鋁合金鉆桿的特點及應用前景

李亞敏，陳玉松，徐 旭

（渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

隨著我國工業現代化建設水平不斷提升和油氣勘探工作的陸續開展，目前各種不同類型的油氣井對于勘察設備的穩定性也提出了更高的要求。我國是一個人均資源匱乏的國家，在地表資源開采速度不斷加快的同時，如何開采陸地深層、海洋的油氣資源也就成為未來行業發展的重點。在這個過程中，深層資源的開發對于開采技術有更高的要求，存在深度大、腐蝕性強等問題，這就給鉆桿的選擇、使用提出了更高的要求。

1 鋁合金鉆桿特點概述

在進行深層資源的開采時，普通的鋼制鉆桿往往難以面對高腐蝕介質以及地層下的摩擦環境，進而出現腐蝕斷裂等問題，嚴重影響開采效率。而鋁合金鉆桿作為一種特殊的合金材料，其整體性能十分優越，可以很好地適應深層資源開采的需求，現就其主要特征簡單介紹如下。

（1）鉆探能力強。從密度角度上來看，鋼制鉆桿的密度為鋁合金鉆桿的3 倍左右，而強度質量比方面，鋁合金鉆桿的強度質量比約為鋼制鉆桿的2 倍。在這樣的條件下，很多時候鉆機能力達到預期水平，搭配合適的鋁合金鉆桿就可以鉆探更深的深度，這是普通鋼制鉆桿無法實現的工作。在不同泥漿密度條件下，采用不同類型的材質鉆桿可以實現不同的鉆深。其中，鋼制鉆柱的深度如果達到13 km，高強度鋼制鉆則可以達到16 km，此時采用鋁合金鉆桿則可以達到25 km 左右。由此不難發現，采用鋁合金鉆桿可以有效提升整體鉆探能力，確保鉆探的最大深度。

（2）耐腐蝕性好。鋁合金鉆桿經常使用的材料為D16T，該材料具有較強的耐腐蝕性。根據相關研究表明，鋁合金鉆桿在pH2.5 的溶液中具有很強的耐腐蝕效果，而在中性溶液中也可以保持穩定的狀態，甚至在一些硫化氫環境中也不會受到任何程度的影響。雖然鋁本身屬于活潑的金屬，但是其在與氧氣發生反應后會鈍化，進而形成穩定性很強的氧化膜，隨后能夠與環境進一步作用并反應。在這樣的情況下，鋁合金鉆桿可以在飽和的二氧化碳溶液中長期浸泡而不出現腐蝕問題。從實際應用情況來看，鋁合金鉆桿能夠在各種溫度下防止被二氧化碳腐蝕，具有極佳的耐腐蝕性能。

（3）適應面廣。鋁合金鉆桿采用高強度鋁合金，該材料的彈性模量較小，所以可以利用較大的曲率來進行定向井的鉆探工作，相比于普通的鉆桿具有更強的適應性。除此之外，其本身還具有不錯的抗彎曲載荷性能，可以適應各種類型的水平井。在進行實際模擬時，采用軟件分別對鋼鉆桿、鋁合金鉆桿以及鉆柱進行分析，能夠得到相應的鉆進數據，其中鉆柱所受的扭矩分析結果中，鋁合金鉆桿相比于另外兩種具有明顯的優勢，摩擦因數更小，所以無論是從磨損的角度還是從鉆探的深度都要具有絕對的優勢。除此之外，在分析中還分別對扭矩帶來的強度影響進行了探討，發現鋼鉆桿發生應力極限而拉伸斷裂的時候，鋁合金鉆桿依然能夠承受其載荷，甚至完全在安全范圍內，可見安全性以及成本都可以得到保障。

（4）減少系統負荷。鋁合金鉆桿的密度一般僅為3.2 g/cm3，相比于鋼鉆桿僅為50%左右，所以，在鉆進過程中可能會表現出一定的浮力特征。在浮力特征的影響下，相比于環境可以獲得更多的鉆進能力。這樣一來，選擇鋁合金鉆桿進行鉆進，能夠有效降低載荷的影響，同樣也可以大大提升鉆機的使用壽命，從而取得良好的經濟效益。

（5）耐磨性不足。鋁合金鉆桿的耐磨性相比于普通鋼制鉆桿要弱一些，所以在使用時一般需要搭配一些專用的鉆具進行配套使用，或者在其接頭部分添加一些能夠預防磨損的材料，可以有效提升其耐磨性能，更好地完成相應的預處理工作。

（6）鉆井效率高。鉆井的效率高主要體現在彈性模量的優勢方面。由于鋼制鉆桿的彎曲應力相對較大，所以鋁合金鉆桿具有更強的通過性。在具體的鉆進過程中，其摩擦系數相對較低，所以遇到的阻力也比較小。相關領域的數據研究結果顯示，在同等水平條件下，鋁合金鉆桿的摩擦阻力要比鋼制鉆桿低60%左右，這樣一來其負荷阻力更小，所以生產效率也相對更高。

