高性能鉆桿研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展

秦長毅，蔣家華，蔣存民，張震寧

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077; 2.江蘇曙光集團(tuán)股份有限公司 江蘇 泰州 225500)

·綜 述·

高性能鉆桿研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展

秦長毅1，蔣家華2，蔣存民2，張震寧2

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077; 2.江蘇曙光集團(tuán)股份有限公司 江蘇 泰州 225500)

從鉆桿材料的韌性、抗腐蝕性能、疲勞壽命的研究，鉆桿特殊螺紋接頭研發(fā)，鉆桿幾何尺寸改進(jìn)等5個(gè)方面，分析了鉆井生產(chǎn)需求和鉆桿失效預(yù)防對(duì)高性能鉆桿使用性能的需求，以及對(duì)其研發(fā)應(yīng)用的推動(dòng)；闡述了高性能鉆桿的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀；并提出了持續(xù)開展高性能鉆桿研究的建議。

高性能鉆桿；韌性；疲勞；特殊螺紋接頭

0 引 言

鉆桿是鉆柱的主要組成部分，在旋轉(zhuǎn)鉆井中傳遞扭矩，在鉆井過程中作為鉆井液的循環(huán)通道,并通過不斷連接來加長鉆柱進(jìn)而達(dá)到不斷加深井眼的目的。鉆桿在鉆井設(shè)備中占有十分重要的地位，其使用壽命對(duì)鉆井速度和質(zhì)量具有至關(guān)重要的影響。鉆井過程是石油天然氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其技術(shù)和水平直接影響油氣勘探開發(fā)的質(zhì)量和效益，其費(fèi)用占勘探開發(fā)總投資的50%以上，其中鉆柱的質(zhì)量和安全使用壽命起著至關(guān)重要的作用[1,2]。鉆桿在鉆井過程中服役條件苛刻，不僅承受拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、震動(dòng)等多種載荷的復(fù)合作用，而且受到鉆井液、地層水以及油氣中的腐蝕性氣體介質(zhì)的腐蝕，在鉆進(jìn)過程中常常發(fā)生失效，從而嚴(yán)重影響鉆井進(jìn)度并增加鉆井成本。隨著深層油氣資源的勘探開發(fā)，水平井、定向井、大位移井、深井、超深井以及欠平衡和氣體鉆井技術(shù)不斷推廣應(yīng)用。這些鉆井技術(shù)的應(yīng)用使鉆井條件和井下情況出現(xiàn)了新的變化,對(duì)鉆桿的質(zhì)量和使用性能提出了更高的要求，也使鉆桿面臨著許多新的具有挑戰(zhàn)性的問題。例如，復(fù)雜的地質(zhì)條件和鉆井深度的增加，使鉆柱承受更大的拉伸、扭轉(zhuǎn)和沖擊等交變載荷，整體受力更為復(fù)雜，對(duì)鉆桿的疲勞和腐蝕疲勞抗力提出了新的更高的要求；高含硫氣田開發(fā)中地層流體富含腐蝕性很強(qiáng)的硫化氫氣體和鹵性鹽水，對(duì)鉆桿的抗腐蝕性能提出了更高的要求[3,4]。為了滿足最新鉆井技術(shù)要求和日益苛刻的鉆井作業(yè)要求，鉆桿生產(chǎn)企業(yè)不斷地進(jìn)行鉆桿的理論研究、不斷地提高鉆桿的質(zhì)量、不斷地研究開發(fā)新產(chǎn)品[5]，越來越多具有高強(qiáng)度高韌性及特殊螺紋接頭的高性能鉆桿應(yīng)用到鉆井過程中。高性能鉆桿在使用過程中也逐漸暴露出一些問題甚至發(fā)生了失效事故，國內(nèi)外相關(guān)研究人員為此展開了一系列研究，旨在解決問題預(yù)防失效，切實(shí)提高鉆桿質(zhì)量、提升使用性能、延長使用壽命，從而保證整個(gè)鉆柱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性，確保鉆井生產(chǎn)的正常運(yùn)行，對(duì)于保證石油天然氣鉆井安全具有重要意義。

