鋁合金鉆桿的特點介紹

吳亮， 吳修德， 魏世忠， 劉乃強

（長江大學，湖北荊州434023）

0 引言

隨著能源開發和地質勘探的不斷發展，其工作難度日益增加，這對鉆探設備提出了更高的要求。人們希望通過設備的改良和更新換代來降低工作難度，減少事故發生的可能，降低事故處理難度，從而達到節約成本、提高鉆探工作效率的目的，推動我國的鉆探事業向更深更廣的區域發展。

大部分研究機構在關注提升鉆機能力和開發新設備時，少數廠商則另辟蹊徑，他們把目標轉向對新型鉆桿材料的研究，希望在不增加鉆機噸位的情況下，降低鉆桿材料的密度，減輕鉆桿的質量，但仍能滿足鉆探需求。經過不懈的努力，輕質合金鉆桿應運而生，輕質合金鉆桿主要分為鋁合金和鈦合金兩類，而鈦合金因其資源稀缺和昂貴的制造成本限制了它在鉆探鉆桿行業的發展。2014年年初，吉林麥達斯鋁業公司宣布鋁合金深井鉆桿研制成功，填補了國內該領域的空白，昔日鋁合金深井鉆桿單純依靠進口的局面將不復存在。

1 鋁合金鉆桿的核心技術

相對于很早就掌握了鋁合金深井鉆桿技術的俄、美、日等少數國家，我國的鋁合金鉆桿研制和應用起步比較晚，雖然我國在2006年12月15日就制定了石油天然氣工業鋁合金的國家標準（2007年5月1日起實施），但由于我國鉆探裝備制造廠商自身的條件與施工企業的承受能力的局限，決定了他們只能是從研究普通鋁合金鉆桿逐步過渡到研究高性能的鋁合金鉆桿。文獻［1］指出高強度鋁合金材料（尤其是異形截面管）的研制、鋁合金材料的固溶及時效處理(包括熱處理后矯直)、鉆桿桿體與接頭間螺紋副熱過盈連接工藝是地質鉆探鋁合金鉆桿制造的三個關鍵技術。深井鋁合金鉆桿在研制過程中原材料的熔鑄、熔煉和鑄造,鋁合金鉆桿的工模具的設計以及鋁合金鉆桿特殊的擠壓工藝是設計制造比較核心的技術。

2 鋁合金鉆桿的特點

高強度鋁合金鉆桿按接頭的不同可分為三類，其中帶鋼接頭的鋁合金鉆桿在實際工作中應用最多，全鋁合金鉆桿次之，厚壁無磁鋁合金鉆桿使用較少。我們所研究和設計的鋁合金鉆桿，都是立足于現有技術，無論從材料、尺寸還是外形都最大限度地發揮了鋁合金鉆桿的優勢，可以解決許多常見的鉆井問題，具有獨特的技術優勢和廣闊的推廣應用前景。當然，現有的鋁合金鉆桿研究技術還不夠完善，鋁合金鉆桿在實際運用過程中還存在著一些問題有待我們解決。

2.1 鋁合金鉆桿的優點(通常應用的7 E 0 4鋁合金鉆桿與普通鋼鉆桿相比）

1）鋁是化學性質比較活潑的金屬元素，在腐蝕環境中，鋁合金鉆桿表面發生氧化反應會生成一層氧化膜，從而很好地阻止其與環境進一步發生反應，無論濃度和溫度如何，鋁合金鉆桿材料都有很強的抗硫化氫和抗二氧化碳等酸性環境腐蝕的能力，而鋁合金鉆桿的剛接頭沒有這種能力，但鋁合金鉆桿管體對剛接頭有陰極保護的作用。所以，鋁合金鉆桿整體能在硫化氫和二氧化碳等酸性環境保證其自身的穩定性。

2）鋁合金的彈性模量約為鋼的1/3，其柔性大、塑性變形好，具有良好的延展性，抗沖擊能力強，能夠很好地改善鉆頭在井底的工作條件，延長使用壽命。在井眼曲率相同的情況下，鋁合金鉆桿所受的彎曲應力遠遠比鋼鉆桿小，因此，鋁合金鉆桿以其得天獨厚的優勢在水平井、斜井、曲率半徑較小的定向井中能發揮出最大的作用。

