铝合金钻杆在国内外的研究及现场应用_孙澜江.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-12修回日期 2020-01-03 第一作者简介 孙澜江 （1983-） ， 男 （汉族） ， 山东潍坊人， 工程师， 现从事钻井工艺研究与钻井方案设计工作。 铝合金钻杆在国内外的研究及现场应用 孙澜江*， 张抒夏， 杨睿， 辛勇 （中国石油集团西部钻探工程技术研究院， 新疆 克拉玛依 834000） 摘要 铝合金钻杆具有常规钢钻杆所没有的许多优势， 优质铝合金钻杆已经成为取代传统钢钻杆 的最佳选择。分析总结了铝合金钻杆的特性及技术优势； 介绍了铝合金钻杆在国外尤其是在俄罗斯 和美国的发展历程及现场应用情况； 重点介绍了铝合金钻杆在国内的研发现状及现场应用情况； 分 析总结了铝合金钻杆在国内的重点应用领域。 关键词 铝合金钻杆； 技术优势； 研究现状； 现场应用 中图分类号 TE921 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0049-04 随着钻探技术的发展以及深井、 超深井数量的增 多， 常规钢钻杆自重过大、 强度余量不足等问题愈发为 人们所重视。与钢钻杆相比， 铝合金钻杆具有低重量、 无磁性、 耐腐蚀性以及稳定的力学性能， 而且具有钻进 能耗低、 易于搬运等优点[1]。在国外， 铝合金钻杆已经 成为取代钢钻杆的最佳选择， 在深井、 超深井以及海洋 钻井等领域广泛应用。目前， 铝合金钻杆只有美国、 俄 罗斯、 法国和日本等少数国家能够批量生产， 尚属高新 技术范畴。 1铝合金钻杆的技术优势[1-2] （1） 大幅降低钻机负荷。相比传统钻杆材料钢， 铝 合金的物理力学性能更为出色。钢的密度是7.8g/cm3， 铝合金的密度是2.7g/cm3， 铝合金的密度几乎只有钢 的1/3， 而比强度却是钢的1.5～2倍。在同等钻机载荷 下， 用铝合金钻杆比用钢钻杆钻达的井深更深。国外 实践表明， 使用铝合金钻杆能提升钻机的钻进能力， 泥 浆钻进时提升100， 空气钻进时提升30。 （2） 在腐蚀环境中具有良好的稳定性。铝合金表 面覆盖一层氧化膜， 会阻隔与环境的进一步反应， 可用 于任何浓度的硫化氢和二氧化碳环境， 对天然气和煤 层气的开发意义重大。 （3） 减少起下钻中的能耗。现场应用表明， 铝合金 钻杆比钢钻杆节约下钻时间17、 提钻时间35。 （4） 铝合金钻杆的无磁特性和镍钴合金类似， 适合 与随钻测量仪器配合使用。 （5） 铝合金钻杆表面的液体阻力系数比钢钻柱的 低， 可使钻柱部分的流体压力损失降低15～20。 （6） 牙轮钻头钻除铝合金钻具的钻速可以达到 30m/h， 方便处理井下事故。 2国外铝合金钻杆的研究历程及现场应用情况 瑞典的克芮留斯公司于20世纪60年代成功研制 铝合金钻杆， 随后在前苏联、 美国、 比利时和加拿大等 国家得到推广。目前， 铝合金钻杆在国外的使用比例 逐年增加， 俄罗斯已达到总进尺数的50以上， 美国更 是达到了 60以上 [3]。现场数据表明， 对于 2900～ 3200m的中浅井， 铝合金钻杆使用寿命可达7～8年， 纯 钻时间5500～5600h。铝合金钻杆因疲劳、 过载、 磨损、 腐蚀等问题带来的失效事故比钢钻杆降低40以上[4]。 在俄罗斯铝合金钻杆 （ADP） 标准的基础上， 欧盟 于2002年制定了 石油天然气工业铝合金钻杆 ISO15546- 2002 国 际 标 准 ， 并 于 2011 年 修 订 为 ISO15546-2011 新国际标准， 与美国制定的钢钻杆 API国际标准拥有等同地位[3]。 超深井、 大位移井等复杂工况条件下的钻探技术 也伴随铝合金钻杆技术的发展而不断进步， 用铝合金 钻杆钻探完成许多创记录井。如 2008年5月在卡塔 尔完钻的BD-04A井， 井深12289m， 水平段10902m， 钻井周期38d， 创造钻井效率世界记录； 2012年俄罗斯 完钻的Chayvo Z-44井， 井深12376m， 创造钻井总进 尺世界记录 [4]。 2.1俄罗斯铝合金钻杆的发展应用 20世纪 60年代， 前苏联在伏尔加中部地区首次进 49 2020年第10期西部探矿工程 行了铝合金钻杆现场试验。