油氣田用130KSI、135KSI級別耐蝕鉆具鋼及其制造方法與流程

本發明屬于圓鋼制備領域，具體涉及一種以連鑄代模鑄-連軋生產油、氣田開采用130ksi、135ksi鋼級耐h2s腐蝕鉆具鋼及其制造方法。

背景技術：

隨著世界經濟的發展，能源消耗迅速增加，常規石油、天然氣等易開采資源越來越少，很難滿足日益增長的能源需求。油、氣田開采工作不得不向深海、沙漠、南北極地區以及含硫化氫、二氧化碳等強腐蝕介質環境領域發展。常規110ksi鋼級的耐h2s腐蝕及120ksi鋼級的普通鉆具材料在當今惡劣的開采環境下工作經常發生鉆具失效，造成鉆采系統甚至整口井的報廢，給油、氣田帶來巨大經濟等損失。因此普通的鉆具材料已經不能滿足新形勢下油、氣田開采產品的制造需求。

能源市場迫切需要研發一種新型更高強度及抗低溫韌性的抗h2s腐蝕低合金鉆具鋼材料，以滿足新能源開采環境下鋼鐵材料的新需求。但新材料為滿足苛刻的工作環境要求，必須達到較高的技術指標，鋼的元素成分設計及生產、制造為一難點，國內目前沒有一種高于120ksi鋼級的高強韌、抗h2s腐蝕的油、氣田開采用鉆具鋼。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種滿足油、氣田開采用高強韌、抗h2s腐蝕、高可靠性等特殊要求的鉆具鋼新材料，實現其設計及生產、制造。本發明通過對鋼的化學元素成分優化設計，發明了一種油、氣田開采用低合金鉆具鋼，屬于130ksi135ksi級別的鉆具鋼種。

本發明另外提供上述鉆具鋼新材料的制造方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為，一種油氣田用130ksi、135ksi級別耐蝕鉆具鋼，該鋼的化學元素成分按質量百分比設計為c：0.25～0.40%，si：0.20～0.45%，mn：0.95～1.50%，cr：1.35～1.90%，s：≤0.002%，p：≤0.008%，mo：0.75～1.30%，ni：0.10～0.30%，v：0.05～0.25%，nb：0.010～0.050%，cu：0.10～0.30%，al：≤0.050%，ca：0.0005～0.005%，余量為fe及不可避免的雜質元素。

進一步地講，本新材料在常規中低碳合金鋼成分設計的基礎上，添加nb、v、ni達到細化晶粒及提高強韌性目的，同時嚴格控制p、s等雜質元素含量，并加入少量的cu元素提高抗腐蝕性，添加微量的ca元素，改善鋼的純凈度，本發明鉆具鋼的化學成分設計依據如下：

1、c含量的確定

c是鋼中最基本的元素，也是最經濟的強化元素，通過固溶強化并配合碳化物形成元素的析出強化，提高鋼的強度，但c含量過高會對鋼的塑、韌性帶來不利影響，同時c含量高會降低鋼的焊接及耐腐蝕性能，本發明c含量的范圍確定為0.25～0.40%，本發明涉及鋼材屬于中低碳鋼范疇。

2、si含量的確定

si可以作為脫氧元素，也是基本的固溶強化元素、提高淬透性，si和mo、w、cu等元素結合時能提高抗腐蝕性和抗氧化作用。但是si含量過高增加了鐵素體的脆性，使鋼中的過熱敏感性、裂紋敏感性和脫碳傾向增大。本發明si含量的范圍確定為0.20-0.45%。

3、mn含量的確定

mn是鋼的固溶強化元素，能顯著提高鋼的淬透性，且改善鋼的熱處理性能，強化鋼的基體和細化珠光體，從而提高鋼的強度和硬度，且錳合金又較價廉易取，是高強度級別鋼設計中的優選元素。另mn也為煉鋼過程中的脫氧元素，能固定鋼中硫的形態，形成對鋼性能危害較小的mns和（fe、mn）s，減少或抑制fes的形成，降低鋼的熱脆傾向，提高鋼的熱塑性。但鋼中mn含量過高，會產生較明顯的回火脆性現象，而且mn有促進晶粒長大作用，能導致鋼的過熱敏感性和裂紋傾向性增強，尺寸穩定性降低，對產品使用產生不利影響。同時mn也是易偏析元素，過高的含量易造成鋼的縱向組織帶狀嚴重，降低產品性能均勻性。綜合以上因素影響，既要設計一定含量的mn元素，提高鋼材淬透性、強硬度，穩定鋼的熱處理性能，mn含量又不宜過高，盡可能降低其不利影響，本發明mn含量范圍確定為0.95～1.50%。

