新型钻杆材料介绍
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钻杆材料简介
小组成员：杨伟、刘宝林、刘炜 张晗、纪天坤
吉林大学建设工程学院 20来自百度文库2年4月
目录
一、钻杆材料 1、抗硫钻杆 2、铝合金钻杆 3、钛合金钻杆 4、超高强度钢钻杆 5、碳纤维复合材料钻杆 6、凯夫拉材料 二、钻杆安全性理论计算 1、拉应力 2、剪应力 3、弯曲应力 4、安全系数 四、钻杆的有限元分析 三、材料的性能测试试验与 方法 1、力学性试验 2、腐蚀性试验
超高强度钢钻杆
• 一、概况： • 轻质、薄壁的超高强度钢钻杆可用于解决大位移井、 超深井和深水钻井的钻井难题。但由于高强度钢在低 温下具有脆性且很难在抗冲击韧性和抗拉强度间达到 平衡,但近期, GrantPrideco开发出了UD- 165超高 强度钢钻杆(VM- 165级超高强度钢), 其独特的热处理 工艺使得钻杆既满足屈服强度的要求又满足韧性要求。 • 二、超高强度钢钻杆特点 • 为说明超高强度钢钻杆UD- 165的性能优势,将高 性能钻杆的相关参数进行了对比, 见表3。
铝合金钻杆
铝合金钻杆
• 二、接头 铝合金钻杆有钢制接头铝合金钻杆和全铝合金钻杆2 种, 如图 所示。钢接头铝合金钻杆的接头用钢材制造, 杆体与接头采用快速热配装方法实施螺纹连接。
钛合金钻杆
• 钛合金钻杆的商业应用是RTI 能源和GrantPrideoo 多 年试验的成果。钛的抗化学性强，比钢轻一半且韧性高1倍。 钛的这些性能特别适用于高温、腐蚀环境中，但是钛合金 钻杆制造费与钢钻杆相比非常高，且市场很有限。 • 钛合金钻杆由三个基本要素组成：钻杆本体、钻杆接头、 接头与本体连接。与常规钢钻杆相比较，钛合金钻杆有以 下性能优点：（1） 钛合金密度为4.1×103kg/m3，钢密 度为7.8×103kg/m3，钛比钢轻43%；（2）钛合金弹性 模量为119 GPa， 钢弹性模量为210GPa，钛合金是钢的 57%；（3）钛合金具有更好的耐腐蚀及抗侵蚀的能力； （4）钛合金具有高抗疲劳特性， 在空气和钻井液环境中 其疲劳性能几乎相同；（5）钛合金钻杆屈服强度为840M Pa，约等于S- 135钢钻杆强度重量比值的1.54 倍。
铝合金钻杆
• （4） 铝合金钻杆由于硬度低, 仅在HB130 左右, 对 H2 S 腐蚀介质不敏感, 而常规的钢钻杆, 例如S135 钢 级钻杆, 其硬度在HRC35 左右, 在含H2S的介质中极 易受腐蚀损坏。因此, 相对于钢性钻杆,铝合金钻杆对H 2S 腐蚀介质的抵抗力更高。 • （5） 振动衰减。相对于钢, 铝合金具有一个高的吸收 和分散弹性振动能量的能力。俄罗斯完成的研究结果 显示, 铝合金钻杆具有很强的吸收弹性振动能量的能力, 厚壁铝合金钻杆较钢钻杆的减震能力大约要高50% 。
铝合金钻杆
• （6）对于交变弯曲和动应力的抵抗力, 钻杆中 的交变弯曲应力与材料的弹性模量成比例, 在所有的其 他因素都相等的条件下, 铝合金钻杆和钢对应的比例为 1 ：2. 96。 • （7）铝合金钻杆材料强度随着温度的升高而降 低。当温度达到氏200 摄氏度时, 材料屈服强度和抗 拉强度与室温相比, 有明显的下降, 甚至高达40%以 上。
• 从表中可以看出, UD- 165钢钻杆的强度重力比较S- 135 级提高 了22% , 仅次于钛合金钻杆; UD- 165钢钻杆的强度重力比优于 铝合金钻杆; 由于采用薄壁结构使得水力性能要优于铝合金及钛 合金钻杆, 这对于大位移井和深井尤为重要
超高强度钢钻杆
• 三、接头 超高强度钢钻杆的接头设计原则是具有最小的外径和最大的 内径, 以减轻质量、增强水力学性能, 同时传递大的扭矩为此, 专 门设计了高强度双台肩钻杆接头。这种新型接头具有以下特点: （1）首创双头螺纹设计, 缩短上、卸扣时间达50%, 提高起下钻 效率; （2）采用双半径螺纹形式, 减小连接峰值应力, 延长疲劳寿命; （3）优化锥度, 满足钻杆连接速度和扭矩传递的需要; （4） 材料强度, 新接头采用标称最小屈服强度达896MPa材料 制造, 远大于API的827MPa要求, 有利于增加抗扭强度, 同时改 进的尺寸设计有利于提高水力效率。
