馮 春，楊尚諭

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077)

·綜 述·

鋁合金鉆桿的特點及發(fā)展應用*

馮 春，楊尚諭

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077)

鋁合金鉆桿具有低密度、高強度、耐腐蝕、耐疲勞、加工性能及低溫塑韌性好等突出優(yōu)點，對于解決復雜工況條件下的深井、超深井、水平井、大位移井、含硫井、海洋石油等鉆井問題具有廣泛的應用前景。研究鋁合金鉆桿技術(shù)，提高鉆井效率，保障鉆井安全，具有極高的科學研究價值。 結(jié)合鋁合金鉆桿技術(shù)特點，介紹了國內(nèi)外發(fā)展應用動態(tài)，指明了今后鋁合金鉆桿在我國石油天然氣工業(yè)中的應用方向。

鋁合金鉆桿；發(fā)展；石油管材；鉆桿；鉆井

0 引 言

鋁合金鉆桿具有低密度、高比強度、耐酸性腐蝕、疲勞壽命高等優(yōu)點，是解決超深井、大位移井及高含硫等復雜井的安全及高效鉆井問題的主要結(jié)構(gòu)材料之一，在石油勘探鉆井領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，是當前高性能油井管材料研究的熱點[1-3]。近幾十年來國內(nèi)外學者在鋁合金鉆桿的結(jié)構(gòu)設計、管材選用、加工制造、工況適用性評價、鉆井設計及使用技術(shù)等方面進行了積極的探索，取得了顯著進展和大量成果[4-8]。本文結(jié)合鋁合金鉆桿的特點及發(fā)展應用，指明了鋁合金鉆桿今后在我國可重點應用的領(lǐng)域。上述工作的目的和意義旨在推動鋁合金鉆桿技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展和應用，保障我國油氣資源勘探開發(fā)的高效、安全及可持續(xù)性，提高我國先進管材研究和裝備制造業(yè)水平。

1 鋁合金鉆桿的特點及優(yōu)越性

1.1 密度小、比強度高、極限下入深度大、鉆柱重量顯著降低

表1所示是傳統(tǒng)鋼制鉆桿、鋁合金鉆桿及鈦合金鉆桿材質(zhì)的基本物理特性參數(shù)[9]。由表1可知，與傳統(tǒng)鋼制鉆桿材料相比，鋁合金鉆桿材料的相對密度和彈性模量約為鋼的0.3倍，而比強度(斷裂強度極限與相對密度之比)卻是鋼的1.0～3.0倍。與最新研制開發(fā)的鈦合金鉆桿材料[10]相比，鋁合金材料的相對密度和彈性模量約為鈦合金材料的0.6倍，而比強度是鈦合金材料的0.8～1.6倍。

表1 鉆桿材質(zhì)物理/力學特性參數(shù)(20℃)

*三種材質(zhì)屈服強度范圍依據(jù)作者科研實踐值

圖1為139.7 mm×10.54 mm規(guī)格的鉆桿，在物理/力學參數(shù)取值如表1所示，安全系數(shù)取1.5條件下，不同鉆井液密度對三種材質(zhì)鉆桿理論下入深度的計算結(jié)果，計算方法見文獻[11]。由圖1可以看出，在鉆井液密度為2.0 g/cm3條件下，同規(guī)格不同強度三種材質(zhì)鉆桿理論最大可下入深度分別為：鋁合金22 000～50 000 m、鈦合金25 200～35 300 m、鋼鉆桿12 500～15 000 m。即鋁合金鉆桿理論最大下入深度分別為鈦合金鉆桿的0.62～1.98倍，鋼制鉆桿的1.47～4.00倍。

圖1 鉆井液密度對139.7 mm鉆桿最大允許下入深度影響規(guī)律

圖2為139.7 mm×10.54 mm規(guī)格的鉆桿,在安全系數(shù)取1.5條件下，不同垂深條件下三種材質(zhì)鉆柱在上提過程中重量變化理論計算結(jié)果。由圖可知在鉆柱上提過程中，考慮安全余量50 t，鉆井液密度為1.2 g/cm3、鋁合金鉆柱和鋼制鉆柱摩阻系數(shù)分別為0.22和0.27時[9]，三種不同材質(zhì)鉆柱在垂深7 000 m時的理論重量分別為191.7 t，243.4 t和339.1 t。即垂深7 000 m時鋁合金鉆柱分別為理論重量鈦合金鉆柱的0.79倍，鋼制鉆柱的0.56倍。當垂深15 000 m時的理論重量分別為353.7 t，464.4 t和669.6 t。即垂深15 000 m時鋁合金鉆柱理論重量分別為鈦合金鉆柱的0.76倍，鋼制鉆柱的0.53倍。

