石油鉆井桿的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

□張文毓

中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所　河南洛陽　471023

石油鉆井桿的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

□張文毓

中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所河南洛陽471023

石油鉆井桿是用于傳遞動力、輸送泥漿的主要工具。在整個鉆柱中，鉆桿用量占85%以上，是鉆井中的主要工具。石油鉆井桿主要包括抗硫鉆桿、鋁合金鉆桿、超高強(qiáng)度鉆桿、鈦合金鉆桿、復(fù)合材料鉆桿、智能鉆桿、隔熱鉆桿等。從概況、現(xiàn)狀、應(yīng)用、展望等方面對石油鉆井桿進(jìn)行了綜述。

石油鉆井桿是用于傳遞動力、輸送泥漿的主要工具。在整個鉆柱中，鉆桿用量占85%以上，是鉆井中的主要工具。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油天然氣的需求不斷增長，而目前國際大型石油天然氣開發(fā)項(xiàng)目卻都集中在深井、超深井、深海井、高腐蝕性井等領(lǐng)域，油氣井鉆探難度明顯加大。這表明，只有不斷地進(jìn)行鉆桿的理論研究、不斷地提高鉆桿的質(zhì)量、不斷地研究開發(fā)滿足最新鉆井技術(shù)要求的鉆桿新產(chǎn)品，才能滿足日益苛刻的鉆井作業(yè)要求。

1　石油鉆井桿的概況

1.1石油鉆井桿的分類

石油鉆井桿包括抗硫鉆桿、鋁合金鉆桿、超高強(qiáng)度鉆桿、鈦合金鉆桿、復(fù)合材料鉆桿、智能鉆桿、隔熱鉆桿等。

1.2石油鉆井桿的性能

表1為用于超深井鉆井的高強(qiáng)度、低密度鉆桿的主要性能。

2　石油鉆井桿的研究現(xiàn)狀

世界上著名的鉆桿生產(chǎn)廠家有美國格蘭特鉆具公司（現(xiàn)已被美國國民油井公司收購）和法德合資的瓦姆公司，兩家的生產(chǎn)能力約占全世界的一半。國內(nèi)有代表性的鉆桿生產(chǎn)企業(yè)有上海寶鋼、江蘇曙光格蘭特鉆桿有限公司、渤海能克鉆桿有限公司等。近幾年隨著石油價格上漲，鉆桿用量和價格也隨之上漲，山西風(fēng)雷鉆具有限公司、無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司、上海華實(shí)海隆石油裝備有限公司、江陰德馬斯特集團(tuán)等也加入了鉆桿的生產(chǎn)行列。在我國，普通鉆桿已經(jīng)完全替代了進(jìn)口，并形成了一定的出口能力。

表1　鉆桿材料的主要性能［1］

2.1抗硫鉆桿

抗硫鉆桿是國內(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對鉆桿具有很強(qiáng)的腐蝕性，尤其是對高強(qiáng)度的鉆桿，因此，抗硫鉆桿在國內(nèi)得到了大量的應(yīng)用，從95SS鋼級的鉆桿直到105SS鋼級的鉆桿［2］。表2為國內(nèi)某鉆桿廠家研發(fā)的抗硫鉆桿管體性能指標(biāo)。

表2　國內(nèi)某鉆桿廠家研發(fā)的抗硫鉆桿管體性能指標(biāo)

2.2鋁合金鉆桿

從20世紀(jì)50年代起，前蘇聯(lián)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。薩馬拉金屬冶煉廠和烏拉爾地區(qū)卡緬斯克金屬冶煉廠在當(dāng)時設(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。

自20世紀(jì)60年代以來，鋁合金鉆桿在前蘇聯(lián)地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，鉆進(jìn)尺達(dá)到總進(jìn)尺的70%～75%。目前，鋁合金鉆桿在西伯利亞和靠近北極地區(qū)，以及烏拉爾和伏爾加河地區(qū)大量使用。實(shí)際應(yīng)用情況表明，輕質(zhì)鋁合金鉆桿是一項(xiàng)可靠產(chǎn)品，在深井、超深井、深水井和大位移井中具有廣闊的應(yīng)用前景。