铝合金钻杆
• （3）铝合金钻柱对套管的磨损比钢钻柱轻。通常, 铝合金钻柱的磨损较钢钻柱容易。但是, 由于钻铝合金 钻柱对套管的磨损比钢钻柱轻。通常, 铝合金钻柱的磨 损较钢钻柱容易。但是, 由于钻杆压力产生的法向压力 明显比钢钻柱低, 在所有其他条件都相同的情况下, 铝 合金钻杆的磨损比钢钻杆要低。同时, 由于铝合金钻杆 硬度低, 耐冲蚀磨损能力差, 钻井液中的研磨颗粒在钻 杆内高速的循环会导致钻杆内、外壁的磨损。这种磨 损在钻杆接头至钻杆的过渡区域尤其严重, 而在钢钻杆 中较少。
抗硫钻杆
• 抗硫钻杆是国内目前接触最多、应用最广的一种高性 能钻具, 主要用于酸性气田。在一些高含H2S 的油气 田, 由于H2S 对钻杆具有很强的腐蚀性, 尤其是对高强 度的钻杆。 • 抗硫钻杆在国内得到了大量的应用, 从95SS 钢级的钻 杆直到105SS钢级的钻杆。由于材料强度的提高, 必 然会导致材料硬度的提高, 而材料硬度的提高, 对腐蚀 环境的敏感性增强, 发生腐蚀和应力腐蚀的风险性越高。 因此, 抗硫钻杆材料的强度受到了很大的限制。
抗硫钻杆
铝合金钻杆
• 一、优越性（与常规钢性钻杆） （1）降低对钻机载荷的要求, 比钢性钻柱有更大的 钻深能力。铝合金的密度为2. 8 t / m3 , 钢的密度为 7. 8 t / m3。因此, 单位长度的铝合金钻杆质量远低 于常规的钢性钻杆, 约为钢性钻杆的1/ 3, 对8 000 m 以上的深井, 外径139 mm, 壁厚10. 54 mm的常规钢 钻杆的质量约为300 t , 而使用铝合金钻杆, 钻柱质量 约为100 t, 因此, 铝合金钻柱比钢钻柱显示出更强的 钻深能力。 （2）减少起下钻过程的能耗, 加快进度。试验结果 表明: 在起下钻中, 用铝合金钻杆比钢钻杆节省起钻时 间35% 、下钻时间17%。
小组成员：杨伟、刘宝林、刘炜 张晗、纪天坤
吉林大学建设工程学院 20来自百度文库2年4月
目录
一、钻杆材料 1、抗硫钻杆 2、铝合金钻杆 3、钛合金钻杆 4、超高强度钢钻杆 5、碳纤维复合材料钻杆 6、凯夫拉材料 二、钻杆安全性理论计算 1、拉应力 2、剪应力 3、弯曲应力 4、安全系数 四、钻杆的有限元分析 三、材料的性能测试试验与 方法 1、力学性试验 2、腐蚀性试验
超高强度钢钻杆
• 一、概况： • 轻质、薄壁的超高强度钢钻杆可用于解决大位移井、 超深井和深水钻井的钻井难题。但由于高强度钢在低 温下具有脆性且很难在抗冲击韧性和抗拉强度间达到 平衡,但近期, GrantPrideco开发出了UD- 165超高 强度钢钻杆(VM- 165级超高强度钢), 其独特的热处理 工艺使得钻杆既满足屈服强度的要求又满足韧性要求。 • 二、超高强度钢钻杆特点 • 为说明超高强度钢钻杆UD- 165的性能优势,将高 性能钻杆的相关参数进行了对比, 见表3。
铝合金钻杆
铝合金钻杆
• 二、接头 铝合金钻杆有钢制接头铝合金钻杆和全铝合金钻杆2 种, 如图 所示。钢接头铝合金钻杆的接头用钢材制造, 杆体与接头采用快速热配装方法实施螺纹连接。
钛合金钻杆
• 钛合金钻杆的商业应用是RTI 能源和GrantPrideoo 多 年试验的成果。钛的抗化学性强，比钢轻一半且韧性高1倍。 钛的这些性能特别适用于高温、腐蚀环境中，但是钛合金 钻杆制造费与钢钻杆相比非常高，且市场很有限。 • 钛合金钻杆由三个基本要素组成：钻杆本体、钻杆接头、 接头与本体连接。与常规钢钻杆相比较，钛合金钻杆有以 下性能优点：（1） 钛合金密度为4.1×103kg/m3，钢密 度为7.8×103kg/m3，钛比钢轻43%；（2）钛合金弹性 模量为119 GPa， 钢弹性模量为210GPa，钛合金是钢的 57%；（3）钛合金具有更好的耐腐蚀及抗侵蚀的能力； （4）钛合金具有高抗疲劳特性， 在空气和钻井液环境中 其疲劳性能几乎相同；（5）钛合金钻杆屈服强度为840M Pa，约等于S- 135钢钻杆强度重量比值的1.54 倍。
