近千米大直径穿强厚含水层降温管井钻孔设计

制冷降温是深部矿井热害防治的有效技术手段。以核桃峪矿井制冷降温系统建设工程为背景,针对降温管井钻孔深度大,穿过洛河组巨厚强含水层,长距离输送冷媒保冷等技术难题,在分析工程及水文地质条件基础上,确定管井钻孔两次开孔分段设计参数;通过调研管路保冷材料性能,提出复合钢管、静态空气、玻璃微珠增强水泥、钢基复合保温套管四种保冷方法条件下基岩段护壁管设计方案;综合考虑保冷效果、固井可靠性、施工难度等因素,优选工作管采用钢基复合保温套管;并根据套管受力计算,校验护壁管规格参数。工程实施效果表明,井上下降温管始末端温度损失约1℃,可以满足冷媒长距离输送冷量损失要求,对于类似工程具有借鉴价值。

特深井钻杆柱材料的研究现状与关键技术

特深钻探是获取深部实物资料、建立深入地球内部通道的唯一方法,在石油、天然气等能源资源勘探中发挥着愈发重要的作用。钻杆柱材料的选择和优化,是制约特深钻探发展最为关键的核心技术之一,直接影响着特深钻探的钻深极限、钻进效率和经济成本。本文从特深钻探钻杆复杂载荷工况出发,分析了钻杆柱材料面临的难题,结合钢钻杆和轻质钻杆的性能特点,针对性的梳理了国内外深井钻杆柱解决方案,并综述了钢钻杆强韧化调控、钻杆耐腐蚀性处理和应力集中处理三个关键技术,为特深井钻杆柱发展研究提供了参考依据。

钻杆接头用含铌钒37CrMnMo钢的热变形行为及热加工图

采用Gleeble-3500热模拟试验机对含铌钒37CrMnMo钢进行等温单道次热压缩试验,研究了在不同变形温度和应变速率下钢的热变形行为及组织演变规律,并根据真应力-真应变曲线建立了该钢的热变形方程和热加工图。结果表明:在相同变形条件下,流变应力随变形温度的升高或应变速率的降低而降低;在高温、低应变速率条件下,试验钢的动态再结晶行为较显著;试验钢的热变形激活能为339.448 kJ/mol,基于动态材料模型和Prasad失稳准则确定了应变量为0.7时该钢的最佳热加工参数为1055~1250℃、0.05~0.12 s^(-1)和1130~1250℃、0.12~2.79 s^(-1)。

高强韧钻杆用低碳高铌钢的动态CCT曲线测定与分析

利用MMS-200热力模拟实验机对高强韧钻杆用低碳高铌钢进行模拟轧制压缩试验,测定绘制低碳高铌钢动态连续冷却转变(CCT)曲线,并研究了冷却速率对显微组织的影响。结果表明,冷速为0.5℃/s时,组织主要由多边形铁素体(PF)和少量珠光体(P)组成,同时观察到极少量的针状铁素体(AF);冷速为1℃/s时,组织以针状铁素体(AF)为主,珠光体消失,但仍可见一定比例的多边形铁素体(PF);冷速升高到2℃/s时,转变组织完全为粒状贝氏体(GB);冷速升高到5℃/s时,转变组织以粒状贝氏体(GB)为主,同时出现少量的铁素体贝氏体(FB);冷速升高到30℃/s时,转变组织以铁素体贝氏体(FB)为主,同时出现少量的马氏体(M)。

无磁钢螺旋钻杆加工技术研究

针对无磁钢一次铣削加工成本高、加工困难的问题,提出了2种无磁钢铣削专用设备的布局方案,设计了一次铣削成形的无磁钢螺旋槽铣削专用铣刀盘,分析了可能影响铣削性能的因素并计算无磁钢铣削加工工艺参数。试验结果表明:与水平对开结构相比,铣刀盘沿螺旋线方向对开的结构布局可减少了刀具成本50%,综合效率提升了30.7%。

