楊曉勇,陳世春,馮 強(qiáng),劉永峰,張 恒,張文華

(渤海鉆探工程技術(shù)研究院 天津 300280)

0 引 言

鈦合金因其具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、彈性模量小、無磁、耐熱性好等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域[1]。隨著鈦合金管材制造技術(shù)逐漸成熟，鈦合金管具必將在石油化工行業(yè)發(fā)揮其巨大的應(yīng)用潛力。

鈦合金管材在20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，美國RMI公司研發(fā)了一種優(yōu)質(zhì)的α+β型鈦合金,主要應(yīng)用于鈦合金油井管的制造[2]。美國雪佛龍公司于20世紀(jì)末開發(fā)出用在熱采井上的鈦合金套管，所用材料為Ti-6246(原用于航空工業(yè)耐熱高強(qiáng)度鈦合金)，2003年起在井深1 524 m，溫度260～287 ℃的熱采井中成功使用20多口井，取得良好的效果[3]。Weatherford公司的子公司Grant Prideco及RTI國際公司在Texas的子公司RTI能源系統(tǒng)公司于21世紀(jì)初研制出具有很高的強(qiáng)度、撓性和耐用性，而且質(zhì)量輕的鈦合金鉆桿。此鈦合金鉆桿采用鈦合金鉆桿本體加鋼制接頭的結(jié)構(gòu)，接頭材料為SAE-AISI4135、4140或4145鉻鉬鋼[4-5]。國內(nèi)對(duì)鈦合金鉆桿的研究還處于起步階段，只有少數(shù)幾家研究院所和制造廠正在進(jìn)行鈦合金材料在石油天然氣鉆完井領(lǐng)域的先期研究[3,6]，尚無正式研究成果報(bào)道。

現(xiàn)階段鈦合金鉆桿主要指的是鈦合金管材本體加鋼制接頭形式組成的鉆桿，該鉆桿雖然具有較高的強(qiáng)度和撓性[7]，但同時(shí)存在著：1)鋼制鉆桿接頭與本體鈦合金管材間裝配復(fù)雜，極易形成內(nèi)應(yīng)力影響鉆桿整體疲勞壽命；2)鋼制鉆桿接頭與本體鈦合金管材間易形成電偶腐蝕，降低整體鉆桿疲勞壽命；3)鋼制鉆桿接頭抗腐蝕性能遠(yuǎn)比鈦合金接頭差，造成整體鉆桿抗腐蝕性能差，降低整體鉆桿抗腐蝕疲勞壽命。在中國塔里木、塔中等類似區(qū)塊，需要完成6 000 m以上的超深井鉆井業(yè)務(wù)，且伴隨著高濃度的H2S等腐蝕性氣體，常規(guī)鈦合金鉆桿還不能徹底解決在超深井鉆井中降低鉆機(jī)負(fù)荷、提高鉆高耐腐蝕性能的需求，生產(chǎn)一種強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、韌性好、耐腐蝕性強(qiáng)的鉆桿是解決高腐蝕環(huán)境下超深井鉆井的有效辦法。

基于國內(nèi)塔里木、塔中等區(qū)塊超深井鉆井對(duì)輕質(zhì)、耐腐蝕、長(zhǎng)疲勞壽命鉆桿的需求和中油油服統(tǒng)籌項(xiàng)目“提高鉆機(jī)名義鉆深的輕質(zhì)鉆具研制”研究成果，本文研制了一種全鈦合金鉆桿(接頭、管體均為鈦合金材質(zhì))，鉆桿接頭與管體采用摩擦焊接技術(shù)連接，全鈦合金鉆桿重量為同規(guī)格鋼制鉆桿的57%，鉆桿抗拉、抗扭、抗內(nèi)壓性能達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)(API Spec 5DP—2009)中規(guī)定的同規(guī)格105(G)級(jí)鋼制鉆桿水平，滿足超深井鉆井對(duì)降低鉆機(jī)負(fù)荷、提高鉆桿耐腐蝕性能的需求。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試依據(jù)

