高可靠性铝合金钻杆及其在超深井和水平井中的应用

在我国颁布铝合金钻杆国家标准的前提下,归纳了铝合金钻杆用于超深井和水平井钻井的众多优点;分析了新标准铝合金钻杆与钢接头的连接方式:梯形丝扣连接、设置内支撑端面和锥形配合面、通过高温装配工艺实现过盈配合;介绍了在超深井和水平井中应用高可靠性铝合金钻杆可显著减少大钩载荷、转盘扭矩和泵压损失以及提高钻杆强度储备的效果。

铝合金钻杆冲蚀磨损原因分析

Φ147 mm钢接箍D16T铝合金钻杆在某油田的油气井中使用时发生了冲蚀磨损失效。为了确定其失效的原因,对该铝合金钻杆的冲蚀磨损形貌进行了宏观和微观分析,对其接头的结构尺寸进行了测量分析,对其管体材料的化学成分、力学性能和金相组织进行了试验分析。结果表明,该铝合金钻杆管体材料的化学成分符合ISO 209:2007标准的要求,但其拉伸性能不符合ISO 15546:2007标准要求。钻杆钢接箍与铝合金管体外螺纹接头上扣连接后,其管体外螺纹端部与接箍内表面的交界部位存在凸起台阶结构,因而在使用时钻井液在凸起台阶部位形成了紊流,冲蚀磨损了凸起的钻杆外螺纹端部,因此该铝合金钻杆接箍内的凸起台阶结构是冲蚀磨损失效的主要原因。钻杆材料的强度越低,冲蚀磨损的速度越快,即钻杆管体材料的抗拉强度和屈服强度低于标准的要求是冲蚀磨损失效的次要原因。建议在设计加工时,钻杆管体外螺纹接头与钢接箍连接后其接头内表面交界部位应保持平滑过渡,即不应有凸起台阶;另外,应采用高强度的铝合金材料制造钻杆管体。

铝合金钻杆的动态特性及磨损机理分析

根据塔里木油田某井铝合金钻杆材料特点和实际磨损情况,运用有限元法分析了铝合金钻杆在地面旋转驱动时的涡动轨迹、涡动速度、轴向速度和加速度。将其与钢钻杆的动力学特性进行的比较结果表明,铝合金钻杆在接近井壁区域内大部分时间作向前涡动,且涡动速度较大,使得铝合金钻杆易产生划痕、压痕等损伤。这也解释了俄罗斯在使用铝合金钻杆中要求尽可能采用井下动力驱动的力学机制的原因。与钢质钻杆相比,铝合金钻杆的轴向加速度较大,但其轴向力及波动幅度较小。

铝合金钻杆在塔里木油田推广应用前景分析

介绍了铝合金钻杆的结构特点和材料特性,分析了其适用范围。认为:铝合金钻杆在塔里木油田含H2S井使用可有效防止钻杆发生应力腐蚀开裂和电化学腐蚀;在水平井和大斜度定向井使用可以减缓钻杆接头的热裂问题;在深井和超深井使用可减轻钻柱重量,增加钻井深度;在复杂井使用可增加套管下入深度。铝合金钻杆发生断裂事故之后容易将落鱼部分磨掉,这有利于提高处理井下复杂情况或事故的能力。同时指出了使用铝合金钻杆存在的问题和应注意的事项。

微弧氧化处理对铝合金钻杆与钢接头电偶腐蚀行为的影响

铝合金钻杆特殊的结构设计使其自身的异金属腐蚀敏感性较强,为了提高其耐腐蚀性能,选用微弧氧化技术(Micro-arc oxidation,MAO)对铝合金钻杆材料进行了表面处理。在构建的钻井盐水泥浆环境下,通过电化学腐蚀试验,测得了铝合金表面处理前后的极化曲线和电化学阻抗。结果表明:MAO涂层的试样具有较正的腐蚀电位、较小的腐蚀电流密度以及较高的阻抗;同时,与30CrMnSiA合金钢耦合,通过失重试验、E-t试验和I-t试验发现,MAO涂层试样与未经处理试样相比失重较小,腐蚀电位、腐蚀电流平稳,未发生大面积点蚀。

