铝合金钻杆

铝合金钻杆材料生产工艺及磨损研究进展

来源:西南石油大学材料科学与工程学院作者:王小红

综述了国内外主要的石油钻杆用铝合金的化学成分、物相组成及性能特点; 介绍了铝合金钻杆的生产工艺，重点阐述了其独特的挤压成形、淬火、矫直及装配工艺，探讨了不同使用工况下铝合金钻杆的磨损机理。最后，指出铝合金钻杆研发是一个涉及材料、装备、工艺的系统工程，我国开发石油钻杆用铝合金材料应以Al-Zn-Mg 系铝合金为基础，着力解决其热强性差、挤压成形后横向性能差等关键问题，并根据使用工况有针对性的设计其耐磨性能。

石油钻杆是用于传递动力、输送泥浆的主要工具，在整个钻柱中钻杆用量约占85% 以上，是钻井中的主要工具。随着钻井进行，井深不断加深，钻杆一根接一根不断加长钻柱，其自重不断增加，对钻机能力的要求也不断增加，仅靠增加钻机能力来完成深井、超深井的钻进十分困难。铝合金钻杆密度小、自重轻，弯曲应力小，耐H2S 腐蚀，在深井、超深井、定向井及酸性气井的钻探中有得天独厚的优势。

目前，世界上只有俄罗斯、美国、日本及法国等少数发达国家掌握了该技术并能批量生产铝合金钻杆。我国石油勘探用铝合金钻杆的研发还处于起步阶段，地质钻探用高强度铝合金钻杆的研制尚属空白。本文围绕石油钻杆用铝合金材料、生产工艺特点及磨损三个方面，综述近年来铝合金钻杆研发及生产中取得的重要成果，在此基础上，提出我国发展铝合金钻杆必须解决的几个关键技术。

1、石油钻杆用铝合金材料

最早的铝合金钻杆于20 世纪60 年代分别由瑞典的克芮留斯公司及前苏联冶金机械科学研究所研制成功。俄罗斯( 前苏联) 作为最早研制和使用铝合金钻杆的国家之一，对石油钻杆用铝合金材料也进行了深入研究，其钻杆用铝合金材料分为常用铝合金(D16T) ( 相当于美国的AA2024，我国的2A12)、高强度、耐腐蚀合金(1953T1) (相当于美国的AA7014，我国无相应牌号) 、特殊耐热合金( AK 4-1T1) ( 相当于美国的AA2618，相当于我国的2A70) 三大材料体系。美国是较早研究铝合金钻杆的国家之一，“雷诺金属”公司常选用AA2014T6 和AA2024T6 合金生产铝合金钻杆，该两种合金分别相当于我国的2A14T6 和2A12T6。

“阿尔考”公司则常用选用AA7075T6合金(相当于我国的7A09T6)制备铝合金钻杆。法国则采用与我国2A12 合金相当的A-U4GS 合金制作铝合金钻探管。其它可用于制备石油钻杆用的铝合金还有1070A、3A21、包铝的3A21、6061、6063，5083、5056、6070、6351 等合金。俄罗斯的D16 及美国的AA2014 均为Al-Cu-Mg 系铝合金，其主要合金元素为Cu、Mg、Mn，其组织为α(Al) 相、θ(Al2Cu) 及S 相组成的共晶体，由于θ相、S相均为高硬度相( 显微硬度分别为5488 MPa、4400 MPa) ，故该系合金挤压材经时效后室温抗拉强度最高可达487 MPa，且在

150 ℃下保温200 h后抗拉强度仍达446MPa，故该合金可用于制造在150 ℃温度下工作的钻杆。俄罗斯的1953T1 与美国的AA7075均为Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，其主要合金元素为Zn、Mg、Cu，该系合金成分常处于α + T(AlZnMgCu) ，θ + T(AlZnMgCu) +S，α (Al)+η(MgZn2)+ T(AlZnMgCu)及α(Al)+η( MgZn2) + S+ T(AlZnMgCu) 四个相区的交界附近，合金凝固速度及合金成分的变化都会导致其组织的变化。该系合金的主要强化相是η (MgZn2) 相及T(Al2Mg3Zn3) 相，可通过调节Mg、Zn含量、Zn/Mg及添加少量细化晶粒的Ti、Zr元素，从而控制组织中强化相的含量，提高其强度。时效处理后，该系列合金挤压材室温下的抗拉强度最高可达538 MPa。

俄罗斯的AK 4-1为Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热镁合金，该系列合金除含Al、Cu、Mg元素外还添加含量约1%的Ni、Fe元素及微量的Ti。该系列合金主要耐热相为S(CuMgAl2) 、FeNiAl9相，铁和镍加入量不当，会减少合金中主要耐热相S 的数量，降低合金的耐热性，故通常采用铁与镍含量为1∶1的方式加入0.8%～1.4%含量的铁和镍，使合金主要位于α(Al)+FeNiAl9的两相区，促进铁、镍与铝结合形成难溶的FeNiAl9相而不与铜发生反应，从而保证合金中的铜能充分形成S 相。常用铝合金石油钻杆化学成分如表1所示，要求铝合金中各单个杂质元素含量小于0.05%，杂质元素总量小于0.15%。

表1 常用铝合金钻杆化学成分(质量分数，%)

结语

铝合金作为一种新型的钻杆材料，具有质量轻、柔性大、抗疲劳、耐蚀等优点，在深井、超深井及酸性气藏开采领域具有广阔的应用前景。迄今为止，我国铝合金钻杆生产还是一片空白，随着我国深井、超深井及酸性气藏开采技术的发展，自主研发石油钻井用铝合金钻杆势在必行。目前，石油钻杆用Al-Cu-Mg系、

Al-Zn-Mg-Cu 系及Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系三大铝合金材料尽管在强度和塑性指标

上能满足石油钻井的需要，但是由于铝合金硬度低，在服役时易出现磨损，降低钻柱的可靠性，我国在研发石油钻杆用铝合金材料时，应以该三大铝合金材料体系为基础，着重发展高热强性的Al-Zn-Mg 系铝合金，并区分钻杆使用工况，有针对性的提高石油钻杆用铝合金的耐磨性能，开发高品质的石油钻杆用铝合金材料。

铝合金钻杆具有不同于钢钻杆的连接结构和特殊的生产工艺，由于满足强度要求的钻杆用铝合金均属于难挤压合金，加之铝合金在挤压时具有很高的黏着性，恶化制品表面质量，故挤压工艺是铝合金钻杆成形的关键环节，我国要自主开发铝合金钻杆，必须针对铝合金钻杆结构特点，设计并优化铝合金钻杆挤压磨具，开发并优化铝合金钻杆挤压工艺，提高铝合金钻杆的横向性能。同时，铝合金钻杆

开发是一个系统工程，要研发优质的石油钻井用铝合金钻杆，我国还需研发相应的热处理设备、矫直设备，开发并优化相应的热处理工艺、矫直工艺。