鋁合金鉆桿屬于一種高新技術(shù)范疇的石油天然氣勘探鉆桿，具有比強(qiáng)度高、質(zhì)量小、彈性模量小、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在深井、超深井及高含H2S、CO2井中具有廣闊的應(yīng)用前景。我國鋁合金鉆桿的研發(fā)仍處于起步階段，應(yīng)用很少，鋁合金鉆桿的磨損行為研究仍處于空白狀態(tài)。隨著深井、超深井及酸性油氣藏的開發(fā)，我國鋁合金鉆桿的研發(fā)和應(yīng)用勢在必行。

目前，石油鉆桿用Al-Cu-Mg系、Al-Zn-Mg-Cu系及Al-Cu-Mg-Fe-Ni系三大鋁合金材料。盡管在強(qiáng)度和塑性指標(biāo)上能滿足石油鉆井的需要，但是由于鋁合金硬度低，在服役時易出現(xiàn)磨損，降低鉆柱的可靠性。我國在研發(fā)石油鉆桿用鋁合金材料時，應(yīng)以該三大鋁合金材料體系為基礎(chǔ)，著重發(fā)展高熱強(qiáng)性的Al-Zn-Mg系鋁合金，并區(qū)分鉆桿使用工況，有針對性地提高石油鉆桿用鋁合金的耐磨性能，開發(fā)高品質(zhì)的石油鉆桿用鋁合金材料（見表3、表4）。

表3　常用鋁合金鉆桿化學(xué)成分［3］

2.3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，市場上可提供的高強(qiáng)度鋼鉆桿的最小屈服強(qiáng)度有965 MPa（140 kpsi）和1 034 MPa（150 kpsi）。140鋼級鉆桿使用量為16.8×104m，150鋼級為6. 1×104m。165鋼級的開發(fā)使得其產(chǎn)品的強(qiáng)度質(zhì)量比相比S-135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·m-3），比S-135鉆桿高出11%。表5為帶鋼接頭的高性能鉆桿相關(guān)參數(shù)對比。

表4　鋁合金鉆桿基本力學(xué)參數(shù)對比

表5　帶鋼接頭的高性能鉆桿相關(guān)參數(shù)對比［4］

2.4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。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S-135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。在美國科羅拉多州，為滿足曲率半徑＜18.3 m的老井側(cè)鉆作業(yè)的需要，研制了可靠性好、使用壽命長的鈦合金鉆桿。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)長9.14 m，直徑為73 mm的鈦合金鉆桿管體與直徑為92.5 mm的FR26鉆桿接頭配接，已成功用于美國科羅拉多州的一口曲率半徑為18 m的油井的鉆井作業(yè)。表6為鈦合金鉆桿的機(jī)械性能。

表6　鈦合金鉆桿的機(jī)械性能［5］

2.5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的。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優(yōu)勢，包括質(zhì)量小、高的強(qiáng)度質(zhì)量比、超高的抗腐蝕能力，以及抗疲勞能力強(qiáng)等。

復(fù)合材料鉆桿是由美國能源部和美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合資助的“高效低成本復(fù)合鉆桿研制（1999—2007）”項(xiàng)目的研究成果，由ACPT公司組織實(shí)施。復(fù)合材料鉆桿由復(fù)合材料管和鋼接頭組成。復(fù)合材料管的成型工藝是：在心棒上纏繞碳纖維，同時在其上裹敷環(huán)氧樹脂以包裹碳纖維，并保證管材與接頭的密封性；成型后，抽出心棒，并在其外涂覆耐磨材料。復(fù)合鉆桿有高強(qiáng)度質(zhì)量比，與鋼鉆桿比較，主要優(yōu)點(diǎn)是降低扭矩和拖拽阻力。

2.6智能鉆桿

在美國能源部的資助下，格蘭特公司與Novatek公司共同開發(fā)了智能鉆桿系統(tǒng)。這一系統(tǒng)采用了格蘭特公司的XT超高抗扭接頭作為平臺，應(yīng)用非接觸感應(yīng)方式作為鉆桿接頭之間傳輸數(shù)據(jù)的方法，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2 Mbit/s。智能鉆桿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地面和井下的雙向通信，指令既可以下傳至底部鉆具組合及沿鉆柱的其它節(jié)點(diǎn)，也可以從井下各個節(jié)點(diǎn)上傳至地面。智能鉆桿系統(tǒng)徹底解決了鉆井過程中實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸速率瓶頸，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸，為近25 a來鉆井技術(shù)最重大的進(jìn)步之一。

