鋁合金鉆探管的特點及其應(yīng)用與發(fā)展

劉靜安

(西南鋁業(yè)(集團)有限責任公司， 重慶401326)

資源、能源、安全、環(huán)保與人類生存和發(fā)展息息相關(guān)，特別是資源和能源大多數(shù)是不可以再生的，用一點就少一點，人類正面臨資源枯竭、能源短缺的危險局面。世界歷史上曾出現(xiàn)過幾次石油危機，目前的石油價格也節(jié)節(jié)攀升，影響全球的經(jīng)濟發(fā)展。鐵、鋁、銅等金屬礦產(chǎn)也發(fā)出了“緊缺”的信號。為了緩解這種被動的局面，人類正在另辟蹊徑。除了研發(fā)新型的能源外，發(fā)出了向向海底、向地殼深層進軍索取資源和能源的口號，這大大刺激了地質(zhì)勘探業(yè)的發(fā)展。

1 油、氣工業(yè)和地質(zhì)鉆探業(yè)高速發(fā)展對鉆桿提出了新的要求

隨著石油和天然氣工業(yè)及地質(zhì)勘探業(yè)的急劇發(fā)展，對鉆井和開采業(yè)提出了越來越高的技術(shù)要求。不僅是鉆探數(shù)量的增加，而且由于地殼淺表面資源和能源的“枯竭”，而使普查和鉆探的深度成倍增加。這樣使鉆探條件日趨復雜和惡劣，還必須全面強化鉆井的建設(shè)規(guī)模和過程，并日益增多在邊遠地區(qū)和海底的鉆探量。

隨著鉆井深度的增加，在一個鉆探周期中直接加深井底所用的時間比率在減少，而用于更換被破碎巖石磨損工具的升降作業(yè)時間比率大大增加。同時，排除鉆井故障和發(fā)生事故時進行處理的難度也在增加。在鉆深井時，鉆探的工藝難題更加復雜化。

為了勘探和開采位于海洋大陸架區(qū)的油田和氣田，布井時會產(chǎn)生一系列有待解決的重要問題。當鉆探點距岸邊不太遠時(2-3公里)采用從岸上斜向鉆井的方法更為有效，而建造和使用漂浮鉆探設(shè)備成本高，技術(shù)很復雜。斜向鉆井的方法廣泛用于開采老油氣區(qū)埋藏很深的礦層。在大陸架區(qū)開展鉆探工作，提出了制作能適應(yīng)漂浮平臺海洋鉆探工作的鉆探管的課題。

在工作面溫度高和在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下鉆井也會帶來一些麻煩。在寒冷地區(qū)建設(shè)礦井，在深的工作面處溫度較高，大氣的溫度較低甚至還有多年凍結(jié)的巖石。

為了解決上述課題，不僅要全面改進鉆探設(shè)備和破巖石的工具，而且要提高鉆桿(把地面的荷載傳遞到工作面的工具)的工作性能。

大量的研究和試驗表明，普通結(jié)構(gòu)和強度級別的鋼鉆探管不能解決新遇到的難題，必須采取新的技術(shù)措施和選用新型的材料。

2 鋁合金鉆探管的特點及其經(jīng)濟社會效益評估

前蘇聯(lián)油、氣工業(yè)及地質(zhì)鉆探企業(yè)廣泛采用鋁合金鉆探管始于1962年，到1978年采用鋁合金鉆探管的鉆探總量已達40萬米，占全國總掘進數(shù)的25%。迄今，鋁合金鉆探管在各種地質(zhì)-技術(shù)條件下，用作鉆井導管已超過100多個鉆探區(qū)，幾乎遍及所有的油、天然氣工業(yè)部門及其他有關(guān)部門。經(jīng)過多年的生產(chǎn)和應(yīng)用獲得了巨大的經(jīng)濟社會效益，同時對鋁合金鉆探管的使用進行了綜合的技術(shù)-經(jīng)濟分析與評估。

對鋁合金鉆探管進行技術(shù)-經(jīng)濟分析的目的在于：確定最佳領(lǐng)域和采用先進工藝方法，評價各種地質(zhì)-技術(shù)條件下采用鋁合金鉆探管的總的經(jīng)濟效益，根據(jù)用戶分布確定項目的生產(chǎn)量。

盡管分析經(jīng)濟效益的鉆探條件和研究方法有差異，但工作基本上得出了以下結(jié)論：

① 采用鋁合金鉆探管能獲得相當高的技術(shù)-經(jīng)濟效益，盡管其回收期比較長，但在一定的地質(zhì)-技術(shù)條件下鉆探，仍比鋼鉆探管有競爭力；