4、cr含量的確定

cr是中等碳化物形成元素，能夠提高鋼的淬透性、耐磨性和耐腐蝕性能。鋼中的cr，一部分置換鐵形成合金滲碳體，提高鋼的強度和硬度，還能使鋼在高溫時保持一定強度；一部分溶入鐵素體中，產生固溶強化，提高鐵素體的強度和硬度。此外，cr還能減小鋼的過熱傾向和表面脫碳速度。但cr含量過高會提高鋼的脆性轉變溫度，促進鋼的回火脆性。本發明考慮到鋼需要較高強度級別，設計中添入較高cr元素含量保證鋼材的強度、硬度、耐腐蝕性性能，但又要考慮避免其不利影響，本發明將cr含量的范圍確定為1.35～1.90%。

5、mo含量的確定

mo是碳化物形成元素，與c結合能力比cr稍強，與cr、ni結合可以提高淬透性，細化晶粒，提高韌性，改善碳化物不均勻性，其碳化物穩定，高溫也很難向固溶體轉移，可替代w，提高鋼的熱強性。對熱處理的合金結構鋼，能夠大大降低回火脆性，提高鋼的韌性。本發明鋼因需保證較高的低溫韌性，因此設計提高mo含量的范圍為0.75～1.30%。

6、v含量的確定

v是強碳化物形成元素，vc彌散度高且穩定，具有很強的細化晶粒作用，提高鋼的強度，韌性。與c形成vc碳化物，提高鋼的耐磨性，同時可提高鋼抗氫腐蝕能力。在材料焊接時，能夠阻止焊縫晶粒粗大，改善鋼的可焊性。本發明v含量的范圍確定為0.05～0.25%。

7、ni含量的確定

鎳是非碳化物形成的合金元素，在平衡條件下鎳幾乎完全溶入鐵素體中，加熱時晶粒不易長大，鎳即能顯著提高鋼的淬透性又提高強度、（低溫）韌性和塑性，降低鋼的脆性轉變溫度，但鎳含量過高，因其為貴重金屬，會增加成本，本發明將ni含量的范圍確定為0.10～0.30%。

8、nb含量的確定

nb是典型的微合金化元素，能形成碳、氮化物，高溫析出配合tmcp，釘扎奧氏體晶界，達到細化晶粒效果，鋼在奧氏體化時，碳、氮化物同樣阻止奧氏體晶粒長大。形成碳、氮化物第二相顆粒提高強度，但塑性和韌性卻有所下降。本發明nb含量的范圍確定為0.010～0.050%。

9、s、p含量的確定

s、p為鋼中的不可避免的雜質元素，易形成偏析、夾雜等缺陷。p溶于鐵素體使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。s使鋼產生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性。本發明為保證鋼的抗腐蝕等性能，控制p≤0.008%，s≤0.002%。

10、ca含量的確定

ca對鋼中夾雜物的變質具有顯著作用，使夾雜物球化、分布均勻從而減少對韌性的不利影響，同時還改善鋼水的流動性，改善水口堵塞問題。本發明中控制ca含量為0.0005～0.005%，且ca/s≥1。

11、cu含量的確定

cu是提高耐腐蝕性的基本元素，可以促進鋼產生陽極鈍化，從而降低鋼的腐蝕速度。cu在銹層中富集能極大地改善銹層的保護性能。此外，cr和鋼中的cu、si元素配合能顯著提高鋼的耐腐蝕性能。本發明中控制cu含量0.10～0.20%。

12、al含量的確定

al作為鋼中脫氧元素加入，除為了降低鋼水中的溶解氧之外，al與n形成彌散細小的氮化鋁顆粒可以細化晶粒，但al含量大，鋼水熔煉過程中易形成al2o3等脆性夾雜物，降低鋼水純凈度，因此本發明中al含量的范圍確定為≤0.050%。

本發明另提供上述油氣田用130ksi、135ksi級別耐蝕鉆具鋼的生產及制造方法，按所述的鋼種特性采用連鑄代模鑄方式冶煉生產，挑選的冶煉原料依次經kr鐵水預處理-電爐/轉爐初煉-lf爐精煉-vd/rh爐真空脫氣處理工藝生產高純凈度鋼水，根據棒材的生產尺寸要求鋼水經全程氬氣保護澆鑄得到300mm×340mm、390×510mm或￠600mm的矩形或圓形連鑄坯；連鑄坯在550℃以上下線入坑緩冷，緩冷時間60小時以上，將緩冷后的連鑄坯進行表面拋丸處理，以提高鑄坯的表面質量，避免熱加工時產生影響鋼材使用的表面缺陷。

