鋁合金鉆桿拉伸性能及應(yīng)用特點

舒志強，袁鵬斌，歐陽志英，余榮華，龔丹梅（上海海隆石油管材研究所，上海200949）

鋁合金鉆桿拉伸性能及應(yīng)用特點

舒志強，袁鵬斌，歐陽志英，余榮華，龔丹梅
（上海海隆石油管材研究所，上海200949）

利用拉伸試驗結(jié)果，通過與G105鋼鉆桿進行對比，分析了鋁合金鉆桿的拉伸彈性、塑性和強度性能，結(jié)果表明：鋁合金鉆桿拉伸性能完全符合GB／T 20659標準要求；與G105鋼鉆桿相比較，鋁合金鉆桿雖然強度較低，但具有良好的彈性變形能力和足夠的塑性儲備；鋁合金鉆桿強度質(zhì)量比高，彈性模量小，在鉆深井、超深井中可大幅減輕鉆柱質(zhì)量，在通過定向井和大位移水平井彎曲井段時產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力小。有利于提高鉆井安全和效率，延長鉆柱使用壽命。

鉆桿；彈性變形；塑性變形；彎曲應(yīng)力

石油鉆柱在鉆井作業(yè)中不僅為鉆頭傳遞鉆壓和轉(zhuǎn)矩，同時也是鉆井液的傳遞通道。鉆柱在井下運動和受力情況非常復(fù)雜，承受拉、扭、彎、循環(huán)內(nèi)壓、振動等復(fù)合載荷，是整個鉆井設(shè)備與工具組合中最薄弱的環(huán)節(jié)［1］。石油鉆井技術(shù)向著超深井和更長位移的大位移水平井方向發(fā)展，深井、超深井數(shù)量逐步增加，使得鉆柱在井下服役的環(huán)境越來越苛刻，井下各種復(fù)雜問題出現(xiàn)的幾率也成倍增加，對鉆柱性能指標提出了更高要求。因此，強度高、彈性模量小、具有良好耐腐蝕性的鋁合金鉆桿成為國內(nèi)外研究熱點。20世紀60年代初，前蘇聯(lián)開始在鉆井中使用鋁合金鉆桿，經(jīng)過不斷地改進，目前俄羅斯已能批量生產(chǎn)高可靠性鋁合金鉆桿；美國Alcoa公司對鋁合金鉆桿的制造和在復(fù)雜井中應(yīng)用優(yōu)勢進行了大量的測試研究，測試結(jié)果非常良好。近年國內(nèi)關(guān)于鋁合金鉆桿的研究也越來越多，余榮華等人［2］分析了鋁合金鉆桿特點及應(yīng)用前景，呂拴錄等人［3］介紹了鋁合金鉆桿在塔里木油田推廣應(yīng)用，鄢泰寧等人［4］分析了鋁合金鉆桿在深井、超深井中應(yīng)用的可靠性，曹宇［5］對鋁合金鉆桿變斷截面管體擠壓成型及螺紋優(yōu)化進行了研究。2012年上海海隆石油管材研究所成功制造出147mm×13mm規(guī)格的不同加厚形式鋁合金鉆桿管體［6］，填補了國內(nèi)鋁合金鉆桿制造的空白。本文通過與G105鋼鉆桿的對比，分析了HLADP鋁合金鉆桿的拉伸彈性、強度、塑性性能；結(jié)合鉆桿在服役中的承受載荷特點和彎曲井段受力模型，分析了鋁合金鉆桿在鉆井應(yīng)用中的優(yōu)勢。

1　試驗材料和方法

金屬材料室溫拉伸試驗是獲取力學(xué)性能指標最常用、最基本的手段，其拉伸曲線反映了金屬材料在緩慢加載和低變形速率下的力學(xué)變形行為，可獲得拉伸強度、塑性性能等參數(shù)。在石油鉆桿規(guī)范中，拉伸性能作為其主要性能指標之一，對評價鉆桿的整體物理性能、機械性能、應(yīng)力集中敏感性都至關(guān)重要。本次試驗對HLADP鋁合金鉆桿管體和普通G105鋼鉆桿管體取標準拉伸試樣，按照GB／T228—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》標準要求［7-8］，在MTS試驗機上進行室溫拉伸試驗，試驗過程中通過力傳感器和引伸計記錄應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，并利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件分析拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線彈、塑性變形參數(shù)。

2　試驗數(shù)據(jù)與分析

2.1拉伸試驗數(shù)據(jù)

