專(zhuān)利名稱(chēng)：用于沖擊巖石鉆探的延伸部件和鋼的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種馬氏體的耐腐蝕鋼，用于巖石鉆探，具有新穎的改良性質(zhì)，特別與耐腐蝕疲勞相關(guān)。
現(xiàn)有技術(shù)
在沖擊巖石鉆探中，沖擊波和旋轉(zhuǎn)從鉆床經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)桿或管道傳輸?shù)揭粋€(gè)硬質(zhì)合金裝配地鉆頭。鉆鋼，即用于鉆頭、桿、管道、套管和柄適配器等的材料，在鉆探時(shí)經(jīng)受腐蝕的侵襲。特別是在地下鉆探中，這里的水用作沖洗介質(zhì)，總體環(huán)境比較潮濕。腐蝕侵襲對(duì)于壓力最大的部位即螺紋底部和螺紋間隔處尤其嚴(yán)重。由彎曲所引起的脈動(dòng)應(yīng)力和上面所提到的沖擊波兩者相結(jié)合，就會(huì)發(fā)生所謂的腐蝕疲勞(

圖1)。這是鉆鋼破壞的常見(jiàn)原因。
低合金的表面硬化鋼通常用于鉆探。原因是螺紋部分的磨損和損耗通常限制使用壽命。由于鉆床和刀具已變得更有效，這些問(wèn)題已經(jīng)減少，腐蝕疲勞已成為限制因素。表面硬化在表面施加壓縮應(yīng)力，這在某些程度上延緩了疲勞。
US-A-5,496,421涉及了一種高強(qiáng)度的馬氏體不銹鋼。這種鋼含有不多于0.06wt％的C、12-16wt％的Cr、不多于1wt％的Si、不多于2wt％的Mn、0.5-8wt％的Ni、0.1-2.5wt％的Mo、0.3-4wt％的Cu、不多于0.05wt％的N、其余為Fe和一些不可避免的雜質(zhì)，所說(shuō)的鋼含有的δ-鐵相的面積比率最多為10％。所知的鋼用于解決由酸性環(huán)境所引起的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。
發(fā)明目的
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于沖擊巖石鉆探的延伸部件，它能進(jìn)一步提高現(xiàn)代采礦效率。
本發(fā)明的另一目的是提供一種壽命較長(zhǎng)的用于沖擊巖石鉆探的延伸部件。
本發(fā)明還有另一目的是提供一種具有降低的腐蝕率的鉆鋼。
本發(fā)明還有另一目的是提供一種具有降低的腐蝕疲勞敏感度的鉆鋼。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
上述以及其它的目的是通過(guò)一個(gè)延伸部件和鉆鋼實(shí)現(xiàn)的，正如參照附圖在所附的專(zhuān)利權(quán)利要求書(shū)中所定義的。
圖1顯示了在25倍下，一種低合金鋼的螺紋底部的裂縫。
圖2顯示了在500倍下，根據(jù)本發(fā)明的一種鉆鋼的結(jié)構(gòu)。
發(fā)明詳述
本發(fā)明涉及一種用于巖石鉆探的鋼，用一種具有馬氏體基質(zhì)的耐腐蝕的合金制成，這種耐蝕性是通過(guò)加入Cr以及Mo、W、Cu，或者再加入N而獲得的。由馬氏體結(jié)構(gòu)(圖2)，得到應(yīng)用時(shí)所必需的強(qiáng)度和核心硬度。優(yōu)選的馬氏體濃度是50～100wt％，最佳為大于75wt％。最終的抗張強(qiáng)度將大于800Mpa，最佳為1300～3000MPa。
通過(guò)使用一種抗腐蝕合金制作鉆鋼，由于增加了鉻，在表面上得到了一個(gè)鈍態(tài)層，它防止了腐蝕或者減小了腐蝕速率，從而降低了腐蝕疲勞度，特別是在螺紋底部，如圖1所示。按照本發(fā)明，為了使鉆鋼能充分耐腐蝕，要求含有至少11％濃度的鉻。碳和/或氮(c+N)的總濃度必須大于0.05％，優(yōu)選為0.1～0.8％。
另一方面，鉻濃度可以低于11％，最低為5％，這可由優(yōu)選加入鉬(最高為5％，優(yōu)選為0.5～2wt％)、鎢(最高為5％，優(yōu)選為0.5～2wt％)和/或銅(最高為2％，優(yōu)選為0.1～1wt％)進(jìn)行補(bǔ)償，其中Mo+W+Cu的總濃度大于0.5％，優(yōu)選為大于1wt％。
還有一種方法是合金含有的成分的PRE數(shù)目大于10，優(yōu)選為12～17。PRE表示“耐點(diǎn)蝕等價(jià)物”，描述了一種合金對(duì)于點(diǎn)蝕的抵抗力。PRE定義式如下
PRE＝Cr+3.3(Mo+W)+16N
其中Cr、Mo、W和N為相應(yīng)元素的質(zhì)量百分比含量。
根據(jù)本發(fā)明所制得的鋼另外會(huì)有大于400維氏硬度的表面硬度，優(yōu)選為500～800維氏硬度，以便進(jìn)一步增加它的耐磨損力，這些磨損由螺紋聯(lián)接處的運(yùn)動(dòng)、鉆子切割或者與周?chē)鷰r石的接觸(砂球墻)所產(chǎn)生。所述的鋼優(yōu)選具有硬度增加的0.5～2.0mm厚的表面層。
