国外轻质高强度钻杆研究与应用

1、!国外石油机械#国外轻质高强度钻杆研究与应用*兰凯1,2侯树刚1闫光庆3刘匡晓1刘明国1(11中原石油勘探局钻井工程技术研究院21西南石油大学31中原油田西南工委摘要为提高超深井钻井能力,提出了轻质高强度钢钻杆和非钢材料钻杆的新思路。介绍了国外复合材料钻杆、铝合金钻杆和轻质超高强度钢钻杆的性能特点、技术指标及现场应用情况,为国内相关单位解决超深井钻井难题提供以下建议:超高强度钢钻杆可以成为克服深井钻井中拉伸应力阻碍的手段;非金属钻杆可以成为一种远期的克服深井钻井难题的选择,但是需要持久的投入与攻关;轻质高强度钻杆可以为我国川东北和塔里木等地区复杂超深井钻井提供保障。关键词超深井钻井碳纤维复合材

2、料钻杆轻质铝合金钻杆超高强度钢钻杆研究进展0引言在超深井钻进过程中,冗长的钻柱会产生较大的拉伸应力,再加上井下复杂的工况和交变应力,对钻杆性能提出了更高要求。目前,为提升超深井钻井能力,大部分钻井设备提供商将重点放在更新升级钻机提升能力和开发新的钻井工艺设备上;而部分研究机构则从降低钻柱质量、扭矩和拖曳阻力等方面着手,开展了富有创新性的工作,提出了轻质高强度钢钻杆及非钢材料钻杆的新思路。笔者对国外近期研发的复合材料钻杆、铝合金钻杆和轻质超高强度钢钻杆新型钻柱的最新研究进展及性能进行研究对比,为国内相关单位解决超深井钻井难题提供参考。1碳纤维复合材料钻杆111概况复合材料钻杆是由美国能源部和美国

3、国家能源技术实验室联合资助的/高效低成本复合钻杆研制(1999-20070项目的研究成果,由ACPT公司组织实施。复合材料钻杆由复合材料管和钢接头组成。复合材料管的成型工艺1是:在心棒上缠绕碳纤维,同时在其上裹敷环氧树脂以包裹碳纤维并保证管材与接头的密封性,成型后,抽出心棒,并在其外涂覆耐磨材料。112优缺点分析与普通的钢钻杆相比,复合材料钻杆的优越性主要有以下几点1-2。(1质量轻。在维持必要力学性能的基础上,复合材料钻杆的质量约为普通钻杆质量的40% 50%。对于深井而言,钻柱质量的减轻意味着使用现有钻机能力可以钻进更深的距离。(2强度重力比高。S m ith等人指出3,制约大位移井、超深

4、井和深定向井钻井能力的一个主要因素是钻杆的强度重力比。长91144m(30英尺直径13917mm(5"-英寸的普通S135级钢钻杆强度重力比为480000,而同规格复合材料钻杆则为625000,比S135级钢钻杆提高3012%。(3抗腐蚀性强。复合材料钻杆具有很大的灵活性,可以根据现场要求调节材料性能,因此具有优越的抗腐蚀性能。(4疲劳强度高。研究表明4,钻柱失效原因的95%可归结为疲劳失效。而复合材料钻杆缠绕纤维结构后具有更高的疲劳强度。(5钻杆无磁性,方便井下测量;钻杆壁内可方便置入光缆或电线,具有井底2地面数据/信号的高速双向通信功能。为了达到一定结构强度要求,复合材料钻杆壁7

5、72010年第38卷第4期石油机械C H I NA PETROLEU M MAC H I NERY*基金项目:中国石油化工集团公司科研资助项目/川东北深井水平井钻井技术应用研究0(J P08006。厚要大于普通钢钻杆;若减小内径则会增大压力损失,若增大外径,则会增加环空循环当量密度,这会引起密度窗口钻井井控问题。另外,目前复合材料钻杆价格为普通钢钻杆的3倍左右,这会增加投资,但是其整体综合成本还是要优于普通钢钻杆。113研究进展(1完成了复合材料的筛选与性能评价。通过对材料在不同环境和温度条件下的平面剪切试验和短梁剪切试验,筛选了合适的环氧树脂和纤维;评价试验同时指出复合材料的耐磨性较弱,于是

