石油钻杆的生产现状与发展趋势

石油钻杆的生产现状与发展趋势

1、石油钻杆的发展

人类利用工具钻探而获取资源的历史可以追溯到11世纪，那时人们利用竹木做工具，以人畜为动力，冲击钻凿盐井，并利用伴随开采出来的天然气煮盐水获得食盐。这些最早用来钻井的竹木可以称作第一代钻杆。20世纪初，利用钢铁工具和设备，以蒸汽机作动力，开始了顿钻打井，当时的钻探工具可以称得上是第二代钻杆。

真正意义的钻杆产生于20世纪40年代，那时利用钻头钻取岩屑，利用钻杆传递扭矩和泥浆液，钻井速度和深度也大大提高。到了70年代，随着计算机技术的高速发展，钻井进入自动化阶段，同时对钻杆性能提出了更高的要求，这个时期到现在使用的钻杆称为第三代钻杆。

由于水平井、深井和超深井、大位移井等钻井技术的应用，钻井成本和钻井风险也在不断提高，传统意义的钻杆已不能满足使用要求，第四代钻杆正向着高强度、高韧性、智能化、数字化、防腐蚀、安全环保等方面发展。

2、钻杆的生产现状

世界上著名的钻杆生产厂有美国格兰特钻具公司（现已被美国国民油井公司收购）和法德合资的瓦姆公司，

两家的生产能力约占全世界的一半。国内具有代表性的钻杆生产企业有上海宝钢、江苏曙光格兰特钻杆有限公司、渤海能克钻杆有限公司等。近几年随着石油价格的上涨，钻杆用量和价格也随之上涨，山西风雷钻具有限公司、无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司、上海华实海隆石油装备有限公司、江阴德马斯特集团等也加入了钻杆的生产行列，普通钻杆已经完全替代了进口，并形成了一定的出口能力。

20世纪70年代，加压气焊及闪光对焊技术用于钻杆的修复和生产，这两种焊接方法的工艺参数不易控制，容易在焊接过程中使粒状或块状氧化物和硅酸盐类非金属夹杂物残留在焊缝中，形成致命的浅平微坑状焊接灰斑缺陷。存在灰斑缺陷的钻杆在使用中极易导致早期脆性断裂，远不能满足钻井要求，因此，这两种焊接方法很快被淘汰。摩擦焊作为一种新型焊接方法，具有加热时间短、热影响区小、焊接质量稳定、高效环保等特点，很快在钻杆生产中得到应用。

3、钻杆的生产工艺

我国的钻杆生产开始于20世纪90年代，钻杆的生产大致包括三个部分：管端加厚、工具接头加工、摩擦对焊及后续处理。

3.1管端加厚

石油钻杆的管体材料是低碳合金钢，连铸连轧的圆钢坯经过大型回转炉加热后进入延伸机、芯棒自动穿孔机成型，再次加热后进行内外径精整，矫直进入墩锻工序。由于石油钻杆

的焊缝部位是使用过程中最薄弱的环节，无缝管在焊接前要对管体的两端进行管端加厚，以增加厚度来提高薄弱部位的强度，使焊缝部位的整体强度大于管体的整体强度。根据管径不同一般分为内外加厚、内加厚、外加厚3种型式，其中以内外加厚型式为主。管端加厚的过程首先是对无缝管的管端进行加热、均热；其次是用液压或者气动的方式对管端进行墩打，外表面靠模具成型，内表面靠温度梯度自然成型；最后对整个管体进行热处理、矫直、无损探伤检查。管端加厚管的关键技术在于内表面过渡带的成型，因为这个部位在使用中最薄弱，受力最复杂，大约有70%的事故都发生在这个部位，所以对钻杆的质量举足轻重。

3.2工具接头加工

工具接头的材料一般采用中碳合金钢，毛坯经过加热后分三次冲压成型，经过正火后进行机械加工。首先对毛坯进行内孔、外圆、端面的车削加工，其次是对接头进行调质热处理以获取综合的力学性能，最后对接头进行螺纹加工，螺纹部分要进行镀铜或磷化处理，防止在使用过程中发生粘扣现象。

接头质量的好坏在于热处理和螺纹加工这两个关键工序。热处理组织直接影响接头的各项力学性能，所以先进的钻杆厂采用全自动连续可控气氛保护加热，油质或水基淬火剂淬火，接头加热过程中采用还原性气氛保护，保证了工件不氧化、脱碳和渗碳。接头淬火和回火后，逐个进行表面硬度检测和磁粉探伤。热处理之后进行螺纹加工，钻杆螺纹是粗牙锥形螺纹，在钻杆的连接过程中，螺纹起着关键的作用。因此，螺纹加工大都采用高精度数控机床进行，对加工出的接头逐个进行螺纹紧密距、螺距、锥度、牙高等参数的测量，以保证螺纹扣型和精度要求，从而有力保证了钻杆接头的连接性能。

