭 尺寸與G105鉆具相同，機(jī)械性能分別為屈服強(qiáng)度130-150Ksi，延伸 率>17%，布氏硬度HB290-330,縱向沖擊功80J，橫向沖擊功60J，端 面收縮率》45%，晶粒度等級(jí)7級(jí)。此種鉆桿的制造工藝方法和實(shí)施步 驟如下
1、管體制造選用優(yōu)質(zhì)改進(jìn)型合金材料27CrMnMo4s/1作為鉆桿管 體材料，將其兩端燒紅(1100-1200°C)后，利用加厚壓力機(jī)和專門設(shè) 計(jì)的模具，采用內(nèi)外加厚方式將兩端150mm范圍內(nèi)的管體外徑加大、內(nèi) 徑縮小到美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)APISpec5D要求，管體一端L2m范圍內(nèi)感 應(yīng)圈三次逐步加熱，防止管體加熱過快造成管體爆裂，三次加熱的目的 是每次加熱時(shí)間都不長(zhǎng)，以提高生產(chǎn)線的進(jìn)度；管端鐓粗兩次鐓粗到標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定尺寸，兩次鐓粗的目的在于一方面防止一步到位造成管端或過渡 帶裂紋，同時(shí)提高生產(chǎn)線速度；掉頭用同樣方式鐓粗管體另一端；將加 厚過的管體通過900-920'C淬火和600-62(TC回火熱處理，使其最低屈 服強(qiáng)度達(dá)到120-135Ksi (827-931Mpa);為了獲得均勻的熱處理效果， 避免管體彎曲變形，利用天然氣整體爐式加熱、整體式水淬，溫度必須 均勻，爐內(nèi)多處采用實(shí)時(shí)攝像頭監(jiān)控，爐內(nèi)全部支架和傳動(dòng)系統(tǒng)采用耐 高溫不銹鋼制造;對(duì)熱處理后的管體經(jīng)校直處理和步進(jìn)式緩慢冷卻后進(jìn) 行電磁探傷，找出裂紋或擠壓缺陷；對(duì)管體端部同樣進(jìn)行校直、加工，然后用磁粉或超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)微型裂紋采取補(bǔ)救辦法或鋸掉重新加
厚；
2、 接頭制造選用優(yōu)質(zhì)改進(jìn)型合金材料AISI4137HM作為鉆桿接頭 材料，要求每件單獨(dú)鍛造成型，不得將長(zhǎng)料鋸斷作為原料，后者金屬鍛 造過程中形成的細(xì)長(zhǎng)晶粒沿軸向方向延伸，加工過程中會(huì)被切斷，不利 于保持接頭機(jī)械性能；熱處理采用880-920'C淬火和600-620。C回火工 藝，毛坯粗加工后，熱處理過程中適當(dāng)碳氮共滲，防止接頭表面的金屬 層碳元素流失，然后在精加工過程中將滲碳層加工掉，以避免接頭裸露 表面脆硬，使得機(jī)械性能更加均勻；對(duì)螺紋表面鍍銅，用以防止螺紋在 大扭矩下發(fā)生粘合現(xiàn)象；按ASTMA370方法進(jìn)行沖擊功試驗(yàn)，10xlOmm 試件的縱向沖擊功超過90J，橫向沖擊功超過70J，沖擊功要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高 于API Spec7要求，以保證接頭性能滿足P120鉆桿大水眼方面的強(qiáng)度 要求；
3、 對(duì)焊；采用大型慣性摩擦機(jī)進(jìn)行鉆桿管體和接頭的對(duì)焊，焊縫 采取890-92(TC淬火和590-61(TC回火處理，使最低屈服強(qiáng)度達(dá)到 105Ksi (724Mpa)。