科技新进展：高性能油气钻采用钢关键技术研究及产品开发

一、研究的背景与问题

油气被称为“国民经济的血液”，是重要的战略资源。但我国油气对外依赖超过70%。为提高我国油气供应安全，除大力开发常规油气外，也高度重视深地、深水及非常规油气开发，根据“十四五”规划，我国新增产能的50%将来自非常规油气。我国已经形成了较完善的油气钻采装备制造体系，油气钻采装备虽取得进步，但相比欧美国家，基础仍然薄弱，钻采装备及技术仍存在较大差距。因此，《中国制造2025》和《面向2035的新材料强国战略》均提出，要重点攻关非常规油气资源勘探、钻采成套技术装备，解决装备瓶颈难题。

国际油气开采认可的深水是水深300m，我国水深300m以上海域约153万平方公里，大部分尚未被勘探。由于深水环境复杂多变、水压大、腐蚀强，深水装备性能要求高，我国深水钻采关键装备依赖进口，深水采油树严重依赖进口（基本被FMC、GE、SLB等垄断）。此外，随着陆上油气井深度的增加，不但面临高温、高压，还面临着强H₂S/CO₂腐蚀。钢铁作为油气钻采设备关键材料，在高强韧、高耐腐蚀性及疲劳性能均提出更高要求。油气钻采用钢的高性能化不足是我国未能实现深地、深水油气钻采装备完全自主可控的关键制约因素。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目以改善深地、深水油气钻采装备用钢的服役性能、提升油气钻采用钢腐蚀疲劳寿命为目的，以解决影响油气钻采用钢应力腐蚀疲劳寿命关键材料及冶金问题为切入点，通过油气钻采用钢强韧性控制、应力腐蚀疲劳控制、超高纯净度及超低氧控制、夹杂物变性控制、连铸及连铸连轧材低偏析、低疏松控制、大锻件锻造及热处理工艺创新等一系列关键工艺技术攻关，开发出满足深海及深层油气开采用高性能钢系列产品。通过以上技术的开发，突破了制约油气钻采用钢应力腐蚀疲劳性能的技术瓶颈，为我国高性能油气钻采装备用钢的发展提供核心技术的支持，从而推动了我国深地、深水油气钻采装备关键零部件的国产化。

三、主要创新性成果

1、自主研发出高强韧与高耐应力腐蚀疲劳油气钻采用钢系列产品

基于中高合金钢，首次提出大角度晶界和位错密度是影响腐蚀疲劳性能的关键控制因素，通过多元复合微合金化及热处理工艺创新，降低了固溶强化作用，细化晶粒度，提高氢陷阱量，降低位错密度，实现了高密度大角度晶界与低位错密度共存，成功开发出高强韧、高耐应力腐蚀疲劳油气钻采用钢系列产品，从而实现了油气钻采用钢强度、韧性的合理匹配，并具有高的应力腐蚀疲劳性能，产品的强度比要求提高100MPa以上，-60℃低温冲击大于170J，应力腐蚀强度≥0.85RP0.2MPa，达到国际领先水平。

2、自主研发出油气钻采用钢夹杂物精准改质与超纯净控制技术

采用出钢Al含量一步调整到位、LF高碱度、强化渣面脱氧处理，并通过强化RH钢水循环、流动、混合促进微小夹杂物碰撞和去除后，针对RH破空后高纯净钢水进行精准Ca处理及稀土处理，从而实现油气钻采用钢高纯净度控制的同时，实现夹杂物的长宽比进一步缩小、夹杂长宽比1-3占比达97.1%、DS类非金属夹≤1.0级。

3、自主研发出油气钻采关键部件高致密度、高均质化控制技术

针对亚包晶中高合金钢大规格连铸坯中心存在裂纹、缩孔等缺陷，不能满足高性能油气实心件需要的问题，通过数字模拟建立铸坯直径、过热度、拉速、电搅参数之间的多元耦合关系，验证了亚包晶高合金钢连铸关键影响因素。通过20℃-30℃恒过热度控制、低速恒定拉速控制、高强度铸流电磁搅拌等解决了这一长期影响高合金大规格特殊钢铸坯的中心质量问题。实现了高合金钢大直径(maxφ1200mm)圆坯中心无裂纹及缩孔，截面碳偏析指数≤1.07%，产品成功替代钢锭制造实心锻件；开发了单道次大变形高致密度轧制技术，实现了大直径(φ320mm)热轧圆钢替代模铸+锻造工艺；首创了大直径连铸圆坯两端压实整体大变形等高致密度、高均质化系列锻造技术，实现了大锻件芯部无缺陷，锻件探伤质量达到国标和欧标最高要求。

四、应用情况与效果

通过本项目的开发研究，形成了一整套高性能油气钻采用钢冶金工艺关键技术，包括：油气钻采用钢成分体系及组织调控、夹杂物精准改质与超纯净控制技术、油气钻采关键部件高致密度、高均质化控制技术。开发产品应用于井口装置、压裂装置、高强钻具等，产品达到国际领先水平。

开发的油气钻采用中高合金连铸圆坯产品成功替代3—30吨钢锭，替代电渣锭制造实心锻件；连铸工艺深海采油树用钢实现了进口替代，产品还出口到国际知名油服公司中海油、FMC、SLB、Baker Hughes、Cameron、GE等。大功率压裂装置承压达140MPa，应用到电驱压力泵；高强钻具强度超过1000MPa，应用到亚洲第一深井钻探。

项目研究形成了具有自主知识产权的油气钻采用钢及装备制造等系列关键工艺技术，整体具有国际先进水平，部分达到国际领先水平。

信息来源：马鞍山钢铁股份有限公司