高性能鉆桿研究進(jìn)展

趙 金,陳紹安,劉永剛,李廣山

(1.中國(guó)石化西南油氣分公司管具中心,四川德陽618000;2.川慶鉆探川東鉆具井控公司,重慶401124; 3.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,西安710065) *

高性能鉆桿研究進(jìn)展

趙 金1,陳紹安2,劉永剛3,李廣山3

(1.中國(guó)石化西南油氣分公司管具中心,四川德陽618000;2.川慶鉆探川東鉆具井控公司,重慶401124; 3.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,西安710065)*

近年來,隨著酸性氣田的勘探開發(fā)及特殊鉆井工藝的應(yīng)用,鉆具失效事故時(shí)有發(fā)生,對(duì)鉆具的安全性能提出了新要求。對(duì)國(guó)內(nèi)外的抗硫鉆桿、鋁合金鉆桿、鈦合金鉆桿等高性能鉆桿的性能和特點(diǎn)進(jìn)行了綜合分析和評(píng)價(jià),為復(fù)雜環(huán)境和服役工況下的鉆具選用提供參考。針對(duì)這些高性能鉆桿的性價(jià)比,提出了我國(guó)自主研發(fā)高性能鉆桿的建議。

鉆桿;性能;鋁合金;鈦合金

隨著鉆機(jī)性能的不斷提升和發(fā)展,以及新鉆井技術(shù)和鉆井工藝的不斷提高和應(yīng)用,一些高含CO2和H2S的酸性氣田以及超深油氣藏資源正在被不斷地發(fā)現(xiàn)和開發(fā),超深井、超短水平定向井、大位移井的數(shù)量也在不斷增加,對(duì)鉆具安全提出了新的考驗(yàn)。例如,川渝氣田羅家2井[1]的H2S含量高達(dá)125.53 g/m3,CO2含量106.88 g/m3;塔里木的大北氣田平均井深在6 000 m以上,并含有一定量的腐蝕性介質(zhì)。常規(guī)的 G105鋼級(jí)、S135鋼級(jí)鉆桿已不能很好地滿足和適應(yīng)這些氣田安全、高效的鉆井需要,鉆具失效事故時(shí)有發(fā)生[2-4]。事實(shí)表明:酸性氣田開發(fā)中的腐蝕介質(zhì)對(duì)鉆具的威脅會(huì)給井隊(duì)安全生產(chǎn)和人身健康帶來巨大的危險(xiǎn)和安全隱患,而超深井鉆探過程中的鉆具失效也會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如,川渝氣田羅家2井發(fā)生的鉆具硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂失效和克深1井發(fā)生的鉆具斷裂失效事故。常規(guī)的S135鉆桿已不能滿足超深井和高酸性氣田對(duì)鉆具的高強(qiáng)度、高韌性和抗腐蝕服役工況和服役環(huán)境的要求,發(fā)生失效的風(fēng)險(xiǎn)性增強(qiáng)。針對(duì)這些復(fù)雜的鉆井服役工況和服役環(huán)境以及新鉆井技術(shù)和工藝,鉆具產(chǎn)品也在不斷發(fā)展,研制出了一批高性能鉆桿產(chǎn)品[5]。

1 抗硫鉆桿

抗硫鉆桿是國(guó)內(nèi)目前接觸最多、應(yīng)用最廣的一種高性能鉆具,主要用于酸性氣田。在一些高含H2S的油氣田,由于 H2S對(duì)鉆桿具有很強(qiáng)的腐蝕性,尤其是對(duì)高強(qiáng)度的鉆桿。因此,抗硫鉆桿在國(guó)內(nèi)得到了大量的應(yīng)用,從95SS鋼級(jí)的鉆桿直到105SS鋼級(jí)的鉆桿。由于材料強(qiáng)度的提高,必然會(huì)導(dǎo)致材料硬度的提高,而材料硬度的提高,對(duì)腐蝕環(huán)境的敏感性增強(qiáng),發(fā)生腐蝕和應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)性越高。因此,抗硫鉆桿材料的強(qiáng)度受到了很大的限制。目前,美國(guó)格蘭特鉆桿有限公司研發(fā)成功了120SS鋼級(jí)的抗硫鉆桿,并在油田得到應(yīng)用。隨著我國(guó)市場(chǎng)對(duì)抗硫鉆桿需求的增加,尤其是近幾年高酸性氣田的開發(fā),例如四川的普光氣田、羅家寨氣田,塔里木塔中氣田等區(qū)塊,抗硫鉆桿的需求劇增,促進(jìn)了我國(guó)抗硫鉆桿的研究和開發(fā)。目前,我國(guó)的抗硫鉆桿技術(shù)研究已取得階段成果,包括寶鋼、渤海能克在內(nèi)的多家國(guó)內(nèi)鉆桿生產(chǎn)廠家研發(fā)出95SS和105SS鋼級(jí)的抗硫鉆桿,并在油田得到應(yīng)用。120SS鋼級(jí)抗硫鉆桿已在研發(fā)當(dāng)中。表1為國(guó)內(nèi)某鉆桿生產(chǎn)廠家的抗硫鉆桿性能。

