论文导读：铝合金钻杆质量轻,在钻机能力一定的条件下,用铝钻杆能钻达钢钻杆无法达到的深度。铝合金钻杆的钢接头可按API标准加工丝扣,正常条件下,一般不会因丝扣磨损而更换钻杆。目前世界上已有的钢钻杆、铝合金钻杆和钛合金钻杆基本参数对比,其中钢钻杆的密度、弹性模量最高,但自重过大对深孔钻机的提升能力要求高;铝合金钻杆的密度、弹性模量最低,线膨胀系数最高,可适用于陆地深孔钻进和海底钻进;钛合金钻杆的密度、弹性模量和线膨胀系数都居中,应该是理想的深孔钻探用管材,但其接近天文数字的价格使用户无法承受。
关键词：铝合金钻杆，钢接头，地质勘探，深孔钻探
1.铝合金钻杆的特点
(1)与传统钻杆材料钢相比,铝合金具有宝贵的物理力学性能。铝合金的密度和弹性模量几乎是钢的1/3,而比强度(断裂强度极限与密度之比)却是钢的1.5～2倍。
(2)铝合金钻杆质量轻,在钻机能力一定的条件下,用铝钻杆能钻达钢钻杆无法达到的深度。俄罗斯曾用400t能力的钻机钻成世界最深的СГ- 3井（12262m) ,用300t钻机钻成7000m深井。
(3)铝合金在腐蚀环境中的稳定性非常好。它表面覆盖一层稳定的氧化膜阻止与环境的进一步反应,可用于任何浓度的硫化氢和二氧化碳环境,而且其抗腐蚀能力与温度无关。
(4)铝合金钻杆与井壁的磨阻小,可减轻起下钻的阻卡。铝钻杆的浮力系数比钢小得多,可节省20%～25%的起下钻时间,并节省燃料。所以,铝合金钻杆用于3000m以深的钻井最有效。
(5)在相同井眼曲率下,铝合金钻杆的弯曲应力远小于钢钻杆,从而适用于钻斜井、曲率半径小的定向井和水平段长的水平井。
(6)铝合金钻杆具有和镍钴合金相似的无磁特性,方便随钻测量仪器的使用。
(7)铝合金钻柱对裸眼和套管的作用力减小,能有效地保护套管,适应裸眼段更长的井。铝合金钻杆内泥浆的流动阻力小,可提高钻头的水功率。论文参考。
(8)铝合金钻杆的钢接头可按API标准加工丝扣,正常条件下,一般不会因丝扣磨损而更换钻杆。论文参考。
(9)钻探(井)属于高风险性行业,孔内事故在所难免,尤其是卡钻或钻杆折断事故时有发生。使用钢钻杆时处理孔内钻杆事故常需要漫长的时间,甚至造成钻孔报废。而处理铝合金钻杆事故时,用一般牙轮钻头就可把井下铝合金钻具“消灭掉”,钻速可达30m/h左右。
2.钻杆材料分析
目前世界上已有的钢钻杆、铝合金钻杆和钛合金钻杆基本参数对比,其中钢钻杆的密度、弹性模量最高,但自重过大对深孔钻机的提升能力要求高;铝合金钻杆的密度、弹性模量最低,线膨胀系数最高,可适用于陆地深孔钻进和海底钻进;钛合金钻杆的密度、弹性模量和线膨胀系数都居中,应该是理想的深孔钻探用管材,但其接近天文数字的价格使用户无法承受。
GB/T 20659 - 2006/ISO 15546: 2002中列举了4组铝合金钻杆。其中第二组钻杆最常用,价格也最低,其主要成分为Al-Zn-Mg,最小屈服强度480MPa,最小抗拉强度530MPa (20℃时) ,最小伸长率7%。虽然最高使用温度仅120℃,但对于地质勘探深孔作业而言足够了。高可靠性铝钻杆的抗腐蚀性其腐蚀速度表示每平方米表面积的铝钻杆在不同介质中每小时因腐蚀造成的失重(g)。可见,铝钻杆在碱环境、酸环境下很少腐蚀,而在全饱和的H2S环境下完全不腐蚀。这对于复杂地质条件下使用泥浆化学处理剂和钻进具有腐蚀性的矿产或地下水非常有利。