表面質量良好的鑄坯在弱氧化性氣氛的加熱爐內加熱至1200～1280℃，根據鑄坯尺寸不同控制鑄坯的加熱保溫時間為5-20小時，出爐后的連鑄坯經高壓水除鱗后進入粗軋-中軋-精軋機組進行軋制，開軋溫度為1150-1230℃，終軋溫度900-980℃，軋后棒材在線鋸切，控制在500℃以上下線入坑緩冷，當棒材溫度降至180℃以下時出緩冷坑空冷。

將冷卻后的棒材在連續式氮氣保護的熱處理爐中進行離線去應力退火，退火保溫溫度為670～720℃，棒材充分保溫透燒后爐冷至300℃以下出爐空冷。最終對棒材表面剝皮處理，并進行表面探傷（標的為n-0.3mm）及超聲波探傷(astma388標準的fbh=3.2mm)檢測。

探傷合格的棒材直接作調質處理或加工為半成品鉆具零件后再調質處理，產品機械性能分別達到了135ksi鋼級及130ksi鋼級的抗腐蝕鉆具技術規范要求。

熱處理工藝如下：正火加熱溫度為920～980℃，在爐時間為200～600min，保溫段溫度控制精度：±10℃，控制爐子輥速不大于550mm/min；淬火加熱溫度為860～940℃，在爐時間為300～600min，保溫段溫度控制精度：±8℃，控制爐子輥速不大于500mm/min，使用淬火環水淬，水溫控制20-35℃；回火加熱溫度為570～650℃，保溫段溫度控制精度：±5℃，在爐時間為400～600min，控制爐子輥速不大于200mm/min，出爐后空冷或水冷至室溫。

優選地，所述淬火和回火工藝是在天然氣加熱的輥底式連續爐中進行的。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

(1)提供了一種適合于油、氣田開采用130ksi、135ksi鋼級的高強度、抗低溫、抗h2s腐蝕鉆具鋼新材料及生產、制造方法。

(2)按照本發明生產的圓鋼元素成分得到優化設計，其生產的不同鉆具產品熱處理后均達到了優良的強韌性配合，130ksi、135ksi均滿足油、氣田開采用關鍵受力部件的高強度、抗低溫韌性要求。

（3）本發明生產的不同鉆具產品熱處理后均達到了較強的抗腐蝕性能，在達到第（2）條機械性能的前提下，滿足美國nacetm0177標準抗硫化氫應力腐蝕試驗（檢測方法a），在飽和h2s溶液中預加載70%名義屈服應力（70%smys）條件下720小時不斷。滿足了油、氣田開采用關鍵受力部件的抗h2s腐蝕特性要求。

（4）本發明制造的圓鋼采用連鑄代模鑄-連軋的短流程工藝（kr-bof-lf-rh-ccm-cr或eaf-lf-vd-ccm-cr），生產油、氣田開采用高強韌、抗h2s腐蝕鉆具材料，節約了生產工序與成本。

（5）對熱軋后退火并探傷合格的棒材直接熱處理或加工為鉆具半成品零件后熱處理，熱處理工藝如下：正火加熱溫度為920～980℃，在爐時間為200～600min，保溫段溫度控制精度：±10℃，控制爐子輥速不大于550mm/min；淬火加熱溫度為860～940℃，在爐時間為300～600min，保溫段溫度控制精度：±8℃，控制爐子輥速不大于500mm/min，使用淬火環水淬，水溫控制20-35℃；回火加熱溫度為570～650℃，保溫段溫度控制精度：±5℃，在爐時間為400～600min，控制爐子輥速不大于200mm/min，出爐后空冷或水冷至室溫。

本發明針對油、氣田用130ksi及135ksi高強度、高低溫韌性抗腐蝕鉆具鋼的需求，使用優化的元素成分設計、高純凈度的鋼水、非金屬夾雜物變性處理、低過熱度全程氬氣保護澆注生產的連鑄坯作為軋制坯料，通過后續的軋制、退火、探傷及鉆具材料整體或半成品鉆具零件在輥底式連續熱處理爐中正火+淬火+回火熱處理制造出淬硬層深、熱處理機械性能高，組織均勻、穩定，偏析小，高強度、抗低溫沖擊韌性的抗腐蝕鉆具圓鋼。本發明制造的圓鋼最大直徑可達300mm。

