Удлиненный элемент и сталь для ударного бурения

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, в частности к разработке коррозионно-стойкой стали для ударного бурения с улучшенными свойствами в отношении сопротивления коррозионной усталости. Эти свойства реализовывались в удлиненном элементе для ударного бурения, имеющем резьбу и промывочный канал. Коррозионно-стойкая сталь для изготовления бурового оборудования имеет мартенситную структуру с содержанием мартенсита от более 50 и до менее 100 вес.% и содержит Cr11 вес.% и 0,1 вес.%C+N 0,8 вес.%. Сталь дополнительно может содержать Мо 5 вес.%, W 5 вес.% и Cu2 вес.%. Состав стали отвечает величине показателя эквивалента сопротивления точечной коррозии (ЭСТК)>10, определенного в соответствии с формулой: ЭСТК=Cr+3,3(Мо+W)+16 N, где Cr, Мо, W и N соответствуют содержанию указанных элементов в весовых процентах. Содержание мартенсита в стали составляет от 75 до 98 вес.%. Нормативная долговечность штанг для колонкового бурения при бурении породы, преимущественно из гранита, повысилась до 21893299 пройденных метров. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Назначение изобретения

Изобретение относится к мартенситным коррозионно-стойким сталям для бурения с новыми и улучшенными свойствами, особенно в отношении сопротивления коррозионной усталости.

Уровень техники

В процессе ударного бурения ударные волны и вращение передаются от оборудования через одну или несколько штанг или труб к головке бура, оснащенной твердым сплавом. Буровая сталь, т.е. материал головок бура, штанг, труб, муфт и хвостовых держателей, при бурении подвергается воздействию коррозии. В особенности это относится к подземному бурению, где для промывки используется вода и где окружающая среда является в основном влажной. Воздействие коррозии особенно серьезно на наиболее нагруженные участки, т.е. на впадины и зазоры в резьбе. В сочетании с пульсирующими напряжениями, вызванными изгибом и вышеуказанными ударными волнами, возникает так называемая коррозионная усталость (см. фиг.1). Это общая причина разрушения буровой стали.

При бурении обычно используются низколегированные 'цементированные стали. Причина этого в том, что долговечность ограничивалась абразивным воздействием на резьбовые части и их износом. По мере того, как оборудование и инструменты становились более эффективными, эти проблемы уменьшились и лимитирующим фактором стала коррозионная усталость. Цементирование вызывает сжимающие напряжения на поверхности, что дает определенный замедляющий эффект в отношении усталости.

Патент США 5496421 относится к высокопрочной мартенситной нержавеющей стали. Эта сталь содержит 0,06 вес.% или меньше С, 12-16 вес.% Сr, 1 вес.% или меньше Si, 2 вес.% или меньше Мn, 0,5-8 вес.% Ni, 0,1-2,5 вес.% Мо, 0,3-4 вес.% Сu, 0,05 вес.% или меньше N и остальное Fe и неизбежные примеси и имеет максимальную площадь дельта-ферритной фазы 10%. Эта сталь предназначена для решения проблемы коррозионных напряжений, вызванных кислотной окружающей средой.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является заявка Японии JP06-099354 А, в которой описан удлиненный элемент для бурения (труба с резьбой), выполненный из коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали.

Сущность изобретения

Одной задачей изобретения является создание удлиненного элемента для ударного бурения, обеспечивающего дальнейшее повышение эффективности современных горных работ.

Другой задачей изобретения является создание удлиненного элемента для ударного бурения с увеличенной долговечностью.

Еще одной задачей изобретения является создание буровой стали с уменьшенной скоростью корродирования.

Еще одной задачей изобретения является создание буровой стали с уменьшенной чувствительностью к коррозионной усталости.

Указанные задачи решаются настоящим изобретением, благодаря созданию состава стали для бурения, выполненной в виде коррозионно-стойкого сплава с мартенситной основой, в которой сопротивление коррозии достигается добавками Сr, а также Мо, W, Сu и/или N. Благодаря мартенситной структуре достигается необходимая прочность и твердость сердцевины. Предпочтительно содержание мартенсита составляет > 50 вес.%, но <100 вес.%, предпочтительно >75 вес.%, но меньше 98 вес.%. Предел прочности на растяжение должен быть >800 МПа, предпочтительно 1300-3000 МПа.

При выполнении буровой стали в виде коррозионно-стойкого сплава вследствие добавок хрома на поверхности возникает пассивный слой, который предотвращает коррозию или уменьшает ее скорость и посредством этого влияет на коррозионную усталость, особенно во впадинах резьбы. Для того, чтобы буровая сталь в соответствии с изобретением обладала достаточным сопротивлением коррозии, необходимое содержание хрома составляет, по крайней мере, 11%. Общее содержание углерода и азота должно быть ≥0,1% и ≤0,8%. Дополнительные добавки Мо и W не должны превышать 5 вес.%, Сu - 2 вес.%.