1.1 全鈦合金短鉆桿設(shè)計(jì)

全鈦合金鉆桿材質(zhì)為鈦合金TC4，其名義組成為 Ti-6Al-4V，屬于α+β型鈦合金?；谠囼?yàn)設(shè)備對(duì)待檢測(cè)鉆桿長(zhǎng)度限制的考慮，試驗(yàn)鉆桿采用長(zhǎng)度為3 800 mm 外徑為73 mm的全鈦合金短鉆桿,短鉆桿接頭尺寸與成品鉆桿相同，只將管體長(zhǎng)度縮短，具體尺寸圖如圖1所示。全鈦合金短鉆桿制造工藝全部按照同規(guī)格成品鋼制鉆桿制造工藝實(shí)施，主要包括管體鐓粗、接頭螺紋加工、管體與接頭摩擦焊接、熱處理等工序，短鉆桿實(shí)物如圖2所示。

圖1 試件尺寸圖

圖2 試件實(shí)物圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試依據(jù)

本文主要包括鉆桿的抗拉強(qiáng)度測(cè)試、抗內(nèi)壓強(qiáng)度測(cè)試、抗扭強(qiáng)度測(cè)試3個(gè)試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)所用設(shè)備為D4590液壓測(cè)試架，抗內(nèi)壓強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)所用設(shè)備為3D-SY54/2000液壓泵，抗扭強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)所用設(shè)備為YC8-11液壓拆裝架。

本文研究全鈦合金鉆桿的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全鈦合金鉆桿抗拉、抗扭、抗內(nèi)壓性能達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)(API Spec 5DP—2009)中規(guī)定的同規(guī)格105(G)級(jí)鋼制鉆桿水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有鉆桿的替代，故本試驗(yàn)所有試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的選擇均以API標(biāo)準(zhǔn)(API Spec 5DP—2009)中規(guī)定的同規(guī)格105(G)級(jí)鋼制鉆桿力學(xué)性能數(shù)據(jù)為依據(jù)，如表1所示。

表1 全鈦合金鉆桿機(jī)械性能測(cè)試試驗(yàn)依據(jù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

抗拉試驗(yàn)在液壓測(cè)試架上進(jìn)行，將2根全鈦合金短鉆桿連接放入拉力機(jī)中，初始加載拉力為200 kN,以每次200 kN的速度遞增，每次拉力試驗(yàn)完成后采用液壓泵打壓10 MPa，穩(wěn)壓5 min,檢測(cè)鉆桿密封狀態(tài)的完整性，直到鉆桿拉斷為止，測(cè)試出鉆桿極限抗拉載荷?？箖?nèi)壓試驗(yàn)是采用液壓泵3D-SY54/2000打壓，將1根短鉆桿兩邊接入試壓接頭，連接完成后打壓，初始打壓壓力為20 MPa,以后以每次20 MPa的速度遞增，直到壓力升到100 MPa為止，檢測(cè)鉆桿試壓過程中的完整性。抗內(nèi)壓試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)試驗(yàn)值是160 MPa,但受試驗(yàn)設(shè)備所限及鉆桿現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境考慮，將最高壓力值設(shè)定為100 MPa?？古ぴ囼?yàn)是在YC8-11液壓拆裝架上進(jìn)行，鉆桿本體抗扭試驗(yàn)是將拆裝架的2個(gè)鉗口卡到短鉆桿的2個(gè)接箍上，起始扭矩為16 kN·m,以2 kN·m的速度遞增，直到扭矩值達(dá)到設(shè)計(jì)試驗(yàn)值為止。鉆桿接頭抗扭試驗(yàn)是將1對(duì)鈦合金接頭連接，擰扣機(jī)的2個(gè)鉗口卡到2個(gè)接頭上，起始扭矩為8 kN·m,以2 kN·m的速度遞增，直到鉆桿接頭承受扭矩值達(dá)到設(shè)計(jì)試驗(yàn)值為止。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 全鈦合金鉆桿抗拉試驗(yàn)

