[发明专利]一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法

说明书

本发明公开了一种三牙轮钻头牙轮用钢，其化学成分质量百分比为：C:0.17~0.20%，Si:0.20~0.35%，Mn:0.75~0.95%，Cr:0.22~0.30%，Mo:0.30~0.40%，Ni:3.40~3.75%，Al:0.010~0.030%，P≤0.018%，S≤0.005%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。从上述结构可知，本发明的一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，通过合理设计C、Cr含量，使材料性能具有较GB/T 13343和SY/T 5164标准中三牙轮钻头牙轮钢更高的强度，且其整体力学性能也更为均匀、稳定。

技术领域

本发明涉及钢铁行业中的合金结构钢的技术领域，具体涉及一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法。

背景技术

钻具是钻井工程的损耗件，一般钻具（钻头）费用占钻孔成本的40%~50%。牙轮钻头是使用最广泛的一种钻井钻头，具有的高效和长寿的特点。作为一种钻削岩层的工具已广泛应用于石油钻井、矿山开采和地质钻探中。牙轮钻头按牙齿类型可分为铣齿牙轮钻头、镶齿牙轮钻头；按牙轮数目可分为单牙轮钻头、三牙轮钻头和组装多牙轮钻头。国内外使用最多、最广的是三牙轮钻头。

牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层；工作刃总长度大，因而相对磨损小。牙轮钻头在旋转时具有冲击、压碎和剪切破坏地层岩石的作用，所以，牙轮钻头能够适应软、中、硬各种地层。钻头性能的不断改进降低了钻井成本，钻头的使用寿命和钻速两个指标最终决定钻井成本。提高钻头的机械转速和使用寿命是降低钻井成本的有效途径，提高钻速和使用寿命均主要由材质和结构决定的，在钻头结构不断优化的情况下，采用高强度、高韧性、高耐磨性、耐腐蚀的钢材可以显著提高钻速和使用寿命。在钻井过程中，牙轮钻头承受复杂的循环载荷的作用，工作介质为井液(矿层水)，大多井液含有腐蚀介质，因而牙轮钻头的主要失效形式为合金齿脱落、断裂和腐蚀、磨损。牙轮钻头的钻速和使用寿命决定和影响了整套钻井设备的工作效率。当牙轮钻头发生断裂后，还需要进行打捞、更换钻头的井场作业，这样不但影响钻采的周期，而且增加了开采和勘探费用，使开采成本上升。根据现场调查，每发生一次断裂事故，开采作业费和影响出油折价之和为2～3万元。因此石油勘探、开采业必然会促进钢质牙轮钻头不断向更高强度、高韧性、高耐磨性、高耐腐蚀性发展。

我国GB/T 13343《矿用三牙轮钻头》和SY/T 5164《三牙轮钻头》标准中对钢质三牙轮钻头力学性能等级进行了规定，其中石油和天然气钻井用三牙轮钻头牙轮钢具有最高的力学性能：抗拉强度Rm≥1078MPa、屈服强度Re≥833MPa、断后伸长率A≥10%、断面收缩率Z≥40%、冲击吸收能量≥64J。目前国内普遍采用的15MnNi4Mo（SN2025）牙轮钻头钢，经淬火+低温回火处理之后，可以达到上述强韧性要求，但这种钢抗拉强度达到1300MPa、屈服强度达到1100MPa已是极限，强度再进一步提升的空间有限。目前国内牙轮钢材普遍使用模铸+锻造工艺生产，生产效率低，生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种三牙轮钻头牙轮用钢及其生产方法，具备较GB/T 13343和SY/T 5164标准中三牙轮钻头牙轮钢更高的强度。具有如下力学性能：抗拉强度Rm≥1500MPa、屈服强度Re≥1250MPa。本发明通过冶炼工艺控制有害元素和非金属夹杂物，提高了材料的纯净度，提高了牙轮钻头的疲劳寿命。本发明采用连铸+开坯+连轧工艺代替模铸+锻造，具备更高的生产效率和更低的生产成本。

本发明所采取的技术方案是：

一种三牙轮钻头牙轮用钢，其化学成分质量百分比为：C:0.17~0.20%，Si:0.20~0.35%，Mn:0.75~0.95%，Cr:0.22~0.30%，Mo:0.30~0.40%，Ni:3.40~3.75%，Al:0.010~0.030%，P≤0.018%，S≤0.005%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。