本发明涉及一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备 方法， 属于低碳合金钢金属材料技术 领域。 背景技术

国内外现有抗硫钻杆最高钢级为 105ksi， 国外的日本 NKK、 法国曼内斯曼、 格兰 特公司， 及国内的宝钢、 渤海能克等公司均有 105ksi钢级的抗硫钻杆。 然而， 国内西部 油气田如四川、 重庆及塔里木等重点油气田普遍井深达到 5000米以上， 又含有不同程 度的硫化氢介质， 对这些 5000米以上的深井， 105ksi钢级无法满足钻井载荷的需要。 而且高钢级钢质钻杆对硫化氢应力腐蚀开裂非 常敏感，硫化氢的存在很容易造成高钢级 钻杆发生硫化氢应力腐蚀开裂，造成钻具断裂 、掉井等事故，给钻井工程造成极大危害。 高钢级钻杆是否会发生硫化氢应力腐蚀开裂主 要取决于钻杆的微观组织特征， 而钢质钻 杆材料的成分设计及制造工艺对钻杆的微观组 织特征影响明显， 而且后者还决定了钻杆 的宏观性能特征。

因此， 仍有必要研发出一种高钢级抗硫钻杆材料， 通过合理的成分及工艺设计， 来 优化材料的微观组织特征， 实现抗硫化氢应力腐蚀开裂。 发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供 一种高钢级抗硫钻杆材料及其制备方 法。 本发明的高钢级抗硫钻杆材料的强度能够达到 105-135ksi钢级范围， 其能够应用于 含硫化氢的油气田深井钻井工程， 满足含硫化氢油气田 5000-8000米深井安全钻井的需 要。

为达上述目的， 本发明提供一种高钢级抗硫钻杆材料， 以质量百分比计， 其包括以 下成分组成: C: 0.15%-0.25%, Mn _: 0.20%-0.50%, Si: 0.20%-0.30%, Cr: 0.50%- 1.20%, Ni: 0.80%- 1.5%, Mo： 0.50%-1.20%, b: 0.01%-0.03%, V： 0.01%-0.03%, Ti: 0.01%-0.03%, Ah 1.0%-3.0%, La: 0.005%-0.01%, S: <0.001%, P: <0.003%, 余量为 Fe。

在上述高钢级抗硫钻杆材料的成分组成中， 碳元素 （C) 含量对于制备该材料时热 处理后形成的碳化物种类、 数量有直接影响。 锰（Mn) 、 硅 （Si)对于材料冶炼中的钢 水流动性影响显著。 铬 （Cr) 、 钼 （Mo) 属于碳化物形成元素， 与碳元素的合理搭配 与调质热处理后第二相弥散物特征及材料的淬 透性有直接关系。镍（Ni)溶解于基体中， 对于提高钢的韧性水平具有重要意义， 但其含量过多则会形成游离的镍单质， 对硫化氢 应力腐蚀有负面作用， 而上述的含量则最为合适。 铌 （ b ) 、 钒 （V) 、 钛 （Ti) 属于 微量元素， 适量添加可以抑制在制备该材料时的热轧过程 中的晶粒异常长大， 还能够细 化晶粒， 提高晶界强度及稳定性， 但任一元素添加过量将导致弥散物长大粗化， 增加材 料对硫化氢应力腐蚀开裂的敏感性。 铝 （A1 ) 的适量添加， 可以提高抗氧化性， 材料表 面可以自发形成致密的 A1 ₂ 0 ₃ 薄膜， 阻止硫化氢分子及活性氢原子渗入基体， 从而提高 材料的耐腐蚀性， 过量添加则会引起钢水冶炼中的自氧化， 形成夹杂物， 增加材料对硫 化氢应力腐蚀开裂的敏感性。 稀土元素镧（La)可以净化材料内夹杂物， 降低不同物相 界及晶界残余应力， 提高第二相粒子形核位置均匀性， 保证相界及晶界在硫化氢环境下 不会发生应力腐蚀开裂。 硫 （S ) 、 磷 （P ) 属于钢中的杂质元素， 需要严格控制， 实现 材料的纯净度。

在本发明中， 优选地， 所述的高钢级抗硫钻杆材料具备以下力学性能 指标： 室温屈 服强度为 724-932MPa、 室温抗拉强度为 850-1050MPa、 延伸率为 25-35%、 室温冲击韧 性为 145-180J、 晶粒度为 9.0-12.0级、 硬度为 HRC18-HRC25。

根据本发明的具体实施方式，优选地，所述的 高钢级抗硫钻杆材料满足 NACE 0177 标准中 A法试验的性能要求， 即在 A溶液内， 对所述高钢级抗硫钻杆材料施加 85%名 义屈服强度， 其持续 720 小时受载不发生断裂。 其中， A溶液为含有 5wt%NaCl 和 0.5wt%CH ₃ COOH的饱和 H ₂ S水溶液。