超声波冷锻与阳极氧化处理铝合金钻杆摩擦学性能研究

恰当的表面工程技术是实现长寿命、高可靠性、高耐磨性铝合金钻杆的关键技术之一。本文选用超声波冷锻技术(Ultrasonic Cold Forging Technology,UCFT)和阳极氧化技术(Anodic Oxidation,AO)对铝合金钻杆材料(7E04)进行表面强化处理。在球盘摩擦磨损试验机上对UCFT和AO处理前后铝合金的摩擦学性能进行表征,选取Zr O2硬质材料的对磨球。结果表明,经UCFT处理后样品表面形成了约为100μm的塑性变形层,表面晶粒细化至56 nm;经AO处理后样品表面生成了多孔的氧化物层,其厚度约60μm;UCFT处理与AO处理均不同程度地提高了样品的表面硬度和耐磨性;且AO处理能有效降低样品的摩擦系数;与未处理的样品表面发生了磨料磨损、粘着磨损和塑性形变不同,UCFT处理的样品呈现出典型的粘着磨损形貌,AO处理的样品主要为疲劳磨损形式。

铝合金钻杆旋转弯曲疲劳断口特征

首先对铝合金钻杆进行了不同应力幅值的旋转弯曲疲劳试验,然后采用扫描电镜观察其断口微观形貌特征。结果表明:在170 MPa低应力下,铝合金钻杆的疲劳断口可分为疲劳源区、裂纹扩展区及瞬断区3个区域,微裂纹在试样次表面相界处萌生,裂纹稳态扩展区面积较大,占60%以上;在290 MPa高应力下,铝合金钻杆的疲劳断口上有多个疲劳源区,微裂纹于试样表面或近表面位置形核,裂纹扩展区面积仅占15%~30%。对于同一试样,随着裂纹的扩展,断口上疲劳滑移台阶变宽,疲劳条带逐渐清晰;对于不同试样,随着应力的提高,裂纹扩展速率增大,疲劳条带间距变宽,更易出现二次疲劳裂纹,断口上裂纹扩展区面积明显减小,相应的疲劳寿命也大幅降低。

科学超深井钻探铝合金钻杆的腐蚀失效分析

针对铝合金钻杆在复杂的超深井钻井工程服役条件,分析了铝合金钻杆腐蚀行为的主要外在钻井工程因素,并进行了松辽盆地资源与环境深部钻探"松科二井"铝合金钻杆工程试样腐蚀程度的测试与分析。分析结果表明:钻杆结构、磨损与应力、钻井液介质、井内高温高压是其产生腐蚀的主要服役条件因素;铝杆体与钢接头连接处的腐蚀情况最为严重,铝杆体次之,加厚端部分耐蚀性最好;腐蚀产物的主要成分是Al_2O_3和Al(OH)_3相。

SiC微粉添加剂对铝合金钻杆材料微弧氧化膜层性能的影响

目的提高铝合金钻杆材料微弧氧化膜层的性能。方法在电解液中加入0~4 g/L的SiC微粉,对7E04铝合金钻杆材料表面生成的微弧氧化膜层进行改性,研究了微弧氧化膜层的氧化电压-时间曲线、厚度、显微硬度、表面形貌、膜层元素含量、相组成和耐蚀性。结果随着SiC微粉质量浓度的增加(0、1、2、3、4 g/L),氧化电压不断增加,在4 g/L时几乎达到550 V。微弧氧化膜层的厚度和显微硬度增加,各浓度下的膜层厚度分别为42.3、43.6、45.0、45.3、50.0μm,膜层显微硬度分别为341.8、375.2、394.4、405.1、436.8MPa。同时,放电孔的孔径和烧结盘的尺寸也逐渐增加。在微弧氧化过程中,SiC被氧化成SiO_2,基体中的Al被氧化成α-Al_2O_3和γ-Al_2O_3,膜层中的相组成主要有α-Al_2O_3、γ-Al_2O_3、SiO_2和莫来石。同时,随着SiC微粉浓度的增加,膜层中的C、Si元素含量增加,Al元素和O元素的含量降低。膜层的腐蚀速率分别为1.11×10^(-1)、3.598×10^(-2)、5.223×10^(-2)、6.762×10^(-2)、1.323×10^(-1) mm/a,呈现出先减小后增加的趋势,耐蚀性先增加后降低。结论 SiC微粉的添加增加了膜层的厚度,改变了膜层的表面形貌,同时提高了微弧氧化膜层的显微硬度、耐蚀性等性能。