2.7隔熱鉆桿

在高溫地層鉆進(jìn)時，鉆井液的溫度迅速升高，不僅降低鉆桿的攜屑能力，而且還縮短了鉆頭和其它井下工具的使用壽命，加劇了鉆桿腐蝕，并使井下電機(jī)、電子儀器、導(dǎo)向工具等無法使用，甚至影響井眼穩(wěn)定，引起井控問題。為了降低井底溫度，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的地?zé)嵫芯克cDrill Cool Systems公司合作，共同開發(fā)了一種能以比常規(guī)鉆桿低的溫度將鉆井液輸送到井底的隔熱鉆桿。

隔熱鉆桿的加工就是在常規(guī)鉆桿內(nèi)焊上一根襯管，在兩管體之間填充隔熱材料。隔熱材料的選擇要滿足抗壓強(qiáng)度和隔熱性能。利用隔熱材料的抗壓強(qiáng)度來支持襯管承受管內(nèi)壓力。襯管由較薄的材料制成，以節(jié)省成本，減小重力并盡可能大地保留其內(nèi)徑。

由于這種鉆桿的良好隔熱性能，當(dāng)常規(guī)鉆桿被替代后，鉆井液經(jīng)隔熱鉆桿傳遞給井下鉆井液的熱量大大降低，從而可將在地面經(jīng)過冷卻處理的鉆井液輸送到井底，以降低井下溫度，使電子儀器和井底鉆具組合能正常工作。

2.8內(nèi)平外加厚鉆桿

顧名思義，內(nèi)平外加厚鉆桿改變了原有過渡帶的形式，降低內(nèi)過渡，增大外過渡。它的優(yōu)勢在于：通過改變過渡帶形式降低管端加厚的加工難度，減小應(yīng)力集中彌補(bǔ)內(nèi)過渡缺陷；通過增大接頭水眼和加厚區(qū)尺寸，降低泥漿水功率損失，提高循環(huán)效率；通過采用特殊材料，增加了鉆桿的綜合力學(xué)性能。此類鉆桿在塔里木油田井上試驗(yàn)效果良好，今后將會大面積推廣。

2.9雙臺肩（DSTJ）鉆桿

API標(biāo)準(zhǔn)接頭外徑和螺紋形式一定的條件下，母接頭的抗扭強(qiáng)度不變，公接頭的抗扭強(qiáng)度隨著水眼尺寸的增大而減小。在鉆桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)中要求接頭與管體的抗扭強(qiáng)度比大于0.8，為了滿足這一要求，高鋼級鉆桿的接頭水眼尺寸都較小，最終造成鉆井過程中水功率損失增大、影響泥漿循環(huán)的矛盾。雙臺肩鉆桿的主要特點(diǎn)是較API標(biāo)準(zhǔn)鉆桿多了一個副臺肩密封面。由于接頭水眼尺寸大，抗扭強(qiáng)度為普通接頭1.3～1.4倍，雙臺肩鉆桿可有效地解決鉆桿抗扭強(qiáng)度不足的問題。

3　石油鉆井桿的應(yīng)用

3.1鋁合金鉆桿的應(yīng)用

鋁合金鉆桿已成功用于多口超深井的施工，包括俄羅斯科拉半島世界上最深的SG-3井。該井井深為12 262 m，井底溫度220℃；使用額定井深8 000 m、提升能力4 000 kN的鉆機(jī)。

鉆井實(shí)踐表明，鉆柱體系的最大磨損量在7000～8000m井段，其中鋼接頭最大磨損量6.8mm，而本體最大磨損量僅為0.92 mm。鋁合金鉆桿為成功施鉆該井提供了保證，進(jìn)一步說明了其對超深井鉆井的適用性。

鋁合金鉆桿已經(jīng)應(yīng)用于定向井與水平井 （包括大位移水平井）鉆井中。絕大多數(shù)應(yīng)用在俄羅斯西伯利亞地區(qū)，配合復(fù)合鉆進(jìn)方式。