1 高性能鉆桿材料研究

1.1 高強(qiáng)度鉆桿的韌性

目前，API規(guī)范中的G105和S135高強(qiáng)度鉆桿已廣泛應(yīng)用于石油天然氣鉆井過程中，經(jīng)過近幾十年來的不斷研究和改進(jìn)，鉆井技術(shù)和鉆桿性能相互促進(jìn)，鉆桿的產(chǎn)品質(zhì)量已有了大幅提升。在嚴(yán)苛的使用條件下，鉆桿依然會(huì)出現(xiàn)失效事故，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，失效形式主要為刺孔和斷裂[6-13]，其主要的失效機(jī)理為疲勞和腐蝕疲勞，屬于低應(yīng)力斷裂[14]。鉆桿刺穿或斷裂的失效過程：鉆井液腐蝕坑形成→疲勞裂紋萌生→裂紋擴(kuò)展穿透壁厚→高壓鉆井液刺出→形成刺孔→斷裂。從本質(zhì)上講，刺穿是早期疲勞或腐蝕疲勞失效，裂紋穿透鉆桿壁厚以后，最后的表現(xiàn)形式是發(fā)生刺孔失效還是斷裂失效取決于鉆桿所承受的外力載荷和鉆桿材料的性能[11,15]。在一定的工作應(yīng)力下，裂紋能否擴(kuò)展穿透壁厚和刺穿后裂紋是否穩(wěn)定擴(kuò)展以及穩(wěn)定擴(kuò)展裂紋尺寸的大小取決于材料的韌性[16]。高韌性材料有高的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，在鉆桿斷裂前允許有更長的裂紋存在，因此提高材料的韌性不但可以防止鉆具的脆斷，更重要的是延長鉆具的使用壽命[17]。

隨著深井、超深井和鹽層復(fù)雜地層井的開發(fā)，國內(nèi)外鉆桿生產(chǎn)廠家均致力于S135高韌性鉆桿和超高強(qiáng)度鉆桿的開發(fā)。新產(chǎn)品已應(yīng)用到油氣鉆井中，并取得了增加鉆井深度，縮短完鉆周期、節(jié)約鉆探成本的突破性進(jìn)展。例如，NOV Grant Prideco公司的S135-T、Z-140、V-150和UD-165鉆桿，提高的屈服強(qiáng)度提供了優(yōu)越的抗扭和抗拉強(qiáng)度，使鉆柱重量降低，鉆柱設(shè)計(jì)簡單。在國內(nèi)，天管和海隆合作研發(fā)出165鋼級(jí)的鉆桿，寶鋼和渤海裝備也均生產(chǎn)了150鋼級(jí)的鉆桿。通過某V150鋼級(jí)鉆桿的斷裂失效，分析其失效原因是韌性降低導(dǎo)致的脆性斷裂[18]，可見超高強(qiáng)度鉆桿能否大規(guī)模投入應(yīng)用，關(guān)鍵還是在保證屈服強(qiáng)度的同時(shí)，能否具備符合復(fù)合生產(chǎn)需求的韌性。

鉆桿的最低韌性要求不但要與其強(qiáng)度相配合，而且與其服役環(huán)境有關(guān)，為避免脆性斷裂事故的發(fā)生，首先應(yīng)使材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于鉆井現(xiàn)場的地面氣溫。對(duì)于寒冷地區(qū)以及腐蝕環(huán)境需要更高的材料韌性。

1.1.1 安全韌性指標(biāo)的確定

當(dāng)鉆桿內(nèi)形成裂紋后，如果鉆桿所承受的外載荷以及材料自身性能使疲勞裂紋擴(kuò)展速度較慢，臨界裂紋尺寸較大，高壓鉆井液的沖刷作用會(huì)將裂紋尖端鈍化，降低裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而控制裂紋的擴(kuò)展速度。裂紋沿周向和徑向擴(kuò)展，穿透壁厚后形成刺孔，鉆井液通過刺孔流出。隨著刺孔的形成和擴(kuò)大，鉆井工作者可以通過地面泵壓的明顯下降判斷鉆桿已發(fā)生刺穿失效，及時(shí)采取措施，防止鉆桿進(jìn)一步發(fā)生失穩(wěn)斷裂。反之，當(dāng)鉆桿內(nèi)形成裂紋后，如果鉆桿所承受的外載荷以及材料自身性能使疲勞裂紋擴(kuò)展速度較快，臨界裂紋尺寸較小，裂紋直接演變?yōu)閿嗔咽15]。因此，為保障疲勞和腐蝕疲勞斷裂的安全性，應(yīng)采用“先漏后破”準(zhǔn)則。

