鉆井利器的故事之“鋁合金鉆桿”

梁 健， 張金昌， 尹 浩， 孫建華， 馮起贈(zèng)

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

大陸科學(xué)超深鉆探、深層油氣鉆井及大洋深水鉆探作業(yè)過(guò)程中，除地層條件復(fù)雜及不確定性外，還將遭遇“井溫高、壓力高、管柱長(zhǎng)、井徑大”的困難與挑戰(zhàn)，采用常規(guī)鉆井機(jī)具難以滿(mǎn)足鉆井要求，如施工效率低、周期長(zhǎng)，成本與能耗高，鉆井安全難以保障，甚至無(wú)法實(shí)施。鋁合金鉆桿以其獨(dú)特的優(yōu)越性，即具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、鉆進(jìn)深度大、所需能耗小等特點(diǎn)[1-6]，已成為超深井鉆探中鉆柱的優(yōu)選材料體系。那么，鋁合金鉆桿，顧名思義是一種由鋁合金材料制造而成的鉆桿，是鉆探專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中使用的一種鉆井工具。在介紹鋁合金鉆桿之前，請(qǐng)?jiān)试S我先帶領(lǐng)大家認(rèn)識(shí)一下鉆柱和鉆桿這對(duì)兄弟。

1 鉆柱=鉆桿？

鉆柱是在鉆井過(guò)程中連接地表裝備與井底工具的超長(zhǎng)桿件，其由鉆頭、鉆鋌、穩(wěn)定器、鉆桿、專(zhuān)用接頭及方鉆桿連接而成(圖1)，實(shí)現(xiàn)起下鉆頭、施加鉆壓、傳遞動(dòng)力、輸送鉆井液、處理事故等功能。

圖1 鉆柱的組成

鉆桿是一種兩端帶有螺紋的中空長(zhǎng)管，出于物資運(yùn)輸、鉆井工藝、機(jī)加工制造與成本控制等因素的考慮，每根鉆桿長(zhǎng)度一般在幾米到十幾米之間。根據(jù)鉆井深度的要求，鉆柱由成百上千根鉆桿連接而成。因此，鉆桿是鉆柱的組成部分。

2 鉆柱可以無(wú)限長(zhǎng)嗎？它的極限長(zhǎng)度是多少？

每種物質(zhì)都有其自身重力的存在，鉆桿也不例外。鉆柱中越靠近地表的鉆桿由于它所懸掛的鉆桿比較多，下部重力相對(duì)較大，當(dāng)鉆井超過(guò)某一深度時(shí)，鉆柱自重就能將井口處附近鉆桿拉斷，因此鉆柱存在它的極限應(yīng)用長(zhǎng)度[7]。

這就好比倒掛人梯的雜技表演，最上邊的第一個(gè)人，腳部固定，用手握住第二個(gè)人的腳，第二個(gè)人用手握住第三個(gè)人的腳，依次倒掛下去……(如圖2所示)。為了倒掛更多的人，需要保證第一個(gè)人身體最強(qiáng)壯，并保證他下面的人質(zhì)量總和盡量輕，就要求我們要尋找既強(qiáng)壯而又“苗條”的雜技演員，就是說(shuō)越靠近地表的鉆桿要求越“強(qiáng)壯”，越靠近孔底的鉆桿要求越輕。當(dāng)每根鉆桿所受的極限拉力等于他下端所接鉆桿重力時(shí)，就達(dá)到了鉆柱的極限長(zhǎng)度。

圖2 倒掛人梯雜技表演

3 鋁合金鉆桿就是我們夢(mèng)寐以求的“既強(qiáng)壯又苗條的雜技演員”