根据本发明的具体实施方式， 优选地， 在透射电子显微镜下观察， 所述高钢级抗硫 钻杆材料在平均每 100平方微米面积中包含渗碳体及合金元素碳化 物粒子颗粒数为 5-15 个， 粒子的长径比为 1-1.5， 晶界上粒子间距与晶粒内粒子间距比值为 0.8-1。 该材料具 有晶粒等轴化、第二相粒子等轴化及弥散分布 的特征， 可以实现钻杆材料微观组织的均 匀化特征， 降低材料微观应力集中效应。

本发明还提供一种上述高钢级抗硫钻杆材料的 制备方法， 其包括以下步骤： 按照所 述高钢级抗硫钻杆材料的成分组成选取原料， 将所述原料进行熔炼、 精炼及连铸后， 得 到铸锭； 将所述铸锭进行轧制得到管材； 然后对所述管材进行热处理， 得到所述的高钢 级抗硫钻杆材料。

在上述的制备方法中， 优选地， 所述热处理的步骤包括依次进行的正火处理、 调质 处理及球化处理三个阶段。

在上述的制备方法中， 优选地， 所述正火处理包括： 使所述管材在 900-930°C下保 温 30-60分钟， 随后空冷至室温， 得到正火后的管材。

在上述的制备方法中， 优选地， 所述调质处理包括： 使所述正火后的管材在 900-950°C下保温 45-60分钟， 随后水淬至室温， 之后在 600-640 °C下保温（回火） 45-90 分钟， 然后水冷至室温， 得到调质后的管材。

在上述的制备方法中， 优选地， 所述球化处理包括： 使所述调质后的管材在

680-720°C下保温 30-45分钟， 随后水冷至室温， 得到所述的高钢级抗硫钻杆材料。

在上述热处理的过程中， 正火处理能够消除管材的残余应力、 使微观组织均匀化。 调质处理能够获得单一、 均匀的回火索氏体组织， 控制奥氏体化温度及时间， 可以保证 管材实现全奥氏体化， 又不会发生晶粒粗化现象。 球化处理能够对回火索氏体组织上第 二相粒子进行球化， 降低其长径比， 以降低管材的第二相粒子周围的微观应力集中 ， 降 低所得到的钻杆材料对硫化氢应力腐蚀裂纹的 敏感性。回火及球化阶段的水冷处理可以 控制第二相粒子数量及形态特征， 防止其进一步长大和粗化。

在上述的制备方法中， 优选地， 所述熔炼、 精炼及连铸的步骤包括： 在纯铁水中添 加合金元素作为原料， 将所述原料通过转炉熔炼， 然后经真空脱气、 炉外精炼及电渣重 熔处理后， 浇铸成铸锭。 其中， 转炉熔炼、 真空脱气、 炉外精炼以及电渣重熔均为本领 域冶炼钢材的常规工艺， 其具体操作步骤为本领域技术人员公知的。 更优选地， 所述铸 锭为外径为 Φ230— Φ350的圆柱形铸锭。 采用上述工艺可以实现材料的纯净化目标， 满 足？、 S杂质含量较低的技术要求。

在上述的制备方法中， 优选地， 所述轧制的步骤包括： 使所述铸锭在 950°C-1150°C 下保温 45-60分钟， 得到具有全奥氏体组织的材料， 随后在 900-1100°C下使所述具有全 奥氏体组织的材料进行依次进行穿孔、 轧管后， 得到管材。 其中， 穿孔和轧管的温度可 以相同或不同， 只要在 900-1100°C的范围内即可。 更优选地， 所述管材的截面积为所述 铸锭的截面积的 4-10%。 按照上述轧制工艺处理后的材料具有细小的晶 粒度尺寸， 为后 续热处理提供基础材料性能。

在上述轧制的过程中， 对于轧制温度的控制可以有效利用 Cr、 Mo、 b、 V、 Ti合 金元素在特定温度区间的游离单质态特征， 增加动态再结晶异质形核作用， 实现晶粒细 化和均匀化。 对于保温时间的控制可以保证铸锭完全实现奥 氏体化， 但不会发生晶粒粗 化。 对于管材截面积的控制， 即对于轧制变形量的控制， 其能够充分利用机械变形进一 步细化晶粒， 同时提高材料的强韧性。

本发明提供的高钢级抗硫钻杆材料通过攻螺纹 、 钻孔等常规的工艺能够制备得到 105-135ksi钢级范围的抗硫钻杆产品。 该抗硫钻杆产品能够应用于含硫化氢的油气田 深 井钻井工程， 满足四川、 重庆、 塔里木等含硫化氢油气田 5000-8000米深井安全钻井的 需要。 附图说明

