高可靠性铝合金钻杆及其在超深井和水平井中的应用

高可靠性铝合金钻杆及其在超深井

和水平井中的应用

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鄢泰宁1,薛　维2,兰　凯3

(11中国地质大学工程学院,武汉430074;21合康科技发展有限公司,北京100036;31中国石油化工股份有限公司中原石油勘探局钻井工程技术研究院,河南濮阳457001)

摘　要:在我国颁布铝合金钻杆国家标准的前提下,归纳了铝合金钻杆用于超深井和水平井钻井的众多优点;分析了新标准铝

合金钻杆与钢接头的连接方式:梯形丝扣连接、设置内支撑端面和锥形配合面、通过高温装配工艺实现过盈配合;介绍了在超深井和水平井中应用高可靠性铝合金钻杆可显著减少大钩载荷、转盘扭矩和泵压损失以及提高钻杆强度储备的效果。关键词:铝合金钻杆;铝合金钻杆与钢接头;超深井;大位移水平井中图分类号:P634.3 文献标志码:A 文章编号:100027849(2010)0120112204

1　问题的提出

钻杆柱是向井底钻头传递破岩所需压力、转速、扭矩的工具,是输送冲洗介质的通道,是完成提取岩心、处理事故等工作的基本手段。钻杆柱在井内的工作条件十分复杂,往往是整个钻探(井)设备与工具组合中比较薄弱的环节。随着我国地质工作与能源开发向深部发展,深井(包括斜井和大位移水平井)钻探的工作量与日俱增,对钻杆柱的性能指标提出了更高的要求,人们希望在不更换大吨位钻机的前提下能钻得更深。因此,轻质铝合金钻杆成了国内外同行关注的热点[122]。

20世纪60年代初,前苏联开始在钻井中使用铝合金钻杆,经过不断改进,目前俄罗斯已批量生产达世界领先水平的高可靠性铝合金钻杆并大量出口。欧盟在俄罗斯铝合金钻杆(ADP )标准的基础上,于2002年制定了铝合金钻杆的ISO1554622002国际标准[3],其地位与美国制定的钢钻杆A PI 国际标准等同。我国国家质量监督检疫总局和国家标准化管理委员会全文翻译了该国际标准,并于2006年12月15日作为中华人民共和国国家标准G B/T2065922006/ISO1554622002《石油天然气工业铝

合金钻杆》[4]

正式发布,自2007年5月1日起实施。因此,让国内钻井技术人员全面了解铝合金钻杆在重量、比强度、弹性和耐腐蚀性等方面的特点及其在超深井和水平井中的应用前景是十分必要的。

2　铝合金钻杆的工艺技术特征

2.1铝合金钻杆的优点

综合文献[1]和笔者2007年4月访问俄罗斯有

关铝合金钻杆科研生产单位带回的资料,将铝合金钻杆较之钢钻杆的优点归纳如下:

(1)与传统钻杆材料钢相比,铝合金具有宝贵的物理力学性能。铝合金的相对密度和弹性模量几乎是钢的1/3,而比强度(断裂强度极限与相对密度之比)却是钢的1.5～2.0倍。

(2)铝合金钻杆重量轻,在钻机能力一定的条件下,用铝合金钻杆能钻达钢钻杆无法达到的深度。俄罗斯曾用400t 能力的钻机钻成了世界最深的СГ23井(井深12262m ),用300t 钻机钻成了7000m 深的井。

(3)铝合金在腐蚀环境中的稳定性非常好。它表面覆盖了一层稳定的氧化膜,阻止了与环境的进一步反应,可用于任何浓度的硫化氢和二氧化碳环境,而且其抗腐蚀能力与温度无关。

(4)铝合金钻杆与井壁的摩擦阻力小,可减轻起下钻的阻卡。铝合金钻杆的浮力系数比钢钻杆小得多,可节省20%～25%的起下钻时间,并节省燃料,所以,铝合金钻杆用于井深3000m 以上的钻井最有效。