2 鋁合金鉆桿的應用現狀

2.1 國外對鋁合金鉆桿的應用

結合國外鋁合金鉆桿的應用情況來看，美國、俄羅斯的研究成果相對比較豐富。其中，在20 世紀50 年代，前蘇聯就開始進行這個領域技術的應用與研究，于60 年代初第一次進行現場試驗。在試驗中驗證了該材料可以很好地適應鉆井的生產要求，可以顯著降低材料與勞動力成本。隨著研究工作的不斷深入，前蘇聯的科學家們在70 年代開始采用新研制的鋁合金鉆桿進入生產實踐活動，針對一些偏遠地區進行深層次的鉆井工作，配合相應的開采工藝，獲取了大量的優質油氣資源。

相比于前蘇聯，美國在這方面的研究起步比較晚，但是由于其他基礎工業相對發達，所以在很短的時間內就趕超了俄羅斯的進度。2009 年前后，美國的鋁合金鉆桿進入到快速發展的時期，這個時期設立了許多專門從事該技術的研究部門與企業。相比于俄羅斯的研究項目，美國的鋁合金鉆桿研究工作更傾向于頁巖氣水平井以及海洋平臺的鉆井等多個領域。值得注意的是，這個時期美國開發的鋁合金鉆桿具有很強的應用針對性，同時其接頭部分也進行了強化處理，取得了良好的效果，大大提升了開采效率。

2.2 我國對鋁合金鉆桿的應用

我國的鋁合金鉆桿研究起步相較于美國、前蘇聯較晚，但是同樣也取得了一定的成果。早在2000 年，我國就開始在生產實踐中應用鋁合金鉆桿來替代鋼制鉆桿，并且在多個高校形成了研究實驗室，分別對鋁合金鉆桿的耐腐蝕性能以及力學性能進行了大量的基礎研究，對于生產工藝進行了升級，并研究出許多新的抗拉伸性能良好的鋁合金鉆桿，應用于生產實踐中取得了良好的開采效果。

3 鋁合金鉆桿的應用前景

（1）超深井。隨著技術的不斷升級與發展，目前鋁合金鉆桿技術也開始應用于超深井當中。一般來說，超深井的開采對于耐腐蝕性以及耐高溫性能都具有較高的要求。目前，全球的超深井開采當中，鋁合金鉆桿的占比超過了84%，而在鉆探過程中出現斷鉆的情況卻屈指可數。隨著研究工作的不斷深入，鋁合金鉆桿還能應用于更深的開采活動中，大大拓展油氣開采的范圍。

（2）定向井與大陸架井。目前塔里木油田等多種油田都采用了鋁合金鉆桿進行開采，其綜合開采效率良好，所以定向井的開采方面鋁合金鉆桿具有良好的應用前景。從我國的東部油氣開采情況來看，海上、海岸都具有豐富的油氣資源，但是在開采過程中往往條件要求十分苛刻，落實難度較高。所以，需要繼續開發鋁合金鉆桿在這一領域的應用，確保大陸架、海洋井能夠得到合并，確保開采效率。

（3）特殊油氣井。我國的硫化氫、二氧化碳的油氣井數量相對比較少，這類開采工作一般對鉆具、集輸管線路的耐腐蝕性都具有很高的要求，如果在開采過程中出現氫脆以及腐蝕斷裂，將導致大面積的經濟損失。在鉆進過程中，應用鋁合金鉆桿可以很好地避免該問題，不過仍然需要解決外部磨損的問題，所以需要進一步研究相應的領域，提升技術應用水平。

（4）在其他領域的應用前景。除了上述內容之外，鋁合金鉆桿還可以應用于其他的各個場景領域，其本身具有密度低、強度比高的特征，同時還兼顧了良好的耐腐蝕性能，這些性能決定了其可以用于解決大位移井、高含硫的復雜井，同時也可以作為理想的鉆具，所以在石油以及其他類型資源的勘察活動中具有廣泛的應用前景。目前，其在世界領域已經取得了階段性的研究成果，同時在叢式井以及頁巖氣井等領域都具有良好的應用效果，相信隨著技術的不斷升級，未來的應用水平也會逐漸完善，更好地適應各個領域的特殊需求。

4 總結

作為世界上最大的發展中國家，我國在油氣資源的開采、利用方面存在技術薄弱、整體投入不足的問題，這在客觀上限制了我國經濟社會的進步與發展。近些年來，隨著技術投入增加以及成熟度的提升，我國在油氣開采特別是深層資源的開采方面，取得了技術上的突破進展，但是在專用設備方面依然主要依賴進口。鋁合金鉆桿作為深層資源開采的重要設備，具有耐腐蝕性強、鉆井效率高等優勢，可以適應多種不同類型的資源開采環境。希望相關領域的技術開發人員能夠加緊設計與設備優化，設計出針對超深井、特殊油氣井的性能優越的鋁合金鉆桿，促進油氣開采行業的進步與發展創造條件，為了我國實現工業現代化貢獻一份力量。