60年代中期至70年代， 在 西西伯利亚开始投入超深井的钻井试验。80年代初， 前 苏联铝合金钻杆年使用量约150104m。截止至1985 年， 钻探中使用铝合金钻杆的比例达到70～75， 进尺 总量3560104m。在西西伯利亚等偏远地区， 使用80～ 125t移动式钻机进行丛式井作业， 开发了大量新的油气 资源区块， 充分体现出铝合金钻杆的轻质化优势。2009 年， 俄罗斯在用铝合金钻杆约100104m[4]。 前苏联于1992 年完成了科拉SG-3井的钻探工 作， 创造了12262m的垂深世界记录， 使用高可靠性铝 合金钻杆是SG-3井创造世界超深井纪录的关键技术 之一。该井井底温度 220℃， 使用的钻机额定井深 8000m、 提升能力4000kN。其采用的钻柱体系如表1 所示[5]。 钻杆类型 底部钻具组合 钢钻杆 铝合金钻杆 铝合金钻杆 铝合金钻杆 铝合金钻杆 铝合金钻杆 铝合金钻杆 铝合金钻杆 钢钻杆 外径mm 140 147 147 147 147 147 147 147 140 壁厚mm 9 11 13 15 11 13 15 17 11 长度m 40 150 2800 1005 1205 1200 1400 1450 1100 1650 累计长度m 40 190 2990 3995 5200 6400 7800 9250 10350 12000 累计浮重kN 50 93 431 571 725 870 1064 1281 1459 2016 阻力kN 50 55 300 380 445 520 650 750 870 1100 总提升载荷kN 100 148 731 951 1170 1390 1714 2031 2329 3116 表1SG-3井钻具组合 2.2美国铝合金钻杆的发展应用 与俄罗斯相比， 美国的铝合金钻杆技术起步较晚， 但发展迅速。美国将铝合金钻杆技术主要应用于页岩 气水平井、 丛式井、 海洋平台等领域， 更加注重铝合金 钻杆接头结构优化、 移动式快速钻机开发等配套技术 的研究。 美国生产铝合金钻杆的企业主要是美国铝业公 司， 规格从114.3mm～168.3mm。该公司在铝合金 钻杆的物理力学性能、 失效行为、 温度影响、 腐蚀性质、 钻杆内涂层等方面投入了大量的精力进行研究， 提升 了铝合金钻杆的可靠性。美国铝业公司2009年成立油 气资源事业部专门进行铝合金钻杆技术的推广。 2012年， 美国埃克森美孚公司在俄罗斯库页岛的 Odoptu油田， 使用公司的快速钻探工艺和铝合金钻杆， 成功完成了全球最深大位移井OP-11井 （12345m） 的 钻进工作， 创造了大位移井水平距离11475m的世界纪 录， 钻井周期仅60d。 3国内铝合金钻杆研究现状及现场应用情况 我国的铝合金钻杆技术相比国外落后较多， 但近 年来发展态势良好， 取得了一系列的研究和现场应用 成果。冯春等开发了铝合金钻杆材料 （460MPa） ， 2013 年在塔里木油田应用， 并在实验室获得了超高强铝合 金钻杆管体材料 （580MPa、 700MPa） ； 吕栓录等分析了 铝合金钻杆的结构特性和适用范围； 唐继平等分析了 铝合金钻杆的动态特性和磨损机理； 王小红等分析了 工业化铝合金材料的生产工艺； 舒志强等测试了一种 铝合金材料的拉伸方法和旋转弯曲疲劳断口特征； 王 勇等分析了铝合金钻杆装配过盈量问题； 杨尚谕等分 析了铝合金钻杆在深井、 超深井中的性能极限等[4]。 我国于 2006 年发布了国家标准 GB/T 20659- 2006 石油天然气工业铝合金钻杆 ， 于2007年5 月1日起实施。该标准规定了石油天然气工业钻井和 生产操作中使用的带或不带钢制钻杆接头铝合金的交 货技术条件、 制造工艺、 材料要求、 形状和尺寸、 检验和 试验程序， 并于2014年进行了第2次修订。 铝合金钻杆在我国油气勘探领域的使用处于起步 阶段， 塔里木油田、 中海油南海惠州油田等项目已完成 了技术评价。 3.1南海惠州油田HZ25-4井 2008年， 南海惠州油田HZ25-4井首次在国内海 50 2020年第10期西部探矿工程 洋油气钻探中试验了铝合金钻杆。试验证明， 铝合金 钻杆和陶瓷保护套的使用， 可以降低钻具所受的侧向 力和扭矩摩阻。