石油鉆具技術的研究與發展

余榮華 袁鵬斌 章志龍 舒志強

(1.上海海隆石油管材研究所；2.海隆石油工業集團有限公司)

石油鉆具技術的研究與發展

余榮華1袁鵬斌2章志龍1舒志強1

(1.上海海隆石油管材研究所；2.海隆石油工業集團有限公司)

綜合分析了國內外新型石油鉆具技術的研究與應用情況，介紹了高強度鋼質石油鉆具、碳纖維鉆具、高強度鋁合金鉆具、鈦合金鉆具、電子標簽鉆具及智能化鉆具等新型鉆具，總結了石油鉆具技術將逐漸向高強度、輕型化、信息化管理、智能化方向發展，并且未來鉆具技術裝備的發展與新鉆井技術的結合將最終形成智能化鉆井系統。

石油鉆具 智能化 信息化管理 高強度 輕型化

石油天然氣鉆井是一項地下隱蔽性工程。隨著陸上、海上復雜油氣田和難采難動用儲量開發的需求日益增長，復雜地質條件下鉆復雜結構井、超深井、超大位移井、特殊工藝井和超極限井時，存在著大量非均質性、不確定性、非結構性、非數值化的難題，要解決這些工程難題迫切需要石油鉆具的更新換代。為此，筆者探討了國內外新型石油鉆具技術的研究與應用情況，并分析了石油鉆具的發展趨勢，期望能指引新型石油鉆具的研究設計，推動石油鉆具裝備的更新換代。

1 高強度化

石油鉆井技術向著更深的超深井和更長位移的大位移水平井方向發展，深井、超深井數量逐步增加，使得鉆柱在井下的服役環境越來越苛刻，井下各種復雜問題出現的幾率也成倍增加，對鉆柱性能指標提出了更高要求，開發鉆井安全性好、鉆深能力強、鉆井效率高的鉆具成為迫在眉睫的任務。

1.1 高強度鋼質石油鉆具

在鋼質鉆桿中，現行鉆桿規范API 5DP-2010中規定的最高強度鉆桿為S135鋼級鉆桿，DS-1(《鉆井用管材產品規范》)標準中增加了Z140和V150兩種高鋼級鉆桿[1]，Vallourec公司對于V150和VM165系列高鋼級鉆桿產品的制造與應用均有報道[2]。與非鋼質鉆桿相比，高強度鋼質鉆桿具有理想的機械性能和優越的經濟效益，是對S135鋼鉆桿的技術升級，其鉆桿尺寸規格和生產制造技術設備等相對成熟，并且在鉆井過程中不需要對現場配套設備進行更換。魏存祥等認為在大位移鉆井、超深井鉆井和深水鉆井的近期、中期使用高強度鋼質鉆桿占有很大優勢[3]。近幾年，隨著國內先進鋼種設計、冶煉軋制及熱處理等工藝技術和先進設備的不斷發展進步，高強度鉆桿技術的研究和應用越來越多。歐陽志英等研究了工程屈強比對V150和UD165高強度鉆桿形變硬化指數、真實斷裂強度、均勻形變容量及靜力韌度等的影響規律[4]，研究得到150ksi(1ksi≈6.895MPa)和165ksi高強度鋼鉆桿最小屈服強度與S135鉆桿相比，分別提高了11%和22%。 近幾年國內生產的5-7/8″非標準尺寸V150高強度鉆桿在塔里木油田7km以上的超深井鉆井中得到大規模應用，該鉆桿在抗拉強度等機械性能不降低的情況下，增大了鉆柱水眼尺寸，大幅降低鉆柱內壓降，改善了鉆井水力性能，使得鉆井效率較同區塊S135鉆具提高約30%以上。2015年海隆石油開發了165ksi(HL165)高強度鉆桿，開展了大量試驗研究，包括拉伸強度塑性、低溫沖擊韌性、高周疲勞及斷裂韌性等測試，結果表明，該級別鉆桿綜合力學性能水平達到國際先進水平，并且在塔里木油田某7.6km超深井使用，累計鉆進7 066m，純鉆時間兩千多小時。VM165與HL165高強度鉆桿綜合性能對比見表1。

