油气田用130KSI、135KSI级别耐蚀钻具钢及其制造方法与流程

本发明属于圆钢制备领域，具体涉及一种以连铸代模铸-连轧生产油、气田开采用130ksi、135ksi钢级耐h2s腐蚀钻具钢及其制造方法。

背景技术：

随着世界经济的发展，能源消耗迅速增加，常规石油、天然气等易开采资源越来越少，很难满足日益增长的能源需求。油、气田开采工作不得不向深海、沙漠、南北极地区以及含硫化氢、二氧化碳等强腐蚀介质环境领域发展。常规110ksi钢级的耐h2s腐蚀及120ksi钢级的普通钻具材料在当今恶劣的开采环境下工作经常发生钻具失效，造成钻采系统甚至整口井的报废，给油、气田带来巨大经济等损失。因此普通的钻具材料已经不能满足新形势下油、气田开采产品的制造需求。

能源市场迫切需要研发一种新型更高强度及抗低温韧性的抗h2s腐蚀低合金钻具钢材料，以满足新能源开采环境下钢铁材料的新需求。但新材料为满足苛刻的工作环境要求，必须达到较高的技术指标，钢的元素成分设计及生产、制造为一难点，国内目前没有一种高于120ksi钢级的高强韧、抗h2s腐蚀的油、气田开采用钻具钢。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种满足油、气田开采用高强韧、抗h2s腐蚀、高可靠性等特殊要求的钻具钢新材料，实现其设计及生产、制造。本发明通过对钢的化学元素成分优化设计，发明了一种油、气田开采用低合金钻具钢，属于130ksi135ksi级别的钻具钢种。

本发明另外提供上述钻具钢新材料的制造方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种油气田用130ksi、135ksi级别耐蚀钻具钢，该钢的化学元素成分按质量百分比设计为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%，余量为fe及不可避免的杂质元素。

进一步地讲，本新材料在常规中低碳合金钢成分设计的基础上，添加nb、v、ni达到细化晶粒及提高强韧性目的，同时严格控制p、s等杂质元素含量，并加入少量的cu元素提高抗腐蚀性，添加微量的ca元素，改善钢的纯净度，本发明钻具钢的化学成分设计依据如下：

1、c含量的确定

c是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素，通过固溶强化并配合碳化物形成元素的析出强化，提高钢的强度，但c含量过高会对钢的塑、韧性带来不利影响，同时c含量高会降低钢的焊接及耐腐蚀性能，本发明c含量的范围确定为0.25～0.40%，本发明涉及钢材属于中低碳钢范畴。

2、si含量的确定

si可以作为脱氧元素，也是基本的固溶强化元素、提高淬透性，si和mo、w、cu等元素结合时能提高抗腐蚀性和抗氧化作用。但是si含量过高增加了铁素体的脆性，使钢中的过热敏感性、裂纹敏感性和脱碳倾向增大。本发明si含量的范围确定为0.20-0.45%。

3、mn含量的确定

mn是钢的固溶强化元素，能显著提高钢的淬透性，且改善钢的热处理性能，强化钢的基体和细化珠光体，从而提高钢的强度和硬度，且锰合金又较价廉易取，是高强度级别钢设计中的优选元素。另mn也为炼钢过程中的脱氧元素，能固定钢中硫的形态，形成对钢性能危害较小的mns和（fe、mn）s，减少或抑制fes的形成，降低钢的热脆倾向，提高钢的热塑性。但钢中mn含量过高，会产生较明显的回火脆性现象，而且mn有促进晶粒长大作用，能导致钢的过热敏感性和裂纹倾向性增强，尺寸稳定性降低，对产品使用产生不利影响。同时mn也是易偏析元素，过高的含量易造成钢的纵向组织带状严重，降低产品性能均匀性。综合以上因素影响，既要设计一定含量的mn元素，提高钢材淬透性、强硬度，稳定钢的热处理性能，mn含量又不宜过高，尽可能降低其不利影响，本发明mn含量范围确定为0.95～1.50%。