鋁合金鉆桿一般由鋼質(zhì)的公(母)接頭、鋁合金桿體通過(guò)螺紋連接組成(圖3)，相對(duì)于鋼鉆桿具有密度小、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)(圖4)。雖然相對(duì)于鋼鉆桿強(qiáng)度有所降低，但成倍減小的密度，使得鋁合金鉆桿的出現(xiàn)大大增加了鉆柱的極限長(zhǎng)度。由于鋁合金鉆桿的“到場(chǎng)”，配合鋼鉆桿組成的鉆柱，使得鉆探工程這一“伸入地殼的望遠(yuǎn)鏡”能夠“望得更遠(yuǎn)”。

4 鋁合金鉆桿的“前世今生”

自20世紀(jì)60年代，鋁合金鉆桿由瑞典的克芮留斯公司研制成功以來(lái)，一些國(guó)家的鋁合金鉆桿已經(jīng)形成系列開(kāi)發(fā)，并應(yīng)用于難進(jìn)入地區(qū)、大位移井、定向井、超深井及深部科學(xué)鉆探鉆進(jìn)中。其中，最為著名的應(yīng)用案例是前蘇聯(lián)СГ-3科學(xué)超深井，鋁合金鉆桿技術(shù)作為СГ-3科學(xué)超深井三大特色技術(shù)之一，為提高人類(lèi)向地下空間進(jìn)軍的能力做出了巨大貢獻(xiàn)。

圖3 鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 鋼鉆桿與鋁鉆桿能力對(duì)比

截止21世紀(jì)初，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所首先提出了“我國(guó)鋁合金鉆桿應(yīng)逐步完成其批量化、系列化和低成本的開(kāi)發(fā)應(yīng)用”。目前，經(jīng)多輪立項(xiàng)研究，鋁合金鉆桿已初步形成系列[8]，包括?34、42、52 mm普通外絲鉆桿、?60 mm水文及環(huán)境地質(zhì)評(píng)價(jià)鉆孔抽水與壓水試驗(yàn)用全鋁鉆桿、?91和114 mm繩索取心鉆桿、?95 mm反循環(huán)鉆進(jìn)用雙壁鉆桿，?147 mm石油及科學(xué)深部鉆探用鉆桿(圖5)?，F(xiàn)如今，亞洲最深的大陸科學(xué)探井“松科2井”中成功應(yīng)用了鋁合金鉆桿，充分體現(xiàn)了其在減少鉆機(jī)動(dòng)力消耗，降低鉆探施工難度，提高鉆探效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面的優(yōu)勢(shì)。

圖6為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用鋁合金鉆桿的幾個(gè)重大工程。

5 鋁合金鉆桿任重道遠(yuǎn)

雖然鋁合金鉆桿表現(xiàn)出優(yōu)異的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)階段鋁合金鉆桿還存在3個(gè)方面的不足[9-14](圖7)。

(1)硬度因素。鋁合金鉆桿的材料硬度偏低，在鉆進(jìn)過(guò)程中易產(chǎn)生磨損等損傷。

(2)熱穩(wěn)定性因素。隨著井深的不斷增加、地溫的持續(xù)升高，鋁合金鉆桿在高溫條件下具有力學(xué)性能衰減的特性。

圖5 勘探技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的系列鋁合金鉆桿

圖6 國(guó)內(nèi)外超深井應(yīng)用情況

(3)腐蝕因素。鉆井過(guò)程中所使用的鉆井液在高溫高壓的作用下具有較強(qiáng)的腐蝕性，致使鋁合金鉆桿極易發(fā)生腐蝕。

圖7 鋁合金鉆桿的“痛楚”

因此，要努力實(shí)現(xiàn)鋁合金鉆桿技術(shù)的優(yōu)化與升級(jí)，設(shè)計(jì)制造出的長(zhǎng)壽命、高可靠性鋁合金鉆桿，為我國(guó)未來(lái)的萬(wàn)米深地與深水科學(xué)鉆探工程的謀劃與實(shí)施提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為滿(mǎn)足我國(guó)進(jìn)一步的推進(jìn)地殼探測(cè)工程計(jì)劃提供理論支撐和技術(shù)支持。

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