表1 國(guó)內(nèi)某鉆桿廠家研發(fā)的抗硫鉆桿管體性能指標(biāo)

2 鋁合金鉆桿

從20世紀(jì)50年代起,俄羅斯開始從事鋁合金鉆桿的研制和推廣應(yīng)用,做了大量研究工作,取得了豐碩的研究成果,Samara金屬冶煉廠和 Kamensk-Uralsky金屬冶煉廠在當(dāng)時(shí)設(shè)立研發(fā)小組,開始從事鋁合金鉆桿的研發(fā)工作,配備了專門用于制造不同橫截面鉆桿的設(shè)備,建造了用于全尺寸鋁合金鉆桿生產(chǎn)的廠房。這些研究和設(shè)計(jì)考慮了鋁合金鉆桿生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)備,利用了鋁合金鉆桿的所有優(yōu)點(diǎn),與常規(guī)鋼性鉆桿,具有7個(gè)特點(diǎn)。

1) 降低對(duì)鉆機(jī)載荷的要求,比鋼性鉆柱有更大的鉆深能力。鋁合金的密度為2.8 t/m3,鋼的密度為7.8 t/m3。因此,單位長(zhǎng)度的鋁合金鉆桿質(zhì)量遠(yuǎn)低于常規(guī)的鋼性鉆桿,約為鋼性鉆桿的1/3,對(duì)8 000 m以上的深井,外徑139 mm,壁厚10.54 mm的常規(guī)鋼鉆桿的質(zhì)量約為300 t,而使用鋁合金鉆桿,鉆柱質(zhì)量約為100 t,因此,鋁合金鉆柱比鋼鉆柱顯示出更強(qiáng)的鉆深能力。

2) 減少起下鉆過程的能耗,加快進(jìn)度。一項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明:在起下鉆中,用鋁合金鉆桿比鋼鉆桿節(jié)省起鉆時(shí)間35%、下鉆時(shí)間17%。

3) 鋁合金鉆柱對(duì)套管的磨損比鋼鉆柱輕。通常,鋁合金鉆柱的磨損較鋼鉆柱容易。但是,由于鉆桿壓力產(chǎn)生的法向壓力明顯比鋼鉆柱低,在所有其他條件都相同的情況下,鋁合金鉆桿的磨損比鋼鉆桿要低。同時(shí),由于鋁合金鉆桿硬度低,耐沖蝕磨損能力差,鉆井液中的研磨顆粒在鉆桿內(nèi)高速的循環(huán)會(huì)導(dǎo)致鉆桿內(nèi)、外壁的磨損。這種磨損在鉆桿接頭至鉆桿的過渡區(qū)域尤其嚴(yán)重,而在鋼鉆桿中較少。

4) 鋁合金鉆桿由于硬度低,僅在 HB130左右,對(duì)H2S腐蝕介質(zhì)不敏感,而常規(guī)的鋼鉆桿,例如S135鋼級(jí)鉆桿,其硬度在 HRC35左右,在含 H2S的介質(zhì)中極易受腐蝕損壞。因此,相對(duì)于鋼性鉆桿,鋁合金鉆桿對(duì)H2S腐蝕介質(zhì)的抵抗力更高。

5) 振動(dòng)衰減。相對(duì)于鋼,鋁合金具有一個(gè)高的吸收和分散彈性振動(dòng)能量的能力。俄羅斯完成的研究結(jié)果顯示,鋁合金鉆桿具有很強(qiáng)的吸收彈性振動(dòng)能量的能力,厚壁鋁合金鉆桿較鋼鉆桿的減震能力大約要高50%。

6) 對(duì)于交變彎曲和動(dòng)應(yīng)力的抵抗力,鉆桿中的交變彎曲應(yīng)力與材料的彈性模量成比例,在所有的其他因素都相等的條件下,鋁合金鉆桿和鋼對(duì)應(yīng)的比例為1∶2.96。