表1 VM165與HL165高強度鉆桿綜合性能對比

1.2 碳纖維鉆具

碳纖維因具有軸向強度和模量高、密度低、無蠕變、耐超高溫和疲勞等諸多特點受到廣泛關注。美國能源部于1999年就開始研究采用碳纖維復合材料制造石油鉆具[5]。碳纖維復合鉆具是通過在卷筒上纏繞碳纖維，然后應用一種環氧基復合材料覆蓋并密封而成。碳纖維復合鉆具是一種力學性能優異的新型鉆具，重量輕，具有高強度重量比、超高的抗腐蝕能力和較強的抗疲勞能力。它的比重不到鋼的1/4，碳纖維復合材料理論抗拉強度高達180GPa，一般都在3 500MPa以上，是鋼的6～9倍，彈性模量為230～430GPa，也高于鋼，比強度(即材料的強度與其密度之比)可達到2kg/cm2以上，其比模量也比鋼高。碳纖維復合材料的比強度愈高，構件自重愈小，比模量愈高，構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維復合鉆桿的廣闊應用前景。

碳纖維復合鉆具非常適合于超深井、老井側鉆、鉆水平井鉆進、更長位移的大位移井鉆井。由于碳纖維復合鉆桿具有更好的柔韌性，所以能夠更好地承受在鉆短曲率水平井時所經常遇到的應力和疲勞損傷。2003年中期，美國能源部在Oklahoma一口水平氣井422.15m深的高研磨性地層中對碳纖維復合鉆桿進行了現場試驗，并獲得了成功。2004年，美國能源部在下一代碳纖維復合鉆桿的研制中在177.8mm鉆桿中嵌入一條數據傳輸線，實現井下數據的實時傳送，從而形成智能鉆井系統[5]。

碳纖維復合鉆具雖然優點顯著，但受碳纖維復合材料高價格的制約，碳纖維復合鉆具不能廣泛進入應用市場。近年來隨著碳纖維大絲束的發展，碳纖維的成本從20世紀80 年代每千克350 美元降低到了目前的每千克20 美元左右。今后隨著大絲束的深入開發、大批量生產、大范圍的應用，碳纖維成本有望進一步快速降低，碳纖維復合鉆具將會逐漸進入石油鉆具應用領域。

2 輕型化

鋼質鉆具在水平井、高腐蝕介質井及超深井等施工中經常遇到鉆具摩擦熱裂、氫脆、應力腐蝕斷裂、鉆井速度和效率降低及大鉤負載過大等問題，這些問題均由合金鋼材料本身不能克服的理化特性決定，輕合金材料的發展和應用越來越多，由輕合金材料制造石油鉆具逐漸代替鋼質鉆具也是一種發展趨勢。

2.1 高強度鋁合金鉆具

與傳統鋼鉆具材料相比，鋁合金材料雖然強度較低，但具有良好的彈性形變能力和足夠的塑性儲備。鋁合金材料密度和彈性模量幾乎是鋼的1/3，而比強度卻是鋼的1.5～2.0倍。在鉆井時，鋁合金鉆具顯示出較好的浮力特性，這樣在鉆深井、超深井中可大幅降低鉆柱重量，提高鉆機鉆深能力50%～100%，也極大地提高了鋼絲繩的使用壽命。鋁合金鉆具具有良好的抗彎曲載荷性能，更適合曲率大的定向井和水平井。在通過定向井和大位移水平井彎曲井段時產生的彎曲應力小，有利于保證鉆井安全、提高鉆井效率、延長鉆柱使用壽命[6]。鋁合金鉆具彈性模量小，在曲率大的定向井和水平井中使用鋁合金鉆具時，鉆柱與裸眼井段和套管井段的摩擦力較小。

鋁合金鉆具質量輕，在鉆機能力一定的條件下，用鋁合金鉆具能鉆到鋼鉆具無法達到的深度。相同鉆井工況下，鋁合金鉆具比鋼質鉆具在鉆井深度方面具有更大的優勢，高強度鋁合金鉆具的理論鉆井深度為24km左右，同等條件下165超高強度鋼質鉆具理論鉆井深度只有16.5km。世界著名的超深井科拉-3(CY-3)井深12.262km就是俄羅斯采用鋁合金鉆具完成的[7]。

