深井钻井新型高强度钻杆材料.pdf

w w w .b z f x w .c o m 能源科学进展 2008,Vol.4, No.1 能源科学进展 2008,Vol.4, No.1 深井钻井新型高强度钻杆材料 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 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。 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。 关键词关键词复合材料； 钛合金； 铝合金； 超高强度钢复合材料； 钛合金； 铝合金； 超高强度钢 1 碳纤维复合材料 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， 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， 8 7 5 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。 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 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（ 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（ 2 1 2 英寸和英寸和 8 7 2 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 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 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 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 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（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。 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 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 最小屈服强度级，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。 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 最小屈服强度级，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。 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 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。 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 表 1 不同材质高强度钻杆的主要性能 比 S-135 性能 比 S-135 性能 与 S-135 与 S-135 钻杆材 质类型 钻杆材 质类型 级别 级别 屈服强度屈服强度管外经 管外经 管内径管内径管断面积管断面积 2 cm 提高率/ 提高率/ 价格比 价格比 /MPa /MPa /cm /cm /cm /cm 钛合金 钛合金 Ti6al-4Ⅴ Ti6al-4Ⅴ 827.4 827.4 14.923 14.923 13.08913.08940.351 40.351 37 37 1.5-2.5 1.5-2.5 钢 钢 UD-165 UD-165 1137.6 1137.6 14.923 14.923 13.08913.08940.351 40.351 22 22 不详 不详 铝合金 铝合金 Al-Zn-MgⅡ Al-Zn-MgⅡ 480.0 480.0 14.923 14.923 12.10112.10154.695 54.695 12 12 7-10 7-10 钢 钢 V-150 V-150 1096.3 1096.3 14.923 14.923 13.08913.08940.351 40.351 11 11 不详 不详 钢 钢 Z-140 Z-140 965.3 965.3 14.923 14.923 13.08913.08940.351 40.351 4 4 不详 不详 钢 钢 S-135 S-135 930.8 930.8 14.923 14.923 13.08913.08940.351 40.351 0 0 相同 相同 铝合金 铝合金 Al-Zn-MgⅣ Al-Zn-MgⅣ 350.0 350.0 14.923 14.923 12.10112.10154.695 54.695 -19 -19 1.5-2.5 1.5-2.5 铝合金 铝合金 Al-Cu-Mg-Si-FeⅢ Al-Cu-Mg-Si-FeⅢ 340.0 340.0 14.923 14.923 12.10112.10154.695 54.695 -21 -21 1.5-2.5 1.5-2.5 铝合金 铝合金 Al-Zn-MgⅠ Al-Zn-MgⅠ 325.0 325.0 14.923 14.923 12.10112.10154.695 54.695 -24 -24 1.5-2.5 1.5-2.5 （来源World Oil，2006 年） （来源World Oil，2006 年） - 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