7) 鋁合金鉆桿材料強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低。當(dāng)溫度達(dá)到氏200℃時(shí),材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與室溫相比,有明顯的下降,甚至高達(dá)40%以上。

鋁合金鉆桿有鋼制接頭鋁合金鉆桿和全鋁合金鉆桿2種,如圖1所示。鋼接頭鋁合金鉆桿的接頭用鋼材制造,桿體與接頭采用快速熱配裝方法實(shí)施螺紋連接。目前,鋁合金鉆桿已列入 2009年版ISO13085國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),塔里木油田在國(guó)內(nèi)率先引進(jìn)了第1批鋁合金鉆桿,并進(jìn)行了幾口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn),取得了很好的效果,其他油田用戶也在開始引進(jìn)鋁合金鉆桿。

圖1 鋁合金鉆桿的2種結(jié)構(gòu)

3 超高強(qiáng)度鉆桿

超高強(qiáng)度鋼鉆桿是為實(shí)現(xiàn)超深井鉆井而研制的。目前,市場(chǎng)上可提供的高強(qiáng)度鋼鉆桿的最小屈服強(qiáng)度為965 MPa(140 kpsi)和1 034 MPa(150 kpsi)。140鋼級(jí)鉆桿使用量大約是16.8×104m,150鋼級(jí)為6.1×104m。165級(jí)鋼的開發(fā)使得其產(chǎn)品的強(qiáng)度質(zhì)量比相比S135鉆桿提高22%,僅比鈦合金鉆桿低15%,位于第2位,但其成本卻遠(yuǎn)低于鈦合金鉆桿。國(guó)外某鉆桿生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的Z-140型高強(qiáng)度鉆桿的強(qiáng)度質(zhì)量比率為 123.3 kPa/kg/m3,比S135鉆桿高出11%。

鋼的延展性和剛性之比降低已成為阻礙高強(qiáng)度鋼鉆桿應(yīng)用的一個(gè)重要難題。制造商已經(jīng)進(jìn)行了明顯的改進(jìn)。煉鋼、軋制、熱處理工藝的不斷進(jìn)步,為超高強(qiáng)度等級(jí)的材料達(dá)到更高的韌性指標(biāo)提供了技術(shù)支持。

4 鈦合金鉆桿

用于超短半徑鉆井的鈦合金鉆桿已經(jīng)研制成功。在超短半徑鉆井、超深井和深水鉆井應(yīng)用中,鈦合金鉆桿具有明顯的優(yōu)勢(shì)。鈦要比鋼輕56%,鈦合金鉆桿的最小屈服強(qiáng)度為827 MPa(120 kpsi),比S135鋼鉆桿強(qiáng)度質(zhì)量比提高了37%。目前,鈦合金鉆桿已用于超短半徑鉆井,在美國(guó)科羅多拉州,為滿足曲率半徑<18.3 m的老井側(cè)鉆作業(yè)的需要,國(guó)外研制了可靠性好、使用壽命長(zhǎng)的鈦合金鉆桿。這種鉆桿的桿體選用 Ti-6Al-4V合金制造,接頭用鋼材制造,桿體與接頭采用快速熱配裝方法實(shí)施螺紋連接。桿體表面采用噴丸硬化工藝處理,桿端實(shí)施加厚處理。生產(chǎn)出長(zhǎng)9.14 m,直徑為?73 mm的鈦合金鉆桿管體與直徑為?92.5 mm FR26鉆桿接頭配接,已成功用于美國(guó)科羅多拉州的一口曲率半徑為18 m的油井的鉆井作業(yè)[6]。

鈦具有高抗腐蝕、沖蝕和良好的耐疲勞特性。毫無疑問,鈦可以用于制造高性能的鉆桿,為推動(dòng)超短半徑水平井和超深井的發(fā)展提供技術(shù)解決方案。但鈦合金材料對(duì)疲勞缺口相當(dāng)敏感,當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間處于應(yīng)力條件下時(shí),其磨損速率極快。同時(shí),鈦合金鉆桿的成本高出鋼鉆桿一個(gè)數(shù)量級(jí),制造成本非常高,大約是常規(guī)鋼鉆桿的7～10倍。成本問題也成為鈦合金鉆桿在石油行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的最大問題。由于價(jià)格昂貴,在國(guó)內(nèi)還沒有油田用戶引進(jìn)鈦合金鉆桿[7]。

