高性能鉆桿研究進展

趙 金,陳紹安,劉永剛,李廣山

(1.中國石化西南油氣分公司管具中心,四川德陽618000;2.川慶鉆探川東鉆具井控公司,重慶401124; 3.中國石油集團石油管工程技術研究院,西安710065) *

高性能鉆桿研究進展

趙 金1,陳紹安2,劉永剛3,李廣山3

(1.中國石化西南油氣分公司管具中心,四川德陽618000;2.川慶鉆探川東鉆具井控公司,重慶401124; 3.中國石油集團石油管工程技術研究院,西安710065)*

近年來,隨著酸性氣田的勘探開發及特殊鉆井工藝的應用,鉆具失效事故時有發生,對鉆具的安全性能提出了新要求。對國內外的抗硫鉆桿、鋁合金鉆桿、鈦合金鉆桿等高性能鉆桿的性能和特點進行了綜合分析和評價,為復雜環境和服役工況下的鉆具選用提供參考。針對這些高性能鉆桿的性價比,提出了我國自主研發高性能鉆桿的建議。

鉆桿;性能;鋁合金;鈦合金

隨著鉆機性能的不斷提升和發展,以及新鉆井技術和鉆井工藝的不斷提高和應用,一些高含CO2和H2S的酸性氣田以及超深油氣藏資源正在被不斷地發現和開發,超深井、超短水平定向井、大位移井的數量也在不斷增加,對鉆具安全提出了新的考驗。例如,川渝氣田羅家2井[1]的H2S含量高達125.53 g/m3,CO2含量106.88 g/m3;塔里木的大北氣田平均井深在6 000 m以上,并含有一定量的腐蝕性介質。常規的 G105鋼級、S135鋼級鉆桿已不能很好地滿足和適應這些氣田安全、高效的鉆井需要,鉆具失效事故時有發生[2-4]。事實表明:酸性氣田開發中的腐蝕介質對鉆具的威脅會給井隊安全生產和人身健康帶來巨大的危險和安全隱患,而超深井鉆探過程中的鉆具失效也會帶來巨大的經濟損失。例如,川渝氣田羅家2井發生的鉆具硫化氫應力腐蝕開裂失效和克深1井發生的鉆具斷裂失效事故。常規的S135鉆桿已不能滿足超深井和高酸性氣田對鉆具的高強度、高韌性和抗腐蝕服役工況和服役環境的要求,發生失效的風險性增強。針對這些復雜的鉆井服役工況和服役環境以及新鉆井技術和工藝,鉆具產品也在不斷發展,研制出了一批高性能鉆桿產品[5]。

1 抗硫鉆桿

抗硫鉆桿是國內目前接觸最多、應用最廣的一種高性能鉆具,主要用于酸性氣田。在一些高含H2S的油氣田,由于 H2S對鉆桿具有很強的腐蝕性,尤其是對高強度的鉆桿。因此,抗硫鉆桿在國內得到了大量的應用,從95SS鋼級的鉆桿直到105SS鋼級的鉆桿。由于材料強度的提高,必然會導致材料硬度的提高,而材料硬度的提高,對腐蝕環境的敏感性增強,發生腐蝕和應力腐蝕的風險性越高。因此,抗硫鉆桿材料的強度受到了很大的限制。目前,美國格蘭特鉆桿有限公司研發成功了120SS鋼級的抗硫鉆桿,并在油田得到應用。隨著我國市場對抗硫鉆桿需求的增加,尤其是近幾年高酸性氣田的開發,例如四川的普光氣田、羅家寨氣田,塔里木塔中氣田等區塊,抗硫鉆桿的需求劇增,促進了我國抗硫鉆桿的研究和開發。目前,我國的抗硫鉆桿技術研究已取得階段成果,包括寶鋼、渤海能克在內的多家國內鉆桿生產廠家研發出95SS和105SS鋼級的抗硫鉆桿,并在油田得到應用。120SS鋼級抗硫鉆桿已在研發當中。表1為國內某鉆桿生產廠家的抗硫鉆桿性能。

表1 國內某鉆桿廠家研發的抗硫鉆桿管體性能指標

2 鋁合金鉆桿

從20世紀50年代起,俄羅斯開始從事鋁合金鉆桿的研制和推廣應用,做了大量研究工作,取得了豐碩的研究成果,Samara金屬冶煉廠和 Kamensk-Uralsky金屬冶煉廠在當時設立研發小組,開始從事鋁合金鉆桿的研發工作,配備了專門用于制造不同橫截面鉆桿的設備,建造了用于全尺寸鋁合金鉆桿生產的廠房。這些研究和設計考慮了鋁合金鉆桿生產的基礎設備,利用了鋁合金鉆桿的所有優點,與常規鋼性鉆桿,具有7個特點。

1) 降低對鉆機載荷的要求,比鋼性鉆柱有更大的鉆深能力。鋁合金的密度為2.8 t/m3,鋼的密度為7.8 t/m3。因此,單位長度的鋁合金鉆桿質量遠低于常規的鋼性鉆桿,約為鋼性鉆桿的1/3,對8 000 m以上的深井,外徑139 mm,壁厚10.54 mm的常規鋼鉆桿的質量約為300 t,而使用鋁合金鉆桿,鉆柱質量約為100 t,因此,鋁合金鉆柱比鋼鉆柱顯示出更強的鉆深能力。