當(dāng)材料的韌性達(dá)到一定值時(shí)，鉆桿的失效模式可由“斷裂”轉(zhuǎn)變?yōu)椤按檀盵16]；統(tǒng)計(jì)分析刺孔的尺寸在20～40 mm之間集中分布，根據(jù)斷裂力學(xué)原理，利用斷裂韌性與夏比沖擊韌性之間的關(guān)系[19]，可以計(jì)算出鉆桿夏比沖擊韌性的最低要求值。通過應(yīng)力強(qiáng)度比系數(shù)的提出，可進(jìn)一步推導(dǎo)出鉆桿發(fā)生“先漏后破”失效模式的材料韌性指標(biāo)的計(jì)算公式；統(tǒng)計(jì)分析失效鉆桿的斷口形貌得出疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展長度為60～80 mm，可以計(jì)算了高強(qiáng)度鉆桿的夏比沖擊要求值[15]。

1.1.2 提高韌性的途徑

目前，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鉆桿具有高韌性的主要途徑為控制化學(xué)成分和淬火-回火熱處理工藝。有學(xué)者總結(jié)了我國鉆桿用鋼的成分及熱處理工藝的研究情況，統(tǒng)計(jì)分析了近年高性能鉆桿用鋼的主流鋼種及其力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前我國高強(qiáng)度鉆桿用鋼性能可以達(dá)到使用要求并具有較好的強(qiáng)度和韌性匹配[20]。高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鉆桿用鋼的冶煉中采用純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)，降低鋼種的P和S含量，不僅明顯提升材料的沖擊韌性還可以明顯降低對(duì)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性[5]。

關(guān)于鉆桿用鋼的熱處理工藝和材料力學(xué)性能，研究26CrMo4s/2鉆桿用鋼在不同回火溫度處理后的拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性，分別確定了得到較高沖擊韌性的回火溫度范圍和拉伸強(qiáng)度不發(fā)生明顯降低的溫度范圍，從而得到同時(shí)保證材料強(qiáng)度和韌性的精確回火溫度控制范圍[21]。對(duì)S135鋼級(jí)鉆桿進(jìn)行了分級(jí)淬火及回火熱處理，獲得下貝氏體 /馬氏體型復(fù)相組織；研究表明在保證強(qiáng)度的前提下，下貝氏體相的引入可以提高鉆桿鋼的韌性，并可以有效提高微裂紋萌生及擴(kuò)展的阻力[22]。對(duì)V150鋼級(jí)鉆桿進(jìn)行了系統(tǒng)的回火溫度優(yōu)化試驗(yàn)，找出回火溫度的拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)溫度以下，可以在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)沖擊韌性的顯著提高；并統(tǒng)計(jì)分析第二相粒子析出形態(tài)和數(shù)量，優(yōu)化回火溫度，增強(qiáng)第二相強(qiáng)化并提高材料韌性[23]。研究析出相的形貌及結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)現(xiàn)其具有多重特征，表現(xiàn)出對(duì)回火溫度的依賴性。通過對(duì)不同回火溫度處理后材料微觀組織的觀察，分析析出相的組織和形貌，得出析出相形貌演變，進(jìn)而得到使材料具有良好的強(qiáng)度/韌性匹配的回火溫度[24]。

鉆桿管體與接頭通過摩擦焊接的方式連接成整體，為了保證鉆桿的整體性能，焊縫的質(zhì)量不容忽視。通過精準(zhǔn)的回火溫度測控和焊縫熱處理寬度的控制，可以制造出焊縫區(qū)域性能參數(shù)均勻穩(wěn)定的高韌性的S135鋼級(jí)鉆桿[25]。

