鋁合金鉆桿的特點(diǎn)介紹

吳亮， 吳修德， 魏世忠， 劉乃強(qiáng)

（長(zhǎng)江大學(xué)，湖北荊州434023）

0 引言

隨著能源開(kāi)發(fā)和地質(zhì)勘探的不斷發(fā)展，其工作難度日益增加，這對(duì)鉆探設(shè)備提出了更高的要求。人們希望通過(guò)設(shè)備的改良和更新?lián)Q代來(lái)降低工作難度，減少事故發(fā)生的可能，降低事故處理難度，從而達(dá)到節(jié)約成本、提高鉆探工作效率的目的，推動(dòng)我國(guó)的鉆探事業(yè)向更深更廣的區(qū)域發(fā)展。

大部分研究機(jī)構(gòu)在關(guān)注提升鉆機(jī)能力和開(kāi)發(fā)新設(shè)備時(shí)，少數(shù)廠商則另辟蹊徑，他們把目標(biāo)轉(zhuǎn)向?qū)π滦豌@桿材料的研究，希望在不增加鉆機(jī)噸位的情況下，降低鉆桿材料的密度，減輕鉆桿的質(zhì)量，但仍能滿足鉆探需求。經(jīng)過(guò)不懈的努力，輕質(zhì)合金鉆桿應(yīng)運(yùn)而生，輕質(zhì)合金鉆桿主要分為鋁合金和鈦合金兩類(lèi)，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(yè)的發(fā)展。2014年年初，吉林麥達(dá)斯鋁業(yè)公司宣布鋁合金深井鉆桿研制成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白，昔日鋁合金深井鉆桿單純依靠進(jìn)口的局面將不復(fù)存在。

1 鋁合金鉆桿的核心技術(shù)

相對(duì)于很早就掌握了鋁合金深井鉆桿技術(shù)的俄、美、日等少數(shù)國(guó)家，我國(guó)的鋁合金鉆桿研制和應(yīng)用起步比較晚，雖然我國(guó)在2006年12月15日就制定了石油天然氣工業(yè)鋁合金的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（2007年5月1日起實(shí)施），但由于我國(guó)鉆探裝備制造廠商自身的條件與施工企業(yè)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(guò)渡到研究高性能的鋁合金鉆桿。文獻(xiàn)［1］指出高強(qiáng)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(shí)效處理(包括熱處理后矯直)、鉆桿桿體與接頭間螺紋副熱過(guò)盈連接工藝是地質(zhì)鉆探鋁合金鉆桿制造的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。深井鋁合金鉆桿在研制過(guò)程中原材料的熔鑄、熔煉和鑄造,鋁合金鉆桿的工模具的設(shè)計(jì)以及鋁合金鉆桿特殊的擠壓工藝是設(shè)計(jì)制造比較核心的技術(shù)。

2 鋁合金鉆桿的特點(diǎn)

高強(qiáng)度鋁合金鉆桿按接頭的不同可分為三類(lèi)，其中帶鋼接頭的鋁合金鉆桿在實(shí)際工作中應(yīng)用最多，全鋁合金鉆桿次之，厚壁無(wú)磁鋁合金鉆桿使用較少。我們所研究和設(shè)計(jì)的鋁合金鉆桿，都是立足于現(xiàn)有技術(shù)，無(wú)論從材料、尺寸還是外形都最大限度地發(fā)揮了鋁合金鉆桿的優(yōu)勢(shì)，可以解決許多常見(jiàn)的鉆井問(wèn)題，具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的推廣應(yīng)用前景。當(dāng)然，現(xiàn)有的鋁合金鉆桿研究技術(shù)還不夠完善，鋁合金鉆桿在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中還存在著一些問(wèn)題有待我們解決。

2.1 鋁合金鉆桿的優(yōu)點(diǎn)(通常應(yīng)用的7 E 0 4鋁合金鉆桿與普通鋼鉆桿相比）

1）鋁是化學(xué)性質(zhì)比較活潑的金屬元素，在腐蝕環(huán)境中，鋁合金鉆桿表面發(fā)生氧化反應(yīng)會(huì)生成一層氧化膜，從而很好地阻止其與環(huán)境進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，無(wú)論濃度和溫度如何，鋁合金鉆桿材料都有很強(qiáng)的抗硫化氫和抗二氧化碳等酸性環(huán)境腐蝕的能力，而鋁合金鉆桿的剛接頭沒(méi)有這種能力，但鋁合金鉆桿管體對(duì)剛接頭有陰極保護(hù)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(huán)境保證其自身的穩(wěn)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(qiáng)，能夠很好地改善鉆頭在井底的工作條件，延長(zhǎng)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(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鋼鉆桿小，因此，鋁合金鉆桿以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)在水平井、斜井、曲率半徑較小的定向井中能發(fā)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(shí)，使用鋁合金鉆桿的井中裝備要輕很多，易于搬運(yùn)，在惡劣環(huán)境以及復(fù)雜地形中，可以大大減小運(yùn)輸量，減輕工人施工強(qiáng)度。