由于焊縫部位是兩種金屬的融合線，壁厚一般為管 體的兩倍，為了保證焊區(qū)在使用過程中不發(fā)生硬性脆裂，強(qiáng)度要求可比 管體略低一些；對(duì)焊后主要工作如下沖壓鉆桿內(nèi)孔焊縫溢出物，在焊 縫處于紅熱狀態(tài)時(shí)，用設(shè)在對(duì)焊機(jī)上的沖頭將鉆桿內(nèi)孔中的金屬溢出物 沖掉；焊縫退火，降低焊縫硬度；外圓焊縫機(jī)加工，用車床將鉆桿外圓 焊縫處的金屬溢出物車去；焊縫淬火和回火處理，使鉆桿機(jī)械性能達(dá)到 標(biāo)準(zhǔn)要求，可抽樣進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)；內(nèi)外焊縫修模，使用機(jī)械砂輪進(jìn)行打磨，使管體端部與接頭端部同心；焊縫檢測(cè)，進(jìn)行超聲波探傷和磁粉探 傷；焊耐磨帶，用以減少鉆桿接頭直接承受的摩擦力，延長(zhǎng)使用壽命； 鉆桿內(nèi)表面涂覆內(nèi)涂層，用以防止鉆桿內(nèi)壁腐蝕或被高壓泥漿直接沖 刷，延長(zhǎng)鉆桿使用壽命；鉆桿外表面噴油漆、標(biāo)識(shí)；重量、長(zhǎng)度測(cè)量， 準(zhǔn)備質(zhì)量證明文件；鉆桿加工完畢，待發(fā)運(yùn)使用。
本發(fā)明提供的120鋼級(jí)鉆桿具有良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度和防脆性斷 裂性能，適用于4000-5000m深井鉆井，由于接頭內(nèi)孔擴(kuò)大，有利于鉆 進(jìn)過程中的水力破巖作用，并可充分發(fā)揮大功率鉆井泵的作用，提高機(jī) 械鉆速；本發(fā)明提供的鉆桿制造工藝方法易于實(shí)施，實(shí)用可靠，效果良 好。


附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和制造工藝示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖加以說明。
如圖所示，本發(fā)明提供的120鋼級(jí)鉆桿由公接頭1、鉆桿管體2和 母接頭3組成，圖中，標(biāo)號(hào)"4"、 "5"分別為公接頭l、母接頭3與鉆 桿管桿2對(duì)焊的焊縫。該鉆桿的各部件和總體制造加工工藝過程如前所 述。
權(quán)利要求
1、一種120鋼級(jí)鉆桿，其特征在于此種120鋼級(jí)鉆桿管體采用27CrMnMo，接頭材料采用AISI4137HM，其中，接頭化學(xué)成分及質(zhì)量百分比分別為C≤0.40％，S≤0.015％，P≤0.010％，N≤0.009％，B≤0.005％，公母接頭尺寸與G105鉆具相同，機(jī)械性能分別為屈服強(qiáng)度130-150Ksi，延伸率≥17％，布氏硬度HB290-330，縱向沖擊功80J，橫向沖擊功60J，端面收縮率≥45％，晶粒度等級(jí)7級(jí)。
2、 一種120鋼板鉆桿及其制造工藝方法，其特征在于此種鉆桿 的制造工藝方法和實(shí)施步驟如下(1)、管體制造選用優(yōu)質(zhì)改進(jìn)型合金材料27CrMnMo4s/1作為鉆 桿管體材料，將其兩端燒紅(1100-1200°C)后，利用加厚壓力機(jī)和專 門設(shè)計(jì)的模具，采用內(nèi)外加厚方式將兩端150mm范圍內(nèi)的管體外徑加 大、內(nèi)徑縮小到美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API Spec5D要求，管體一端1.2m 范圍內(nèi)感應(yīng)圈三次逐步加熱，防止管體加熱過快造成管體爆裂，提高生 產(chǎn)線的進(jìn)度；管端鐓粗兩次鐓粗到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸；掉頭用同樣方式鐓粗 管體另一端；將加厚過的管體通過900-92(TC淬火和600-620'C回火熱 處理，使其最低屈服強(qiáng)度達(dá)到120-135Ksi;利用天然氣整體爐式加熱、 整體式水淬，溫度必須均勻，爐內(nèi)多處采用實(shí)時(shí)攝像頭監(jiān)控，爐內(nèi)全部 支架和傳動(dòng)系統(tǒng)采用耐高溫不銹鋼制造；對(duì)熱處理后的管體經(jīng)校直處理 和步進(jìn)式緩慢冷卻后進(jìn)行電磁探傷，找出裂紋或擠壓缺陷；對(duì)管體端部 同樣進(jìn)行校直、加工，然后用磁粉或超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)微型裂紋采取補(bǔ) 救辦法或鋸掉重新加厚；(2) 、接頭制造選用優(yōu)質(zhì)改進(jìn)型合金材料AISI4137HM作為鉆桿 接頭材料，要求每件單獨(dú)鍛造成型，不得將長(zhǎng)料鋸斷作為原料；熱處理 采用880-920。