超声波冷锻与微弧氧化处理铝合金钻杆的耐腐蚀性能

目的采用超声波冷锻与微弧氧化技术处理形成包裹于铝合金表面的细晶层和微弧氧化膜层用以提高铝合金钻杆的耐腐蚀性能。方法用超声波冷锻技术(Ultrasonic Cold Forging Technology,UCFT)和微弧氧化技术(Micro Arc Oxidation,MAO)处理形成包裹于铝合金表面的细晶层和微弧氧化膜层,从而强化铝合金钻杆材料(2024)。通过模拟铝合金材料在科学超深井“高温–高压–力学–化学”的服役条件和环境,并使用失重法、电化学方法、扫描电子显微镜以及X射线衍射等测试方法,研究了细晶层和微弧氧化膜层对铝合金钻杆腐蚀行为和腐蚀规律的影响。结果通过电化学测试结果可知,经UCFT+MAO处理的铝合金的耐腐蚀性能随着弹性拉应力的增加而逐渐下降。但在300 MPa的弹性拉应力作用下,经UCFT+MAO处理的铝合金仍能维持较低的腐蚀速率(10^(‒2) mm/a),并且耐蚀性能仍大于未经UCFT+MAO处理的铝合金。通过失重法和扫描电子显微镜测试结果可知,在100 MPa的弹性拉应力条件下,经UCFT+MAO处理的铝合金的腐蚀速率随试验温度的升高而明显上升,并且表面的腐蚀形貌也变得越来越不平整,凸起程度增加。当试验温度超过125℃时,经UCFT+MAO处理的铝合金的腐蚀速率随温度的增加而显著上升。通过XRD测试结果可知,在100 MPa的弹性拉应力和不同温度条件下,经UCFT+MAO处理的铝合金表面的化学组成主要以Al和Al^(2)O_(3)为主。结论经UCFT和MAO处理形成的细晶层和微弧氧化膜层能够有效保护铝合金基体,提升铝合金的耐腐蚀性能。

铝合金钻杆管体动态再结晶的不均匀分布研究

采用DEFORM-3D有限元分析软件,以Yada为动态再结晶模型,对Φ73 mm×9 mm双端内加厚7075铝合金钻杆管体挤压成形的动态再结晶进行模拟,研究管体上动态再结晶百分数及其晶粒平均尺寸的分布规律,通过Φ73 mm×16 mm的前端加厚段、Φ73 mm×9 mm的主体管段挤压实验得到管体各部位的金相图,以验证数值模拟结果,并经测试获得前端加厚段与主体段内、外表面维氏硬度,得到动态再结晶不均匀分布对管体力学性能的影响。结果表明:径向上,管体前端加厚段内表面最大动态再结晶百分数及其晶粒平均尺寸分别为12.56%、17.58μm,分别比外表面高5.63%、12.26%;主体段内表面的最大动态再结晶百分数及其晶粒平均尺寸分别为15.46%、16.98μm,分别比外表面低72.51%、21.93%;后端加厚段内表面最大动态再结晶体积分数及其晶粒平均尺寸分别为17.89%、19.70μm,分别比外表面低78.57%、24.55%。轴向上,随着挤压的进行,后端加厚段外表面动态再结晶百分数及其晶粒平均尺寸最大,分别达到83.48%、26.11μm;主体段动态再结晶百分数及其晶粒平均尺寸次之,分别达到56.24%、21.75μm;前端加厚段动态再结晶百分数及其晶粒平均尺寸最小,分别为13.29%、18.42μm。外表面维氏硬度较内表面增加了5.811%,主体段维氏硬度较前端加厚段增加了9.323%。