表1為HLADP鋁合金鉆桿管體和G105鋼鉆桿管體拉伸試驗數(shù)據(jù)，同時還列出了API5DP鉆桿規(guī)范和GB／T20659鋁合金鉆桿標準中規(guī)定的拉伸性能要求［9-10］。從表1中可見，鋁合金鉆桿管體屈服強度Rp0.2高出標準要求10%以上，拉伸強度Rm、延伸率A指標完全符合GB／T20659標準規(guī)定的高強度鋁合金鉆桿要求；但與G105鋼鉆桿相比較，鋁合金鉆桿管體材料屈服強度、抗拉強度和延伸率明顯較低。

表1　拉伸性能試驗數(shù)據(jù)

2.2彈性變形能力

鉆桿在服役過程中所承受的載荷通常低于自身屈服載荷，處于彈性變形狀態(tài)。在拉伸彈性變形階段測試的彈性模量，表征材料對彈性變形的抗力大小，其值越大，相同變形量下所需應(yīng)力越大，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，鋁合金鉆桿材料彈性模量為70.7 GPa，而G105鋼鉆桿彈性模量為207.3 GPa，約是前者的3倍；即在相同的彈性應(yīng)變量下，鋁合金鉆桿受到的應(yīng)力只有G105鋼鉆桿的1／3。當鋁合金鉆桿材料拉伸至屈服時應(yīng)變量為0.848%，而G105鋼鉆桿材料屈服時應(yīng)變量只有0.415%，即當G105鉆桿材料發(fā)生屈服時，鋁合金鉆桿材料還處于彈性變形階段，所受的應(yīng)力為280 MPa。

材料在發(fā)生彈性變形時會吸收一定的能量，當彈性變形達到彈性極限時材料單位體積吸收的總彈性變形功稱為彈性比能［11］，計算方法為

式中：ae為彈性比能，MJ／m3；σe為彈性極限，MPa；εe為彈性應(yīng)變。

一般用彈性比能來衡量材料彈性性能的好壞，同種材料彈性極限越高，彈性比能越大；不同材料彈性模量越小，彈性比能越大。圖1中鋁合金鉆桿彈性比能為2.52 MJ／m3，而G105鋼鉆桿材料彈性比能只有1.79 MJ／m3，即鋁合金鉆桿材料雖然屈服強度沒有G105鋼鉆桿高，但由于其彈性模量較小，彈性比能超出了后者40.8%，具有非常好的彈性變形能力。

圖1　彈性變形和屈服階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3塑性變形能力

試樣發(fā)生屈服后在拉伸應(yīng)力的繼續(xù)作用下進入塑性變形階段，隨著拉伸變形量的增大，材料內(nèi)部位錯的交互作用，形成割階、位錯胞狀結(jié)構(gòu)等障礙，使位錯運動的阻力增大，出現(xiàn)了拉伸應(yīng)力不斷增加的應(yīng)變硬化現(xiàn)象［12］。根據(jù)真應(yīng)力真應(yīng)變的定義，應(yīng)變硬化現(xiàn)象可用Hollomon經(jīng)驗公式表述。

式中：S為真應(yīng)力；e為真塑性應(yīng)變；K為硬化系數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)，表示材料在拉伸變形過程中任意時刻的變形應(yīng)力對應(yīng)變的敏感性，n值大小反映了材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。

鋁合金鉆桿和G105鋼鉆桿的應(yīng)變硬化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，鋁合金鉆桿硬化指數(shù)為0.096，G105鋼鉆桿的硬化指數(shù)為0.101；也就是說雖然鋁合金鉆桿強度低，但其抵抗塑性變形能力與G105鋼鉆桿非常接近。