C淬火和600-62(TC回火工藝，毛坯粗加工后，熱處理過 程中適當(dāng)碳氮共滲，防止接頭表面的金屬層碳元素流失，然后在精加工 過程中將滲碳層加工掉，以避免接頭裸露表面脆硬，使得機(jī)械性能更加 均勻；對(duì)螺紋表面鍍銅，.用以防止螺紋在大扭矩下發(fā)生粘合現(xiàn)象；按 ASTMA370方法進(jìn)行沖擊功試驗(yàn)，10xlOmm試件的縱向沖擊功超過90J, 橫向沖擊功超過70J，沖擊功要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于API Spec7要求，以保證接 頭性能滿足P120鉆桿大水眼方面的強(qiáng)度要求；(3) 、對(duì)焊；采用大型慣性摩擦機(jī)進(jìn)行鉆桿管體和接頭的對(duì)焊，焊 縫采取890-92(TC淬火和590-610。C回火處理，使最低屈服強(qiáng)度達(dá)到 105Ksi;對(duì)焊后主要工作如下沖壓鉆桿內(nèi)孔焊縫溢出物，在焊縫處于 紅熱狀態(tài)時(shí)，用設(shè)在對(duì)焊機(jī)上的沖頭將鉆桿內(nèi)孔中的金屬溢出物沖掉； 焊縫退火，降低焊縫硬度；外圓焊縫機(jī)加工，用車床將鉆桿外圓焊縫處 的金屬溢出物車去；焊縫淬火和回火處理，使鉆桿機(jī)械性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要 求，可抽樣進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)；內(nèi)外焊縫修模，使用機(jī)械砂輪進(jìn)行打磨，使 管體端部與接頭端部同心；焊縫檢測(cè)，進(jìn)行超聲波探傷和磁粉探傷；焊 耐磨帶，用以減少鉆桿接頭直接承受的摩擦力，延長(zhǎng)使用壽命；鉆桿內(nèi) 表面涂覆內(nèi)涂層，用以防止鉆桿內(nèi)壁腐蝕或被高壓泥漿直接沖刷，延長(zhǎng) 鉆桿使用壽命；鉆桿外表面噴油漆、標(biāo)識(shí)；重量、長(zhǎng)度測(cè)量，準(zhǔn)備質(zhì)量 證明文件；鉆桿加工完畢，待發(fā)運(yùn)使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種120鋼級(jí)鉆桿及其制造工藝方法，此種120鋼級(jí)鉆桿管體采用27CrMnMo，接頭材料采用AISI4137HM，其中，接頭化學(xué)成分及質(zhì)量百分比分別為C≤0.40％，S≤0.015％，P≤0.010％，N≤0.009％，B≤0.005％，公母接頭尺寸與G105鉆具相同，機(jī)械性能分別為屈服強(qiáng)度130-150Ksi，延伸率≥17％，布氏硬度HB290-330，縱向沖擊功80J，橫向沖擊功60J，端面收縮率≥45％。此種鉆桿的制造工藝方法包括管體制造、接頭制造、對(duì)焊等工藝等步驟。本發(fā)明提供的120鋼級(jí)鉆桿具有良好的機(jī)械性能，適用于4000-5000m深井鉆井，由于接頭內(nèi)孔擴(kuò)大，有利于鉆進(jìn)過程中的水力破巖作用，并可充分發(fā)揮大功率鉆井泵的作用，提高機(jī)械鉆速；本發(fā)明提供的鉆桿制造工藝方法，易于實(shí)施，實(shí)用可靠，效果良好。
文檔編號(hào)E21B17/00GK101581200SQ20091001175
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月31日
發(fā)明者楓 姜, 張樹軒, 朱俊昌, 剛 李, 娜 李, 森 李, 陸成山, 隋志新 申請(qǐng)人:盤錦遼河油田派普鉆具制造有限公司