上述分析表明，在鉆機能力一定的條件下，與傳統(tǒng)鋼制鉆桿相比鋁合金鉆桿可顯著降低鉆柱重量，有效提高鉆機的最大鉆深。據(jù)報道，俄羅斯使用400 t鉆機在薩哈林區(qū)塊完鉆世界垂深最深井SG-3井(垂深12 262 m)，此外，使用300 t鉆機完鉆7 000 m超深井[12]。

圖2 不同垂深條件下三種材質(zhì)鉆柱在上提過程中重量變化理論計算結(jié)果

1.2 彈性模量小、水力性能好、有效降低理論鉆機負荷，顯著提高鉆井效率

鋁合金鉆桿的彈性模量約為鋼的30%，計算表明，相同曲率半徑條件下，彎曲應力約為鋼制鉆桿的36%左右，可有效提高水平井彎曲段的通過性。在鉆井液工況下，鋼制鉆桿與鋼制套管間的滑動摩擦系數(shù)約為0.27，鋁合金鉆桿與鋼制套管間的滑動摩擦系數(shù)約為0.22[9]，考慮單位長度鋁合金鉆桿在泥漿中重量是鋼制鉆桿的0.5倍，即鋁合金鉆柱在完全水平段摩擦阻力理論可降低60%左右。

圖3所示為一口15 000 m大位移井井身結(jié)構(gòu)及鉆柱設計圖。計算表明，使用鋁合金鉆柱+鋼鉆桿組合進行大位移井作業(yè)，與全鋼鉆柱相比，提升條件下大鉤載荷從409 t降至161 t，降低大鉤載荷60%以上，提高鉆柱安全余量1.9倍。更為重要的是上述由鉆柱材質(zhì)變化帶來的鉆柱重量降低在一定程度上降低了傳統(tǒng)鋼制鉆桿在水平段鉆進時磨損套管的風險。此外，由于鋁合金鉆桿內(nèi)孔大，對泥漿的摩擦阻小，可顯著提高鉆柱水力性能，提高井下動力鉆具的鉆井效率。

注：1 ft=0.304 8 m圖3 15 000 m大位移井井身結(jié)構(gòu)及鉆柱設計

1.3 耐H2S應力腐蝕、低溫韌性好、無磁性

在合理選材及熱處理條件下，鋁合金鉆桿用2000系及7000系材料具有優(yōu)良的抗H2S應力腐蝕開裂性能，俄羅斯的現(xiàn)場實踐表明，迄今為止尚無硫化氫應力腐蝕導致鋁合金鉆桿管體失效案例發(fā)生。分析認為這與所選鋁合金材料微觀組織結(jié)構(gòu)及實際井況下應用時由于鉆柱重量降低帶來的低應力集中特性密切相關(guān)。與鋁合金鉆桿相連接的鋼制接頭，因鋁合金管體對其的陰極保護作用，在現(xiàn)場鉆井實踐中也未有應力腐蝕斷裂失效先例。

鋁合金鉆桿材料具有良好的低溫韌性，且隨溫度降低其抗拉強度、屈服強度、延伸率及斷裂韌性均上升[13]。基于此特性，鋁合金材料廣泛應用于液氧、液氫等壓力儲罐, 最低可達使用溫度-196℃，而不會發(fā)生低溫脆斷現(xiàn)象。全鋁接頭鋁合金鉆桿具有無磁特性，對于隨鉆測井等先進鉆井方法具有重要的意義。