1.2 鉆桿的抗腐蝕性能

在鉆井作業(yè)中，為適應(yīng)各種鉆井工藝的需要，使用了鹽水、鉀基聚合物等鉆井液體系，并含有多種添加劑，在井下高溫高壓作用下具有強(qiáng)烈的腐蝕性[26]。在酸性氣田開發(fā)中，高強(qiáng)度鉆桿極易被H2S腐蝕，發(fā)生鉆桿的過早失效，從而增加了鉆井的風(fēng)險(xiǎn)和不安全因素。高強(qiáng)度鉆桿因其材料強(qiáng)度的提高，必然會(huì)導(dǎo)致材料硬度的提高，而材料硬度的提高,對(duì)腐蝕環(huán)境的敏感性增強(qiáng),發(fā)生腐蝕和應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)性越高[27]。

采取優(yōu)化鋼的化學(xué)成分、嚴(yán)格控制淬火和回火的熱處理技術(shù)，可以提高鉆桿的抗硫腐蝕性能?？沽蜚@桿鋼的強(qiáng) /韌性匹配依賴于析出相-位錯(cuò)交互作用和析出相-基體變形協(xié)調(diào)兩種機(jī)制的相互競爭[24]。有學(xué)者對(duì)兩種材質(zhì)的鉆桿，進(jìn)行腐蝕性能對(duì)比試驗(yàn)，包括氧腐蝕試驗(yàn)、CO2腐蝕試驗(yàn)、硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了兩種材質(zhì)對(duì)抗不同腐蝕的性能[28]。該研究不僅為進(jìn)一步提高鉆桿材質(zhì)的使用性能提供依據(jù)，還為高性能鉆桿在不同用途的選材提供依據(jù)。

1.3 疲勞壽命研究

通過統(tǒng)計(jì)分析我國主要油田的鉆桿失效事故發(fā)現(xiàn)，失效事故中的80%都與疲勞有關(guān)[19]。對(duì)鉆桿疲勞壽命進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，避免鉆桿超壽命服役，對(duì)于預(yù)防鉆桿失效具有重要意義。

關(guān)于采用小試樣試驗(yàn)研究鉆桿材料的疲勞壽命研究，集中在裂紋擴(kuò)展速率和機(jī)理的研究。通過對(duì)不同化學(xué)成分、組織狀態(tài)及鋼級(jí)的鉆桿材料在不同應(yīng)力集中程度下和典型環(huán)境介質(zhì)中腐蝕疲勞行為進(jìn)行研究表明[29]：隨著強(qiáng)度的升高，鉆桿材料的腐蝕疲勞敏感性增大，應(yīng)力集中對(duì)腐蝕疲勞壽命的降低更嚴(yán)重；載荷頻率降低，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速度加快，應(yīng)力集中對(duì)腐蝕疲勞壽命降低更明顯；介質(zhì)的溫度升高和飽和O2或CO2都促進(jìn)腐蝕疲勞過程；鉆桿上先期形成的點(diǎn)蝕坑越深，對(duì)疲勞壽命的降低越顯著。采用單點(diǎn)彎曲單邊缺口試樣對(duì)165鋼級(jí)鉆桿用鋼在H2S酸性環(huán)境中的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行研究指出[30]，當(dāng)硫化氫分壓較大時(shí)，疲勞裂紋的擴(kuò)展速率并不隨應(yīng)力頻率而變化。對(duì)拉扭載荷作用下的S135鉆桿疲勞壽命曲線進(jìn)行了試驗(yàn)檢測，分析疲勞斷口特征發(fā)現(xiàn)[31]：扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋形成于光滑試樣表面，且疲勞源的大小隨切應(yīng)力幅值的增加而增加；在疲勞源與疲勞裂紋擴(kuò)展處的微觀形貌特征為典型純滑移型斷裂，在裂紋擴(kuò)展處漣波狀花樣區(qū)域的大小隨切應(yīng)力幅值的增加而增大。對(duì)4種化學(xué)成分及材料性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求且材料的拉伸強(qiáng)度基本相同的鉆桿進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆桿材料的腐蝕疲勞壽命相差很大，研究表明[32]：腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理是陽極溶解與氫致開裂共存，氫致開裂加快了疲勞裂紋擴(kuò)展；成分偏析及夾雜物導(dǎo)致材料的陽極溶解、特別是氫致開裂速度加快,所以是腐蝕疲勞壽命減少的主要原因；鉆桿材料的低倍組織酸洗檢驗(yàn)可作為間接評(píng)定鉆桿材料腐蝕疲勞性能的方法。