與現有技術相比，本發明的主要創新在于：

（1）鋼材通過c、mn、cr、mo等提高鋼的淬透性及強韌性主元素的優化設計，并添加微量v、nb、ni、cu等元素，其鋼材晶粒更加細小、鋼的淬硬層組織更深、熱處理后機械性能更高，組織更均勻、穩定的新型高強高韌抗腐蝕鉆具鋼材料，新材料的抗拉強度、屈服強度、低溫沖擊韌性、硬度等鉆具材料使用的重要技術指標顯著提高。棒材生產的鉆具產品在壁厚二分之一位置取樣檢驗：①135ksi鋼級鉆具產品機械性能滿足：屈服強度931-1034mpa，抗拉強度≥1000mpa，延伸率≥13%，斷面收縮率≥40%，-20℃低溫夏比沖擊功≥42j，全截面硬度302-352hbw；②130ksi鋼級鉆具產品機械性能滿足：屈服強度897-1069mpa，抗拉強度≥1000mpa，延伸率≥13%，斷面收縮率≥40%，-20℃低溫夏比沖擊功≥54j，全截面硬度302-341hbw。解決了酸洗環境下油、氣田開采，關鍵受力部件一直僅能達到110ksi強度級別的瓶頸，滿足了新型油、氣田開采環境的更高鉆具材料市場要求。

（2）本發明制造的圓鋼其鉆具產品采用輥底式連續爐進行正火+淬火+回火處理，通過淬火前正火處理均勻穩定化鋼的組織，并提高鋼的奧氏體化保溫溫度及保證鋼的充分奧氏體化時間，回火過程充分處理，使鋼的整體淬硬層組織加深、熱處理機械性能更高，更均勻、穩定，在保證圓鋼130ksi、135ksi強度等級的較高強度、硬度前提下其低溫韌性也顯著提高，同時讓鋼材的抗硫化氫腐蝕性能更優，滿足美國nacetm0177標準抗硫化氫應力腐蝕試驗（檢測方法a），在飽和h2s溶液中預加載70%名義屈服應力（70%smys）條件下720小時不斷。調質后圓鋼的組織為回火索氏體或回火索氏體和少量貝氏體的形態。

附圖說明

圖1為實施例1中135ksi圓鋼的金相組織圖；

圖2為實施例2中130ksi圓鋼的金相組織圖。

具體實施方式

以下結合本發明的較佳實施例對本發明的技術方案作更詳細的描述。但該等實施例僅是對本發明較佳實施方式的描述，而不能對本發明的范圍產生任何限制。

實施例1

本實施例涉及的油氣田開采用鉆具鋼棒材直徑為170mm，所包含的元素成分及其質量百分含量：c：0.28%，si：0.25%，mn：0.97%，p：0.007%，s：0.002%，cr：1.42%，mo：0.88%，v：0.08%，nb：0.027%，ni：0.13%，cu：0.12%，al：0.027%，ca：0.0027%，余量為fe及雜質元素。

上述棒材的生產工藝如下：

按上述鋼的化學元素成分組成配置冶煉原料，依次進行kr鐵水預處理-轉爐初煉-lf爐精煉-rh爐真空脫氣-連鑄390×510mm矩形坯-鑄坯緩冷-鑄坯拋丸-連續式加熱爐加熱-高壓水除鱗-連軋-棒材緩冷-去應力退火-剝皮-超聲波探傷+表面探傷等檢測-調質-入庫。

實施的具體步驟是：

1）進行kr鐵水預處理，將鐵水的p、s等雜質元素含量脫除一部分，然后入轉爐初煉；再經lf爐精煉，過程中加強脫氧；精煉結束后鋼包轉入rh爐進行真空脫氣，去氣體及夾雜物。

2）連鑄鋼水過熱度目標控制在15～30℃，利用中間包感應加熱實現低過熱度澆注，配合結晶器電磁攪拌、連鑄輕壓下工藝降低連鑄坯偏析，改善內部質量。

3）連鑄坯550℃以上高溫下線，入緩冷坑保溫60小時以上，防止鑄坯開裂，將緩冷后的連鑄坯拋丸處理，提高其表面質量，減少鑄坯軋制圓鋼時表面原始缺陷的產生。

4）連鑄坯在低氧化性氣氛的加熱爐內加熱至1200-1280℃，保溫5-20小時，出爐后鑄坯經高壓水除鱗處理高溫去掉氧化鐵皮，經過初軋-中軋-精軋機組軋制成170mm圓鋼，軋制的開軋溫度1150-1230℃，終軋溫度900-980℃。

