鋁合金鉆桿的特點(diǎn)及應(yīng)用前景

李亞敏，陳玉松，徐 旭

（渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)水平不斷提升和油氣勘探工作的陸續(xù)開(kāi)展，目前各種不同類型的油氣井對(duì)于勘察設(shè)備的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。我國(guó)是一個(gè)人均資源匱乏的國(guó)家，在地表資源開(kāi)采速度不斷加快的同時(shí)，如何開(kāi)采陸地深層、海洋的油氣資源也就成為未來(lái)行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，深層資源的開(kāi)發(fā)對(duì)于開(kāi)采技術(shù)有更高的要求，存在深度大、腐蝕性強(qiáng)等問(wèn)題，這就給鉆桿的選擇、使用提出了更高的要求。

1 鋁合金鉆桿特點(diǎn)概述

在進(jìn)行深層資源的開(kāi)采時(shí)，普通的鋼制鉆桿往往難以面對(duì)高腐蝕介質(zhì)以及地層下的摩擦環(huán)境，進(jìn)而出現(xiàn)腐蝕斷裂等問(wèn)題，嚴(yán)重影響開(kāi)采效率。而鋁合金鉆桿作為一種特殊的合金材料，其整體性能十分優(yōu)越，可以很好地適應(yīng)深層資源開(kāi)采的需求，現(xiàn)就其主要特征簡(jiǎn)單介紹如下。

（1）鉆探能力強(qiáng)。從密度角度上來(lái)看，鋼制鉆桿的密度為鋁合金鉆桿的3 倍左右，而強(qiáng)度質(zhì)量比方面，鋁合金鉆桿的強(qiáng)度質(zhì)量比約為鋼制鉆桿的2 倍。在這樣的條件下，很多時(shí)候鉆機(jī)能力達(dá)到預(yù)期水平，搭配合適的鋁合金鉆桿就可以鉆探更深的深度，這是普通鋼制鉆桿無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工作。在不同泥漿密度條件下，采用不同類型的材質(zhì)鉆桿可以實(shí)現(xiàn)不同的鉆深。其中，鋼制鉆柱的深度如果達(dá)到13 km，高強(qiáng)度鋼制鉆則可以達(dá)到16 km，此時(shí)采用鋁合金鉆桿則可以達(dá)到25 km 左右。由此不難發(fā)現(xiàn)，采用鋁合金鉆桿可以有效提升整體鉆探能力，確保鉆探的最大深度。

（2）耐腐蝕性好。鋁合金鉆桿經(jīng)常使用的材料為D16T，該材料具有較強(qiáng)的耐腐蝕性。根據(jù)相關(guān)研究表明，鋁合金鉆桿在pH2.5 的溶液中具有很強(qiáng)的耐腐蝕效果，而在中性溶液中也可以保持穩(wěn)定的狀態(tài)，甚至在一些硫化氫環(huán)境中也不會(huì)受到任何程度的影響。雖然鋁本身屬于活潑的金屬，但是其在與氧氣發(fā)生反應(yīng)后會(huì)鈍化，進(jìn)而形成穩(wěn)定性很強(qiáng)的氧化膜，隨后能夠與環(huán)境進(jìn)一步作用并反應(yīng)。在這樣的情況下，鋁合金鉆桿可以在飽和的二氧化碳溶液中長(zhǎng)期浸泡而不出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，鋁合金鉆桿能夠在各種溫度下防止被二氧化碳腐蝕，具有極佳的耐腐蝕性能。

（3）適應(yīng)面廣。鋁合金鉆桿采用高強(qiáng)度鋁合金，該材料的彈性模量較小，所以可以利用較大的曲率來(lái)進(jìn)行定向井的鉆探工作，相比于普通的鉆桿具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。除此之外，其本身還具有不錯(cuò)的抗彎曲載荷性能，可以適應(yīng)各種類型的水平井。在進(jìn)行實(shí)際模擬時(shí)，采用軟件分別對(duì)鋼鉆桿、鋁合金鉆桿以及鉆柱進(jìn)行分析，能夠得到相應(yīng)的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，其中鉆柱所受的扭矩分析結(jié)果中，鋁合金鉆桿相比于另外兩種具有明顯的優(yōu)勢(shì)，摩擦因數(shù)更小，所以無(wú)論是從磨損的角度還是從鉆探的深度都要具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。除此之外，在分析中還分別對(duì)扭矩帶來(lái)的強(qiáng)度影響進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)鋼鉆桿發(fā)生應(yīng)力極限而拉伸斷裂的時(shí)候，鋁合金鉆桿依然能夠承受其載荷，甚至完全在安全范圍內(nèi)，可見(jiàn)安全性以及成本都可以得到保障。