3.3摩擦对焊及后续处理

钻杆的摩擦对焊是整个钻杆生产的重要一环，为了保证焊接质量，几乎所有的钻杆厂都采用全自动摩檫焊机，并配备焊接参数监控装置，对焊接过程中的摩擦时间、摩擦压力、顶锻压力、顶锻时间和缩短量等参数进行自动监控和记录，从而保证焊缝质量。焊后需把焊接毛刺去除，对焊接热影响区进行调质处理，对焊缝进行无损探伤检查。其中焊缝的调质热处理至关重要，几乎全部厂家都采用中频加热方式进行，并对加热温度、加热时间、保温时间、淬火时间等参数自动记录。这种焊缝热处理的优点是：加热热影响区窄，加热时间短；焊区组织均匀稳定，性能可靠；焊区表面的残余应力小。

4、钻杆生产中存在的问题

4.1焊接飞边的去除

钻杆在摩擦焊接过程中会形成内外飞边，其中高钢级钻杆由于公接头内径小于管体焊接部内径，给去除内飞边造成很大困难。传统机床车削由于接头内径的限制，车床刀杆直径小易造成加工时刀杆振颤，严重影响了加工质量与效率。目前，多数厂家采用冲切方式去除内飞边，加工效率较高。由于冲头型式、冲切时机、冲切力大小等因素影响，有时会造成冲切时毛刺划伤管体内壁或在内壁粘连等现象，影响了钻杆的正常使用。

4.2抗硫钻杆的应用

硫化氢腐蚀造成钻杆失效的事故已经很多了，国内的钻杆厂家也已经研制出抗硫钻杆，但现在还没有得到推广用。归纳有两点：①抗硫钻杆的价格贵，大约是普通钻杆的2倍。因为抗硫钻杆材料特殊，生产工艺复杂，造成价格居高不下。②强度有待提高，在含硫环境

中钻井，钻杆钢强度越高，受腐蚀破裂危险性越大。

4.3强度与韧性

在钻杆的生产和制造过程中常常遇到强度与韧性的矛盾。现在打井过程中，多数井眼不是竖直的，斜井、水平井的应用越来越多，在“狗腿”部位钻杆受到交变应力的作用，韧性差，很容易发生断裂或刺穿事故。面对这样的矛盾，生产厂开始尝试开发新的钢种，通过改变钢的成分和组织来增加强度和韧性，如添加金属钼。

5、钻杆生产的前景及发展方向

5.1智能钻杆

智能钻杆是由美国格兰特公司首先开始研制的，他们在军方的资助下，在钻杆接头部植入芯片，通过钻杆将打井过程中的地下信息传递到地面，由地面上的仪器在线分析以提高打井的效率。准确地说智能钻杆是一种可通过钻井过程中钻杆的连接，以实时方式利用井下控制工具将高精度数据提供给司钻的一种新系统，这项技术的研制将是石油技术史上又一次技术革命。格兰特公司利用该技术在美国本土4口油井上进行了试验，取得了一定经验。众所周知，钻井时井下状况异常复杂，传输系统要经受高温、高压、地磁等干扰考验，所以此项技术还处于试验阶段，大面积的推广应用还需要时间。

5.2铝合金钻杆

虽然铝合金钻杆已经制定了GB/T20659—2006《铝合金钻杆》，并于2007年5月1日颁布实施，但国内还没有一家钻杆生产企业可以制造铝合金钻杆。铝合金钻杆用于石油工业已有数十年的历史，绝大多数经验来自俄罗斯和周边国家。它的优点是：在强度相同的情况下，重量仅为钢钻杆的一半，因而在设备、动力、运输和劳力方面都可大大节约，由于壁厚的增加，使耐磨性增强，寿命延长，铝合金钻杆的寿命几乎是普通薄壁钢钻杆的两倍多；铝合金钻杆有较大的回弹力，因而其抗冲击能力增加，从而改善了钻头在井底的工作条件，使寿命延长；抗腐蚀性强，除不易氧化外，还不易受酸性物质的侵蚀，在酸性井(含H2S和CO2等)使用可节省大量费用。其不足之处是屈服强度相对较低，特别是在高温情况下，屈服强度将急剧下降；壁厚要比钢钻杆厚，造成水马力下降。我国的塔里木油田由于勘探开发的需要，近期向俄罗斯订购了两套铝合金钻杆，除价格贵外，采购也非常困难，需承诺不用于军事行业。从目前塔里木油田的使用情况看并不理想，其主要缺陷是强度低。

5.3抗腐蚀钻杆

随着钻井深度增加，复杂地层不断出现，特别是含S地层和含CO2地层的增多，给钻井安全带来了考验，特殊的油气田迫切需要抗腐蚀的钻杆。

CO2的腐蚀主要是CO2气体溶于钻井液后形成酸性介质，对钻杆产生电化学腐蚀。CO2含量高的油气田主要分布在加拿大北部，我国的江苏地区也有CO2含量高的油气田。日本的JFE钢铁株式会社针对这样的油气田率先研制出JFE-13Cr马氏体不锈钢钻杆，产品不但具有更高的强度和卓越的抗腐蚀特性，而且还具有良好的低温韧性。

H2S气体的危害要远远大于CO2，H2S气体在溶于钻井液后形成弱酸并释放出H+，H+浓度增大后会渗透到钻杆内部形成“氢脆”使钻杆的冲击韧性大大降低，在很短的时间内突然断裂，危害性非常大。H2S气体还是一种有毒有害气体，人在少量闻到时会产生恶心、