3.2超高強(qiáng)度鋼鉆桿的應(yīng)用

超高強(qiáng)度鋼鉆桿在美國得克薩斯州南部陸上平臺進(jìn)行了部分現(xiàn)場試驗(yàn)。該區(qū)域的井深為2 400～3 700 m。現(xiàn)場使用30根直徑127 mm（5 in）、壁厚12.7 mm（0.5 in）的UD-165鉆桿與φ127 mm的S-135 NC50鉆桿配合鉆進(jìn)，目前已成功施鉆兩口井，現(xiàn)場沒有出現(xiàn)任何鉆桿使用事故。其它尺寸的超高強(qiáng)度鋼鉆桿的現(xiàn)場試驗(yàn)正在規(guī)劃中。

3.3碳纖維復(fù)合材料鉆桿應(yīng)用

2003年6月，JB Drilling公司在一口新鉆氣井中成功使用了φ63.5 mm復(fù)合材料鉆桿。該井為一口新鉆的短半徑水平井，位于俄克拉何馬州的勒弗洛爾鎮(zhèn)，造斜點(diǎn)為422 m（1 385 ft），曲率半徑為18 m（60 ft），水平位移304.8 m（1 000 ft），儲層段為硬砂巖。采用空氣錘鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)速為70 r/min，空氣壓力為2.1 MPa，扭矩為l 356 N·m。鉆桿承受極大的瞬時沖擊荷載，9.144 m的短半徑復(fù)合材料鉆桿在入井使用1周后，起鉆發(fā)現(xiàn)其磨損極小。

3.4石油鉆井桿的其它應(yīng)用報(bào)道

澳大利亞礦業(yè)期刊（AJM）報(bào)道，深層勘探技術(shù)合作研究中心（DET CRC）成功研發(fā)碳纖維鉆桿進(jìn)行礦產(chǎn)勘探，試驗(yàn)在南澳大利亞州布魯昆加的DET CRC工廠進(jìn)行。DETCRC首席執(zhí)行官理查德·希利斯教授說，碳纖維鉆桿與傳統(tǒng)的鐵鉆桿相比，具有更強(qiáng)、更輕、更安全、更智慧的特點(diǎn)。鉆桿質(zhì)量為7 kg，比鐵鉆桿輕50%之多，可在桿壁內(nèi)嵌入傳感器，鉆井工人可收集材料的類型、成本、精密鉆孔方向及潛在危險(xiǎn)。首批碳纖維石油鉆桿有望在三年內(nèi)商業(yè)化使用。

中國石油渤海裝備公司第一機(jī)械廠首批下線的V150高鋼級6.25 in（1in=25.4 mm）國產(chǎn)高強(qiáng)度鉆桿，日前成功應(yīng)用到國內(nèi)高難度的江河管道穿越項(xiàng)目中。至此，作為鉆桿生產(chǎn)制造龍頭企業(yè)，渤海裝備已成為國內(nèi)首家具備最大規(guī)格、最高鋼級鉆桿產(chǎn)品生產(chǎn)能力的企業(yè)。V150高鋼級6.25 in鉆桿是目前已有鉆桿規(guī)范中最高鋼級和最大尺寸高端鉆桿。此前，我國在這一領(lǐng)域長期處于空白，國際上僅有日本和美國能研發(fā)生產(chǎn)。以生產(chǎn)高抗扭和抗磨損及超深井、水平井鉆探用鉆桿的渤海裝備第一機(jī)械廠，抓住國內(nèi)管道公司穿越項(xiàng)目需求的契機(jī)，強(qiáng)化科技合作模式，聯(lián)合中國石油管材研究院、天津鋼管集團(tuán)、渤海裝備石油專用管材公司共同攻關(guān)，采用國產(chǎn)原材料和先進(jìn)的墩粗、摩擦焊接工藝，成功研制批量生產(chǎn)出V150高鋼級6.25 in鉆桿產(chǎn)品。