4、cr含量的确定

cr是中等碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。钢中的cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢的强度和硬度，还能使钢在高温时保持一定强度；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。此外，cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。但cr含量过高会提高钢的脆性转变温度，促进钢的回火脆性。本发明考虑到钢需要较高强度级别，设计中添入较高cr元素含量保证钢材的强度、硬度、耐腐蚀性性能，但又要考虑避免其不利影响，本发明将cr含量的范围确定为1.35～1.90%。

5、mo含量的确定

mo是碳化物形成元素，与c结合能力比cr稍强，与cr、ni结合可以提高淬透性，细化晶粒，提高韧性，改善碳化物不均匀性，其碳化物稳定，高温也很难向固溶体转移，可替代w，提高钢的热强性。对热处理的合金结构钢，能够大大降低回火脆性，提高钢的韧性。本发明钢因需保证较高的低温韧性，因此设计提高mo含量的范围为0.75～1.30%。

6、v含量的确定

v是强碳化物形成元素，vc弥散度高且稳定，具有很强的细化晶粒作用，提高钢的强度，韧性。与c形成vc碳化物，提高钢的耐磨性，同时可提高钢抗氢腐蚀能力。在材料焊接时，能够阻止焊缝晶粒粗大，改善钢的可焊性。本发明v含量的范围确定为0.05～0.25%。

7、ni含量的确定

镍是非碳化物形成的合金元素，在平衡条件下镍几乎完全溶入铁素体中，加热时晶粒不易长大，镍即能显著提高钢的淬透性又提高强度、（低温）韧性和塑性，降低钢的脆性转变温度，但镍含量过高，因其为贵重金属，会增加成本，本发明将ni含量的范围确定为0.10～0.30%。

8、nb含量的确定

nb是典型的微合金化元素，能形成碳、氮化物，高温析出配合tmcp，钉扎奥氏体晶界，达到细化晶粒效果，钢在奥氏体化时，碳、氮化物同样阻止奥氏体晶粒长大。形成碳、氮化物第二相颗粒提高强度，但塑性和韧性却有所下降。本发明nb含量的范围确定为0.010～0.050%。

9、s、p含量的确定

s、p为钢中的不可避免的杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。p溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。s使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性。本发明为保证钢的抗腐蚀等性能，控制p≤0.008%，s≤0.002%。

10、ca含量的确定

ca对钢中夹杂物的变质具有显著作用，使夹杂物球化、分布均匀从而减少对韧性的不利影响，同时还改善钢水的流动性，改善水口堵塞问题。本发明中控制ca含量为0.0005～0.005%，且ca/s≥1。

11、cu含量的确定

cu是提高耐腐蚀性的基本元素，可以促进钢产生阳极钝化，从而降低钢的腐蚀速度。cu在锈层中富集能极大地改善锈层的保护性能。此外，cr和钢中的cu、si元素配合能显著提高钢的耐腐蚀性能。本发明中控制cu含量0.10～0.20%。

12、al含量的确定

al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，al与n形成弥散细小的氮化铝颗粒可以细化晶粒，但al含量大，钢水熔炼过程中易形成al2o3等脆性夹杂物，降低钢水纯净度，因此本发明中al含量的范围确定为≤0.050%。

本发明另提供上述油气田用130ksi、135ksi级别耐蚀钻具钢的生产及制造方法，按所述的钢种特性采用连铸代模铸方式冶炼生产，挑选的冶炼原料依次经kr铁水预处理-电炉/转炉初炼-lf炉精炼-vd/rh炉真空脱气处理工艺生产高纯净度钢水，根据棒材的生产尺寸要求钢水经全程氩气保护浇铸得到300mm×340mm、390×510mm或￠600mm的矩形或圆形连铸坯；连铸坯在550℃以上下线入坑缓冷，缓冷时间60小时以上，将缓冷后的连铸坯进行表面抛丸处理，以提高铸坯的表面质量，避免热加工时产生影响钢材使用的表面缺陷。