同时， 铝合金钻杆重量轻、 摩阻系数 小， 井壁与钻柱之间的摩擦力有所减小， 套管防磨保护 套损坏频次下降。而且， 铝合金钻杆具有高比强度、 高 延展性和高柔韧度的优点， 在弯曲旋转情形下抗疲劳 能力优良， 液压传送能力也优于钢钻杆。 3.2铝合金钻杆在塔里木油田的应用 塔里木油田2009年11月在克深7井首次试验从俄 罗斯引进的铝合金钻杆， 入井的15根铝合金钻杆纯钻 时间57h， 进尺56m， 取得了一定的使用效果。 塔里木油田哈拉哈塘地区普遍高含硫化氢， 钢制 钻杆容易发生 “氢脆” 现象。铝合金钻杆优良的抗腐蚀 性， 可以满足高含硫地区的钻井需求。铝合金钻杆在 哈拉哈塘地区重点探井哈15井的现场应用， 是国内首 次成功使用铝合金钻杆钻井。哈15井从1532m开始 使用铝合金钻杆， 顺利钻进至6515m， 进尺4983m， 使 用铝合金钻杆435根。现场应用证明， 铝合金钻杆使用 中钻井液排量提高了30， 井下循环清洗效果好， 钻井 速度明显加快。 3.3中国地质科学院勘探技术研究所铝合金钻杆[6] 2009年， 中国地质科学院立项进行了 “地质岩心钻 探铝合金钻杆研究” 的工作， 在高性能铝合金管材及热 处理工艺、 钻杆结构设计等研究中， 取得了进展。2010 年， 在淮北彭桥煤矿区的野外生产试验中， 52mm 7.5mm 铝合金钻杆使用最大孔深 960m， 应用效果良 好； 95mm反循环钻进用双壁钻杆在大庆油田进行了 野外试验， 试验进尺62m。 2013～2014年， 再次立项进行了 “地质勘查深孔用 高强度铝合金钻杆开发应用” 的研究工作， 铝合金 钻杆已初步形成系列。在四川诺尔盖铀矿区进行了 52mm7.5mm 铝合金钻杆的生产试验， 累计进尺 858.42m， 最大孔深813.13m。本次试验说明， 铝合金 钻杆在高海拔、 地形复杂、 交通不便地区钻探施工时， 可以有效减少钻机能耗、 降低施工难度、 提高钻探效 率、 减轻工人劳动强度等。 2015年，“松科二井” 在井段2966.11～3199.24m进 行了147mm科学钻探用铝合金钻杆的生产试验， 使 用时间634h。本次生产试验是我国首次应用自主研发 的科学钻探用铝合金钻杆， 验证了国产铝合金管材的 强度、 安全性， 以及抗高温、 耐腐蚀和耐磨损能力。 2016年， 在辽宁金羊盆地地质调查井 “羊D1井” 中进行 了H规格绳索取芯铝合金钻杆的生产试验。 3.4吉林大学147mm铝合金钻杆[7] 2016年， 吉林大学已经攻克了铝合金钻杆的材料、 制造、 性能测试等方面的关键技术， 研制了两端内加厚 铝合金钻杆， 建立了国内首条铝合金钻杆的生产线， 可 以批量生产多种结构大直径铝合金钻杆 （钻杆长度 9m， 直径147mm， 壁厚13mm， 加厚端壁厚20mm） 。 2016年， 在吉林油田情28-10定向井中使用26根 147mm铝合金钻杆进行了现场试验。该井设计井深 1200m， 使用铝合金钻杆与钢钻杆组合的钻具。试验 中， 铝合金钻杆从井深219.83m处开始钻进， 连续工作 38h， 累计进尺765m， 平均机械钻速20.1m/h， 无安全事 故。而且， 铝合金钻杆在该井使用的聚合物体系钻井 液 （pH值约为8～9） 中未发生腐蚀现象。表2为情28- 10井钻具组合表。 4铝合金钻杆技术在国内的重点应用领域[4] 开钻次序 一开 二开 钻头尺寸mm 346 222.3 井段mm 0～232 232～1200 钻具组合 346mm钻头178mm钻铤3165mm钻铤9127mm钻杆 222.3mm钻头174.6mm螺杆212.7mm扶正器165.1mm无磁钻铤165.1mm 钻铤9127mm钢钻杆6147mm铝合金钻杆24127mm钢钻杆 表2情28-10井钻具组合 在我国油气资源勘探开发现状下， 铝合金钻杆技 术可重点应用领域如下 （1） 深井、 超深井领域。目前国内多数油气田的中 浅层油气资源进入开发后期， 油气资源勘探开发过程 中， 深井、 超深井占的比重日益增高。铝合金钻杆技术 的应用， 可有效解决传统钢钻杆重量大、 下入困难等问 题， 缩短钻井周期， 提高开发效益。 （2） 非常规油气藏领域。