鋁合金的浮力系數(shù)比鋼要小得多，與井壁接觸產(chǎn)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(hào)鉆機(jī)的情況下，使用鋁合金鉆桿，所需回轉(zhuǎn)扭矩小，能增加鉆進(jìn)深度，很大程度降低大鉤載荷，縮短升降操作時(shí)間，還能提高鋼絲繩甚至是鉆機(jī)的使用壽命，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，所以動(dòng)力、設(shè)備的運(yùn)輸、勞動(dòng)力方面的成本都有所降低。

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

5）與鋼不同，鋁合金鉆桿具有無(wú)磁性的特點(diǎn)，更加適合鉆探過(guò)程中使用儀器儀表測(cè)量。

6）在對(duì)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(hù)裸眼井段和套管，更適合裸眼段較長(zhǎng)的井。且其內(nèi)的鉆井液和泥漿流動(dòng)阻力小，可有效提高鉆頭的水力效率。

7）當(dāng)然，鉆探行業(yè)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，在井內(nèi)處理鋁合金鉆桿事故時(shí)，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(fù)雜事故。

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

2.2 鋁合金鉆桿的缺點(diǎn)

鋁合金鉆桿在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)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(wèn)題，以便在我們今后的研究中加以突破。

1）高強(qiáng)度鋁合金鉆桿的技術(shù)研究以及生產(chǎn)制造工藝較為復(fù)雜，價(jià)格偏高。

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

3）高強(qiáng)度鋁合金鉆桿耐磨性不好，在井內(nèi)工作過(guò)程中，當(dāng)孔壁有堅(jiān)硬異物或鉆孔彎曲較大，表面容易產(chǎn)生快速磨損;在鉆進(jìn)中可能出現(xiàn)斷裂和刺穿等嚴(yán)重失效事故，而通過(guò)增加壁厚可以提高其結(jié)構(gòu)安全性，但又會(huì)造成水力性能不良。

4）高強(qiáng)度鋁合金鉆桿抗鹽腐蝕能力差。當(dāng)井中含鹽量超過(guò)14%時(shí)，鉆桿會(huì)產(chǎn)生一定程度的腐蝕。

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

6）鋁合金鉆桿屈服強(qiáng)度較低，特別是當(dāng)溫度高于121℃，屈服強(qiáng)度會(huì)大幅下降。達(dá)到200℃時(shí)，與室溫相比下降40%。

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

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

9）鋁合金桿體與鋼質(zhì)接頭之間的螺紋副采用了特殊結(jié)構(gòu)和機(jī)械緊固工藝，給現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)和更換鋼接頭造成一定程度的困難。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然高強(qiáng)度鋁合金鉆桿還存在著一定的不足，但是其所具有的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，隨著我們對(duì)鋁合金更加深入地不斷研究，在不久的將來(lái)，高強(qiáng)度鋁合金鉆桿的性能也會(huì)不斷地得到改善，更有益于我們的鉆探事業(yè)，更好地服務(wù)于社會(huì)。

［1］ 梁健，劉秀美，王漢寶.地質(zhì)鉆探鋁合金鉆桿應(yīng)用淺析［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2010（3）:62-64.

［2］ 胡以寶，狄勤豐，姚建林，等.斜直井眼中鉆柱的動(dòng)力學(xué)特性分析［J］.石油鉆采工藝，2009（1）:14-17.

［3］ 唐繼平，狄勤豐，胡以寶，等.鋁合金鉆桿的動(dòng)態(tài)特性及磨損機(jī)理分析［J］.石油學(xué)報(bào)，2010（4）:684-688.

［4］ 呂拴錄，駱發(fā)前，周杰，等.鋁合金鉆桿在塔里木油田推廣應(yīng)用前景分析［J］.石油鉆探技術(shù)，2009（3）:74-77.

［5］ 鄢泰寧，薛維，蘭凱.高可靠性鋁合金鉆桿及其在超深井和水平井中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2010（1）:112-115.

［6］ 劉靜安.鋁合金鉆探管的特點(diǎn)及其應(yīng)用與發(fā)展［J］.有色金屬加工，2011（6）:7-10.

［7］ 趙源，高萬(wàn)振，李健.磨損研究及其方向［C］//中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)摩擦分會(huì).第二屆全國(guó)工業(yè)摩擦學(xué)大會(huì)暨第七屆全國(guó)青年摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議論文集.北京：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)摩擦分會(huì)，2004:18.

［8］ 鄢泰寧，薛維，盧春華.鋁合金鉆桿的優(yōu)越性及其在地探深孔中的應(yīng)用前景［J］.探礦工程：巖土鉆掘工程，2010（2）:27-29.

［9］ 王小紅，郭俊，閆靜，等.鋁合金鉆桿材料生產(chǎn)工藝及磨損研究進(jìn)展［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2013（增刊 1）:1-6.