表面质量良好的铸坯在弱氧化性气氛的加热炉内加热至1200～1280℃，根据铸坯尺寸不同控制铸坯的加热保温时间为5-20小时，出炉后的连铸坯经高压水除鳞后进入粗轧-中轧-精轧机组进行轧制，开轧温度为1150-1230℃，终轧温度900-980℃，轧后棒材在线锯切，控制在500℃以上下线入坑缓冷，当棒材温度降至180℃以下时出缓冷坑空冷。

将冷却后的棒材在连续式氮气保护的热处理炉中进行离线去应力退火，退火保温温度为670～720℃，棒材充分保温透烧后炉冷至300℃以下出炉空冷。最终对棒材表面剥皮处理，并进行表面探伤（标的为n-0.3mm）及超声波探伤(astma388标准的fbh=3.2mm)检测。

探伤合格的棒材直接作调质处理或加工为半成品钻具零件后再调质处理，产品机械性能分别达到了135ksi钢级及130ksi钢级的抗腐蚀钻具技术规范要求。

热处理工艺如下：正火加热温度为920～980℃，在炉时间为200～600min，保温段温度控制精度：±10℃，控制炉子辊速不大于550mm/min；淬火加热温度为860～940℃，在炉时间为300～600min，保温段温度控制精度：±8℃，控制炉子辊速不大于500mm/min，使用淬火环水淬，水温控制20-35℃；回火加热温度为570～650℃，保温段温度控制精度：±5℃，在炉时间为400～600min，控制炉子辊速不大于200mm/min，出炉后空冷或水冷至室温。

优选地，所述淬火和回火工艺是在天然气加热的辊底式连续炉中进行的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)提供了一种适合于油、气田开采用130ksi、135ksi钢级的高强度、抗低温、抗h2s腐蚀钻具钢新材料及生产、制造方法。

(2)按照本发明生产的圆钢元素成分得到优化设计，其生产的不同钻具产品热处理后均达到了优良的强韧性配合，130ksi、135ksi均满足油、气田开采用关键受力部件的高强度、抗低温韧性要求。

（3）本发明生产的不同钻具产品热处理后均达到了较强的抗腐蚀性能，在达到第（2）条机械性能的前提下，满足美国nacetm0177标准抗硫化氢应力腐蚀试验（检测方法a），在饱和h2s溶液中预加载70%名义屈服应力（70%smys）条件下720小时不断。满足了油、气田开采用关键受力部件的抗h2s腐蚀特性要求。

（4）本发明制造的圆钢采用连铸代模铸-连轧的短流程工艺（kr-bof-lf-rh-ccm-cr或eaf-lf-vd-ccm-cr），生产油、气田开采用高强韧、抗h2s腐蚀钻具材料，节约了生产工序与成本。

（5）对热轧后退火并探伤合格的棒材直接热处理或加工为钻具半成品零件后热处理，热处理工艺如下：正火加热温度为920～980℃，在炉时间为200～600min，保温段温度控制精度：±10℃，控制炉子辊速不大于550mm/min；淬火加热温度为860～940℃，在炉时间为300～600min，保温段温度控制精度：±8℃，控制炉子辊速不大于500mm/min，使用淬火环水淬，水温控制20-35℃；回火加热温度为570～650℃，保温段温度控制精度：±5℃，在炉时间为400～600min，控制炉子辊速不大于200mm/min，出炉后空冷或水冷至室温。

本发明针对油、气田用130ksi及135ksi高强度、高低温韧性抗腐蚀钻具钢的需求，使用优化的元素成分设计、高纯净度的钢水、非金属夹杂物变性处理、低过热度全程氩气保护浇注生产的连铸坯作为轧制坯料，通过后续的轧制、退火、探伤及钻具材料整体或半成品钻具零件在辊底式连续热处理炉中正火+淬火+回火热处理制造出淬硬层深、热处理机械性能高，组织均匀、稳定，偏析小，高强度、抗低温冲击韧性的抗腐蚀钻具圆钢。本发明制造的圆钢最大直径可达300mm。