钻井利器的故事之“铝合金钻杆”

地球科学的发展对地球深部数据的依赖程度越来越高,作为"入地"重要手段的科学超深井工程是研究深部地质学的重要方法,被誉为是"伸入地壳的望远镜"。与钢钻杆相比,铝合金钻杆以其独特的优越性(质量轻、比强度高、钻进深度深、所需能耗少),已成为难进入地区、大位移井、超深井等钻柱设计的优选方案。本文从科普的角度介绍了钻柱与钻杆的区别、钻柱的使用极限长度、铝合金钻杆的技术优势及其现存的不足之处,以此提高对铝合金钻杆的认识,促进铝合金钻杆的研究和发展。

高强耐热铝合金钻杆材料优选

铝合金钻杆的使用性能是制约深部钻探技术发展的“瓶颈”。本文综合考虑孔内工况因素和钻杆性能因素,以钻柱组合设计为基础准则,从特深孔钻探工程技术需求出发,开展了高强耐温铝合金钻杆材质选择和评价的试验研究。试验结果表明:2219铝合金固溶时效制度分别为535℃/1 h、165℃/20 h,2618铝合金固溶时效制度分别为530℃/1 h、200℃/20 h;2219铝合金在高温长时间暴露后的室温力学性能优于2618铝合金,在高温瞬时条件下的力学性能劣于2618铝合金;2219铝合金中含有Zr,该元素在热暴露过程中起到减缓溶质扩散速率的作用,这对提高热暴露后的剩余强度是有利的。

高强度铝合金钻杆的拉伸试验方法

针对高强度铝合金钻杆材料屈服强度高、弹性模量小的特点,分析了采用常规拉伸试验方法测试对其拉伸性能的影响,并对试验速率及控制方式进行了调整,得出了适用于高强度铝合金钻杆材料较为合理的拉伸试验方法。根据试验结果,建议以规定塑性延伸强度Rp0.2作为高强度铝合金钻杆材料屈服强度的参考值;在引伸计标距伸长2%时再摘取引伸计,以读取可靠的屈服强度Rp0.2;高强度铝合金钻杆材料的塑性性能对拉伸速率较为敏感,应尽可能地减缓塑性变形阶段的试验速率。

铝合金钻杆的优越性及其在地探深孔中的应用前景

在归纳铝合金钻杆众多优点的基础上,介绍铝合金钻杆与钢接头的连接方式、过盈配合,举例分析铝合金钻杆可显著减少深孔钻进大钩载荷、转盘扭矩和泵压损失的效果,探讨了铝合金钻杆在地探深孔中的应用前景。

冷组装铝合金钻杆螺纹副力学性能测试及失效分析

与传统的钢制钻杆相比,铝合金钻杆具有密度小、比强度高、无磁等优点,因此在深井与超深井钻井作业中具有较大优势。在实际使用中,铝合金钻杆两端需要通过钢接头之间的螺纹来实现拧卸钻杆,而铝合金杆体与钢接头还需要过盈装配以实现紧固连接。以液氮为冷源,对50 mm的7075铝合金钻杆管体与钢接头进行了"冷组装"过盈装配,铝合金管体与钢接头之间的过盈量分别为0.10、0.15、0.20 mm。对组装后两端带钢接头的铝合金钻杆分别进行了拉伸和扭转试验,评价了铝合金管体与钢接头连接的可靠性,对断裂试样的断口进行了宏观与微观分析,阐述了其断裂机理。结果表明,采用"冷组装"方式可以实现铝合金管体与钢接头的过盈装配,其中过盈量为0.15 mm时,带钢接头的铝合金钻杆综合性能较优,可以承受较大的抗拉强度极限和抗扭极限,其断裂方式为脆性断裂。