②采用鋁合金鉆探管時可以縮短鉆井時間，能減少對鉆機的要求，利用一些廠家的生產(chǎn)能力生產(chǎn)一些新技術(shù)產(chǎn)品，不需要增加資金；

③ 鋁合金鉆探管主要用來鉆探深度大于2000米的井，當折舊的管材(材料)增加時，可由升降操作節(jié)約的時間來補償，同時其機械鉆探的指數(shù)增加，液壓阻力減少，節(jié)約了電能和滑車繩等；

④鋁合金鉆探管工作時可以完全不用笨重的設(shè)備，鉆探同樣深度的井可采用更輕的裝置。因此可大大節(jié)約材料和運輸費用，減少了鉆塔的維修和生產(chǎn)成本折舊；

⑤ 鋁合金鉆探管造價的降低，結(jié)構(gòu)和操作工序的規(guī)范化，大大增加了鉆探管的使用期，提高了經(jīng)濟效益。

鋁合金鉆探管還廣泛應(yīng)用在國民經(jīng)濟的其它部門，如用來尋找固體物中有用的礦石等。石油、天然氣工業(yè)及地質(zhì)部門采用鋁合金鉆探管的項目按年計劃所達到的經(jīng)濟效益是十分可觀的。

同時，多年來的鉆探實踐表明，采用鋁合金鉆探管解決了一些鋼鉆探管無法解決的問題。如果在設(shè)備選擇、礦井布線的設(shè)計上充分發(fā)揮鋁合金鉆探管的物理-機械特性和結(jié)構(gòu)能力所具有的技術(shù)-工藝性，那么鉆探部門采用鋁合金鉆探管所得的技術(shù)-經(jīng)濟效益或許會更好一些。

采用鋁合金鉆探管經(jīng)濟效益的計算方法還不完善，只計算鉆探指數(shù)直接反映的經(jīng)濟效益顯然是不夠的，還應(yīng)考慮到一些無法計算的，但也是非常重要的因素——改善組織管理、工作制度、工藝技術(shù)隊伍建設(shè)等對效益的增加還有很大的潛力可挖。

3 世界各國鋁合金鉆探管的生產(chǎn)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

幾十年來，世界各國特別是美國、俄羅斯、日本、法國等工業(yè)發(fā)達國家，組織了大專院校、研究院所和大型企業(yè)，由政府出面，動員了大批人力、物力和財力，對生產(chǎn)和應(yīng)用鋁合金鉆探管進行了大量的科學研究和開發(fā)工作，獲得了非常重要的發(fā)展，取得了很多成果并推廣應(yīng)用。在俄羅斯采用鋁合金鉆探管的項目逐年增加，目前已達到總掘進數(shù)的50%以上，在美國更達到了60%以上。在各種地質(zhì)技術(shù)條件下，在渦輪法和轉(zhuǎn)子法中采用鋁合金鉆探管鉆探，鉆井的技術(shù)-經(jīng)濟指標是相當可觀的。

石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展使難鉆區(qū)、海洋暗礁區(qū)增加了很多鉆探項目。目前，勘探和鉆探的平均深度和絕對深度都在增加，為研究地殼織構(gòu)而鉆超深井的數(shù)量也在增加。

因此，進一步完善工藝、設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)，增加產(chǎn)品品種和規(guī)格，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本，增加效益，將是鋁合金鉆探管的發(fā)展方向。

要鉆探從岸邊到海底的井，以及在漂浮介質(zhì)和復雜環(huán)境中鉆井，采用鋁合金鉆探管是很有前途的。這是由于：首先鋁合金彈性模量小，能夠大大降低鉆桿彎管處的應(yīng)力以及鉆探船上垂直和橫向位移吊鉤處的應(yīng)力。其次，鋁合金鉆探管很輕，很大程度上降低了船舶設(shè)備的荷載，增強了可動鉆探裝置航海的續(xù)航力。日本出現(xiàn)了在大陸架暗礁上采用鋁合金鉆探管鉆探的工程。

隨著北極地區(qū)鉆探工作的增加，對鉆探管也提出了新的要求。因為管子需要在低溫條件下保持自己的工作能力，而鋁合金鉆探管在低溫下能夠完全保持其全部操作特征。在開發(fā)這些地區(qū)時，要保證鉆探工作順利進行，運輸就成了突出問題。而采用鋁合金鉆探管能夠大大減小開發(fā)難鉆區(qū)所必需的鉆探裝置的載重量，而且能夠增大運輸能力和安裝能力，能大大降低鉆探管運輸?shù)臅r間和材料耗費。

