一、研究的背景與問(wèn)題
隨著全球能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，深海、超深層及含硫油氣田（如中東、四川、新疆等地）的開(kāi)發(fā)加速，同時(shí)?石油天然氣作為不可再生能源，各大工業(yè)國(guó)正在加緊對(duì)深層地下能源的鉆探和開(kāi)采，對(duì)能在高硫化氫（H2S）嚴(yán)苛環(huán)境中作業(yè)的鉆具需求急劇上升。
我國(guó)目前超深井油氣田有超千余座，并且含有較高的H2S和CO2，主要分布在四川盆地西緣的川西氣田及新疆塔里木油氣田，其中塔里木盆地超深井油氣田占比超過(guò)80%，也是我國(guó)陸上最大的含油氣盆地，也是全球唯一以超深層資源為主的含油氣盆地，?鉆探深度超過(guò)8000米，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。塔里木油田計(jì)劃到2025年建成年產(chǎn)油氣當(dāng)量500萬(wàn)噸的超深大油田，進(jìn)一步推動(dòng)超深油氣資源的開(kāi)發(fā)利用?。
在高溫高壓及高含硫超深井復(fù)雜開(kāi)采環(huán)境中，鉆具易受硫化氫應(yīng)力腐蝕和氫致開(kāi)裂影響，導(dǎo)致頻繁泄漏或斷裂事故（如中東項(xiàng)目暴露的抗硫瓶頸）。塔里木盆地超8500米深井作業(yè)常態(tài)化后，傳統(tǒng)鋼制鉆桿面臨兩大技術(shù)瓶頸：一是井深增加導(dǎo)致鉆井設(shè)備自重劇增（如8500米鉆柱重達(dá)300噸），引發(fā)懸重過(guò)大、扭矩效率下降；二是高溫高壓與腐蝕介質(zhì)共同導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSC），含Cl-地層水中鉆具鋼年均失效率達(dá)12%，單次事故損失超千萬(wàn)元。亟需通過(guò)材料技術(shù)提升裝備的耐用性和操作安全?。
盡管高強(qiáng)鋼可滿足鉆具高強(qiáng)度需求，但強(qiáng)度升高會(huì)加劇氫脆敏感性，而傳統(tǒng)低合金抗硫材料僅能滿足淺層地表油氣田開(kāi)發(fā)，服役過(guò)程中極易發(fā)生氫侵入引發(fā)脆斷事故?。如何解決材料高強(qiáng)度、高韌性與高抗硫性能匹配，成為超深井技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。
“十三五”規(guī)劃提出石化大國(guó)邁向石化強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)，經(jīng)過(guò)“十三五”和“十四五”兩個(gè)五年規(guī)劃、10年的時(shí)間，石油鉆具技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，“十五五”是由石化大國(guó)邁向石化強(qiáng)國(guó)目標(biāo)的關(guān)鍵五年，研制高強(qiáng)韌抗硫化氫腐蝕（SSC）新材料符合我國(guó)國(guó)情需要，實(shí)為開(kāi)發(fā)能源、充分利用油、氣資源所亟待解決的課題。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
針對(duì)我國(guó)超深井高酸性油氣田開(kāi)發(fā)需求，傳統(tǒng)低合金鋼鉆井和金屬構(gòu)件在這樣的環(huán)境中使用，會(huì)發(fā)生H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，致使鉆材和金屬構(gòu)件在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生突然的脆斷事故。南鋼打破傳統(tǒng)成分設(shè)計(jì)思路，采用Mo合金為主微量合金為輔的多元成分設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出系列超深井用高強(qiáng)韌抗硫化氫石油鉆具用鋼，并實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用。
基于中碳Cr-Mo合金鋼中加入微合金元素成分設(shè)計(jì)體系，研制出了抗硫化氫腐蝕石油鉆具用鋼以及石油套管用鋼，實(shí)現(xiàn)了API鋼級(jí)全覆蓋。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1.首次使用微合金復(fù)合強(qiáng)化、高強(qiáng)韌抗硫成分體系創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)合金化手段細(xì)化了抗硫鉆具產(chǎn)品熱處理后的微觀組織。開(kāi)發(fā)高純凈冶煉及均質(zhì)化組織工藝集成控制技術(shù)，構(gòu)建了高質(zhì)量均質(zhì)化生產(chǎn)控制技術(shù)體系，為后續(xù)產(chǎn)品熱處理性能提供了成分及組織保證。
2.通過(guò)研究不同淬火及回火溫度工藝對(duì)材料組織、性能的影響，建立了一套適合熱處理工藝體系，解決了超深井高含硫復(fù)雜工況條件下抗硫鋼高強(qiáng)度、低溫韌性與抗硫化氫應(yīng)力腐蝕匹配性難題，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)、高韌、高抗硫的三重正向協(xié)同，產(chǎn)品鋼級(jí)達(dá)到125ksi，-20℃KV2≥140J，屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
四、應(yīng)用情況與效果
圍繞項(xiàng)目申請(qǐng)專利13件，其中發(fā)明專利獲得授權(quán)6件，實(shí)用新型專利獲得授權(quán)3件。南鋼2015年研制抗硫化氫鉆桿及鉆桿接頭材料，產(chǎn)品替代進(jìn)口材應(yīng)用于國(guó)內(nèi)酸性油氣田開(kāi)發(fā)；2016年研制高強(qiáng)韌鉆桿接頭，產(chǎn)品成功應(yīng)用于亞洲第一深井、西南第一工程“川深1井”（設(shè)計(jì)井深8690米）；2021年研制抗硫化氫應(yīng)力腐蝕鉆桿接頭用鋼被江蘇省工業(yè)和信息化廳評(píng)定為國(guó)際先進(jìn)，工藝技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；2023年研制新一代120SS/125SS高強(qiáng)韌抗硫化氫應(yīng)力腐蝕鉆桿接頭用鋼，助力石油裝備行業(yè)產(chǎn)品迭代升級(jí)，得到行業(yè)內(nèi)一致好評(píng)。
高強(qiáng)韌抗硫化氫超深井石油鉆具用鋼的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)，破解了“高強(qiáng)度-高韌性-抗硫化氫”的性能矛盾，不僅直接提升高含硫油氣田開(kāi)采效率與安全性，更推動(dòng)了高端裝備國(guó)產(chǎn)化、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及深地勘探能力躍升，是國(guó)家能源安全與科技自立自強(qiáng)的關(guān)鍵支柱?，對(duì)于保障國(guó)家能源安全、關(guān)鍵設(shè)備自主可控、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)及支撐深地勘探具有重大戰(zhàn)略意義。
信息來(lái)源：南京鋼鐵股份有限公司