鉆桿承受的最大拉力是全鈦合金鉆桿研究的重點(diǎn)，也是決定鉆桿能否現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)。全鈦合金鉆桿抗拉試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 全鈦合金鉆桿抗拉試驗(yàn)圖

試驗(yàn)過程中拉力隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

圖4 全鈦合金鉆桿拉力隨時(shí)間變化曲線圖

在拉力達(dá)到1 200 kN時(shí)，拉力保持5 min無變化，鉆桿狀態(tài)完好，拉力測(cè)試完成后打壓到10 MPa,穩(wěn)壓5 min壓力無變化，受拉管串密封完好。當(dāng)拉力上升到1 289 kN時(shí)，鉆桿拉斷，斷裂位置在鉆桿扣連接處,如圖5所示。另外2處連接扣保持完好。通過測(cè)試，鉆桿在拉力1 200 kN時(shí)保持完好，達(dá)到目標(biāo)試驗(yàn)值要求。

圖5 全鈦合金鉆桿抗拉試驗(yàn)圖

2.2 全鈦合金鉆桿抗內(nèi)壓試驗(yàn)

全鈦合金鉆桿抗內(nèi)壓試驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。

圖6 全鈦合金鉆桿抗內(nèi)壓試驗(yàn)圖

鉆桿抗內(nèi)壓試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 100 MPa壓力隨時(shí)間變化曲線圖

從圖7中可以看到，當(dāng)壓力達(dá)到100 MPa時(shí)，整個(gè)試壓系統(tǒng)穩(wěn)壓效果良好，未出現(xiàn)任何滲漏情況，鉆桿狀態(tài)保持完好。此試驗(yàn)很好地驗(yàn)證了全鈦合金鉆桿抗高壓的能力，達(dá)到了目標(biāo)試驗(yàn)值的要求。

2.3 全鈦合金鉆桿抗扭試驗(yàn)

鉆桿抗扭矩的水平是決定鉆桿能否現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)。室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 全鈦合金鉆桿抗扭試驗(yàn)圖

鉆桿管體抗扭試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。鉆桿接頭抗扭試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖9 全鈦合金鉆桿管體抗扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

序號(hào)扭矩/kN·m作用時(shí)間/min鉆桿狀態(tài)1165完好2185完好3205完好4225完好5245完好6265完好7285完好

圖10 全鈦合金鉆桿接頭抗扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

序號(hào)扭矩/kN·m作用時(shí)間/min接頭狀態(tài)185完好2105完好3125完好4145完好5165完好6185完好7201斷裂

從測(cè)試結(jié)果我們可以看到，全鈦合金鉆桿管體在扭矩為28 kN·m時(shí)鉆桿狀態(tài)保持完好，超過目標(biāo)試驗(yàn)值22 kN·m的要求。全鈦合金鉆桿接頭在扭矩為18 kN·m時(shí)鉆桿接頭狀態(tài)保持完好，當(dāng)扭矩增加到20 kN·m時(shí)，鉆桿接頭出現(xiàn)扭斷現(xiàn)象(如圖11)，鉆桿接頭的試驗(yàn)值同樣超過了11.5 kN·m的要求。

圖11 鉆桿接頭抗扭斷裂圖

3 結(jié) 論

試驗(yàn)表明，全鈦合金鉆桿抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1 200 kN,管體抗扭強(qiáng)度達(dá)到了20 kN·m,接頭抗扭強(qiáng)度達(dá)到了18 kN·m,整體抗內(nèi)壓強(qiáng)度達(dá)到了100 MPa,滿足API標(biāo)準(zhǔn)(API Spec 5DP—2009)中同規(guī)格105(G)級(jí)鋼制鉆桿抗拉、抗扭、抗內(nèi)壓性能要求，全鈦合金鉆桿的性能參數(shù)已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。