[发明专利]油气田用130KSI、135KSI级别耐蚀钻具钢及其制造方法

说明书

本发明涉及高强韧、抗硫化氢腐蚀圆钢及其制造方法，该圆钢的化学成分按质量百分比计为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。经连铸‑连轧‑退火工艺路线生产热轧圆钢，圆钢直接热处理或加工的钻具半成品热处理。产品在分别满足相关130KSI、135KSI综合机械性能前提下，按美国NACE TM0177标准抗硫化氢应力腐蚀试验，在饱和H₂S溶液中预加载70%名义屈服应力条件下720小时不断。材料适用于酸性油、气田开采环境下的130KSI、135 KSI强度级别钻具材料使用。

技术领域

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。

发明内容

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