铝合金钻杆在长水平井段延伸钻进的可行性

目前国内页岩气钻井的重点研究攻关目标是垂深4000 m以深的长水平段水平井,长水平段钻柱需要钻杆传递更大的轴向力来抵抗沿程的摩擦阻力,采用轻质铝合金钻杆是一种具有较大实施可行性的延伸钻进变革性新技术,而对于其摩阻扭矩特性、钻压传递规律、屈曲特性以及安全可靠性等问题则尚未开展系统研究。为此,基于Hamilton原理建立多尺寸铝合金钻柱动力学模型,通过HHT-α法对模型进行求解,进而对比了水平井段铝合金钻具和钢钻具的接触摩阻、钻压传递规律及其影响因素。研究结果表明:①铝合金钻杆在水平段的压力损耗明显小于钢制钻杆;②因其材质较软,小尺寸的铝合金钻杆在钻井过程中极易发生屈曲,导致钻压传递效率下降,甚至发生“钻杆自锁”现象;③较大尺寸的铝合金钻杆屈曲变形较小,其减摩减阻效果优于小尺寸铝合金钻杆,外径147 mm的铝合金钻杆的摩擦阻力仅为外径129 mm铝合金钻杆的71.9%。结论认为,小尺寸铝合金钻杆的刚度无法满足苛刻的长水平段页岩气钻井条件,而大尺寸铝合金钻杆则是解决其延伸钻进难题的重要前提条件之一。

铝合金钻杆的特点及应用前景

随着油气勘探向深井、超深井、定向井、水平井、含H2S和CO2油气井、海洋井等复杂井的发展,研究适合复杂井况勘探开发的钻具成为必然趋势。分析介绍了铝合金钻杆在提高钻井深度、耐蚀性、降低大钩载荷和定向井及水平井钻井作业等方面的显著优势以及铝合金钻杆的应用前景。

基于COMSOL的铝合金钻杆腐蚀分析

为预测科学超深井钻探工程中铝合金钻杆耐腐蚀性能,运用COMSOL软件,建立多物理场腐蚀分析模型,开展“松科二井”铝合金钻杆“应力-温度-电化学”作用下的腐蚀规律仿真分析。分析结果表明:腐蚀体系达到平衡时,铝合金电极一侧的电解质电位偏高,钢接头电极一侧电解质电位偏低,靠近钢接头电极一侧铝杆体电流密度高;随着钻杆所受应力、温度的增加,腐蚀速率加快,相对于温度的影响,载荷对腐蚀影响较小;腐蚀速率和井下工作时间成正线性相关;离钢接头的电偶腐蚀处越近,铝合金钻杆的界面电流密度越大,并成指数关系,外壁强影响区域大约在距电偶腐蚀处0~200 mm,内壁为0~110 mm。研究成果将为铝合金钻杆的工程防腐提供参考。

147mm铝合金钻杆抗内外压强度试验研究

铝合金钻杆因具有质量轻、比强度高、抗腐蚀性好、低磁等优点,在深井与超深井钻探作业中备受关注。在深井与超深井钻进中,铝合金钻杆需要承受巨大的内外压力,因此有必要对钻杆所能承受的最大内外压力进行计算与试验,对自行研制的147 mm铝合金钻杆进行了静水内、外压试验与弹性力学理论计算校核,7075铝合金钻杆在内压69.51 MPa时持续加压20 min,没有发生泄漏现象;最大抗外压值为107.4 MPa。2024铝合金钻杆在内压48.65 MPa时持续加压20 min,没有发生泄漏现象;最大抗外压值为72.3 MPa。试验表明,铝合金钻杆抗内、外压性能良好,从而保证了铝合金钻杆在深井及超深井钻进时的可靠性。