2) 減少起下鉆過程的能耗,加快進度。一項試驗結果表明:在起下鉆中,用鋁合金鉆桿比鋼鉆桿節省起鉆時間35%、下鉆時間17%。

3) 鋁合金鉆柱對套管的磨損比鋼鉆柱輕。通常,鋁合金鉆柱的磨損較鋼鉆柱容易。但是,由于鉆桿壓力產生的法向壓力明顯比鋼鉆柱低,在所有其他條件都相同的情況下,鋁合金鉆桿的磨損比鋼鉆桿要低。同時,由于鋁合金鉆桿硬度低,耐沖蝕磨損能力差,鉆井液中的研磨顆粒在鉆桿內高速的循環會導致鉆桿內、外壁的磨損。這種磨損在鉆桿接頭至鉆桿的過渡區域尤其嚴重,而在鋼鉆桿中較少。

4) 鋁合金鉆桿由于硬度低,僅在 HB130左右,對H2S腐蝕介質不敏感,而常規的鋼鉆桿,例如S135鋼級鉆桿,其硬度在 HRC35左右,在含 H2S的介質中極易受腐蝕損壞。因此,相對于鋼性鉆桿,鋁合金鉆桿對H2S腐蝕介質的抵抗力更高。

5) 振動衰減。相對于鋼,鋁合金具有一個高的吸收和分散彈性振動能量的能力。俄羅斯完成的研究結果顯示,鋁合金鉆桿具有很強的吸收彈性振動能量的能力,厚壁鋁合金鉆桿較鋼鉆桿的減震能力大約要高50%。

6) 對于交變彎曲和動應力的抵抗力,鉆桿中的交變彎曲應力與材料的彈性模量成比例,在所有的其他因素都相等的條件下,鋁合金鉆桿和鋼對應的比例為1∶2.96。

7) 鋁合金鉆桿材料強度隨著溫度的升高而降低。當溫度達到氏200℃時,材料屈服強度和抗拉強度與室溫相比,有明顯的下降,甚至高達40%以上。

鋁合金鉆桿有鋼制接頭鋁合金鉆桿和全鋁合金鉆桿2種,如圖1所示。鋼接頭鋁合金鉆桿的接頭用鋼材制造,桿體與接頭采用快速熱配裝方法實施螺紋連接。目前,鋁合金鉆桿已列入 2009年版ISO13085國際標準,塔里木油田在國內率先引進了第1批鋁合金鉆桿,并進行了幾口井的現場應用試驗,取得了很好的效果,其他油田用戶也在開始引進鋁合金鉆桿。

圖1 鋁合金鉆桿的2種結構

3 超高強度鉆桿

超高強度鋼鉆桿是為實現超深井鉆井而研制的。目前,市場上可提供的高強度鋼鉆桿的最小屈服強度為965 MPa(140 kpsi)和1 034 MPa(150 kpsi)。140鋼級鉆桿使用量大約是16.8×104m,150鋼級為6.1×104m。165級鋼的開發使得其產品的強度質量比相比S135鉆桿提高22%,僅比鈦合金鉆桿低15%,位于第2位,但其成本卻遠低于鈦合金鉆桿。國外某鉆桿生產廠家生產的Z-140型高強度鉆桿的強度質量比率為 123.3 kPa/kg/m3,比S135鉆桿高出11%。

鋼的延展性和剛性之比降低已成為阻礙高強度鋼鉆桿應用的一個重要難題。制造商已經進行了明顯的改進。煉鋼、軋制、熱處理工藝的不斷進步,為超高強度等級的材料達到更高的韌性指標提供了技術支持。

4 鈦合金鉆桿

用于超短半徑鉆井的鈦合金鉆桿已經研制成功。在超短半徑鉆井、超深井和深水鉆井應用中,鈦合金鉆桿具有明顯的優勢。鈦要比鋼輕56%,鈦合金鉆桿的最小屈服強度為827 MPa(120 kpsi),比S135鋼鉆桿強度質量比提高了37%。目前,鈦合金鉆桿已用于超短半徑鉆井,在美國科羅多拉州,為滿足曲率半徑<18.3 m的老井側鉆作業的需要,國外研制了可靠性好、使用壽命長的鈦合金鉆桿。這種鉆桿的桿體選用 Ti-6Al-4V合金制造,接頭用鋼材制造,桿體與接頭采用快速熱配裝方法實施螺紋連接。桿體表面采用噴丸硬化工藝處理,桿端實施加厚處理。生產出長9.14 m,直徑為?73 mm的鈦合金鉆桿管體與直徑為?92.5 mm FR26鉆桿接頭配接,已成功用于美國科羅多拉州的一口曲率半徑為18 m的油井的鉆井作業[6]。