随着油气需求的持续增 长与常规油气产量的不断下降， 我国油气勘探开发的 目标正逐步转向非常规油气藏。在致密油气、 页岩油 气以及煤层气等非常规油气资源勘探开发过程中， 水 平井的水平段长度不断增加， 水平段托压严重、 摩阻大 51 2020年第10期西部探矿工程 等问题亟待解决。可以利用铝合金钻杆重量轻的优 势， 解决水平段托压严重、 摩阻大等问题， 进行工厂化 丛式井作业， 实现非常规油气藏的经济开采。 （3） 高含硫油气藏领域。对于传统钢钻杆来说， 在 高含硫油气藏的勘探开发过程中， 因硫化氢应力腐蚀 造成的断钻具事故屡有发生、 事故处理困难， 给井控工 作带来风险隐患。选用优质铝合金钻杆， 可以减少硫 化氢应力腐蚀造成的事故复杂， 提高井控安全。 （4） 海洋石油领域。大位移井、 水平井等开发方式 在海洋石油钻井中比重很高， 选用铝合金钻杆后， 可显 著降低平台重量， 增加钻井深度和水平段长度， 降低钻 井成本， 提高开发收益。 5结论 （1） 铝合金钻杆在重量、 比强度、 耐腐蚀性以及弹 性等方面都比传统钢钻杆有很大优势， 在深井、 超深 井、 大位移水平井、 高含硫油气藏以及非常规油气藏等 领域中有广阔的推广前景， 已成为取代传统钢钻杆的 最佳选择。 （2） 国外发达国家尤其是美国、 俄罗斯等国家在铝 合金钻杆方面的技术已经非常成熟， 在深井、 超深井、 丛式井以及海洋石油开采等领域都有成功而广泛地应 用。 （3） 国内铝合金钻杆技术起步较晚， 但近年来发展 迅速， 应当结合现场应用情况， 系统深入地进行铝合金 钻杆力学性能、 电化学性能、 耐磨性能等各方面的研究 及评价。 参考文献 [1]张喜超，等.71mm绳索取心铝合金钻杆的研制[J].探矿工 程 岩土钻掘工程，2015，42758- 61，71． [2]鄢泰宁，等.高可靠性铝合金钻杆及其在超深井和水平井中 的应用[J].地质科技情报，2010，291112-115． [3]王小红，等.铝合金钻杆材料、 特点及其磨损研究进展[J].材 料导报，2014，2823431-434，437． [4]冯春，等.铝合金钻杆的特点及发展应用[J].石油管材与仪器， 2017，341-7． [5]兰凯，等.国外轻质高强度钻杆研究与应用[J].石油机械， 2010，38477-81． [6]孙建华，等.深部钻探铝合金钻杆开发应用[J].探矿工程岩土 钻掘工程，2016，43434-39． [7]刘宝昌，等.大直径高强度耐磨铝合金钻杆研究[J].探矿工程 岩土钻掘工程，2017，44增刊257-261． （上接第48页） （3） 净化井眼， 破坏岩屑床能够相互钻柱与井壁之 间的摩擦系数控制在最低程度， 在此基础上就能够让 扭矩以及摩擦阻力控制在最低。在实际的钻井施工过 程中， 扭矩和摩擦阻力实际产生的变化状况能够直观 地反映出井眼的净化程度， 对扭矩和摩擦阻力变化状 况进行详细观察和能够采取合理的井眼净化措施。 3.2.3井壁稳定技术 大斜度定向井在实际钻井施工的过程中， 井壁围 岩会受到径向、 切向以及垂直方向上的应力， 也许同时 还会承受剪切应力和抽吸压力等各种因素的影响。该 油田某大斜度井在实际进行钻井施工作业的过程中始 终将井眼失水量控制在4mL/30min的范围内， 在这种 情况下就能够在井壁上形成的泥饼具备薄而韧的特 点， 作业过程中对起下钻速度进行严格控制后， 每柱起 钻时间要保证超过3min， 这样就能够有效避免快速起 钻造成抽吸影响导致井壁出现失稳的现象。 4结束语 综上所述， 大斜度井定向井在实际钻井施工过程 中难度相对比较高， 因此必须要对靶区进行严格要求， 施工作业前必须要针对整个施工过程进行优化设计， 并实现对钻具组合以及钻井参数的合理选择， 针对不 同钻井施工阶段采取合理的井眼轨迹控制技术来实现 对井眼轨迹的精确控制， 在这基础上才能够充分保障 大斜度定向井钻井施工质量。本文针对某油田的大斜 度定向井钻井优化技术进行深入分析后， 对后期同类 钻井施工能够起到很好的指导作用。 参考文献 [1]姚振华，谯抗逆. 罗家寨高含硫气田丛式大斜度定向井水平 井钻井技术[J]. 钻采工艺，200745-9. 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