铝合金钻杆
• （4） 铝合金钻杆由于硬度低, 仅在HB130 左右, 对 H2 S 腐蚀介质不敏感, 而常规的钢钻杆, 例如S135 钢 级钻杆, 其硬度在HRC35 左右, 在含H2S的介质中极 易受腐蚀损坏。因此, 相对于钢性钻杆,铝合金钻杆对H 2S 腐蚀介质的抵抗力更高。 • （5） 振动衰减。相对于钢, 铝合金具有一个高的吸收 和分散弹性振动能量的能力。俄罗斯完成的研究结果 显示, 铝合金钻杆具有很强的吸收弹性振动能量的能力, 厚壁铝合金钻杆较钢钻杆的减震能力大约要高50% 。
铝合金钻杆
• （6）对于交变弯曲和动应力的抵抗力, 钻杆中 的交变弯曲应力与材料的弹性模量成比例, 在所有的其 他因素都相等的条件下, 铝合金钻杆和钢对应的比例为 1 ：2. 96。 • （7）铝合金钻杆材料强度随着温度的升高而降 低。当温度达到氏200 摄氏度时, 材料屈服强度和抗 拉强度与室温相比, 有明显的下降, 甚至高达40%以 上。
• 从表中可以看出, UD- 165钢钻杆的强度重力比较S- 135 级提高 了22% , 仅次于钛合金钻杆; UD- 165钢钻杆的强度重力比优于 铝合金钻杆; 由于采用薄壁结构使得水力性能要优于铝合金及钛 合金钻杆, 这对于大位移井和深井尤为重要
超高强度钢钻杆
• 三、接头 超高强度钢钻杆的接头设计原则是具有最小的外径和最大的 内径, 以减轻质量、增强水力学性能, 同时传递大的扭矩为此, 专 门设计了高强度双台肩钻杆接头。这种新型接头具有以下特点: （1）首创双头螺纹设计, 缩短上、卸扣时间达50%, 提高起下钻 效率; （2）采用双半径螺纹形式, 减小连接峰值应力, 延长疲劳寿命; （3）优化锥度, 满足钻杆连接速度和扭矩传递的需要; （4） 材料强度, 新接头采用标称最小屈服强度达896MPa材料 制造, 远大于API的827MPa要求, 有利于增加抗扭强度, 同时改 进的尺寸设计有利于提高水力效率。
铝合金钻杆
• （3）铝合金钻柱对套管的磨损比钢钻柱轻。通常, 铝合金钻柱的磨损较钢钻柱容易。但是, 由于钻铝合金 钻柱对套管的磨损比钢钻柱轻。通常, 铝合金钻柱的磨 损较钢钻柱容易。但是, 由于钻杆压力产生的法向压力 明显比钢钻柱低, 在所有其他条件都相同的情况下, 铝 合金钻杆的磨损比钢钻杆要低。同时, 由于铝合金钻杆 硬度低, 耐冲蚀磨损能力差, 钻井液中的研磨颗粒在钻 杆内高速的循环会导致钻杆内、外壁的磨损。这种磨 损在钻杆接头至钻杆的过渡区域尤其严重, 而在钢钻杆 中较少。
抗硫钻杆
• 抗硫钻杆是国内目前接触最多、应用最广的一种高性 能钻具, 主要用于酸性气田。在一些高含H2S 的油气 田, 由于H2S 对钻杆具有很强的腐蚀性, 尤其是对高强 度的钻杆。 • 抗硫钻杆在国内得到了大量的应用, 从95SS 钢级的钻 杆直到105SS钢级的钻杆。由于材料强度的提高, 必 然会导致材料硬度的提高, 而材料硬度的提高, 对腐蚀 环境的敏感性增强, 发生腐蚀和应力腐蚀的风险性越高。 因此, 抗硫钻杆材料的强度受到了很大的限制。
抗硫钻杆
铝合金钻杆
• 一、优越性（与常规钢性钻杆） （1）降低对钻机载荷的要求, 比钢性钻柱有更大的 钻深能力。铝合金的密度为2. 8 t / m3 , 钢的密度为 7. 8 t / m3。因此, 单位长度的铝合金钻杆质量远低 于常规的钢性钻杆, 约为钢性钻杆的1/ 3, 对8 000 m 以上的深井, 外径139 mm, 壁厚10. 54 mm的常规钢 钻杆的质量约为300 t , 而使用铝合金钻杆, 钻柱质量 约为100 t, 因此, 铝合金钻柱比钢钻柱显示出更强的 钻深能力。 （2）减少起下钻过程的能耗, 加快进度。试验结果 表明: 在起下钻中, 用铝合金钻杆比钢钻杆节省起钻时 间35% 、下钻时间17%。