2 鋁合金鉆桿技術(shù)的發(fā)展應用

2.1 俄羅斯鋁合金鉆桿的發(fā)展應用

20世紀50年代末，前蘇聯(lián)開始研究鋁合金鉆桿技術(shù)。60年代初，在Middle Volga地區(qū)首次進行了鋁合金鉆桿現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明，鋁合金鉆桿能夠極大的提升鉆井效率，降低材料、能耗及勞動力成本。60年代中期至70年代在Western Siberia鋁合金鉆桿開始投入超深井的現(xiàn)場鉆井試驗。隨著鋁合金鉆桿技術(shù)的發(fā)展，80年代初，前蘇聯(lián)鋁合金鉆桿每年用量約150萬米，截止1985年鋁合金鉆桿進尺數(shù)達3 560萬米，70%～75%的油氣井使用鋁合金鉆桿鉆進[9]。特別是在Western Siberia和Far North等偏遠崎嶇地區(qū)，鋁合金鉆桿輕質(zhì)化優(yōu)勢體現(xiàn)的更加明顯，配合使用80～125 t移動式鉆機進行工廠化叢式井鉆井作業(yè)，開發(fā)出大量新的油氣資源區(qū)塊。鋁合金鉆桿早期在前蘇聯(lián)的應用井深范圍既包括1 600～5 000 m的中淺井、深井(Urals-Volga區(qū)塊)，也包括5 000～7 000 m的超深井(Volgograd-Saratov區(qū)塊)。主要鉆井作業(yè)方式采用底部動力驅(qū)動，但至少20%的油氣井使用了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動方式同樣獲得了良好的使用效果。 現(xiàn)場鉆井研究統(tǒng)計表明，對于2 900～3 200 m中淺井而言，鋁合金鉆桿使用壽命可達7～8年，機械純鉆時間平均為5 500～5 600 h。鑒于鋁合金鉆柱重量降低的優(yōu)勢，與鋼制鉆桿比較，由于疲勞、過載、磨損、腐蝕等問題帶來失效事故降低40%以上。

在大量鋁合金鉆桿管體新材料的開發(fā)、鉆桿結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化、鉆柱結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化和現(xiàn)場生產(chǎn)實踐經(jīng)驗總結(jié)基礎(chǔ)上，前蘇聯(lián)采用鋁合金鉆桿(鋼接頭)在超深井鉆探領(lǐng)域取得了突破性進展，如圖4所示，1992年完成了Kola SG-3井的鉆探工作，創(chuàng)造了鉆井進尺12 262 m的垂深世界記錄。至90年代初，前蘇聯(lián)70%～80%的深層油氣井使用鋁合金鉆桿鉆進[14]。2009年，俄羅斯在役鋁合金鉆桿約100萬米。值得指出的是，隨著鋁合金鉆桿技術(shù)的發(fā)展，直接帶動了超深井、大位移井等復雜工況條件下鉆探技術(shù)的發(fā)展，大量使用鋼制鉆桿難以完成的創(chuàng)記錄井被鋁合金鉆桿鉆成。如：BD-04A井，鉆井進尺12 289 m(卡塔爾，2008年完鉆，水平段10 902 m，36天完鉆，鉆井效率世界記錄)、Odoptu OP-11井，鉆井進尺12 345 m(俄羅斯，2011年完鉆，水平位移段進尺世界記錄11 475 m，60天完鉆)、Chayvo Z-44井，鉆井進尺12 376m(俄羅斯，2012年完鉆，鉆井總進尺世界記錄)。

2.2 美國鋁合金鉆桿的發(fā)展應用

與俄羅斯相比，美國的鋁合金鉆桿技術(shù)研究起步相對較晚，但發(fā)展勢頭迅速，特別是2009年以后，美國最大鋁加工制造企業(yè)-美國鋁業(yè)公司專門成立油氣資源事業(yè)部推廣鋁合金鉆桿技術(shù)。與俄羅斯相比，美國鋁合金鉆桿技術(shù)主要應用于工廠化叢式井、頁巖氣水平井、海洋平臺等的快速鉆井領(lǐng)域，如圖5所示。

圖4 俄羅斯鋁合金鉆桿

圖5 美國鋁合金鉆桿的主要應用領(lǐng)域[8]

值得指出的是，美國鋁合金鉆桿技術(shù)更加注重其配套技術(shù)的發(fā)展，在鉆桿接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化，配套移動式快速鉆機開發(fā)等方面都做了大量工作，取得了積極的成效，如圖6所示。