關(guān)于鉆桿疲勞壽命預(yù)測的理論計(jì)算研究，集中在疲勞裂紋擴(kuò)展公式或S-N曲線對(duì)疲勞壽命的分析計(jì)算，以及通過模型的改進(jìn)使計(jì)算結(jié)果更好的指導(dǎo)鉆桿在實(shí)際鉆井工程中的應(yīng)用。對(duì)鉆柱進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)分析和等效應(yīng)力合成，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用可靠性理論確定影響鉆桿疲勞壽命的隨機(jī)性參數(shù)；結(jié)合裂紋擴(kuò)展速率Forman模型建立鉆柱I、III復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展速率的計(jì)算模型，可以計(jì)算相應(yīng)可靠度下鉆柱疲勞裂紋的循環(huán)壽命[33]。采用疲勞壽命對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型和Basquin公式，可以得出中短壽命區(qū)完整的概率-應(yīng)力-疲勞壽命(P-S-N)曲線；并利用2 m-1外推法給出長壽命區(qū)疲勞壽命表達(dá)式及疲勞極限[34]?；诳煽啃岳碚搶?duì)鉆桿疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鉆桿管體部位承受的彎曲及拉伸應(yīng)力載荷均明顯大于接頭螺紋連接部位；通過不同應(yīng)力幅條件下的疲勞壽命試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆桿疲勞裂紋萌生壽命分布符合正態(tài)分布，且隨著應(yīng)力水平的降低，疲勞裂紋萌生壽命分布概率密度函數(shù)的峰值逐漸降低，疲勞裂紋萌生壽命的離散性逐漸增強(qiáng)；可以計(jì)算不同可靠度下的疲勞裂紋萌生壽命對(duì)數(shù)值，得到壽命預(yù)測方程[35]。

2 高性能鉆桿結(jié)構(gòu)研究

高性能的鉆桿不僅需要使用具有高強(qiáng)度高韌性耐腐蝕的材料，還需要具有合理的適于使用的結(jié)構(gòu)。日益苛刻的鉆井工況環(huán)境一方面對(duì)鉆桿的使用性能提出了更高的要求：增大上扣扭矩，提高上扣速度，提高機(jī)械性能和水力性能，具有良好的氣密封性能等；另一方面，對(duì)鉆桿的使用壽命和使用安全也提出了更高的要求。鉆井生產(chǎn)對(duì)鉆桿性能和壽命的需求促進(jìn)了鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

2.1 特殊螺紋接頭的研發(fā)

API鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度普遍低于管體，在使用時(shí)靠外螺紋根部的直角臺(tái)肩面與內(nèi)螺紋端面的直角臺(tái)肩互相擠壓，形成密封，當(dāng)鉆桿受到拉伸載荷作用時(shí)，密封面上的接觸壓力就會(huì)顯著下降，從而失去密封作用[36]。為了滿足高強(qiáng)度鉆桿鉆探深井、水平井或大斜度定向井的需要以及解決鉆桿接頭在使用中出現(xiàn)的問題，特殊螺紋鉆桿接頭應(yīng)運(yùn)而生，其主要特點(diǎn)是具有更小的外徑，更大的內(nèi)徑，更高的抗扭強(qiáng)度和更好的密封性能，可以承受更為苛刻的復(fù)合載荷。特殊螺紋接頭基本采用雙密封臺(tái)肩的設(shè)計(jì)形式，高抗扭接頭的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度相比API NC螺紋接頭增加40%左右，超高抗扭接頭可增加70%左右。接頭較小的外徑和較大的內(nèi)徑可用于小井眼鉆井并提高液壓；更高的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，可施加更大的扭矩操作；磨損留量增加。