与现有技术相比，本发明的主要创新在于：

（1）钢材通过c、mn、cr、mo等提高钢的淬透性及强韧性主元素的优化设计，并添加微量v、nb、ni、cu等元素，其钢材晶粒更加细小、钢的淬硬层组织更深、热处理后机械性能更高，组织更均匀、稳定的新型高强高韧抗腐蚀钻具钢材料，新材料的抗拉强度、屈服强度、低温冲击韧性、硬度等钻具材料使用的重要技术指标显著提高。棒材生产的钻具产品在壁厚二分之一位置取样检验：①135ksi钢级钻具产品机械性能满足：屈服强度931-1034mpa，抗拉强度≥1000mpa，延伸率≥13%，断面收缩率≥40%，-20℃低温夏比冲击功≥42j，全截面硬度302-352hbw；②130ksi钢级钻具产品机械性能满足：屈服强度897-1069mpa，抗拉强度≥1000mpa，延伸率≥13%，断面收缩率≥40%，-20℃低温夏比冲击功≥54j，全截面硬度302-341hbw。解决了酸洗环境下油、气田开采，关键受力部件一直仅能达到110ksi强度级别的瓶颈，满足了新型油、气田开采环境的更高钻具材料市场要求。

（2）本发明制造的圆钢其钻具产品采用辊底式连续炉进行正火+淬火+回火处理，通过淬火前正火处理均匀稳定化钢的组织，并提高钢的奥氏体化保温温度及保证钢的充分奥氏体化时间，回火过程充分处理，使钢的整体淬硬层组织加深、热处理机械性能更高，更均匀、稳定，在保证圆钢130ksi、135ksi强度等级的较高强度、硬度前提下其低温韧性也显著提高，同时让钢材的抗硫化氢腐蚀性能更优，满足美国nacetm0177标准抗硫化氢应力腐蚀试验（检测方法a），在饱和h2s溶液中预加载70%名义屈服应力（70%smys）条件下720小时不断。调质后圆钢的组织为回火索氏体或回火索氏体和少量贝氏体的形态。

附图说明

图1为实施例1中135ksi圆钢的金相组织图；

图2为实施例2中130ksi圆钢的金相组织图。

具体实施方式

以下结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。但该等实施例仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。

实施例1

本实施例涉及的油气田开采用钻具钢棒材直径为170mm，所包含的元素成分及其质量百分含量：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%，余量为fe及杂质元素。

上述棒材的生产工艺如下：

按上述钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次进行kr铁水预处理-转炉初炼-lf炉精炼-rh炉真空脱气-连铸390×510mm矩形坯-铸坯缓冷-铸坯抛丸-连续式加热炉加热-高压水除鳞-连轧-棒材缓冷-去应力退火-剥皮-超声波探伤+表面探伤等检测-调质-入库。

实施的具体步骤是：

1）进行kr铁水预处理，将铁水的p、s等杂质元素含量脱除一部分，然后入转炉初炼；再经lf炉精炼，过程中加强脱氧；精炼结束后钢包转入rh炉进行真空脱气，去气体及夹杂物。

2）连铸钢水过热度目标控制在15～30℃，利用中间包感应加热实现低过热度浇注，配合结晶器电磁搅拌、连铸轻压下工艺降低连铸坯偏析，改善内部质量。

3）连铸坯550℃以上高温下线，入缓冷坑保温60小时以上，防止铸坯开裂，将缓冷后的连铸坯抛丸处理，提高其表面质量，减少铸坯轧制圆钢时表面原始缺陷的产生。

4）连铸坯在低氧化性气氛的加热炉内加热至1200-1280℃，保温5-20小时，出炉后铸坯经高压水除鳞处理高温去掉氧化铁皮，经过初轧-中轧-精轧机组轧制成170mm圆钢，轧制的开轧温度1150-1230℃，终轧温度900-980℃。