6、提出了在其外涂覆高耐磨材料并安装扶正器的措施。ACPT公司从20多种涂覆材料中选取了5种进行抗磨损试验,优选了合适的涂覆材料;同时对与之配套的可拆卸式高硬度扶正器进行了试验。(2完成了复合材料钻杆的室内试验。采用全尺寸试验和缩尺寸试验对钻杆性能进行了评价,并对相关设计参数进行了优化。(3开展了复合材料钻杆的实时信号/电力传输直接连接方式研究。公开材料显示2,用于超短半径水平井的直径6315mm(2"-英寸复合材料智能钻杆研究已经完成,直径13917mm的复合材料智能钻杆室内研究也已完成。(4完成了多口超短半径水平井的现场施工。114现场应用实例11411复合材料钻杆钻第1口商用井复合

7、材料钻杆的第1次应用是由G rand Re2 sources公司2002年在Tulsa实施的1口短半径水平井。该井利用1口已停产老井的部分井段,采用<6315mm复合材料钻杆从约368m(1208英尺处施钻曲率半径为21m(70英尺的侧钻水平井。由于在水平段使用空气锤,故复合材料钻杆仅用于造斜段钻进,且在使用过程中表现突出。该侧钻井的实施使得这口已停产的老井获得了每天30 50桶的产量,也增加了G rand Resources公司在该区域部署14口侧钻井的决心。11412短半径复合材料钻杆用于气井钻进2003年6月,JB Drilli n g公司在1口新钻气井中成功使用了<6315

8、mm复合材料钻杆。该井为1口新钻的短半径水平井,位于Okalaho m a州的Le2 fl o re镇,造斜点为422m(1385英尺,曲率半径为18m(60英尺,水平位移30418m(1000英尺,储层段为硬砂岩。采用空气锤钻进,转速为70r/m i n,空气压力为211MPa,扭矩为1356 N#m,钻杆承受极大的瞬时冲击荷载。91144m 的短半径复合材料钻杆在入井使用1周后,起钻发现其磨损极少。2轻质铝合金钻杆211概况自20世纪60年代以来,铝合金钻杆在前苏联地区得到广泛应用,在前苏联地区采用铝合金钻杆钻进进尺达到总进尺的70%75%5。目前铝合金钻杆在西伯利亚和靠近北极地区以及乌拉

9、尔和伏尔加河地区大量使用。实际应用情况表明5,轻质铝合金钻杆是一项可靠产品,在深井、超深井、深水井和大位移井中具有广阔的应用前景。212优缺点分析(1铝合金的密度为2178g/c m3,纵向弹性模量为71000MPa,约为钢的".,但是强度重力比却是普通钢的115210倍。(2铝合金钻柱的质量轻于普通钢钻杆,在同等钻机能力的前提下,可以钻成更深的井。(3具有优越的抗腐蚀稳定性,可以用于H2S 和C O2环境。(4具有良好的延展性,在斜井、小曲率定向井和长水平段水平井中具有较小的弯曲应力。(5与井壁的摩阻小,可减少起下钻的阻卡。(6无磁性,方便随钻测量仪器的使用。(7铝合金钻柱对裸眼和

10、套管的作用力小,能有效保护套管和裸眼井段;且其内的钻井液流动阻力小,可提高水力效率。(8发生井内事故时,可以用牙轮钻头钻掉铝合金钻具,钻速30m/h左右,方便事故处理。(9俄制铝合金钻杆的实际价格和高强度钢钻杆大致相当。文献1指出铝合金钻杆的最大缺点:一是价格昂贵;二是屈服强度较低,需要通过增加壁厚来提升强度重力比,从而影响水力性能,且当温度高于121e,屈服强度急剧降低。大量实践和数值模拟表明6,虽然铝合金钻柱采用加厚设计,但由于其摩阻系数小等优点有利于提高其水力性能,总体来看采用钢钻杆和铝合金钻杆的复合钻柱水力性能优于全钢钻柱体系;另外,新型AK4-I TI铝合金钻柱抗温达220e以上5,

11、实践也证明其在高温井中有较好的性能;鉴于此,国内塔里木油田已采购了俄制铝合金钻杆。213现场应用实例21311在超深井中的应用78石油机械2010年第38卷第4期铝合金钻杆已成功用于多口超深井的施工,包括俄罗斯科拉半岛的世界上最深的S G-3井。该井井深为12262m,井底温度220e;使用额定井深8000m、提升能力4000kN的钻机。其所采用的钻柱体系如表1所示。钻井实践表明7,钻柱体系的最大磨损量在表1S G-3井所采用的钻柱体系5钻杆类型钻柱长度/m 累积长度/m钻井液中钻柱重力/kN累积重力/kN阻力/kN总提升载荷/kN容许提升载荷/kN70008000m井段,其中钢接头最大磨损量