鈦具有高抗腐蝕、沖蝕和良好的耐疲勞特性。毫無疑問,鈦可以用于制造高性能的鉆桿,為推動超短半徑水平井和超深井的發展提供技術解決方案。但鈦合金材料對疲勞缺口相當敏感,當長時間處于應力條件下時,其磨損速率極快。同時,鈦合金鉆桿的成本高出鋼鉆桿一個數量級,制造成本非常高,大約是常規鋼鉆桿的7～10倍。成本問題也成為鈦合金鉆桿在石油行業應用發展的最大問題。由于價格昂貴,在國內還沒有油田用戶引進鈦合金鉆桿[7]。

5 復合材料鉆桿

復合材料鉆桿是通過在卷筒上纏繞碳纖維,然后應用一種環氧基復合材料覆蓋并密封而成。目前生產的復合鉆桿,其成本大約是常規鋼鉆桿成本的3倍,但復合材料鉆桿具有許多潛在的優勢,包括質量輕、高的強度質量比、超高的抗腐蝕能力以及增強的抗疲勞能力。目前阻礙復合鉆桿用于超長位移的大位移井、超深井和深水鉆井的一個主要問題是其水力特性和效率。為了獲得必要的結構特性,復合鉆桿必須制造得比常規鋼鉆桿厚許多。根據設計參數,復合鉆桿的壁厚可能要達到常規鋼鉆桿壁厚的2倍。這將明顯降低管子內徑,導致鉆桿內的壓力損失過大。由于水力效率的這種重要性,復合材料鉆桿通常無法為超長位移的大位移井和超深井的鉆井施工提供一個可行的解決方案。

國外研究機構對幾種高性能鉆桿與常規的S135鋼鉆桿進行了性價比,如表2所示。從表中不難看出,這些高性能鉆具價格都遠高于常規的S135鋼鉆桿,同時又具有常規S135鋼鉆桿無法達到的高性能指標,可以滿足更復雜的鉆井工藝和環境工況,這也是這些高性能鉆具得以存在和發展的原因。

表2 不同材質高強度鉆桿的主要性能

6 結語

未來石油工業的發展是向著更深的超深井和更長位移的大位移井方向發展,從而導致石油鉆桿生產廠家和材料研究機構更多地關注超高強度鋼鉆桿或非鋼鉆桿,目的是提高鉆柱對新鉆井工藝下的服役工況和服役環境的適應能力?？沽蜚@桿、鋁合金鉆桿、超高強度鉆桿、鈦合金鉆桿和復合材料鉆桿等這些高性能鉆桿產品,隨著材料治煉工藝、熱處理工藝和制造工藝的不斷提高,產品性價比將不斷提高,也將得到進一步的發展和應用。我國在高性能鉆具的研究方面還遠落后于國外的先進水平,鈦合金鉆桿的高成本、復合材料鉆桿自身的局限性和高鋼級抗硫鉆桿材料的突破,使這些高性能鉆具的研究在中國很難有快速的發展,鋁合金鉆桿和超高強度鉆桿的研究將是我國高性能鉆具在近幾年的主要研究方向。

[1] 戴金星,胡見義,賈承造,等.關于科學安全勘探開發高硫化氫天然氣田的建議[C].院士論壇,2005:112-116.

[2] 劉永剛,羅瓊英,李三昌,等.硫化氫腐蝕環境下的鉆具失效研究[J].石油礦場機械,2009,38(3):62-65.

[3] 王運美,張 宏.鉆具失效誘因及濕 H2S環境危害探討[J].石油礦場機械,2009,38(7):30-33.

[4] 劉永剛,陳懷高,劉文紅,等.氣體鉆井過程中的鉆具失效研究[J].石油礦場機械,2008,37(2):49-52.

[5] 魏存祥,劉海軍,魏 志,等.新型高強度鉆桿性能及應用[J].重慶科技學院學報:自然科學版,2008,10(4): 37-40.

[6] 張泉海.國外鈦合金鉆桿的研究進展[J].新疆石油科技,2006,16(3):21-24.

[7] 王永夏,張傳濤,張 蓓.新型鈦合金和鋁合金鉆桿結構安全性分析[J].石油礦場機械,2010,39(12): 31-33.

Progress on High-performance Drill Pipe

ZHAO Jin1,CHEN Shao-an2,LIU Yong-gang3,LI Guang-shan3
(1.Drilling Tools Center,Southwest Company,Sinopec,Deyang618000,China; 2.Drilling Tools and Well Control Company,Chuanqing Drilling Crop,Chongqing401124,China; 3.Research Institution ofTubular Goods,CN PC,Xi′an710065,China)

In recent years,with the acid gas field exploration and development and use of special process wells,drilling failure accidents have occurred and put forward new requirements on the safety performance of the proposed drilling.In this paper,performance and features on domestic and international resistance to sulfur drill pipe,aluminum alloy drill pipe,titanium drill pipe and other high-performance drill were comprehensive analyzed and evaluated,which refer the advice on the selection of drill pipe in different service conditions,and put forward the independent research direction on the high-performance drill pipe in China in recent years.

drill pipe;performance;aluminum alloy;titanium

1001-3482(2011)05-0096-04

TE921.2

A

2010-11-19

趙 金(1964-),男,遼寧鐵嶺人,工程師,主要從事石油管材應用技術研究和油田工程建設工作。