（4）減少系統(tǒng)負(fù)荷。鋁合金鉆桿的密度一般僅為3.2 g/cm3，相比于鋼鉆桿僅為50%左右，所以，在鉆進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)表現(xiàn)出一定的浮力特征。在浮力特征的影響下，相比于環(huán)境可以獲得更多的鉆進(jìn)能力。這樣一來(lái)，選擇鋁合金鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)，能夠有效降低載荷的影響，同樣也可以大大提升鉆機(jī)的使用壽命，從而取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（5）耐磨性不足。鋁合金鉆桿的耐磨性相比于普通鋼制鉆桿要弱一些，所以在使用時(shí)一般需要搭配一些專用的鉆具進(jìn)行配套使用，或者在其接頭部分添加一些能夠預(yù)防磨損的材料，可以有效提升其耐磨性能，更好地完成相應(yīng)的預(yù)處理工作。

（6）鉆井效率高。鉆井的效率高主要體現(xiàn)在彈性模量的優(yōu)勢(shì)方面。由于鋼制鉆桿的彎曲應(yīng)力相對(duì)較大，所以鋁合金鉆桿具有更強(qiáng)的通過(guò)性。在具體的鉆進(jìn)過(guò)程中，其摩擦系數(shù)相對(duì)較低，所以遇到的阻力也比較小。相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)研究結(jié)果顯示，在同等水平條件下，鋁合金鉆桿的摩擦阻力要比鋼制鉆桿低60%左右，這樣一來(lái)其負(fù)荷阻力更小，所以生產(chǎn)效率也相對(duì)更高。

2 鋁合金鉆桿的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外對(duì)鋁合金鉆桿的應(yīng)用

結(jié)合國(guó)外鋁合金鉆桿的應(yīng)用情況來(lái)看，美國(guó)、俄羅斯的研究成果相對(duì)比較豐富。其中，在20 世紀(jì)50 年代，前蘇聯(lián)就開(kāi)始進(jìn)行這個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的應(yīng)用與研究，于60 年代初第一次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在試驗(yàn)中驗(yàn)證了該材料可以很好地適應(yīng)鉆井的生產(chǎn)要求，可以顯著降低材料與勞動(dòng)力成本。隨著研究工作的不斷深入，前蘇聯(lián)的科學(xué)家們?cè)?0 年代開(kāi)始采用新研制的鋁合金鉆桿進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，針對(duì)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行深層次的鉆井工作，配合相應(yīng)的開(kāi)采工藝，獲取了大量的優(yōu)質(zhì)油氣資源。

相比于前蘇聯(lián)，美國(guó)在這方面的研究起步比較晚，但是由于其他基礎(chǔ)工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)，所以在很短的時(shí)間內(nèi)就趕超了俄羅斯的進(jìn)度。2009 年前后，美國(guó)的鋁合金鉆桿進(jìn)入到快速發(fā)展的時(shí)期，這個(gè)時(shí)期設(shè)立了許多專門從事該技術(shù)的研究部門與企業(yè)。相比于俄羅斯的研究項(xiàng)目，美國(guó)的鋁合金鉆桿研究工作更傾向于頁(yè)巖氣水平井以及海洋平臺(tái)的鉆井等多個(gè)領(lǐng)域。值得注意的是，這個(gè)時(shí)期美國(guó)開(kāi)發(fā)的鋁合金鉆桿具有很強(qiáng)的應(yīng)用針對(duì)性，同時(shí)其接頭部分也進(jìn)行了強(qiáng)化處理，取得了良好的效果，大大提升了開(kāi)采效率。

2.2 我國(guó)對(duì)鋁合金鉆桿的應(yīng)用

我國(guó)的鋁合金鉆桿研究起步相較于美國(guó)、前蘇聯(lián)較晚，但是同樣也取得了一定的成果。早在2000 年，我國(guó)就開(kāi)始在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用鋁合金鉆桿來(lái)替代鋼制鉆桿，并且在多個(gè)高校形成了研究實(shí)驗(yàn)室，分別對(duì)鋁合金鉆桿的耐腐蝕性能以及力學(xué)性能進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，對(duì)于生產(chǎn)工藝進(jìn)行了升級(jí)，并研究出許多新的抗拉伸性能良好的鋁合金鉆桿，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的開(kāi)采效果。