2.3 中國鋁合金鉆桿的發(fā)展應用

與俄羅斯、美國相比，我國的鋁合金鉆桿技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速。馮春等[16]通過自主設計2000系鋁合金鉆桿成分及配套熱處理工藝結(jié)合實驗室模擬及實物驗證評價等方法系統(tǒng)進行了材料力學性能、組織演變規(guī)律、疲勞性能及耐腐蝕性能等研究，開發(fā)了460 MPa級鋁合金鉆桿管體材料在2013年中國石油塔里木油田成功下井應用。梁健等[17]采用工業(yè)化7E04合金用于鋁合金鉆桿，并對其基本力學性能及腐蝕特性進行了研究。呂栓錄等[18]結(jié)合鋁合金鉆桿的結(jié)構(gòu)特性，分析了鋁合金鉆桿的適用范圍。唐繼平等[19]對鋁合金鉆桿的動態(tài)特性及磨損機理進行了分析，獲得了鋁合金鉆桿推薦使用井下動力驅(qū)動的力學機制。劉寶昌等[20-23]對鋁合金鉆桿裝配工藝、工業(yè)化7075、2024合金的耐蝕性能及實物強度進行了研究。王小紅等[24]對可用于鋁合金鉆桿的工業(yè)化鋁合金材料的生產(chǎn)工藝進行了分析。舒志強等[25]對一種鋁合金材料的拉伸方法和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特征進行了測試。王勇等[26]從材料力學性能和抗扭的原理角度分別對鋁合金鉆桿和鋼鉆桿進行了對比，并分析了鋁合金鉆桿裝配過盈量問題。楊尚諭等[11]結(jié)合實際工況采用管柱力學方法對鋁合金鉆桿在深井/超深井中的性能極限進行了分析。馮春等[27,28]從鋁合金鉆桿成分及工藝出發(fā)，在實驗室獲得了強度級別分別為580 MPa、700 MPa的超高強鋁合金鉆桿管體材料。

圖6 美國鋁合金鉆桿接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化及配套移動式快速鉆機[15]

在實物驗證評價方法方面，馮春等[29]制定了首份鋁合金鉆桿全尺寸實物評價方法并完成了實物拉伸、內(nèi)壓、擠毀等驗證試驗，為鋁合金鉆桿在國內(nèi)的推廣應用提供了重要基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)兗礦集團輕合金公司、鄒城德通鋁合金鉆桿公司等企業(yè)生產(chǎn)的2000系高強度鋁合金鉆桿產(chǎn)品已通過該評價方法的驗證。

在鋁合金鉆桿產(chǎn)品現(xiàn)場應用方面，自2009年始，中國石油塔里木油田使用高強度鋁合金鉆桿完成了多口井的作業(yè)，發(fā)現(xiàn)大量現(xiàn)場使用問題，積累了寶貴的鋁合金鉆桿現(xiàn)場使用經(jīng)驗。2012年中國海洋石油公司在南?；葜萦吞颒Z25-4井(CNOOC、ENI、CHEVRON合作開發(fā)區(qū)塊)使用高強度鋁合金鉆桿實現(xiàn)了高難度復雜井的高效率鉆井[30]，如圖7所示。2017年中煤地質(zhì)工程總公司首次全井批量使用鄒城德通鉆桿公司生產(chǎn)的國產(chǎn)化鋁合金鉆桿進行叢式井作業(yè)。此外，中國石油川慶鉆探采用鋁合金鉆桿進行下尾管作業(yè)，取得了滿意的效果。

在鋁合金鉆桿國家標準方面，中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院牽頭起草了GB/T 20659—2006《石油天然氣工業(yè)-鋁合金鉆桿》標準已經(jīng)發(fā)布，該標準于2014年進行了第2次修訂。此外，《石油天然氣工業(yè)-含鋁合金鉆桿的鉆柱使用極限》和《石油天然氣工業(yè)-鋁合金鉆桿螺紋連接測量》2項配套國家標準征求意見稿正在進行制修訂工作，2018年將予以發(fā)布。上述國家標準的發(fā)布對于規(guī)范相關(guān)技術(shù)，推動我國鋁合金鉆桿技術(shù)的應用將起到促進作用。