考慮接頭的使用性能的改善和不斷提升，特殊螺紋接頭在研發(fā)設(shè)計(jì)中還考慮了接頭外徑、內(nèi)徑、鏜孔段長度、應(yīng)力分散槽、螺紋錐度等的改進(jìn)。例如，鉆桿接頭的標(biāo)準(zhǔn)錐度為1∶6，NOV Grant Predeco公司開發(fā)了和標(biāo)準(zhǔn)油套管接頭相同的1∶16錐度，明顯增加了輔助內(nèi)臺(tái)肩的接觸面積，大幅提高了接頭的抗扭能力。有研發(fā)人員[37]改變了外螺紋的錐度，使得螺紋應(yīng)力分布更加均勻，并降低了主臺(tái)肩過渡圓角處的應(yīng)力集中。

評(píng)價(jià)螺紋接頭的抗扭性能、密封性能和承受復(fù)合載荷的能力，主要有兩種方法：實(shí)物試驗(yàn)和有限元分析。通過實(shí)物上/卸扣試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)接頭的抗粘扣性能和抗扭能力；通過實(shí)物復(fù)合載荷試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)接頭在軸向載荷、內(nèi)/外壓力、彎曲等多種載荷復(fù)合應(yīng)力作用下的密封性能，以及溫度環(huán)境對(duì)接頭密封和結(jié)構(gòu)完整性的影響；通過實(shí)物彎曲疲勞試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)鉆桿管體和接頭的抗疲勞性能。實(shí)物試驗(yàn)可以檢驗(yàn)產(chǎn)品的使用性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和加工中存在的問題。鉆桿接頭在使用中的應(yīng)力分布狀態(tài)直接決定了鉆桿的連接強(qiáng)度和密封性能等[38]。因此，對(duì)鉆桿接頭的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，是提高鉆桿使用性能的關(guān)鍵，有限元分析方法被廣泛運(yùn)用。采用有限元分析方法，對(duì)比某雙臺(tái)肩高抗扭接頭與API接頭，分析發(fā)現(xiàn)雙臺(tái)肩高抗扭接頭的抗扭強(qiáng)度為API接頭的1.5倍，前者在軸向拉力和扭矩的共同作用下，等效應(yīng)力明顯好于后者[39]。建立力學(xué)模型分析接頭在不同緊扣圈數(shù)及拉伸載荷作用下的受力情況表明，合理的緊扣圈數(shù)可以顯著提高接頭的密封性能，能有效降低拉伸載荷作用下螺紋牙軸向載荷增長幅值，延長接頭的使用壽命[40]。采用三維有限元模型分析雙臺(tái)肩鉆桿接頭在上扣扭矩、軸向拉力和彎矩作用下的受力特性，可以得出螺紋接頭在不同作用下承受最大載荷的部位[41]。有學(xué)者針對(duì)螺紋粘扣時(shí)接觸壓力過大引發(fā)的塑性變形的問題，分析了鉆桿接頭接觸壓力分布規(guī)律和 Mises 應(yīng)力分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外螺紋大端第一個(gè)螺紋牙是最易發(fā)生粘扣的部位，應(yīng)在螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化中重點(diǎn)考慮[42]。有學(xué)者通過三維有限元模型，研究大軸向載荷作用下鉆桿接頭的密封機(jī)理發(fā)現(xiàn)合理的接觸壓力才能保證接頭的密封性能[43]；當(dāng)軸向載荷超過一定值后，主、副臺(tái)肩失去密封性能，增加接頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。有限元分析方法側(cè)重應(yīng)力分布和理論機(jī)理研究，可與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的相互驗(yàn)證。兩種方法共同使用，對(duì)鉆桿接頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了積極的促進(jìn)作用。

2.2 鉆桿規(guī)格和幾何尺寸的改進(jìn)