目前世界上具備鋁合金鉆具工業化生產能力的制造商主要集中在俄羅斯，產量最大的是Weatherford的Aquatic子公司。美國鋁業也對鋁合金鉆具進行了研究，2009年進行了實驗室和初步的現場應用試驗。至2012年之前鋁合金鉆具在我國的制造仍為空白，國內無制造變截面鋁合金鉆具管體的技術，國外技術保密。2008年年底國內油田進口并應用鋁合金鉆具，海隆石油于2007年開始研制鋁合金鉆具，先后攻克了變截面鋁合金管體成型技術、鋁合金管體中間增厚技術、鋁合金管體與鋼接頭裝配技術及鋁合金鉆具耐磨保護技術等，打破了多年來國外對鋁合金鉆具制造技術的壟斷，國產鋁合金鉆具的性能也遠高于國際標準水平。表2為國內鋁合金鉆具與ISO標準要求的材料性能對比。

表2 鋁合金鉆具材料性能對比

2.2 鈦合金鉆具

美國Grant Prideco公司和RTI能源系統公司為滿足特殊工藝井的鉆井要求開發了鈦合金鉆具[8]。鈦合金的密度只有鋼的56%，普通鈦合金材料鉆桿的最小屈服強度高達828MPa，鈦合金鉆桿(包括鋼鉆桿接頭)的比強度是S135鋼質鉆桿的1.37倍。與常規的鋼鉆具相比，在高曲率井眼、超深井、深水鉆井應用中具有顯著優勢[9]。在深井、超深井定向鉆井中使用鈦合金鉆具大約可減低40%的大鉤載荷和旋轉扭矩。在深水應用中鈦合金鉆具可減少高達44%的立管柔性接頭的側向載荷，可顯著降低立管和套管的磨損，降低風險提高安全性。鈦合金鉆具還具有高耐腐蝕和侵蝕性、良好的耐疲勞性及較高的耐缺口敏感疲勞性等優勢，并且與鋼接觸具有顯著的低磨損率。

目前，由于受到鈦合金原料費用高等問題的影響，鈦合金鉆具的研究和應用較少。國外對φ73.02mm鈦合金鉆具的研究略有報道，其他尺寸系列的鈦合金鉆具僅基于模擬分析，仍有待于開發[10]。國內已具備生產長尺寸厚壁鈦合金無縫管的能力，鈦合金油管已進行小批量生產和試用，鈦合金鉆具的兩端加厚技術也基本具備，鈦合金鉆具不久將會試用于國內的特殊工況條件下。

3 管理信息化

目前石油鉆具管理仍采用人工、紙質管理方式，存在效率低下、人為失誤率高及鉆具利用率低等問題。在此背景下，研發基于智能物聯網管理系統的電子標簽鉆具是實現鉆具管理智能化、信息化的基礎。電子標簽鉆具通過在石油鉆具中嵌入無線射頻識別(RFID)標簽，使每根鉆具擁有全世界獨一無二的“電子身份證”，并使用智能讀寫設備實時、準確、智能化跟蹤完成鉆具全生命周期過程，如鉆具出入庫、調撥、基本信息維護、使用信息記錄、維修信息記錄、報廢處理及鉆井信息記錄等。借助后臺物聯網管理系統，管理者可以足不出戶地實時查詢鉆具的累計進尺、純鉆時間、位置信息、當前使用狀態、維修記錄及庫存信息等，實現對鉆具的遠程精確化管理，合理高效地利用鉆具，減少人工管理成本。此外，通過安裝在井口的智能化讀寫設備和傳感器，可以實時記錄鉆井信息、作業人員信息及鉆井井深等參數，大幅提高鉆井效率和信息智能化水平。鉆具管理信息化系統方案如圖1所示。

