深井钻井新型高强度钻杆材料

能源科学进展2008,Vol.4,No.1深井钻井新型高强度钻杆材料编译：魏存祥（西南石油大学研究生院）审校：刘廷元摘要：许多文献提出了超深井钻井使用非钢钻杆的想法，主要为降低扭矩、钻柱重量和拖拽阻力载荷。然而，其它的降低扭矩和拖拽阻力的管理工具由于便宜、实用且技术应用成功，却阻止了非钢钻杆的进展。本文主要讨论的三种先进材料包括：碳纤维复合材料、钛合金和铝合金。这些非钢钻杆已经在一定程度上成功应用。但在超深井以及深水井时，每种材料都有其自身的强度和缺陷。关键词：复合材料；钛合金；铝合金；超高强度钢1碳纤维复合材料复合钻杆（CDP）的制造是通过在卷筒上缠绕碳纤维然后应用环氧基复合材料覆盖并密封而成。复合钻杆包括合成钢销和套筒联接工具箱，与设计常规钢钻杆连接相似。复合钻杆的费用大约是常规钢钻杆的三倍。随着技术的改善，这个差别会逐渐减少。复合钻杆与常规钢钻杆相比有以下几个潜在优点：①重量降低；②更高的强度重量比率；③优越耐腐蚀性；④高抗疲劳抵抗能力；⑤无磁性。这些优点能使复合钻杆非常适合于用到超深井钻井和其它钻井应用。它的主要缺陷在于其水力特性和效率，阻碍了其在超深井钻井和大位移井钻井（ERD）的应用。要达到必要的结构特性（扭转力矩、拉伸能力等），复合钻杆必须比常规钢钻杆厚实。根据设计，复合钻杆的壁厚应为钢钻杆的2倍。管内径的显著减少，造成一定的压力损失。复合钻杆的高强度重量比率与钢钻杆比较，主要优点是降低扭矩和拖拽阻力。因为水力效率是超深井钻井的重要指标，综合来看还不能提供一种可实行的解决方案。复合钻杆设计师通过增加管子的外径来增加壁厚。例如，875英寸外径的钢钻杆是超深井钻井常用的，而复合钻杆则采用了6英寸外径。这样，内径减小，增加了压力损失，并且增加了外径和环体等效流通密度（ECD）。复合钻杆在超短半径钻井上取得一定成功，具有灵活性和抗疲劳特性，且通常不受水力性能问题影响。2钛合金钛合金钻杆（TDP）已经用于生产，逐渐为超短半径钻应用。通过油田实验和计算分析，小直径钛合金钻杆（212英寸和872英寸）被证明能用于超短半径钻井。但是钛合金钻杆制造费与钢钻杆相比非常高（七到十倍，甚至更多），并且市场非常有限。钛合金钻杆在管内部、外部以及两末端都镶嵌钛合金，高性能、抗疲劳特性、力学特性、低合金碳钢工具联接，以及一种钢工具联接和镦粗管之间的优化接口面。在超深井钻井方面，钛合金钻杆提供了比常规钢钻杆的重大性能优点：①重量降低；②与S-135钢钻杆相比，强度重量比大约提高了37%；③高抗腐蚀和冲蚀能力；④高抗疲劳特性。钛合金钢具有良好的柔软性，这种特性也许阻碍超深井钻井操作，但在超短半径钻井时是高度有利的。相同载荷作用下，钛合金钻杆的变形量为常规钢钻杆的两倍，导致钛合金钻杆与常规钢钻杆相比有不同的表现。钛合金钻杆对扭矩变动也许会有延时效应，这个不同反应可以容纳，但有一条经验曲线。当然，制造商可能通过对钛的技术创新改造，制造出一种高性能超深井钻井钻杆。在-32-能源科学进展2008,Vol.4,No.1钛合金钻杆为超深井钻井、大位移井钻井和其它富挑战性项目将被采取前，有个必须回答的问题：这项成本高出钢钻杆一个数量级的技术是否谁都能够接受？3铝合金铝合金钻杆（ADP）在石油工业使用了数十年。大多数的应用经验来自俄罗斯和前苏联，这里广泛地使用铝合金钻杆，铝合金钻杆已经形成了产品系列。在60年代和70年代，铝合金钻杆开始应用于北美和南美洲，以扩大钻机的钻井深度和降低重量。铝合金钻杆的成本大约是常规钢钻杆的2倍。铝合金钻杆性能优点包括：①重量降低；②高耐腐蚀性；③高抗疲劳特性；④无磁性。铝合金钻杆也可以用于某些大位移井钻井和水平井钻井中，其不足之处是屈服强度相对较低，其强度重量比低于超高强度钢钻杆，壁厚通常要比钢钻杆厚，造成对水力性能的不良影响。另外，在温度上升到121℃时，其屈服强度将急剧下降，将影响某些大位移井钻井应用。4超高强度钢超高强度钢提供了一个用于大位移井钻井、超深井钻井和深水钻井的近期、中期和长期技术解决方案，目前市场上可提供的高强度钢包括140ksi和150ksi昀小屈服强度级，这些级别的钢钻杆和S-135钻杆相比成本相当。目前140级和150级钢钻杆使用量大约是16.8万m和6.1万m。钢的延展性和刚性之比降低已成为阻碍高强度钢应用的一个重要难题。制造商已经进行了明显的改进，提供的钢级比S-135更好。另外，制造商实施了化学、热处理，这也许能使这些等级到更加严密的韧性标准。5结论多种用于超深井钻井的高强度、低密度钻杆相继问世。其主要性能如表1所示，其中级别为Ti6al-4Ⅴ的钛合金钻杆，屈服强度为827.5MPa，虽然低于S-135，但是其密度低，每单根质量是S-135的64.7%，总体性能提高率为37%。UD-165钢钻杆比S-135钻杆性能提高率为22%，且屈服强度比S-135钢钻杆高。Al-Zn-MgⅡ铝合金屈服强度达到了480MPa，且性能重量比与S-135相比提高12%，但是其价格昂贵，目前难以承受。Al-Zn-MgⅣ铝合金钻杆屈服强度虽然仅为350MPa，但比S-135钻杆相比总体性能下降仅为19%。表1不同材质高强度钻杆的主要性能比S-135性能与S-135钻杆材质类型级别屈服强度管外经管内径管断面积2cm提高率/%价格比/MPa/cm/cm钛合金Ti6al-4Ⅴ827.414.92313.08940.351371.5-2.5钢UD-1651137.614.92313.08940.35122不详铝合金Al-Zn-MgⅡ480.014.92312.10154.695127-10钢V-1501096.314.92313.08940.35111不详钢Z-140965.314.92313.08940.3514不详钢S-135930.814.92313.08940.3510相同铝合金Al-Zn-MgⅣ350.014.92312.10154.695-191.5-2.5铝合金Al-Cu-Mg-Si-FeⅢ340.014.92312.10154.695-211.5-2.5铝合金Al-Zn-MgⅠ325.014.92312.10154.695-241.5-2.5（来源：WorldOil，2006年）-33-