[发明专利]一种激光熔覆制备高钢级抗硫钻杆的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于高酸性含硫化氢气田钻井的钻柱构件进行激光表面处理的激光熔覆制备高钢级抗硫钻杆的方法。

背景技术

钻杆是石油钻井工程中必用的工具。常规钻杆需要考虑的技术问题是要满足一般钻井工况环境，以力学性能为主。西部气田如川渝气田是国内油气资源开发中的主要区域，但是该区域气田具有相当高的H₂S含量，除具有可以检测和监控的均匀腐蚀之外，还有应力腐蚀开裂等源于材料内部损伤的一些失效形式，面临极大的风险。因此，必须应用抗硫钻杆来保证钻井作业的安全进行。

然而，硫化氢环境下钢铁材料的应力腐蚀开裂抗力对钻杆的强度非常敏感。各大钻杆厂家通过控制杂质含量和形态、细化晶粒、提高淬透性等手段来改善材质，研发抗硫钻杆。目前的抗硫钻杆钢级最高为105ksi，即屈服强度最高达到724MPa，超过此临界值，钻杆材料对强度相当敏感，很容易产生脆断。国内西部油气田井深通常为5000米以上，105ksi钢级的钻杆强度是不能满足实际钻井需要的。因此，必须开发高钢级的抗硫钻杆。

发明内容

本发明的目的是在满足S135钢级钻杆力学性能基础上，通过严格的激光熔敷工艺参数控制和覆层金属的选配，在钻杆管体及接头内外壁形成耐蚀合金层，同时采用双台肩螺纹，实现螺纹表面的密封，从整体上隔离钻杆基体与含H₂S湿天然气的接触，免除高钢级钻杆的硫化物应力开裂事故，实现高钢级钻杆(屈服强度>105ksi)的抗硫性能，满足高酸性腐蚀环境下深井钻井作业对钻杆的力学性能需求。

本发明以S135钢级的常规钻杆为基体，采用激光熔覆在钻杆内、外壁形成具有冶金结合的抗硫化氢应力腐蚀的合金层。

本发明所用覆层材料为镍基合金耐蚀材料，包括Alloy G3镍基合金、Alloy825镍基合金或Alloy028镍基合金牌号；

本发明所确定的激光熔敷工艺参数可以保证熔敷工艺对基体的性能没有明显影响，同时可以保证覆层与基体之间具有良好的冶金结合质量和可控的冶金缺陷，具体参数如下：

激光器的输出功率为3.5—4.5kw；

激光束斑(熔池)尺寸≤φ3mm；

离焦量为25—32mm；

激光束扫描线速度为6.5—7.5mm/s；

激光束与管体长轴方向夹角为40—50°；

熔敷丝材输送率为15—20g/s；

管端激光熔敷时需要先衬入20cm长的导引管段，并用丙酮进行全管体表面清洗，熔敷过程钢管保持10—15转/分钟的转速；

熔敷时须通N₂等惰性气体，防止熔池材料发生氧化；

对接头的非螺纹区域内外涂敷耐蚀层，然后在接头螺纹锥面部位涂敷耐蚀层并加工螺纹，之后管体和接头摩擦焊对接成型。

发明效果

应用本方法制造的双金属抗硫钻杆在力学性能方面可以满足APISpec5D标准中S135钢级钻杆常规力学性能的要求；钻杆内外表面熔覆层，可以有效隔离基体与天然气的接触，提高抗H₂S应力腐蚀开裂性能。另外，本方法生产的双金属抗硫钻杆无需常规的钻杆内涂层处理，因此，成本没有明显的提高。

应用本激光熔覆制造工艺所形成的双金属抗硫钻杆基体和耐蚀合金覆层之间属于冶金结合，在钻井作业中不会发生界面分离现象，可以保证钻杆的整体性能要求。耐蚀合金覆层可以采用不同级别的镍基合金，用于不同程度的含H₂S油气井的钻探开发。

采用本方法生产的抗硫钻杆可以通过NACE MR0175标准规定的A法应力腐蚀试验评价。

附图说明

图1管体和接头的非螺纹部分内外壁涂敷示意图。

图2接头螺纹部位外锥面涂敷示意图。

图3接头螺纹部位内锥面涂敷示意图。

图4锥面涂敷层上加工螺纹示意图。

图5管体和接头摩擦对焊示意图。

具体实施方式

在惰性气体隔离空气的条件下，通过激光将镍基合金耐蚀材料熔覆在常规性能的S135钢级钻杆内外管壁1、2上，对钻杆接头7的非螺纹区域内外涂敷镍基合金耐蚀层，然后在接头螺纹锥面部位3、4涂敷镍基合金耐蚀层后加工螺纹5，之后管体端部6和接头7摩擦焊对接成型。

激光器的输出功率为3.5—4.5kw；

激光束斑(熔池)尺寸≤φ3mm；

离焦量为25—32mm；

激光束扫描线速度为6.5—7.5mm/s；

激光束与管体长轴方向夹角为40—50°；