圖1 鉆具管理信息化系統方案

由于石油鉆井井下為高溫、高壓、腐蝕、振動及磨損等極端惡劣環境，對電子標簽的各項性能要求極高，因此電子標簽的設計與研制是電子標簽鉆具的核心和關鍵技術。管理系統和數據庫的開發是鉆具信息化管理的靈魂。國外公司早在2003年就開始對鉆具電子標簽進行研究，經過多年的技術發展和進步，標簽的耐溫、耐壓等各項性能不斷提高，電子標簽的尺寸、安裝方法等也不斷優化。但經過多年的油田現場試驗和使用，發現標簽仍存在技術問題，如封裝技術使標簽還不能適應深井和超深井的超高溫高壓環境。此外，標簽長時間工作后，會出現讀取距離下降、讀取性能不穩定等問題。這些都制約了電子標簽鉆具項目的大規模推廣和使用。

國內在2012年左右才開始電子標簽鉆具的研究。目前國內具備石油鉆具電子標簽研發能力的廠家僅有3、4家，在標簽的材料、耐溫等性能方面已經達到國外先進水平，但在標簽的封裝、安裝方式及穩定性等方面仍存在一定差距。國內電子標簽仍只適用于淺井，且存在讀取率不高等問題。隨著國內外的研究和技術的進步，在不久的將來具有電子標簽管理系統的鉆具將得到普遍應用。

4 鉆具智能化

現有鉆井信息采用泥漿脈沖信息,上傳速率只有10bit/s 左右，信息延遲到達地面時間較長，隨鉆測量信息下傳技術很不成熟而且形不成閉環，鉆井液脈沖傳輸的信息量極其有限。國內外一直在探索和研究新的信號傳輸方式[11]。目前主要有電纜插接直連式、電磁耦合式和光電耦合式3種形式的信息傳遞方式[12]。

電纜插接直連式智能化鉆具國內研究較多，在鉆具管體和公母接頭中嵌入電纜，接頭處采用內、外導電環結構來實現導通，它既可以傳輸電力，又可傳輸和輸入信號，實現閉環信息通道。電纜插接直連式智能化鉆具關鍵在于如何在鉆具管體和接頭內嵌入電纜，并保證整個鉆具的導電性和絕緣性[13]。在鉆具管體和接頭內嵌入電纜、電纜設計和鋪設、電纜在接頭部位絕緣密封、電纜在接頭部位對位連接、保證接觸的有效性、通電安全性及工業操作便利性等技術問題都將是制造電纜插接直連式智能化鉆具的難點。目前國內已試制出電纜插接直連式智能化鉆具的電導通樣件，并取得了良好的試驗效果。

美國National Oilwell Varco (NOV) IntelliServ公司研發了電磁耦合式智能化鉆具，實現井下數據的瞬時雙向傳輸。電磁耦合式智能化鉆具內部有電纜，公母接頭副臺階面引出電纜并安裝有一個感應環，鉆具公母接頭對接緊扣以后，兩感應環并不直接接觸，而是通過電磁感應原理依次向相鄰接頭線圈傳輸數據，前一個接頭中線圈產生交變磁場，使后者產生感應電流信號，電磁耦合式智能化鉆具的連接接頭如圖2所示。電磁耦合式智能化鉆具已使用了130口井，NOV IntelliServ公司現在已經發布了第2代電磁耦合式智能化鉆具技術，所有基本組成部分進行了重新設計，節約了鉆井時間，使信息傳遞可靠性更高且成本更低[14]。非接觸式耦合器的設計是感應式數據傳輸技術的關鍵點之一，對實際電感線圈建立合理的等效電路模型是該技術的難點之一。中石油鉆井研究院在這方面進行了多年的研究，也初步建立了相應的模型，制造出了試驗樣件。

圖2 電磁耦合式智能化鉆具的連接接頭

光電耦合式智能化鉆具目前國內外研究較少，光電耦合式智能化鉆具內部嵌有電纜，鉆具公母接頭安裝有光電信號轉換器。光電耦合式智能鉆具不僅可以逐級傳遞信號信息，還可以實現井上信息與井下信息雙向通信，形成閉環信息通路。信號在鉆具內部時，通過電纜以電信號的形式傳輸；信號傳輸至鉆具接頭時，通過光電信號轉換器，將電信號轉換為光信號，下一級接頭的光電信號轉換器再將光信號轉換為電信號繼續傳輸。光電耦合式智能化鉆具的核心技術在于光電耦合傳輸器的設計、接頭的結構和密封防護設計。光電耦合式智能化鉆具擁有傳輸速度快、多級信號衰減小及傳輸信息量大等優點，雖然目前國內外光電耦合式智能化鉆具處在實驗室測試階段，但隨著相關技術的發展與進步，光電耦合式智能化鉆具在油田的大規模推廣和使用日趨臨近。