12、618 mm,而本体最大磨损量仅为0192mm。铝合金钻杆为成功施钻该井提供了保证,进一步说明了其对超深井钻井的适用性。21312在水平井中的应用铝合金钻杆已经应用于定向井与水平井(包括大位移水平井钻井中。绝大多数应用在俄罗斯西伯利亚地区,配合复合钻进方式。834R/78井位于西伯利亚Novo-Pokurovskaya,采用ADP14715-D16T钻杆。该井为该地区具有代表性的井,其相关参数为:实际井深4264m,垂深2884m,89b水平段长度1003m,每10m最大造斜角度为2b,地层温度110e;采用复合钻进方式,目的层钻进参数为钻压80kN,转数60r/m i n,机械钻速9m/h,

13、钻井液密度1105g/c m3,泵量25L/s。所使用的钻柱体系为B HA27m+SDP127912(St E36m+L A I DP14713-D16T3951m+S DP127 912(St E250m。为了对比说明使用铝合金钻杆和钢钻杆的复合钻柱组合的优势,使用3-D DTB HC 软件进行模拟,对比钢钻柱组合结构为B HA27m+ SDP127912(St E2937m+SDP1271217(St E1300m,其结果如表2所示。对比结果表明,采用复合钻柱体系使钻柱重力减小了52%,扭矩减小了46%,钻具提升时的大钩载荷减小了55%,循环压耗减少了315MPa。在这一地区的钻井实践证明

14、,由于优质铝合金钻杆的使用,钻机提升能力从2000kN下降为1250k N, 1套铝合金钻柱(包括接头可钻进70000 90000m。表2834R/78井采用不同钻柱体系的性能模拟结果对比6钻柱性能参数钢钻柱组合复合钻柱组合钻柱的浮重/kN1348648钻进中大钩载荷/kN722301提升时大钩载荷/kN1519684下放时大钩载荷/kN518258钻进中总摩阻/kN12051提升钻具总摩阻/kN616270下放钻具总摩阻/kN416184扭矩/(kN#m32131714钻进时安全系数21322141提升时安全系数21262153循环压力损失/MPa20110161603超高强度钢钻杆311概

15、况轻质、薄壁的超高强度钢钻杆可用于解决大位移井、超深井和深水钻井的钻井难题。但由于高强度钢在低温下具有脆性且很难在抗冲击韧性和抗拉强度间达到平衡,所以前期关于制造屈服强度达到1137MPa的尝试均告失败。近期,Grant P rideco开发出了UD-165超高强度钢钻杆(V M-165级超高强度钢,其独特的热处理工艺使得钻杆既满足屈服强度的要求又满足韧性要求。312超高强度钢钻杆特点31211性能为说明超高强度钢钻杆UD-165的性能优势,将高性能钻杆的相关参数进行了对比,见表3。792010年第38卷第4期兰凯等:国外轻质高强度钻杆研究与应用表3带钢接头的高性能钻杆相关参数对比8材质级别屈

16、服强度/MPa管外径/m m管内径/mm管截面积/mm2拉伸能力/kN长度/m重力/N强度重力比比S-135性能提高率/%钢UD-165铝合金A l-Cu-M g-从表中可以看出,UD-165钢钻杆的强度重力比较S-135级提高了22%,仅次于钛合金钻杆;UD-165钢钻杆的强度重力比优于铝合金钻杆;由于采用薄壁结构使得水力性能要优于铝合金及钛合金钻杆,这对于大位移井和深井尤为重要(保障井眼清洁和钻速。31212接头超高强度钢钻杆的接头设计原则是具有最小的外径和最大的内径,以减轻质量、增强水力学性能,同时传递大的扭矩。为此,专门设计了高强度双台肩钻杆接头。这种新型接头具有以下特点:(1首创双头