5）轧制后棒材为防止开裂，500℃以上高温下线入缓冷坑，缓慢冷却至180℃以下出坑空冷。

6）将缓冷后的棒材送入连续式氮气保护的热处理炉进行去应力退火，钢材在670-720℃保温，保温后钢材炉冷至300℃出炉空冷。

7）退火后棒材经表面剥皮处理去除影响钢材使用的表面缺陷，并进行表面探伤（标的n-0.3mm）及超声波探伤(astma388标准fbh=3.2mm)等检测。

采用圆钢材料制造钻杆接头产品，具体工艺如下：圆钢→下料→镦粗→冲孔挤压成型→正火→粗加工→淬火+回火处理→全面检测(硬度、力学性能)→精加工→探伤检测(超声波+磁粉)→表面热处理→磷化和防腐处理→包装、入库。

经上述制造工艺制成的材料生产的钻杆接头产品综合力学性能结果见表1。

表1实施例1材料制造的135ksi钻杆接头产品性能

※本发明材料制造的钻杆接头满足135ksi级别抗h2s腐蚀钻杆接头性能规范。

实施例2

本实施例涉及的油气田开采用钢棒材直径为230mm，所包含的成分及其质量百分含量：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%，余量为fe及杂质元素。

该实施实例的冶炼、连铸、轧制及退火工艺与实施例1基本相同（其中生产的连铸坯尺寸为600mm圆坯），主要差别在于后续生产产品不同。

采用圆钢材料制造加重钻杆产品，具体生产工艺如下：圆钢—精矫—正火+淬火+回火—内圆钻孔—外圆车削——全面检测(硬度、力学性能等)—内圆扩钻孔—超声波探伤—精加工（车螺纹）—包装入库。

经上述工艺制造的的加重钻杆产品力学性能结果见表2。

表2实施例2材料制造的130ksi加重钻杆力学性能

※

※本发明材料制造的加重钻杆满足130ksi级别抗h2s腐蚀加重钻杆性能规范。

本专利申请的油、气田用130ksi、135ksi级别耐蚀钻具钢，与本申请人的在先专利申请的110ksi级别抗硫化氢腐蚀油井钻具钢相比，其抗蚀材料的强度级别更高，适用于油、气开采的超深、酸性井下钻具材料使用。本申请的①135ksi钢级钻具产品机械性能满足：屈服强度931mpa-1034mpa（135ksi钢级），抗拉强度≥1000mpa，延伸率≥13%，断面收缩率≥40%，-20℃低温夏比冲击功≥42j，全截面硬度302-352hbw；②130ksi钢级钻具产品机械性能满足：屈服强度897-1069mpa（130ksi钢级），抗拉强度≥1000mpa，延伸率≥13%，断面收缩率≥40%，-20℃低温夏比冲击功≥54j，全截面硬度302-341hbw。而现有专利申请的110ksi级别抗硫化氢腐蚀油井钻具钢，其钻具产品机械性能仅满足：屈服强度≥758mpa（110ksi钢级），抗拉强度≥862mpa，延伸率≥15%，断面收缩率≥35%，室温夏比冲击功≥90j，全截面硬度≤30hrc。

另本专利申请的材料，在满足上述130ksi、135ksi钢级综合机械性能前提下，按美国nacetm0177标准抗硫化氢应力腐蚀试验（检测方法a），在饱和h2s溶液中预加载70%名义屈服应力（70%smys）条件下720小时不断；而现有专利申请的110ksi级别抗硫化氢腐蚀油井钻具钢材料，在满足上述110ksi钢级综合机械性能前提下，在饱和h2s溶液中预加载65%名义屈服应力（65%smys）条件下720小时不断。

基于上述对比，本专利材料具有更高强韧度下的更强抗腐蚀特性。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。