5 復(fù)合材料鉆桿

復(fù)合材料鉆桿是通過在卷筒上纏繞碳纖維,然后應(yīng)用一種環(huán)氧基復(fù)合材料覆蓋并密封而成。目前生產(chǎn)的復(fù)合鉆桿,其成本大約是常規(guī)鋼鉆桿成本的3倍,但復(fù)合材料鉆桿具有許多潛在的優(yōu)勢(shì),包括質(zhì)量輕、高的強(qiáng)度質(zhì)量比、超高的抗腐蝕能力以及增強(qiáng)的抗疲勞能力。目前阻礙復(fù)合鉆桿用于超長(zhǎng)位移的大位移井、超深井和深水鉆井的一個(gè)主要問題是其水力特性和效率。為了獲得必要的結(jié)構(gòu)特性,復(fù)合鉆桿必須制造得比常規(guī)鋼鉆桿厚許多。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),復(fù)合鉆桿的壁厚可能要達(dá)到常規(guī)鋼鉆桿壁厚的2倍。這將明顯降低管子內(nèi)徑,導(dǎo)致鉆桿內(nèi)的壓力損失過大。由于水力效率的這種重要性,復(fù)合材料鉆桿通常無法為超長(zhǎng)位移的大位移井和超深井的鉆井施工提供一個(gè)可行的解決方案。

國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)幾種高性能鉆桿與常規(guī)的S135鋼鉆桿進(jìn)行了性價(jià)比,如表2所示。從表中不難看出,這些高性能鉆具價(jià)格都遠(yuǎn)高于常規(guī)的S135鋼鉆桿,同時(shí)又具有常規(guī)S135鋼鉆桿無法達(dá)到的高性能指標(biāo),可以滿足更復(fù)雜的鉆井工藝和環(huán)境工況,這也是這些高性能鉆具得以存在和發(fā)展的原因。

表2 不同材質(zhì)高強(qiáng)度鉆桿的主要性能

6 結(jié)語

未來石油工業(yè)的發(fā)展是向著更深的超深井和更長(zhǎng)位移的大位移井方向發(fā)展,從而導(dǎo)致石油鉆桿生產(chǎn)廠家和材料研究機(jī)構(gòu)更多地關(guān)注超高強(qiáng)度鋼鉆桿或非鋼鉆桿,目的是提高鉆柱對(duì)新鉆井工藝下的服役工況和服役環(huán)境的適應(yīng)能力?？沽蜚@桿、鋁合金鉆桿、超高強(qiáng)度鉆桿、鈦合金鉆桿和復(fù)合材料鉆桿等這些高性能鉆桿產(chǎn)品,隨著材料治煉工藝、熱處理工藝和制造工藝的不斷提高,產(chǎn)品性價(jià)比將不斷提高,也將得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。我國(guó)在高性能鉆具的研究方面還遠(yuǎn)落后于國(guó)外的先進(jìn)水平,鈦合金鉆桿的高成本、復(fù)合材料鉆桿自身的局限性和高鋼級(jí)抗硫鉆桿材料的突破,使這些高性能鉆具的研究在中國(guó)很難有快速的發(fā)展,鋁合金鉆桿和超高強(qiáng)度鉆桿的研究將是我國(guó)高性能鉆具在近幾年的主要研究方向。

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Progress on High-performance Drill Pipe

ZHAO Jin1,CHEN Shao-an2,LIU Yong-gang3,LI Guang-shan3
(1.Drilling Tools Center,Southwest Company,Sinopec,Deyang618000,China; 2.Drilling Tools and Well Control Company,Chuanqing Drilling Crop,Chongqing401124,China; 3.Research Institution ofTubular Goods,CN PC,Xi′an710065,China)

In recent years,with the acid gas field exploration and development and use of special process wells,drilling failure accidents have occurred and put forward new requirements on the safety performance of the proposed drilling.In this paper,performance and features on domestic and international resistance to sulfur drill pipe,aluminum alloy drill pipe,titanium drill pipe and other high-performance drill were comprehensive analyzed and evaluated,which refer the advice on the selection of drill pipe in different service conditions,and put forward the independent research direction on the high-performance drill pipe in China in recent years.

drill pipe;performance;aluminum alloy;titanium

1001-3482(2011)05-0096-04

TE921.2

A

2010-11-19

趙 金(1964-),男,遼寧鐵嶺人,工程師,主要從事石油管材應(yīng)用技術(shù)研究和油田工程建設(shè)工作。