根據(jù)本發(fā)明的鉆鋼以傳統(tǒng)的鋼條生產(chǎn)和加工方法制備。為了得到所需的馬氏體結(jié)構(gòu)，鋼需要經(jīng)過(guò)硬化或冷卻處理。耐磨損力可以通過(guò)表面的感應(yīng)加熱淬滅或應(yīng)用表面處理方法，比如滲碳和滲氮而進(jìn)一步改進(jìn)。
本發(fā)明也涉及根據(jù)本發(fā)明的鋼作為鉆鋼的應(yīng)用。
不需在整個(gè)部件上使用根據(jù)本發(fā)明的鋼，而只將一個(gè)或兩個(gè)螺紋末端進(jìn)行處理，然后焊接或聯(lián)結(jié)于桿或管道或其它材料上。
實(shí)施例
在所謂的通徑試驗(yàn)機(jī)鉆探中，使用大約有4米長(zhǎng)的桿。這些桿的關(guān)鍵部分是陽(yáng)螺紋的底部，如圖1所示，其中沖洗液和脈動(dòng)應(yīng)力引起腐蝕疲勞，這通常導(dǎo)致斷裂。
通徑試驗(yàn)機(jī)桿是用三種合金制成的，其組成如下所示
鉆探是在用于通徑試驗(yàn)機(jī)地下鉆探的裝置上進(jìn)行的，持續(xù)鉆探直到發(fā)生斷裂或磨損。以鉆探距離為衡量單位，得到下列壽命長(zhǎng)度
傳統(tǒng)型號(hào)的通徑試驗(yàn)機(jī)桿(即低合金的表面硬化鋼)的普通壽命在所考慮的試驗(yàn)點(diǎn)(這里的巖石主要由花崗巖組成)大約為2000米，這表明使用本發(fā)明的鉆鋼其使用壽命可得到顯著的提高。
換句話說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的所有鋼含有共同的特性C+N≥0.1wt％，這樣的一種優(yōu)選的鋼來(lái)自于下列的組成之一
C+N≥0.1wt％并且Cr≥11wt％ 或者
C+N≥0.1wt％并且Cr≥5wt％、Mo≤5wt％、W≤5wt％、Cu≤2wt％、Mo+W+Cu＞0.5％或者
C+N≥0.1wt％并且Cr+3.3(Mo+W)+16N＞10wt％。
權(quán)利要求
1.用于沖擊巖石鉆探用的延伸部件的鋼，這種部件包括至少一個(gè)螺紋和沖洗管道，其特征在于至少螺紋處的鋼是耐腐蝕的，其腐蝕疲勞的敏感度降低，并且主要含有馬氏體結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼，其中馬氏體的含量介于50％和100％之間，這種鋼含有
C+N≥0.1wt％并且Cr≥11wt％或者
C+N≥0.1wt％并且Cr≥5wt％、Mo≤5wt％、W≤5wt％、Cu≤2wt％、Mo+W+Cu＞0.5％或者
C+N≥0.1wt％并且Cr+3.3(Mo+W)+16N＞10wt％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼，其中馬氏體含量大于75wt％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3之一所述的鋼，其中Cr＞5wt％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋼，它另外含有Mo＜5wt％、W＜5wt％和/或Cu＜2wt％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)所述的鋼，其中鋼的組成給出的PRE數(shù)大于10，這里PRE由如下公式定義PRE＝Cr+3.3(Mo+W)+16N，并且其中Cr、Mo、W和N為所述元素的相應(yīng)的質(zhì)量百分比含量。
7.用于沖擊巖石鉆探的延伸部件，包含至少一個(gè)螺紋和沖洗管道，其特征在于至少螺紋是由腐蝕疲勞敏感度較小的耐腐蝕的鋼制成的，并且所述的鋼主要含有馬氏體結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的部件，其中馬氏體含量介于50wt％和100wt％之間，并且這種鋼含有
C+N≥0.1wt％并且Cr≥11wt％ 或者
C+N≥0.1wt％并且Cr≥5wt％、Mo≤5wt％、W≤5wt％、Cu≤2wt％、Mo+W+Cu＞0.5％或者
C+N≥0.1wt％并且Cr+3.3(Mo+W)+16N＞10wt％。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的部件，其中馬氏體含量大于75wt％。
10.用于沖擊巖石鉆探用的延伸部件的鋼的用途，所述延伸部件包括至少一個(gè)螺紋和沖洗管道，其特征在于在至少一個(gè)螺紋上的鋼是耐腐蝕的，其腐蝕疲勞敏感度降低，并且主要含有馬氏體結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種馬氏體的耐腐蝕鋼，用于巖石鉆探，其改善的性質(zhì)主要與耐腐蝕疲勞相關(guān)。用主要為馬氏體結(jié)構(gòu)的耐腐蝕鋼制成了至少包括一個(gè)螺紋和一個(gè)沖洗管道的用于沖擊巖石鉆探的延伸部件。
文檔編號(hào)E21B17/042GK1401013SQ0180505
公開(kāi)日2003年3月5日 申請(qǐng)日期2001年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月16日
發(fā)明者約翰·林登, 拉爾斯貢納爾·倫德?tīng)?申請(qǐng)人:桑德維克公司