圖2　應(yīng)變硬化曲線

鋁合金鉆桿和G105鋼鉆桿在拉伸至最大力點的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。主要以均勻塑性變形為主，其中Sb和eb為真實抗拉強度、真實抗拉應(yīng)變點，也稱之為塑性失穩(wěn)點，理論上認為試樣拉伸至該點時內(nèi)部開始產(chǎn)生微裂紋，在該點之前試樣發(fā)生均勻塑性變形，之后發(fā)生局部頸縮變形，因此，拉伸均勻塑性變形階段材料單位體積消耗能量的能力（也稱為均勻形變?nèi)萘浚瑘D3中陰影面積）是抵抗裂紋形成的關(guān)鍵，其大小反映了材料從起始塑性變形到塑性失穩(wěn)過程中傳播載荷、重新分布高應(yīng)力的能力，及局部損傷處抵抗應(yīng)力應(yīng)變集中的程度，由材料的塑性和強度決定，塑性越好，強度越高，材料均勻形變?nèi)萘吭酱螅?3-14］。從圖3中可以看出，鋁合金鉆桿均勻形變?nèi)萘繛?5.7 MJ／m3，G105鋼鉆桿為59.8 MJ／m3，雖然G105鋼鉆桿較之鋁合金鉆桿強度高出約48.6%，但兩者在塑性變形階段消耗的能量非常接近，可以認為鋁合金鉆桿在拉伸均勻塑性變形階段消耗的能量與鋼鉆桿的基本一致，具有足夠的塑性儲備。另外，由圖2也可以看到在達到塑性失穩(wěn)點時G105鋼鉆桿的真實抗拉應(yīng)變是0.066，而鋁合金鉆桿則達到了0.097，超出了G105鋼鉆桿約47%，說明鋁合金鉆桿在產(chǎn)生拉伸裂紋之前經(jīng)歷了非常大的均勻變形量，具有優(yōu)良的抗裂紋形成能力。

圖3　真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

3　鋁合金鉆桿應(yīng)用特點

3.1鋁合金鉆桿適用于深井及超深井

在深井、超深井鉆井中，影響鉆井效率和鉆井安全的關(guān)鍵技術(shù)難點是鉆柱構(gòu)件質(zhì)量的大小，鉆柱承受的載荷的90%來自于自身重力［15］。隨著鉆井深度的增加，鉆柱長度不斷加長，相應(yīng)的鉆柱重力大幅增加，這必然引起鉆桿承受的載荷也大幅度增加，甚至超過其有效承載能力而發(fā)生過載失效事故。因此，在鉆深井超深井中為避免發(fā)生鉆柱過載失效，一般通過提高鉆柱抗拉載荷水平或者減輕鉆柱質(zhì)量的方法使其保持一定的超載提升富余量，也就是說對鉆柱使用深度極限起決定性作用的是鉆柱的強度質(zhì)量比，用式（3）計算。

式中：R為強度質(zhì)量比系數(shù)；Ymin為鉆桿最小屈服強度，MPa；Adp為鉆桿截面積，mm2；Mdp為單位長度鉆桿等效質(zhì)量，kg／m；ρd為鉆井液密度，kg／m3；ρs為鉆桿材料密度，kg／m3。

DS1鉆井用管材規(guī)范［16］和GB／T 20659鋁合金鉆桿標準中規(guī)定的不同鉆桿的最小屈服強度Ymin要求如表2所示。雖然鋁合金鉆桿的強度遠遠小于鋼質(zhì)鉆桿，但是由于鋁合金材料密度為2.75g／cm3，約為鋼材料的0.35倍，與鋼鉆桿相比較，相同規(guī)格的鋁合金鉆桿質(zhì)量會降低50%以上。

不同鉆桿強度質(zhì)量比柱狀圖如圖4所示。按照式（3）計算的149.2mm×10.54mm鋼鉆桿（G105、S135、V150）與147mm×13mm鋁合金鉆桿（材料組Ⅰ、Ⅱ）在泥漿密度為1.2 g／cm3條件下的強度質(zhì)量比，可以看出材料組Ⅰ合金鉆桿屈服強度雖然只有340 MPa，但其強度質(zhì)量比已經(jīng)超過了V150高強度鉆桿，而材料組Ⅱ高強度鋁合金鉆桿的強度質(zhì)量比則超出V150鉆桿約50%。即在鉆機能力一定的條件下，采用鋁合金鉆桿可以大幅降低大鉤載荷、減小轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩，使鉆柱保持一定的安全提升載荷的同時能鉆達鋼鉆桿無法達到的深度，與V150高強度鉆桿相比在鉆井安全性和鉆深能力方面大幅提高。

表2　不同鉆桿拉伸屈服強度要求

圖4　鋼鉆桿與鋁合金鉆桿的強度質(zhì)量比柱狀圖

3.2鋁合金鉆桿適用于定向井及大位移水平井

彈性模量是鉆柱材料重要性能之一，影響著鉆柱的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，在定向井造斜段或者側(cè)鉆水平井的彎曲井段時，鉆柱受到井眼軌跡的約束會發(fā)生一定的彎曲彈性變形，進而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，當選用鉆柱材料彈性模量越小，該彎曲應(yīng)力就會越小。