4　石油鉆井桿展望

由于油氣開采環(huán)境和條件變得越來越復(fù)雜，水平井、深井和超深井、大位移井、抽油井、頁巖井等鉆井技術(shù)的應(yīng)用，鉆井成本和鉆井風(fēng)險(xiǎn)不斷提高，傳統(tǒng)意義上的鉆桿已不能滿足使用要求。新一代鉆桿正向著高強(qiáng)度、高韌性、智能化、數(shù)字化、防腐蝕、頁巖層和深海開采、安全環(huán)保等方向發(fā)展，使得石油鉆桿生產(chǎn)廠家和材料生產(chǎn)廠家更多地關(guān)注超高強(qiáng)度鉆桿或非鋼材料鉆桿，目的是提高鉆柱對鉆井工藝下服役工況和服役環(huán)境的適應(yīng)能力。抗腐蝕鉆桿、超高強(qiáng)度鉆桿、鈦合金鉆桿、鋁合金鉆桿、復(fù)合材料鉆桿、智能鉆桿等一些高性能鉆桿產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。隨著材料的冶煉工藝、熱處理工藝和加工制造工藝不斷提高和完善，產(chǎn)品的性價比也在不斷提高，新一代鉆桿將得到進(jìn)一步的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為油氣田勘探開發(fā)提供有力支持。

“十二五”期間，我國能源勘探開發(fā)全面提速，基本完成全國頁巖氣資源潛力調(diào)查與評價，初步掌握全國頁巖氣資源量及其分布。2015年，頁巖氣產(chǎn)量達(dá)65億 m3。2015年，全國天然氣開采產(chǎn)量超過1 400億m3。

中海油“十二五”期間具備1 500 m水深的開發(fā)能力，“海洋石油981”已于2012年5月9日在中國南海海域正式開鉆，開鉆井深1 500 m；至“十三五”期間，可具備3 000 m水深的開發(fā)能力。

中國石油集團(tuán)稱，海外業(yè)務(wù)是“十二五”發(fā)展重點(diǎn)，2015年末實(shí)現(xiàn)作業(yè)產(chǎn)量4億t油氣當(dāng)量，其中海外作業(yè)產(chǎn)量達(dá)2億t油氣當(dāng)量［7］。

5　結(jié)論

未來石油工業(yè)的發(fā)展是向著更深的超深井和更長位移的大位移井方向發(fā)展。我國在高性能鉆具研究方面還遠(yuǎn)落后于國外先進(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抗硫鉆桿材料的突破，使這些高性能鉆具的研究在中國很難有快速的發(fā)展；鋁合金鉆桿和超高強(qiáng)度鉆桿的研究將是我國高性能鉆具在近幾年的主要研究方向。我國的鉆桿生產(chǎn)經(jīng)歷了十幾年的研發(fā)試制，制造技術(shù)已經(jīng)基本成熟，開始能夠自主研發(fā)新產(chǎn)品，相信不久的將來國產(chǎn)石油鉆桿不但是產(chǎn)量世界第一，在質(zhì)量、品種、服務(wù)上一定也能躋身世界前列。

［1］廖謨圣，楊本靈.世界石油設(shè)備發(fā)展的新特點(diǎn)及機(jī)遇與挑戰(zhàn)［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（9）：1-6.

［2］趙金，陳紹安，劉永剛，等.高性能鉆桿研究進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（5）：96-99.

［3］王小紅，郭俊，郭曉華，等.鋁合金鉆桿材料、特點(diǎn)及其磨損研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2014，28（s1）：431-434，437.

［4］蘭凱，侯樹剛，閏光慶，等.國外輕質(zhì)高強(qiáng)度鉆桿研究與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2010，38（4）：77-81.

［5］袁文義，張泉海.國外鈦合金鉆桿的研究進(jìn)展［J］.新疆石油科技，2006，16（3）：13-15，75.

［6］李建強(qiáng)，于麗松，牛成杰，等.石油鉆桿的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.焊管，2011，34（11）：35-38.

［7］谷立功.我國鉆桿生產(chǎn)現(xiàn)狀及市場分析［N］.世界金屬導(dǎo)報(bào)，2012-07-24（B12）.

Oil drilling pipe is the primary tool used to transfer power and mud.Among all drill strings over 85%are DPs—the main tool for drilling.It included anti-sulfur DP，aluminumalloyDP，super strength DP，titanium DP，composition material DP，smart DP and heat insulation DP etc.Oil DP in the aspects of general situation，present status，applications and prospect were revlewed.

石油；鉆井桿；現(xiàn)狀；應(yīng)用

Petroleum；Drilling Pipe；Present Status；Application

TE 921+.2

A

1672-0555（2016）01-065-05

2015年10月

張文毓（1968—），女，本科，高級工程師，主要從事情報(bào)研究工作