全鈦合金鉆桿性能測試試驗研究

楊曉勇,陳世春,馮 強,劉永峰,張 恒,張文華

(渤海鉆探工程技術(shù)研究院 天津 300280)

0 引 言

鈦合金因其具有比強度高、耐腐蝕性好、彈性模量小、無磁、耐熱性好等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域[1]。隨著鈦合金管材制造技術(shù)逐漸成熟，鈦合金管具必將在石油化工行業(yè)發(fā)揮其巨大的應(yīng)用潛力。

鈦合金管材在20世紀90年代開始應(yīng)用于石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，美國RMI公司研發(fā)了一種優(yōu)質(zhì)的α+β型鈦合金,主要應(yīng)用于鈦合金油井管的制造[2]。美國雪佛龍公司于20世紀末開發(fā)出用在熱采井上的鈦合金套管，所用材料為Ti-6246(原用于航空工業(yè)耐熱高強度鈦合金)，2003年起在井深1 524 m，溫度260～287 ℃的熱采井中成功使用20多口井，取得良好的效果[3]。Weatherford公司的子公司Grant Prideco及RTI國際公司在Texas的子公司RTI能源系統(tǒng)公司于21世紀初研制出具有很高的強度、撓性和耐用性，而且質(zhì)量輕的鈦合金鉆桿。此鈦合金鉆桿采用鈦合金鉆桿本體加鋼制接頭的結(jié)構(gòu)，接頭材料為SAE-AISI4135、4140或4145鉻鉬鋼[4-5]。國內(nèi)對鈦合金鉆桿的研究還處于起步階段，只有少數(shù)幾家研究院所和制造廠正在進行鈦合金材料在石油天然氣鉆完井領(lǐng)域的先期研究[3,6]，尚無正式研究成果報道。

現(xiàn)階段鈦合金鉆桿主要指的是鈦合金管材本體加鋼制接頭形式組成的鉆桿，該鉆桿雖然具有較高的強度和撓性[7]，但同時存在著：1)鋼制鉆桿接頭與本體鈦合金管材間裝配復(fù)雜，極易形成內(nèi)應(yīng)力影響鉆桿整體疲勞壽命；2)鋼制鉆桿接頭與本體鈦合金管材間易形成電偶腐蝕，降低整體鉆桿疲勞壽命；3)鋼制鉆桿接頭抗腐蝕性能遠比鈦合金接頭差，造成整體鉆桿抗腐蝕性能差，降低整體鉆桿抗腐蝕疲勞壽命。在中國塔里木、塔中等類似區(qū)塊，需要完成6 000 m以上的超深井鉆井業(yè)務(wù)，且伴隨著高濃度的H2S等腐蝕性氣體，常規(guī)鈦合金鉆桿還不能徹底解決在超深井鉆井中降低鉆機負荷、提高鉆高耐腐蝕性能的需求，生產(chǎn)一種強度高、質(zhì)量輕、韌性好、耐腐蝕性強的鉆桿是解決高腐蝕環(huán)境下超深井鉆井的有效辦法。

基于國內(nèi)塔里木、塔中等區(qū)塊超深井鉆井對輕質(zhì)、耐腐蝕、長疲勞壽命鉆桿的需求和中油油服統(tǒng)籌項目“提高鉆機名義鉆深的輕質(zhì)鉆具研制”研究成果，本文研制了一種全鈦合金鉆桿(接頭、管體均為鈦合金材質(zhì))，鉆桿接頭與管體采用摩擦焊接技術(shù)連接，全鈦合金鉆桿重量為同規(guī)格鋼制鉆桿的57%，鉆桿抗拉、抗扭、抗內(nèi)壓性能達到API標準(API Spec 5DP—2009)中規(guī)定的同規(guī)格105(G)級鋼制鉆桿水平，滿足超深井鉆井對降低鉆機負荷、提高鉆桿耐腐蝕性能的需求。

1 試驗設(shè)計及測試依據(jù)

1.1 全鈦合金短鉆桿設(shè)計

全鈦合金鉆桿材質(zhì)為鈦合金TC4，其名義組成為 Ti-6Al-4V，屬于α+β型鈦合金?；谠囼炘O(shè)備對待檢測鉆桿長度限制的考慮，試驗鉆桿采用長度為3 800 mm 外徑為73 mm的全鈦合金短鉆桿,短鉆桿接頭尺寸與成品鉆桿相同，只將管體長度縮短，具體尺寸圖如圖1所示。全鈦合金短鉆桿制造工藝全部按照同規(guī)格成品鋼制鉆桿制造工藝實施，主要包括管體鐓粗、接頭螺紋加工、管體與接頭摩擦焊接、熱處理等工序，短鉆桿實物如圖2所示。

圖1 試件尺寸圖

圖2 試件實物圖

1.2 試驗設(shè)備及測試依據(jù)

本文主要包括鉆桿的抗拉強度測試、抗內(nèi)壓強度測試、抗扭強度測試3個試驗，抗拉強度測試試驗所用設(shè)備為D4590液壓測試架，抗內(nèi)壓強度測試試驗所用設(shè)備為3D-SY54/2000液壓泵，抗扭強度測試試驗所用設(shè)備為YC8-11液壓拆裝架。

本文研究全鈦合金鉆桿的目標是實現(xiàn)全鈦合金鉆桿抗拉、抗扭、抗內(nèi)壓性能達到API標準(API Spec 5DP—2009)中規(guī)定的同規(guī)格105(G)級鋼制鉆桿水平，實現(xiàn)對現(xiàn)有鉆桿的替代，故本試驗所有試驗檢測數(shù)據(jù)的選擇均以API標準(API Spec 5DP—2009)中規(guī)定的同規(guī)格105(G)級鋼制鉆桿力學性能數(shù)據(jù)為依據(jù)，如表1所示。