這些理由強化了在西伯利亞、北極地區(qū)以及沼澤地、淺海大陸架等地區(qū)中石油、天然氣工程采用鋁合金鉆探管的觀點。當沿傾斜方向鉆井，套筒垂直落下，復合鉆探以及沿礦層橫向鉆探時，廣泛采用了鋁合金鉆探管，目前，這種鉆井方法分布很廣，充分發(fā)揮了鋁合金鉆探管潛在的物理-機械特性，也獲得了相當好的技術(shù)-經(jīng)濟效益。在各種類型鉆探管材料中，應(yīng)用鋁合金管材是非常有前途的，值得加大研究開發(fā)，使之成為這方面材料的主力。

鋁合金鉆探管在超深井鉆井時起著特殊作用，據(jù)預測鋁合金鉆探管可鉆10000米以上的深井。采用鋁合金鉆探管鉆超深井不僅能改善操作工藝，而且能改善鉆井指數(shù)，具有經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。采用鋁合金鉆探管最需要解決的問題是進一步完善鉆探管的結(jié)構(gòu)和改善其操作特性，也希望擴大解決與該問題有關(guān)的科研課題。

4 我國鋁合金鉆探的發(fā)展前景及建議

與鋼鉆探管相比，鋁合金鉆探管具有重量輕、抗疲勞、柔性大、耐蝕、耐寒、臨界速度高等優(yōu)點。目前已有20多個國家開始了鋁合金鉆探管的開發(fā)和應(yīng)用。我國是海洋石油資源豐富的國家，近年來海上石油鉆探發(fā)展迅速，因此，在國內(nèi)開發(fā)鋁合金鉆探管是很有前途的。特別是我國東海、黃海、南海等廣大海域的深海和大陸架的油氣十分豐富，采用鋁合金鉆探管很有必要。

(1)國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀及應(yīng)用發(fā)展

隨著鋁加工技術(shù)，特別是擠壓技術(shù)的發(fā)展，鋁合金變斷面管材的生產(chǎn)工藝于1960年開始研制，但真正大規(guī)模用于鉆探工業(yè)，還是70年代的事。1958年前蘇聯(lián)冶金機械科學研究所開始對B95、д16鋁合金鉆探管進行試驗，1963年研制出首批用于石油鉆探的鋁合金變斷面管材，并于1970年在莫斯科全蘇輕金屬研究院古比雪夫冶金工廠和卡明斯克冶金工廠分別建成了幾條專門生產(chǎn)鋁合金鉆探管的生產(chǎn)線，年產(chǎn)量達10萬噸以上，僅卡明斯克冶金工廠就安裝了6臺60MN擠壓機，年產(chǎn)鋁合金鉆探管30000噸。與此同時，美國雷諾公司、法國彼西涅公司以及德國和日本等國也開發(fā)了不同規(guī)格和用途的鋁合金鉆探管。目前世界上的鋁探管生產(chǎn)工藝成熟、設(shè)備先進、技術(shù)水平相當高，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益都很好，但由于技術(shù)復雜并需要大型擠壓機，所以僅分布在俄、美、法、德、日等少數(shù)幾個國家。

我國的石油工業(yè)和地質(zhì)事業(yè)都是建國以后才開始發(fā)展起來的，歷史不長，雖然開發(fā)了幾個大油田，地質(zhì)勘探事業(yè)也有了長足的進步，但鉆探所用的鉆桿幾乎全部采用鋼質(zhì)鉆桿，而且大部分是進口日本、德國等國的，鋁合金鉆桿目前仍是一片空白。為了填補這片空白，趕上世界先進水平，促使石油工業(yè)和地質(zhì)事業(yè)上一個新臺階，石油部門和有色金屬部門已組織一定的人力、物力和財力對鋁鉆桿開展研究和開發(fā)，可能在不久的將來能建成幾條鋁合金鉆桿生產(chǎn)線，滿足國內(nèi)外的需要。

(2)國內(nèi)外市場分析

目前，世界鋁鉆探管年生產(chǎn)量約為30萬噸，供需基本平衡，但隨著深井鉆探、沙漠油田鉆探、海底油田的開發(fā)和地質(zhì)礦床的深層鉆探以及發(fā)展中國家鉆具以鋁代鋼的發(fā)展，鋁鉆探桿需求日趨增多。預計到2015年，世界鋁鉆桿的需求可達50萬噸以上，市場較為廣闊。