沙漠地区光伏支架基础选型及试验研究

为研究预应力管桩、预成孔注浆地锚桩以及钢螺旋桩在沙漠地区作为光伏支架桩基础形式的适宜性,以沙漠地区某光伏新能源项目为例,基于施工现场原体试验,从预应力管桩、预成孔注浆地锚桩以及钢螺旋桩施工工艺和单桩承载力两个方面对比分析研究了3种不同光伏桩基础型式,提出了更适宜沙漠地区的光伏支架基础形式。结果表明:预应力管桩的桩体采用预制结构,桩身完整性好,而且施工较为简单且施工质量比较容易控制,施工效率更高;钢螺旋桩在施工过程中需注意钻进速度,不宜过快,可保证成桩质量;预成孔注浆地锚桩的桩体在成桩过程中质量控制难度较大;预应力管桩的抗压、抗拔和水平承载力普遍较高,均可满足光伏支架基础的荷载要求,预成孔注浆地锚桩的抗拔承载力偏低,不满足上部荷载要求,钢螺旋桩由于桩身材料的因素导致其水平承载力偏低,可根据实际荷载要求选择使用;预应力管桩相较于其他两种桩型不论是施工方面还是承载力方面更适合在沙漠地区使用。试验成果对沙漠地区光伏桩基础设计具有借鉴意义。

S135钻杆钢在钻井液中的氧腐蚀行为

基于系统的理论分析和现场腐蚀产物的XRD分析,揭示了S135钻杆钢在3%NaCl溶液中的氧腐蚀机理。为研究腐蚀因素与腐蚀速率的关系,通过室内高压釜动态模拟实验,分别研究了钻井液中含氧量、钻井液温度、钻井液流速和钻井液盐浓度对S135钻杆钢的氧腐蚀速率影响规律。实验研究结果表明(1)3%NaCl盐水钻井液对S135钻杆钢的腐蚀主要是氧去极化作用所致;(2)钻井液含氧量和钻井液流速的增加会加快钻杆钢的氧腐蚀速率,而钻井液温度和含盐量对钻杆钢的氧腐蚀速率具有双重作用。

石油钻杆材料G105在不同条件下的疲劳断裂

采用国产PQ-6型旋转弯曲疲劳试验机研究钻杆管体材料G105的弯曲疲劳性能以及H_2S腐蚀和缺口对试样弯曲疲劳性能的影响,利用金相显微镜和扫描电子显微镜对光滑试样断口、缺口试样断口以及H_2S腐蚀后试样断口进行微观形貌分析。结果表明:在光滑试样的疲劳极限载荷作用下,经过H_2S腐蚀后的光滑试样的疲劳寿命和缺口试样的疲劳寿命相当,材料的疲劳寿命都从106降低至104;缺口试样在缺口的高应力集中效应下,加快疲劳裂纹形核过程。H_2S腐蚀对钻杆疲劳性能影响的主要作用在于氢原子在材料内缺陷处聚集引起材料疲劳性能降低,缺口和H_2S腐蚀都会加快疲劳裂纹的扩展。材料疲劳断裂主要是因为试样在交变应力的作用下上产生滑移最后致使位错塞积而导致的。

S135钻杆钢的拉扭复合加载疲劳行为

采用疲劳实验和回归分析相结合的方法,研究了S135钻杆钢在拉扭复合加载条件下的疲劳行为,并对疲劳断口进行了微观分析。结果表明:当τa/σeq=0.7时,由拉扭应力幅对应的当量应力表示的疲劳寿命公式可很好地描述S135钻杆钢的拉扭疲劳寿命规律;疲劳断口由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和快速瞬断区组成,疲劳裂纹从试样表面萌生,并向试样内部扩展,且常为多疲劳源,不同疲劳源断口的连接和复合加载形成所谓的"屋脊"状特征;拉扭疲劳断裂试样裂纹源区的微观断口特征为明显的河流花样,裂纹扩展区的微观断口特征为疲劳条带与涟波状花样。