Сплав согласно изобретению имеет значение показателя ЭСТК > 10, предпочтительно > 12-17. ЭСТК означает Эквивалент Сопротивления Точечной Коррозии и характеризует сопротивление сплава точечной коррозии. ЭСТК определяется в соответствии с формулой

ЭСТК=Сr+3,3(Мо+W)+16 N,

где Сr, Мо, W и N - соответствуют содержанию элементов в весовых процентах.

Сталь в соответствии с изобретением имеет поверхностную твердость > 400 по Виккерсу, предпочтительно 500-800 по Виккерсу, чтобы дополнительно увеличить ее сопротивление истиранию, вызываемому, например, движениями в резьбовом соединении, разрушенной породой и контактом с окружающей породой (стенкой выработки). Предпочтительно сталь имеет поверхностный слой с увеличенной твердостью толщиной 0,5-2 мм.

Буровые стали в соответствии с изобретением подвергаются обычной обработке для получения стальной штанги и машинной обработке. Для получения требуемой мартенситной структуры сталь подвергается закалке или обработке холодом. Сопротивление износу может быть дополнительно улучшено посредством индукционной закалки или применения способов обработки поверхности, таких как карбюризация или азотирование.

Изобретение также относится к применению стали в соответствии с изобретением для изготовления удлиненного элемента для ударного бурения, имеющего резьбу и промывочный канал.

Один или оба резьбовых конца элемента могут быть выполнены из стали в соответствии с изобретением и приварены или иначе присоединены к штанге или трубе из другого материала.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 при увеличении 25х показаны трещины во впадине резьбы низколегированной стали.

На фиг.2 при увеличении 500х показана структура буровой стали в соответствии с изобретением.

Пример

При так называемом колонковом бурении использовали штанги длиной около 4 м. Критическими участками штанг являлись впадины охватываемой резьбы, такие как показано на фиг.1, на которых воздействие промывочной воды и пульсирующих напряжений вызывало развитие коррозионной усталости, которая часто приводила к разрушению.

Штанги для колонкового бурения были выполнены из трех сплавов с указанным ниже составом:

Испытание	%С	%Cr	%Ni	%Мо	%W	%Cu	%N	%Fe	Содержание мартенсита
1-4	0,18	13,4	0,3	0,02	0,01	0,12	0,012	Остальное	98%
5-8	0,50	14,3	0,15	0,02	0,01	0,06	0,011	Остальное	89%
9-12	0,35	11,9	0,22	1,05	0,01	0,06	0,013	Остальное	95%

Бурение выполнялось непрерывно на оборудовании для колонкового бурения до выхода из строя в результате поломки или износа. Ниже представлены соответствующие достигнутые долговечности в пройденных метрах:

Испытание №	1	2	3	4	5	6
Пройденные метры	3299	2904	3030	2876	2893	3121

Испытание №	7	8	9	10	11	12
Пройденные метры	2976	2656	2628	2189	3222	2929

Нормальная долговечность штанг для колонкового бурения обычного типа, т.е. из низколегированной цементированной стали, в условиях испытаний, когда порода состояла преимущественно из гранита, составляет около 2000 м. Это показывает, что применение буровых сталей в соответствии с изобретением дает значительное улучшение.

1. Коррозионно-стойкая сталь для изготовления бурового оборудования, имеющая мартенситную структуру с содержанием мартенсита более 50 и менее 100 вес.% и содержащая Cr11 вес.% и 0,1 вес.%C+N 0,8 вес.%.

2. Сталь по п.1, состав которой отвечает величине показателя эквивалента сопротивления точечной коррозии (ЭСТК)>10, определенного в соответствии с формулой ЭСТК=Сr+3,3(Мо+W)+16 N, где Сr, Мо, W и N соответствуют содержанию указанных элементов в весовых процентах.

3. Сталь по п.1, у которой содержание мартенсита составляет более 75 вес.%.

4. Сталь по п.3, у которой содержание мартенсита составляет от 75 до 98 вес.%.

5. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит Мо5 вес.%, W 5 вес.% и Сu2 вес.%.

6. Удлиненный элемент для ударного бурения, имеющий резьбу и промывочный канал, у которого по крайней мере резьба выполнена из коррозионно-стойкой стали, имеющей мартенситную структуру с содержанием мартенсита более 50 вес.% и менее 100 вес.% и содержащей Cr11 вес.% и 0,1 вес.%C+N0,8 вес.%.

7. Элемент по п.6, у которого содержание мартенсита составляет более 75 вес.%.

8. Элемент по п.7, у которого содержание мартенсита составляет от 75 до 98 вес.%.