5）軋制后棒材為防止開裂，500℃以上高溫下線入緩冷坑，緩慢冷卻至180℃以下出坑空冷。

6）將緩冷后的棒材送入連續式氮氣保護的熱處理爐進行去應力退火，鋼材在670-720℃保溫，保溫后鋼材爐冷至300℃出爐空冷。

7）退火后棒材經表面剝皮處理去除影響鋼材使用的表面缺陷，并進行表面探傷（標的n-0.3mm）及超聲波探傷(astma388標準fbh=3.2mm)等檢測。

采用圓鋼材料制造鉆桿接頭產品，具體工藝如下：圓鋼→下料→鐓粗→沖孔擠壓成型→正火→粗加工→淬火+回火處理→全面檢測(硬度、力學性能)→精加工→探傷檢測(超聲波+磁粉)→表面熱處理→磷化和防腐處理→包裝、入庫。

經上述制造工藝制成的材料生產的鉆桿接頭產品綜合力學性能結果見表1。

表1實施例1材料制造的135ksi鉆桿接頭產品性能

※本發明材料制造的鉆桿接頭滿足135ksi級別抗h2s腐蝕鉆桿接頭性能規范。

實施例2

本實施例涉及的油氣田開采用鋼棒材直徑為230mm，所包含的成分及其質量百分含量：c：0.29%，si：0.27%，mn：0.98%，p：0.007%，s：0.002%，cr：1.37%，mo：0.86%，v：0.06%，nb：0.026%，ni：0.15%，cu：0.13%，al：0.025%，ca：0.0024%，余量為fe及雜質元素。

該實施實例的冶煉、連鑄、軋制及退火工藝與實施例1基本相同（其中生產的連鑄坯尺寸為600mm圓坯），主要差別在于后續生產產品不同。

采用圓鋼材料制造加重鉆桿產品，具體生產工藝如下：圓鋼—精矯—正火+淬火+回火—內圓鉆孔—外圓車削——全面檢測(硬度、力學性能等)—內圓擴鉆孔—超聲波探傷—精加工（車螺紋）—包裝入庫。

經上述工藝制造的的加重鉆桿產品力學性能結果見表2。

表2實施例2材料制造的130ksi加重鉆桿力學性能

※

※本發明材料制造的加重鉆桿滿足130ksi級別抗h2s腐蝕加重鉆桿性能規范。

本專利申請的油、氣田用130ksi、135ksi級別耐蝕鉆具鋼，與本申請人的在先專利申請的110ksi級別抗硫化氫腐蝕油井鉆具鋼相比，其抗蝕材料的強度級別更高，適用于油、氣開采的超深、酸性井下鉆具材料使用。本申請的①135ksi鋼級鉆具產品機械性能滿足：屈服強度931mpa-1034mpa（135ksi鋼級），抗拉強度≥1000mpa，延伸率≥13%，斷面收縮率≥40%，-20℃低溫夏比沖擊功≥42j，全截面硬度302-352hbw；②130ksi鋼級鉆具產品機械性能滿足：屈服強度897-1069mpa（130ksi鋼級），抗拉強度≥1000mpa，延伸率≥13%，斷面收縮率≥40%，-20℃低溫夏比沖擊功≥54j，全截面硬度302-341hbw。而現有專利申請的110ksi級別抗硫化氫腐蝕油井鉆具鋼，其鉆具產品機械性能僅滿足：屈服強度≥758mpa（110ksi鋼級），抗拉強度≥862mpa，延伸率≥15%，斷面收縮率≥35%，室溫夏比沖擊功≥90j，全截面硬度≤30hrc。

另本專利申請的材料，在滿足上述130ksi、135ksi鋼級綜合機械性能前提下，按美國nacetm0177標準抗硫化氫應力腐蝕試驗（檢測方法a），在飽和h2s溶液中預加載70%名義屈服應力（70%smys）條件下720小時不斷；而現有專利申請的110ksi級別抗硫化氫腐蝕油井鉆具鋼材料，在滿足上述110ksi鋼級綜合機械性能前提下，在飽和h2s溶液中預加載65%名義屈服應力（65%smys）條件下720小時不斷。

基于上述對比，本專利材料具有更高強韌度下的更強抗腐蝕特性。

除上述實施例外，本發明還包括有其他實施方式，凡采用等同變換或者等效替換方式形成的技術方案，均應落入本發明權利要求的保護范圍之內。