我國目前需要鋼鉆探桿10萬噸左右， 且大部分從日本、德國和美國進口，上海寶鋼已開始研制，但尚未完全過關(guān)，數(shù)量也很少，石化和地質(zhì)部門多次強調(diào)要國產(chǎn)化，并主張以鋁代鋼。據(jù)初步估算，如果實現(xiàn)全鋁化，全國共需鋁鉆桿5萬噸左右。此外，我國今后一段相當長的期間要大力發(fā)展石化天燃氣工業(yè)、深層和海底地質(zhì)勘查與鉆探工作，如克拉瑪依、柴達木盆地 、吐魯番、大慶油田以及渤海、東海、黃海、南海等海底油田的勘探與開發(fā)等，這些新開發(fā)項目，由于深度大、地質(zhì)與地理條件復雜、技術(shù)難度大，都需要使用新型的鋁合金桿鉆具，這就為鋁鉆探管的發(fā)展鋪平了道路。據(jù)初步統(tǒng)計，我國的石油天然氣工業(yè)和地質(zhì)勘探業(yè)等共需鋼質(zhì)鉆探管10萬噸左右，鋁質(zhì)鉆探管10000噸左右，隨著鉆機的更新?lián)Q代和鋁擠壓技術(shù)的發(fā)展，鋁質(zhì)鉆探管的比例會不斷上升，所以鋁質(zhì)鉆探管在國內(nèi)的市場寬廣，推廣應(yīng)用的前景很大。

(3)建設(shè)我國的鋁合金鉆探管生產(chǎn)基地促進能源與礦業(yè)的發(fā)展

近年來，我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展對能源和資源的需求量日益擴大，大大刺激了石油天然氣等能源工業(yè)和地質(zhì)勘探與采礦業(yè)的發(fā)展，對鉆桿的數(shù)量與材質(zhì)提出了新的要求。然而遺憾的是，在鋁合金生產(chǎn)工藝日趨成熟，世界各工業(yè)發(fā)達國家大量使用鋁合金鉆桿的今天，我國的鋁合金鉆探管生產(chǎn)與應(yīng)用卻是一片空白。這不僅制約了我國國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，而且也削弱了我國到近海、遠海、公海以及到海外勘探和開采石油天然氣和礦產(chǎn)資源的機會。

我國是一個鋁業(yè)大國，又是一個鋁擠壓大國，2010年電解鋁產(chǎn)量達1800萬噸/a以上，連續(xù)9年居世界第一；鋁擠壓材產(chǎn)量達900萬噸/t，共有4000多臺擠壓機，其中40MN以上的超過50臺。加之近年來，鋁擠壓生產(chǎn)技術(shù)獲得了迅速發(fā)展，鋁合金管材和變斷面管材的生產(chǎn)技術(shù)有了新的提高，這些都為我國發(fā)展鋁合金鉆探管提供了有利的條件。為了加速我國石化、天然氣等能源工業(yè)和地質(zhì)勘探、采礦業(yè)的發(fā)展，趕上世界先進水平，滿足市場需要，我國應(yīng)組織人力、物力和財力，抓緊建設(shè)幾條現(xiàn)代化的鋁合金鉆探管生產(chǎn)線，并組織在石化、天然氣和地質(zhì)勘探采礦部門應(yīng)用。

5 小結(jié)

鋁合金鉆探管具有許多重要特點，能滿足油、氣工業(yè)及地質(zhì)鉆探業(yè)高速發(fā)展的要求，具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益，在世界各國獲得了廣泛的推廣和應(yīng)用。我國目前鋁合金鉆探管的生產(chǎn)和應(yīng)用尚屬空白，應(yīng)抓緊建成幾條現(xiàn)代化鋁合金鉆探管生產(chǎn)線，迎頭趕上世界先進水平。

(1) 劉靜安，楊文敏，赴俄扁擠壓和筒鋁合金鉆探管技術(shù)考察報告，西南鋁信息，1993..

(2) в.ф.штамбургэ，Г.М.файн，СМданелянц,А.А.шена,Бурильные Трубы из алюмйниевых сплавов，М：Нёдра，1980.

(3)MCGhee Ed .what you should know about aluminium drill pipe-oil and Gas,1963.vol.61.No11.

(4)New system check aluminium drill.pipe-petrolem,1963.vol.36,No13.

(5)Regnolds aluminum drill.pipe-Engineering data,Richmonal,vivginia,1975,No5.

(6)Wang L.F.An analysis of aluminium drill.pipe stresses-paper of American society Mechanical Engineering,1965,Nopet-19.

(7)李建相、劉靜安，楊志兵編著，鋁合金特種管、型材生產(chǎn)技術(shù)，北京：冶金工業(yè)出版社，2008