3.钻杆工艺分析
铝合金钻杆柱的关键结构要素是铝钻杆与钢接头的连接问题。俄罗斯传统铝钻杆采用无止推面的三角形丝扣连接,而高可靠性铝钻杆的连接方式有3个特点: (1)采用梯形丝扣与接头连接;(2)铝钻杆设置了内支撑端面和锥形配合面;(3)通过高温装配工艺实现丝扣、配合面及支撑端面的过盈配合。
在深井(尤其是斜井和水平井)钻进条件下,钻杆柱最容易发生疲劳破坏。而新型铝钻杆的锥形配合面及支撑端面可减轻丝扣的负担,明显提高接头的抗疲劳指标, 比普通三角形螺纹提高抗疲劳强度60%-80%。这类铝钻杆自1993年起已成功用于海洋深水钻井作业。
4.钻杆在深孔中的应用
铝合金钻杆已经在国内外的科学钻探和石油钻井(包括斜井和水平井)中应用,展现了用小吨位钻机钻进深孔的良好前景。(1)铝合金钻杆在俄罗斯СГ-3 超深井的应用。采用高可靠性铝合金钻杆是俄罗斯СГ-3井创造世界超深井纪录的关键技术之一。现场400t能力的钻机额定最大井深为8000m,但用铝合金钻杆取代钢钻杆后钻成了世界最深的井( 12262m) 。统计该井195个回次中￠147mmX11mm规格的铝合金钻杆磨损情况表明,最大磨损量发生在7000～8000m井段,其中钢接头最大磨损618mm,由于钢接头的保护铝合金钻杆本体的最大磨损量仅为0.92mm。(2)铝合金钻杆在塔里木某勘探井的应用。该井井深7600 m,水平位移达1000 m,基本钻进参数:钻压200 kN,转速65 r/min,泵量21 L / s,钻井液密度210 g/ cm3 ,钻速118 m /h。钻进与提升时使用不同钻杆的效果,是使用铝钻杆+钢钻杆除了钻杆伸长量有所增加外,整个钻杆柱的重量、大钩载荷、总阻力、扭矩、水力损失等参数都明显下降。论文参考。
5.结论
深部钻探不能仅着眼于大型深孔设备,还可以在钻杆柱的材质上想办法,在不更换大吨位钻机的前提下使钻孔钻得更深。因此,近年来轻质铝合金钻杆成了国内外同行关注的热点。20世纪60年代初,苏联开始在钻井中使用铝合金钻杆,经过不断改进,目前俄罗斯已批量生产达世界领先水平的高可靠性铝合金钻杆并大量出口。欧盟在俄罗斯铝合金钻杆标准的基础上,于2002年制定了石油天然气工业用铝合金钻杆的国际标准,其地位与美国制定的钢钻杆API国际标准等同。由我国中石油管材所提出,高蓉等人承担制定的等同标准于2006年12月15日作为中华人民共和国国家标准《石油天然气工业铝合金钻杆》正式发布,自2007年5月1日起实施。因此,让国内钻探技术人员全面了解铝合金钻杆的特点及其在深孔中的应用前景是十分必要的。随着地质工作向深部发展,随着我国自2007年5月1日起正式实施铝合金钻杆国家标准,铝合金钻杆成了国内同行关注的热点。与传统钢钻杆相比,铝合金钻杆在自重、比强度、弹性和耐腐蚀性等方面具有突出的优点。在钻机能力一定的条件下,用铝合金钻杆能钻达钢钻杆无法达到的深度。高可靠性铝合金钻杆采用与钢接头连接的新方法和高温装配工艺,使其在深井、斜井和大位移水平井钻进中可明显提高抗疲劳强度,在深孔、斜孔和水平孔中具有良好的应用前景。铝合金钻杆耐腐蚀,对天然气和煤层气开发(尤其在钢钻杆易发生“氢脆”的井区)具有重要的意义。
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