图 1为实施例 1的高钢级抗硫钻杆材料的金相图。

图 2为实施例 1的高钢级抗硫钻杆材料的第二相粒子的透射� �子显微镜照片。 图 3为实施例 1-3的高钢级抗硫钻杆材料经抗硫化氢应力腐蚀 开裂性能测试后的照 片。 具体实施方式

为了对本发明的技术特征、 目的和有益效果有更加清楚的理解， 现对本发明的技术 方案进行以下详细说明， 但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例 1-3

实施例 1-3分别提供一种高钢级抗硫钻杆材料， 其制备方法包括以下步骤： 按照所述高钢级抗硫钻杆材料的成分选取原料 ， 其中， 实施例 1-3的高钢级抗硫钻 杆材料的成分组成如表 1所示；

在纯铁水中添加合金元素作为原料， 将所述原料通过转炉熔炼， 然后经真空脱气、 炉外精炼及电渣重熔处理后， 浇铸成铸锭， 其中， 实施例 1-3所得到的铸锭的外径如表

2所示；

然后使所述铸锭在一定温度下保温一定时间， 得到具有全奥氏体组织的材料， 随后 在一定温度下使所述具有全奥氏体组织的材料 进行依次进行穿孔、 轧管后， 形成管材， 其中， 实施例 1-3的轧制工艺中的穿孔前保温工艺、 穿孔温度、 轧管温度以及轧制后的 管材与轧制前的铸锭的截面积比均如表 2所示；

随后使所述管材进行热处理， 所述热处理包括正火、 调质及球化， 形成所述高钢级 抗硫钻杆材料， 其中， 实施例 1-3的热处理工艺中的正火、 调制以及球化的工艺参数如 表 3所示。

表 1 实施例 1-3的高钢级抗硫钻杆材料的成分组成， wt% 实施例 C Si Mn P S Cr Ni

1 0.16 0.21 0.22 0.0026 0.00075 1.15 1.45

2 0.20 0.25 0.35 0.0024 0.00082 0.83 1.19

3 0.24 0.29 0.48 0.0019 0.00078 0.56 0.86 实施例 Mo V b Ti Al La Fe

1 1.16 0.012 0.026 0.013 1.15 0.0052 余量

2 0.97 0.020 0.016 0.028 1.82 0.0075 余量

3 0.58 0.028 0.011 0.019 2.85 0.0096 余量 表 2 实施例 1-3的铸锭外径及轧制工艺参数

表 3 实施例 1-3的热处理工艺参数

对于实施例 1-3的高钢级抗硫钻杆材料进行室温屈服强度、 室温抗拉强度、延伸率、 室温冲击韧性、 洛氏硬度的测定以及抗硫化氢应力腐蚀开裂性 能测试， 试验结果如表 4 所示。 各项力学性能测定按照 API Spec 5D钻杆标准进行， 由表 4可知， 实施例 1-3的 高钢级抗硫钻杆材料的力学性能指标符合 105-135ksi钢级范围，材料的塑性、韧性良好。 抗硫化氢应力腐蚀开裂性能测试按照 NACE TM0177标准 A法进行， 具体步骤如下： 使 高钢级抗硫钻杆材料在 A溶液 （含有 5wt%NaCl和 0.5wt%CH ₃ COOH的饱和 H ₂ S水溶 液） 中按 85%的名义钢级（即屈服强度）恒载荷下保持 720小时， 若该高钢级抗硫钻杆 材料不断裂， 则代表其通过测试， 评价为合格。 图 3为实施例 1-3的高钢级抗硫钻杆材 料经抗硫化氢应力腐蚀开裂性能测试后的照片 ， 由上至下依次为实施例 1、 实施例 2、 实施例 3的高钢级抗硫钻杆材料（图 3中材料表面的螺纹为测试时用于设备夹持连� �而 加工的螺纹） 。 由图 3可知， 实施例 1-3的钻杆材料均通过抗硫化氢应力腐蚀开裂性 能 表 4 实施例 1-3的高钢级抗硫钻杆材料的性能试验结果

图 1显示实施例 1的高钢级抗硫钻杆材料的金相组织特征。 图 1中的金相组织形貌 表明， 该材料的晶粒度细小， 等轴状， 晶粒度直径为 5μιη左右， 处于 9-12级范围内； 并且材料组织均匀， 无带状偏析现象。 图 2显示实施例 1的高钢级抗硫钻杆材料在透射 电子显微镜下的第二相粒子特征。 图 2表明该材料的第二相粒子为等轴状、 尺寸细小， 直径约 0.2μιη， 无粒子聚集现象， 弥散分布特征良好。 因此， 实施例 1的高钢级抗硫钻 杆材料实现了微观组织的均匀化特征， 降低了微观应力集中效应， 进而降低了该钻杆材 料对硫化氢应力腐蚀裂纹的敏感性。