(5)在相同井眼曲率条件下,铝合金钻杆的弯曲应力远小于钢钻杆,从而适用于钻斜井、曲半径小的定向井和水平段长的水平井。

(6)铝合金钻杆具有和镍钴合金相似的无磁特性,方便随钻测量仪器的使用。

第29卷　第1期2010年 1月 地质科技情报Geological Science and Technology Information

Vol.29　No.1

Jan. 2010

3收稿日期:2009205231 编辑:杨　勇

作者简介:鄢泰宁(1945—　

),教授,长期从事钻探工程的教学与科研工作。

(7)铝合金钻柱可减小对裸眼和套管的作用力,

能有效地保护套管,适应裸眼段中更长的井。铝合金钻杆内泥浆的流动阻力小,可提高钻头的水功率。

(8)铝合金钻杆的钢接头可按A PI 标准加工丝扣,正常条件下,一般不会因丝扣磨损而更换铝合金钻杆。

(9)处理井内事故时,用一般牙轮钻头在钻速30m/h 左右条件下就可把井下铝合金钻具钻掉。

(10)俄罗斯铝合金钻杆的实际价格和高强度钢钻杆相当。

2.2三类钻杆材料的基本参数及其最大允许使用

长度的对比 基于文献[4]和笔者2007年4月访问俄罗斯有关铝合金钻杆科研生产单位时带回的资料,3类钻杆材料基本参数的对比见表1。

表1　钢钻杆、铝合金钻杆和钛合金钻杆的基本参数对比

　Table 1　Property comparison among steel pipe ,ADP

and titanium alloy pipe

材料

密度ρ/(g ・cm -3

)纵向弹性模量E /MPa 剪切模量E /MPa 泊桑

系数线膨胀系数/(10-6・℃-1)比热容/(J ・kg -1・℃-1)

钢

7.85210000790000.2711.4500铝合金 2.7871000270000.3022.6840钛合金

4.54

110000

42000

0.28

8.4

460

等尺寸条件下3类钻杆的最大允许使用长度可由下式算出:

L =σt /n (ρk -ρf )(1)式中:L 为等尺寸钻杆的长度;σt 为钻杆的强度,其

中,铝合金钻杆σt =310～530M Pa ,钛合金钻杆σt =490～1080M Pa ,钢钻杆σt =380～1030M Pa ;n

为安全系数;ρk 为钻杆密度;ρf 为钻井液密度。图1　三类钻杆的最大允许使用长度(理论值)Fig.1　Theoretical drill string length with different materials

据计算结果画出的3类钻杆最大允许使用长度

见图1,其中实线、虚线对应于不同的泥浆密度。可

见在同等条件下铝合金钻杆可适用的井深最大,钛

合金钻杆次之,钢钻杆最小。2.3铝合金钻杆的物理力学性质

国标(G B/T2065922006/ISO1554622002)[4]中4组铝合金钻杆的基本物理力学性质见表2,高可靠

性铝合金钻杆的抗腐蚀稳定性见表3。

表2　国标中4组铝合金钻相杆的基本物理力学性质对比

Table 2　Material requirements for ADP 物理力学性质第1组Al 2Cu 2Mg 第2组Al 2Zn 2Mg 第3组Al 2Cu 2Mg 2Si 2Fe 第4组Al 2Zn 2Mg

最小屈服强度/MPa (0.2%残余变形法)325480340350最小抗拉强度/MPa

(20℃时)460530410400最小伸长率/%12789最高使用温度/℃

160

120

220

160

表3　国标中3组铝合金钻杆在各种恶劣环境中的腐蚀速

度[g/(m 2・h )]对比

Table 3　Corrosion rate of ADP in various solutions

使用环境

第1组

Al 2Cu 2Mg

第2组Al 2Zn 2Mg

第4组Al 2Zn 2Mg

碱性环境,p H =11

(5%NaCl +5%NaO H )0.490.210.34中和环境,p H =7

(5%NaCl )

0.010.020.01酸性环境,p H =2.5

(5%NaCl +0.5%CH 3COO H )

0.05

0.04

0.01

全饱和H 2S 环境

无腐蚀无腐蚀无腐蚀

图2　铝合金钻杆丝扣结构Fig.2　ADP 2steel joint pipe connection

黑色为钢接头,白色为铝合金钻杆。

3　高可靠性铝合金钻杆的连接方式与

加工工艺

铝合金钻杆关键的结构要素是铝合金钻杆与钢

接头的连接问题。俄罗斯传统铝合金钻杆采用无止推面的三角形丝扣连接(图22A ),而高可靠性铝合

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