圖5為處于彎曲井段的鉆桿受力模型圖。一根處于狗腿井段旋轉(zhuǎn)鉆進的鉆桿，在鉆桿斷面上將產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力的嚴重程度影響到鉆柱疲勞損傷累積速度，當較大彎曲應(yīng)力經(jīng)過一定的旋轉(zhuǎn)次數(shù)時會導(dǎo)致鉆桿發(fā)生疲勞失效［17-18］。在鉆柱設(shè)計和操作限度中以Lubinski理論為基礎(chǔ)，結(jié)合井斜角、井眼曲率、泥漿密度、鉆桿規(guī)格以及承受的拉伸載荷等參數(shù)，給出了鉆柱在狗腿處的彎曲應(yīng)力設(shè)計方法［19］為

式中：δb為彎曲應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，GPa；θ為井斜角，（°）；c為井眼曲率，m；L為鉆桿半長，m；w0為單位長度浮重，kg／m；T為拉伸載荷，k N；I為鉆桿慣性矩，mm4；D為鉆桿外徑，mm。

圖5　處于彎曲井段的鉆桿受力模型

圖6為147mm×13mm鋁合金鉆桿和149.2mm×10.54mmG105鋼鉆桿在井斜角30°，泥漿密度1.2 g／cm3，拉伸載荷為80%額定載荷的條件下，井眼曲率半徑與鉆桿彎曲應(yīng)力關(guān)系曲線。隨著井眼曲率半徑的減小，鉆桿表面產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力逐漸增大，且應(yīng)力變化速率也在快速增加，當井眼曲率半徑為100m時，鋁合金鉆桿彎曲應(yīng)力為34.4MPa，G105鋼鉆桿彎曲應(yīng)力為148.5MPa，是前者的4.3倍，當井眼曲率半徑50m時，鋁合金鉆桿彎曲應(yīng)力為81.9 MPa，G105鋼鉆桿彎曲應(yīng)力為305.3 MPa，是前者的3.7倍。可以看出鋁合金鉆桿與G105鋼鉆桿相比較，由于其彈性模量小、鉆柱質(zhì)量輕的特點，在同樣彎曲半徑井眼下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力遠小于鋼制鉆桿，這樣在小曲率半徑定向井、水平井中使用鋁合金鉆桿有利于提高鉆柱在鉆進過程中的使用壽命，并且使鉆柱能夠快速順利的通過狗腿度嚴重井段，提高鉆井效率和安全。

圖6　彎曲應(yīng)力隨井眼曲率半徑的變化曲線

4　結(jié)論

1）HLADP鋁合金鉆桿管體材料的拉伸強度、延伸率指標符合GB／T 20659標準規(guī)定的高強度鋁合金鉆桿要求。

2）與普通G105鋼鉆桿相比較，HLADP鋁合金鉆桿雖然強度較低，但其具有良好的彈性變形能力和足夠的塑性儲備，發(fā)生變形時能充分吸收和傳播外載荷能量，不易產(chǎn)生裂紋甚至不會發(fā)生屈服，這有利于提高鉆柱抵抗應(yīng)力集中和抗裂紋形成能力。

3）鋁合金鉆桿強度質(zhì)量比高，彈性模量小，在鉆深井、超深井中可以大幅減輕鉆柱質(zhì)量，在通過定向井和大位移水平井彎曲井段時產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力小，有利于提高鉆井安全和效率，延長鉆柱使用壽命。

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Tensile Properties and Application Characteristics of Aluminum Alloy Drill Pipe

SH U Zhiqiang，YUAN Pengbin，OUYANG Zhiying，YU Ronghua，GONG Danmei
（Shanghai Hailong Oil Tubular Goods Research Institute，Shanghai 200949，China）

The tensile testing was used to analyze the elasticity，plasticity and strength properties of the aluminum alloy drill pipes.Results show that：the tensile property of the aluminum alloy drill pipe is in accordance with the standard GB／T 20659；compared to the G105 steel drill pipe，the aluminum alloy drill pipe possesses good elastic deformation ability and enough reserves of plasticity，though with lower strength；given to the high ratio of strength-weight and small elastic-ity modulus，aluminum alloy drill pipe can significantly lower the weight of the drill string in extra deep well drilling，and generate less bending stress when through the curved portion in directional well and extended reach well drilling，which benefit the drilling safety，efficiency and longer serv-ice life.

drill pipe；elastic deformation；plastic deformation；bending stress

TE921.2

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.009

1001-3482（2015）12-0037-05

2015-06-03

舒志強（1986-），男，陜西西安人，工程師，主要從事新型鉆具開發(fā)與金屬材料組織性能研究，Email：szq861017 ＠163.com。