3 鋁合金鉆桿的應(yīng)用前景

（1）超深井。隨著技術(shù)的不斷升級(jí)與發(fā)展，目前鋁合金鉆桿技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于超深井當(dāng)中。一般來(lái)說(shuō)，超深井的開(kāi)采對(duì)于耐腐蝕性以及耐高溫性能都具有較高的要求。目前，全球的超深井開(kāi)采當(dāng)中，鋁合金鉆桿的占比超過(guò)了84%，而在鉆探過(guò)程中出現(xiàn)斷鉆的情況卻屈指可數(shù)。隨著研究工作的不斷深入，鋁合金鉆桿還能應(yīng)用于更深的開(kāi)采活動(dòng)中，大大拓展油氣開(kāi)采的范圍。

（2）定向井與大陸架井。目前塔里木油田等多種油田都采用了鋁合金鉆桿進(jìn)行開(kāi)采，其綜合開(kāi)采效率良好，所以定向井的開(kāi)采方面鋁合金鉆桿具有良好的應(yīng)用前景。從我國(guó)的東部油氣開(kāi)采情況來(lái)看，海上、海岸都具有豐富的油氣資源，但是在開(kāi)采過(guò)程中往往條件要求十分苛刻，落實(shí)難度較高。所以，需要繼續(xù)開(kāi)發(fā)鋁合金鉆桿在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，確保大陸架、海洋井能夠得到合并，確保開(kāi)采效率。

（3）特殊油氣井。我國(guó)的硫化氫、二氧化碳的油氣井?dāng)?shù)量相對(duì)比較少，這類開(kāi)采工作一般對(duì)鉆具、集輸管線路的耐腐蝕性都具有很高的要求，如果在開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)氫脆以及腐蝕斷裂，將導(dǎo)致大面積的經(jīng)濟(jì)損失。在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)用鋁合金鉆桿可以很好地避免該問(wèn)題，不過(guò)仍然需要解決外部磨損的問(wèn)題，所以需要進(jìn)一步研究相應(yīng)的領(lǐng)域，提升技術(shù)應(yīng)用水平。

（4）在其他領(lǐng)域的應(yīng)用前景。除了上述內(nèi)容之外，鋁合金鉆桿還可以應(yīng)用于其他的各個(gè)場(chǎng)景領(lǐng)域，其本身具有密度低、強(qiáng)度比高的特征，同時(shí)還兼顧了良好的耐腐蝕性能，這些性能決定了其可以用于解決大位移井、高含硫的復(fù)雜井，同時(shí)也可以作為理想的鉆具，所以在石油以及其他類型資源的勘察活動(dòng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，其在世界領(lǐng)域已經(jīng)取得了階段性的研究成果，同時(shí)在叢式井以及頁(yè)巖氣井等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用效果，相信隨著技術(shù)的不斷升級(jí)，未來(lái)的應(yīng)用水平也會(huì)逐漸完善，更好地適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域的特殊需求。

4 總結(jié)

作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)在油氣資源的開(kāi)采、利用方面存在技術(shù)薄弱、整體投入不足的問(wèn)題，這在客觀上限制了我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展。近些年來(lái)，隨著技術(shù)投入增加以及成熟度的提升，我國(guó)在油氣開(kāi)采特別是深層資源的開(kāi)采方面，取得了技術(shù)上的突破進(jìn)展，但是在專用設(shè)備方面依然主要依賴進(jìn)口。鋁合金鉆桿作為深層資源開(kāi)采的重要設(shè)備，具有耐腐蝕性強(qiáng)、鉆井效率高等優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)多種不同類型的資源開(kāi)采環(huán)境。希望相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)人員能夠加緊設(shè)計(jì)與設(shè)備優(yōu)化，設(shè)計(jì)出針對(duì)超深井、特殊油氣井的性能優(yōu)越的鋁合金鉆桿，促進(jìn)油氣開(kāi)采行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展創(chuàng)造條件，為了我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化貢獻(xiàn)一份力量。