3種智能化鉆具的實現方式各有優缺點。電纜插接直連式可實現信號和電力的傳輸，且可實現大功率的電力傳輸，這將使在井底采用電動鉆具成為可能。光電耦合式是目前傳輸信息量最大的傳輸方式，但不能傳輸電力。電磁耦合式在傳輸信號的同時又可傳輸少量的電能給井下工具以滿足測井儀器的需要，但無法傳輸大功率的電能。針對不同需求，3種智能化鉆具將在不同的用途領域應用。

5 未來鉆具技術的應用——智能化鉆井

智能化鉆井是將現代信息技術等引入鉆井井眼內，依托和應用智能化鉆具，完成鉆井信息實時、高速、雙向、閉環測控與傳輸，從而進行智能化管理與控制。井口供電設備通過智能化鉆具向井下測控和鉆井工具傳輸電力。智能化鉆具下部組裝的各智能工具安裝有各種高端傳感器，傳感器所測量的信息通過智能化鉆具中的有線傳輸通道高速傳輸到地面，地面設備與因特網聯通，將隨鉆采集并經過處理后得到的準確、真實的地下剖面完整資料與遠程專家數據庫中的信息進行綜合分析與整合，運用軟件對這些在不同時空采集的并具有不同特征的信息進行相關性和融合性研究，解釋并處理待鉆井段技術參數，得出優化參數和合理化的決策方案[15]。并可通過智能化鉆具信號線遠程發出相應指令，控制井下各種智能鉆井工具及時準確地進行作業(圖3)，從而減免鉆井作業風險。智能化鉆井必將是鉆、完、錄井技術的重大革命[16]。

圖3 智能化鉆井

6 結論與展望

高強度的鋼質鉆具和碳纖維鉆具、輕質的鋁合金鉆具和鈦合金鉆具由于具有優越的材料特性逐漸成為解決復雜井、超深井、超大位移井、特殊工藝井及超極限井等鉆井技術難題，實現鉆井安全、提高鉆探能力、提高鉆井效率和解決特殊工況的必選裝備。

智能化鉆具將解決智能鉆井技術發展的致命“瓶頸”問題。具備物聯網管理并適用各種井況環境的能夠雙向傳輸信息和控制的智能化鉆具、井下工具及旋轉導向等將是實現智能化鉆井的技術裝備保證。對各種裝備的物聯網管理將是實現智能鉆井的必須手段。

未來的石油鉆具技術裝備將逐漸向高強度、輕型化、信息化管理、智能化方向發展，未來鉆具技術裝備的發展與石油鉆井技術的結合將最終形成智能化鉆井系統。

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ResearchandDevelopmentofPetroleumDrillingToolsandTechnologies

YU Rong-hua1, YUAN Peng-bin2, ZHANG Zhi-long1, SHU Zhi-qiang1
(1.ShanghaiHilongPetroleumTubularGoodsResearchInstitute; 2.HilongGroupCo.,Ltd.)

The research and application of new petroleum drilling tools and relevant technologies at home and abroad were comprehensively analyzed; and high-strength steeled petroleum drilling tools, carbon fiber drilling tools, high-strength aluminium alloy drilling tools, titanium alloy drilling tools, drilling tools with e-tags and intelligent drilling tools and other new drilling tools were introduced. It’s concluded that petroleum drilling tools and the technologies will develop towards the direction of high strength, light weight, information management and intelligence, and the intelligent drilling system which combining the development of drilling equipments with new drilling technologies would step forward.

drilling tools, intelligent, information management, high-strength, light-weight

TE921

A

1000-3932(2017)04-0335-06

2016-10-09，

2017-01-22)

余榮華(1978-)，高級工程師，主要從事石油裝備、油氣管道檢測的研發與應用工作， yrh618@163.com。