3）鋁合金鉆桿材料的密度約為鋼鉆桿材料的1/3，相同尺寸和外形的鋁合金鉆桿要比鋼鉆桿輕得多。在鉆探同等深度的井時，使用鋁合金鉆桿的井中裝備要輕很多，易于搬運，在惡劣環境以及復雜地形中，可以大大減小運輸量，減輕工人施工強度。

鋁合金的浮力系數比鋼要小得多，與井壁接觸產生的摩阻較小，大大減少起下鉆的阻卡。

因此在使用相同型號鉆機的情況下，使用鋁合金鉆桿，所需回轉扭矩小，能增加鉆進深度，很大程度降低大鉤載荷，縮短升降操作時間，還能提高鋼絲繩甚至是鉆機的使用壽命，提高工作效率和經濟效益，所以動力、設備的運輸、勞動力方面的成本都有所降低。

4）雖然鋁合金鉆桿的強度沒有剛鉆桿高，但鋁合金鉆桿的比強度（斷裂強度極限與密度比）卻是鋼的2倍，優異的比強度能夠滿足更高的鉆探要求，在相同強度條件下，可適當減小鋁合金鉆桿截面面積，因而，進一步的減輕了鉆桿的自重，節省材料，降低成本。

5）與鋼不同，鋁合金鉆桿具有無磁性的特點，更加適合鉆探過程中使用儀器儀表測量。

6）在對裸眼井段和套管的作用力方面，鋁合金鉆桿相比之下有明顯減小，它能更有效地保護裸眼井段和套管，更適合裸眼段較長的井。且其內的鉆井液和泥漿流動阻力小，可有效提高鉆頭的水力效率。

7）當然，鉆探行業具有一定的風險，在井內處理鋁合金鉆桿事故時，由于鋁合金鉆桿硬度比較小,可直接用一般的牙輪鉆頭、以30 m/h左右的鉆速鉆掉鋁合金鉆具，方便鉆磨，因此很有利于處理復雜事故。

8）鋁合金鉆桿還具有耐寒、臨界速度高的優勢，正常情況下，鋁合金鉆桿可以適應的溫度范圍更廣。此外，它還有很強的分散和吸收彈性振動能量的能力。

2.2 鋁合金鉆桿的缺點

鋁合金鉆桿在實際的應用過程中取得了很好的效果，但是，我們也需要看清其自身還存在的問題，以便在我們今后的研究中加以突破。

1）高強度鋁合金鉆桿的技術研究以及生產制造工藝較為復雜，價格偏高。

2）鋁合金鉆桿桿體硬度較低，僅在130 HB左右，在搬運和擰卸過程中，如不配有專用工具就極易磨損。

3）高強度鋁合金鉆桿耐磨性不好，在井內工作過程中，當孔壁有堅硬異物或鉆孔彎曲較大，表面容易產生快速磨損;在鉆進中可能出現斷裂和刺穿等嚴重失效事故，而通過增加壁厚可以提高其結構安全性，但又會造成水力性能不良。

4）高強度鋁合金鉆桿抗鹽腐蝕能力差。當井中含鹽量超過14%時，鉆桿會產生一定程度的腐蝕。

5）也是由于鋁合金鉆桿具有無磁性的特點，在熱處理時，對鋼鐵材料通常采用的電感應淬火對鋁合金鉆桿就不適用了，為此，必須變更原有對鋼鉆桿淬火的熱處理方式。

6）鋁合金鉆桿屈服強度較低，特別是當溫度高于121℃，屈服強度會大幅下降。達到200℃時，與室溫相比下降40%。

7）鋁合金鉆桿剛度較小,在鉆井過程中，必須嚴格控制鉆速以防鉆桿破壞而發生故障。

8）由于鋁合金鉆桿彈性伸長范圍大，當其受到拉伸力或過載到一定程度時，鋁合金鉆桿可能發生斷裂,而斷口上部的管段很容易發生上竄。

9）鋁合金桿體與鋼質接頭之間的螺紋副采用了特殊結構和機械緊固工藝，給現場修復和更換鋼接頭造成一定程度的困難。

3 結語

雖然高強度鋁合金鉆桿還存在著一定的不足，但是其所具有的優點已經在很大程度上改善了我們的鉆探工作。我們有理由相信，隨著經濟的發展和科技的進步，隨著我們對鋁合金更加深入地不斷研究，在不久的將來，高強度鋁合金鉆桿的性能也會不斷地得到改善，更有益于我們的鉆探事業，更好地服務于社會。

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