鉆桿的腐蝕疲勞和硫化物應(yīng)力腐蝕失效，除材料的抗腐蝕性能影響，集中出現(xiàn)在應(yīng)力集中處。鉆桿的應(yīng)力集中主要位于螺紋接頭的臺(tái)階圓角和螺紋牙底，以及管體的內(nèi)加厚過渡處。石油管工程技術(shù)研究院對(duì)大量失效鉆桿分析研究，發(fā)現(xiàn)隨著內(nèi)加厚過渡區(qū)長度的增加和過渡圓角半徑的增大，內(nèi)加厚過渡區(qū)消失點(diǎn)的應(yīng)力逐漸減少，應(yīng)力集中逐漸降低，通過有限元分析和實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了改進(jìn)內(nèi)加厚過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和尺寸的研究成果，即內(nèi)加厚過渡區(qū)最小長度為100 mm，過渡圓角半徑最小為300 mm，該研究成果被API采納，現(xiàn)場數(shù)據(jù)證明，鉆桿的內(nèi)加厚過渡區(qū)增長，可有效提升鉆桿壽命[44]。近年來又發(fā)現(xiàn)內(nèi)加厚過渡區(qū)長度大于100 mm的鉆桿在深井和水平井鉆探中失效事故頻發(fā)，將過渡區(qū)長度增加到140 mm以上，鉆桿的疲勞壽命大幅提高[5]。

通過分析我國西部油田多年鉆桿大量疲勞刺漏的原因，研究人員[45]發(fā)現(xiàn)除了增加內(nèi)加厚過渡長度之外，增加壁厚和延長外加厚長度均可提高鉆桿的疲勞強(qiáng)度；研究還發(fā)現(xiàn) 127 mm 鉆桿不適合深井、超深井的大拉力、高扭矩、高轉(zhuǎn)速、大狗腿、強(qiáng)腐蝕等等復(fù)雜工況，提出了用于深井的139 mm和非API的149 mm大直徑鉆柱設(shè)計(jì)思想。

3 結(jié)束語

先進(jìn)鉆井技術(shù)的推廣應(yīng)用和安全高效鉆井作業(yè)的生產(chǎn)需求，推動(dòng)了鉆桿制造技術(shù)的進(jìn)步和高性能鉆桿的研發(fā)，國內(nèi)外研究人員在高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的研制，特殊螺紋接頭開發(fā)，鉆桿疲勞斷裂機(jī)理以及壽命預(yù)測技術(shù)等方面均取得了重要的研究成果并取得了顯著的應(yīng)用效果?！叭?、非常規(guī)以及新型油氣資源的勘探開發(fā)，對(duì)鉆桿服役性能提出了更高要求，高性能鉆桿研發(fā)還需要持續(xù)開展。為了延長鉆桿的使用壽命，有效控制和減少鉆桿失效事故的發(fā)生，需要進(jìn)一步完善超高鋼級(jí)鉆桿材料的韌性、抗腐蝕性能和疲勞壽命預(yù)測研究；開發(fā)性能更優(yōu)越的特殊螺紋接頭；提升鉆桿制造技術(shù)，避免因制造過程的問題引起鉆桿的早期失效；提升高性能鉆桿的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)技術(shù)，充分發(fā)揮實(shí)物試驗(yàn)和三維有限元分析的作用；加強(qiáng)高性能鉆桿的選用和管理。

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Research and Application Development of High-performance Drill Pipe

QIN Changyi1, JIANG Jiahua2, JIANG Cunmin2, ZHANG Zhenning2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China; 2.JiangsuShuguangGroupCo.Ltd.,Taizhou,Jiangsu225500,China)

The research progress and application status of high-performance drill pipe were described through five aspects including the research on drill pipe material toughness, corrosion resistance and fatigue life, the research and development of premium connection, and the improvement of drill pipe geometry. Drilling requirements and drill pipe failure prevention promoted the research and development of high performance drill pipe were analyzed. Finally, intented research on high performance drill pipe was suggested.

high-performance drill pipe; toughness; fatigue; premium connection

秦長毅，男，1962年生，教授級(jí)高工，主要從事質(zhì)量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化管理工作。E-mail:qincy@cnpc.com.cn

TE921.2

A

2096-0077(2017)01-0009-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.002

2017-01-06 編輯：屈憶欣)