17、螺纹设计,缩短上、卸扣时间达50%,提高起下钻效率;(2采用双半径螺纹形式,减小连接峰值应力,延长疲劳寿命;(3优化锥度,满足钻杆连接速度和扭矩传递的需要;(4材料强度,新接头采用标称最小屈服强度达896MPa材料制造,远大于API的827MPa要求,有利于增加抗扭强度,同时改进的尺寸设计有利于提高水力效率。313研究现状截至2009年3月,已生产出5种规格UD-165(V M-165级轻质、薄壁超高强度钢钻杆9;为验证钻杆的性能,开展了大量的室内试验,包括拉伸试验、硬度测试、扫描电镜、疲劳试验、冲击试验和断裂韧性试验等。试验结果表明,该类钻杆的拉伸强度、冲击韧性等指标符合设计要求,能满足超深

18、井钻井需要。超高强度钢钻杆在美国南德克萨斯州陆上平台进行了部分现场试验。该区域的井深为24003700m。现场使用30根直径127mm(5英寸、壁厚1217mm(015英寸的UD-165钻杆与<127 mm的S-135NC50钻杆配合钻进,目前已成功施钻2口井,现场没有出现任何钻杆使用事故。其他尺寸的超高强度钢钻杆的现场试验正在规划中。4结论与建议(1随着勘探开发的深入,深井超深井数量逐步增多,这些井中的钻柱承受着高的拉伸应力和复杂交变应力作用,对钻柱设计提出了挑战。(2与通常解决深井钻井难题而改进钻机提升能力或钻柱抗挤毁能力方法不同,轻质高强度钻杆提供了新的思路。(3超高强度钢钻杆UD

19、-165以其具有一定的强度重力比且造价低于非金属钻杆的特性,可以成为克服深井钻井中拉伸应力阻碍的一种短期或中长期的选择。(4非金属钻杆可以成为一种远期的解决深井钻井难题的选择,但是需要持久地投入与攻关,以对其做出更充分的认识,并获得更多的实践经验从而得到业界认同。(5目前在我国川东北和塔里木等地区的井不仅井深而且富含酸性气体,复杂的井身结构造成钻柱失效事故较为常见,轻质高强度钻杆可以为这些区域的复杂超深井钻井提供保障。(6复合材料钻杆目前尚处于研究与现场试验阶段,其用于深井的可能性尚待实践的检验;由于铝型材加工工艺的成熟,高可靠性铝合金钻杆的生产水平很高,鉴于其对深井、深水平井和高含硫井的适应

20、性和大量实践,建议尽快建成现代化的铝80石油机械2010年第38卷第4期合金钻杆生产线,加快国产化步伐;UD-165高强度钢钻杆是国外公司的最新研究成果,其技术指标的先进性值得期待,国内应加强跟踪研究,以满足西部钻井需求。参考文献1Je lliso n M J,Chandler R B,Pay ne M L,e t a l1U ltr2adeep drilli ng pushes dr illstr i ng technology i nnovati onsJ1SPE Drilli ng&Co m pleti on,2008,23(2:190-20012Lesil e J C,W il

21、lia m son S,LongR,et al1Co m posite d2rill pi pe f or extended-reach and deep water app licati o2nsC1Offshore Technol ogy Conference,H oust on,Texas1OTC-14266-M S1200213Sm ith J E,Chandler R B,Boster P L1T itan i u m drillp i pe for ultra-deep and deep d i recti ona l dr illi ngR1SPE67722,200114M ac

22、dona l d K A c,B june J V1Fa ilure ana l ysi s of drill2str i ngsJ1Engi neering Fa ilure Ana lysis,2007,14(8:1641-166615Gelfga tM Y,Basovich V S,T i khono v V S1D rillstri ngw ith al um inu m a ll oy p i pes desi gn and practi cesR1SPE79873,200316Guelf ga tM,Basovich D,Buyanovskii I,et a l1Alu m i2n

23、u m vs1Stee:l Preventing drill str i ng buckli ng when d2r illi ng hor izo nta ll yJ1O il&Gas Eurasi a,2007(6:32-3817鄢泰宁,薛维,兰凯1高可靠性铝合金钻杆及其在超深井和水平井中的应用C1第五届亚洲太平洋地区地质资源与地质工程国际研讨会论文集,200818Je lli son M1L i ght-weig ht,ultra-hig h-strength dr illp i pe m ay m eet de m ands of ERD,critica l deep drilli ngJ1Drilli ng Co ntrac t or,2009(3/4:53-561 9E lli ott L,Bucho ud V,K repp T1H ig h-strength,thin-wa l,l a ll-steel dr ill pipe m ay provi de soluti on for u l2tra-extended-reach we ll sJ1Dr illi ng Contractor,2009(3/4:42-521第一作者简介:兰凯,生于1982年,