圖7 中國鋁合金鉆桿的發(fā)展與應用

3 鋁合金鉆桿技術(shù)在我國的重點應用領(lǐng)域

分析認為，鋁合金鉆桿技術(shù)在我國油氣資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀下，可重點應用領(lǐng)域如下：1)深層油氣藏領(lǐng)域。隨著我國石油工業(yè)勘探開發(fā)的深入，中淺層油氣資源的日益枯竭，深井超深井數(shù)量顯著增加。應用鋁合金鉆桿技術(shù)，可解決鋼制鉆桿安全余量不足、下入難度大、鉆井周期長等問題，此方面可借鑒俄羅斯使用經(jīng)驗，采用鋁合金鉆桿+底部動力鉆具，實現(xiàn)高效率鉆進。2)低壓、低滲油氣藏及頁巖氣領(lǐng)域。在我國低壓、低滲油氣藏及頁巖氣勘探開發(fā)過程中，普遍采用水平井井身結(jié)構(gòu)，水平段磨阻大，鉆機托壓問題嚴重?？山梃b美國頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗，采用鋁合金鉆桿進行工廠化叢式井作業(yè)，利用鋁合金鉆桿重量優(yōu)勢，解決低壓、低滲油氣藏及頁巖氣開發(fā)普遍存在的鉆機托壓等問題，實現(xiàn)低成本快速鉆井，小鉆機打深井。3)高酸性油氣藏領(lǐng)域。高酸性油氣藏的勘探開發(fā)過程中鋼制鉆桿特別是高鋼級鉆桿硫化氫應力腐蝕斷裂造成的失效事故頻發(fā)、井控風險高。采用優(yōu)選的鋁合金鉆桿材料，降低硫化氫應力腐蝕斷裂風險，提高鉆井安全性。4)海洋石油領(lǐng)域。海洋石油鉆井中大位移井數(shù)量眾多，平臺對于鉆柱重量的要求苛刻，借鑒俄羅斯及美國的開發(fā)經(jīng)驗，采用鋁合金鉆桿，可顯著提高鉆井效率，降低平臺重量，提高鉆井深度，降低成本。此外，對于可燃冰開采等最新領(lǐng)域，利用鋁合金鉆桿的重量輕、低溫韌性好(最低可達-196℃不發(fā)生脆斷)等優(yōu)勢實現(xiàn)是非常值得探究的應用方向。

4 結(jié)論及建議

1)鋁合金鉆桿具有低密度、高比強度、耐酸性腐蝕、疲勞壽命高等優(yōu)點，是解決超深井、大位移井及高含硫等復雜井的安全及高效鉆井問題的理想鉆具材料之一，在石油勘探鉆井領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

2)鋁合金鉆桿在世界范圍內(nèi)已成功應用。俄羅斯、美國等在管體新材料的開發(fā)、鉆柱結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化和現(xiàn)場生產(chǎn)實踐經(jīng)驗總結(jié)基礎(chǔ)上，在超深井、頁巖氣井、叢式井、海洋石油等鉆探領(lǐng)域取得了突破性進展。

3)鋁合金鉆桿技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，但發(fā)展迅速。建議重點結(jié)合我國深層、高酸性、頁巖氣、海洋石油等領(lǐng)域需求，探索鋁合金鉆桿技術(shù)的應用。

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Feature and Progress in Aluminum Alloy Drill Pipe

FENG Chun,YANG Shangyu

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China)

Aluminum drill pipe has the advantage of low density, high strength, corrosion and fatigue resistance, goodprocessing performance and excellent low temperature toughness. It is a promising technique to solve the drilling problems arising from complex working conditions of the deep and super-deep well, horizontal well, extended reach well, sour well and offshore well etc. As it can improve the efficiency and safety of drilling, the technique of aluminum drill pipe is significant important. The feature and process of aluminum drill pipe in recent years are reviewed. Some proposals for the application of aluminum drill pipe in China oil and gas industry are also provided.

aluminum drill pipe; process; oil country tubular goods; drill pipe； drilling

國家重點研發(fā)計劃“海洋石油鉆探用高強耐蝕鋁合金管材成套制造技術(shù)”(編號：2016YFB0300904)；陜西省工業(yè)攻關(guān)項目“550MPa級高強度鋁合金鉆桿關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號：2015GY119)；陜西省博士后科研項目。

馮 春，男，1980年生，高級工程師，2010年博士畢業(yè)于清華大學材料科學與工程專業(yè)，目前主要從事油氣井管材新材料等方面的研究工作。E-mail:fc80x@sina.com

TE921

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2096-0077(2017)04-0001-07

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.001

2017-07-04 編輯：屈憶欣)