表1 全鈦合金鉆桿機械性能測試試驗依據(jù)

1.3 試驗設(shè)計

抗拉試驗在液壓測試架上進行，將2根全鈦合金短鉆桿連接放入拉力機中，初始加載拉力為200 kN,以每次200 kN的速度遞增，每次拉力試驗完成后采用液壓泵打壓10 MPa，穩(wěn)壓5 min,檢測鉆桿密封狀態(tài)的完整性，直到鉆桿拉斷為止，測試出鉆桿極限抗拉載荷。抗內(nèi)壓試驗是采用液壓泵3D-SY54/2000打壓，將1根短鉆桿兩邊接入試壓接頭，連接完成后打壓，初始打壓壓力為20 MPa,以后以每次20 MPa的速度遞增，直到壓力升到100 MPa為止，檢測鉆桿試壓過程中的完整性?？箖?nèi)壓試驗?zāi)繕嗽囼炛凳?60 MPa,但受試驗設(shè)備所限及鉆桿現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境考慮，將最高壓力值設(shè)定為100 MPa?？古ぴ囼炇窃赮C8-11液壓拆裝架上進行，鉆桿本體抗扭試驗是將拆裝架的2個鉗口卡到短鉆桿的2個接箍上，起始扭矩為16 kN·m,以2 kN·m的速度遞增，直到扭矩值達到設(shè)計試驗值為止。鉆桿接頭抗扭試驗是將1對鈦合金接頭連接，擰扣機的2個鉗口卡到2個接頭上，起始扭矩為8 kN·m,以2 kN·m的速度遞增，直到鉆桿接頭承受扭矩值達到設(shè)計試驗值為止。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 全鈦合金鉆桿抗拉試驗

鉆桿承受的最大拉力是全鈦合金鉆桿研究的重點，也是決定鉆桿能否現(xiàn)場應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)。全鈦合金鉆桿抗拉試驗如圖3所示。

圖3 全鈦合金鉆桿抗拉試驗圖

試驗過程中拉力隨時間變化的曲線如圖4所示。

圖4 全鈦合金鉆桿拉力隨時間變化曲線圖

在拉力達到1 200 kN時，拉力保持5 min無變化，鉆桿狀態(tài)完好，拉力測試完成后打壓到10 MPa,穩(wěn)壓5 min壓力無變化，受拉管串密封完好。當拉力上升到1 289 kN時，鉆桿拉斷，斷裂位置在鉆桿扣連接處,如圖5所示。另外2處連接扣保持完好。通過測試，鉆桿在拉力1 200 kN時保持完好，達到目標試驗值要求。

圖5 全鈦合金鉆桿抗拉試驗圖

2.2 全鈦合金鉆桿抗內(nèi)壓試驗

全鈦合金鉆桿抗內(nèi)壓試驗場景如圖6所示。

圖6 全鈦合金鉆桿抗內(nèi)壓試驗圖

鉆桿抗內(nèi)壓試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 100 MPa壓力隨時間變化曲線圖

從圖7中可以看到，當壓力達到100 MPa時，整個試壓系統(tǒng)穩(wěn)壓效果良好，未出現(xiàn)任何滲漏情況，鉆桿狀態(tài)保持完好。此試驗很好地驗證了全鈦合金鉆桿抗高壓的能力，達到了目標試驗值的要求。

2.3 全鈦合金鉆桿抗扭試驗

鉆桿抗扭矩的水平是決定鉆桿能否現(xiàn)場應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)。室內(nèi)測試試驗如圖8所示。

圖8 全鈦合金鉆桿抗扭試驗圖

鉆桿管體抗扭試驗結(jié)果如圖9所示，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。鉆桿接頭抗扭試驗結(jié)果如圖10所示，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

圖9 全鈦合金鉆桿管體抗扭試驗數(shù)據(jù)圖

序號扭矩/kN·m作用時間/min鉆桿狀態(tài)1165完好2185完好3205完好4225完好5245完好6265完好7285完好

圖10 全鈦合金鉆桿接頭抗扭試驗數(shù)據(jù)圖

序號扭矩/kN·m作用時間/min接頭狀態(tài)185完好2105完好3125完好4145完好5165完好6185完好7201斷裂

從測試結(jié)果我們可以看到，全鈦合金鉆桿管體在扭矩為28 kN·m時鉆桿狀態(tài)保持完好，超過目標試驗值22 kN·m的要求。全鈦合金鉆桿接頭在扭矩為18 kN·m時鉆桿接頭狀態(tài)保持完好，當扭矩增加到20 kN·m時，鉆桿接頭出現(xiàn)扭斷現(xiàn)象(如圖11)，鉆桿接頭的試驗值同樣超過了11.5 kN·m的要求。

圖11 鉆桿接頭抗扭斷裂圖

3 結(jié) 論

試驗表明，全鈦合金鉆桿抗拉強度達到了1 200 kN,管體抗扭強度達到了20 kN·m,接頭抗扭強度達到了18 kN·m,整體抗內(nèi)壓強度達到了100 MPa,滿足API標準(API Spec 5DP—2009)中同規(guī)格105(G)級鋼制鉆桿抗拉、抗扭、抗內(nèi)壓性能要求，全鈦合金鉆桿的性能參數(shù)已經(jīng)達到現(xiàn)場應(yīng)用標準。