石油用S135钻杆钢氢渗透与氢致滞后开裂行为

通过电化学渗氢技术与恒载荷拉伸试验方法,研究了不同充氢电流密度下S135钻杆用钢的氢扩散系数、试样中的可扩散氢浓度及其氢致开裂门槛应力。结果表明,S135钻杆用钢在0.5 mol/L H2SO4+0.25 g/L As2O3溶液中电化学充氢后的可扩散氢浓度C0与充氢电流密度的平方根i成正比,恒载荷条件下,氢致开裂门槛应力σHIC随可扩散氢浓度的对数lnC0的升高而下降。

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。

应力比对S135钻杆钢腐蚀疲劳行为的影响

利用疲劳试验机和扫描电镜研究了在弱碱性介质(质量分数为3.0%的KCl溶液)中不同应力比R(0.1,0.3,0.5,0.7)对S135钻杆钢腐蚀疲劳行为的影响,并得到了该钻杆钢腐蚀疲劳裂纹扩展表达式和疲劳裂纹临界撕裂点的应力强度因子幅值ΔK与R的关系式。结果表明:随着R的增大,试样裂纹扩展临界撕裂点和最终撕裂点对应的ΔK逐渐减小(R和临界撕裂点的ΔK值之间呈明显的线性关系),试样的腐蚀疲劳裂纹扩展速率增大,腐蚀疲劳相对寿命减小,裂纹开裂由疲劳条带扩展机制转化为解理扩展机制。

S135钻杆钢预腐蚀后的弯曲疲劳性能

目的考察有机盐钻井液对S135钻杆材料腐蚀及疲劳性能的影响。方法首先利用高温高压釜模拟有机盐钻井液井筒的工况环境,对疲劳试样进行预腐蚀,通过点蚀仪测定试样表面的腐蚀状况;然后利用旋转弯曲疲劳试验机在不同弯曲应力条件下对预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳性能进行测试,算得不同存活率下的疲劳强度,并绘制不同存活率下的S-N曲线。用体视显微镜和扫描电镜观察预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳断口形貌,进而得出S135钻杆材料表面腐蚀对其疲劳寿命的影响程度和影响机制。结果经过腐蚀的试样表面有较多腐蚀坑,腐蚀坑深度在0.4~0.7 mm之间。未腐蚀试样的疲劳强度为553 MPa,其疲劳断口只观察到单个疲劳裂纹源;腐蚀试样的疲劳强度为409 MPa,其疲劳断口观察到多个疲劳裂纹源。S135钻杆材料腐蚀疲劳开裂敏感性指数为26%。结论经过高温高压有机盐钻井液环境腐蚀后,试样表面点蚀严重,腐蚀坑底部存在应力集中并导致裂纹源的形成,多个裂纹源的同时生长加快了裂纹的扩展,最终降低S135钻杆钢的疲劳强度。

盐水钻井液中钼酸盐系缓蚀剂对钻杆缓蚀的影响

通过电化学阻抗谱(EIS)研究了钼酸盐系缓蚀剂在盐水钻井液中对G105钢钻杆缓蚀的影响,以寻求该体系中较佳的缓蚀方案,并用Zview2.1软件对试验数据进行了处理。结果表明,按钼酸盐含硅化合物有机胺B=141(质量比)复配而成的缓蚀剂,可以达到低成本、高缓蚀率的效果;并通过失重法利用室内动态模拟试验对最优配方进行了验证,证明复配缓蚀剂的缓蚀率接近95·0%,明显高于单组分缓蚀剂。

不同应力比下S135钻杆钢疲劳裂纹的扩展行为

采用疲劳性能测试与回归分析相结合的方法,研究了S135钻杆钢在不同应力比下的疲劳裂纹扩展行为,获得了其在稳定扩展区和近门槛区的疲劳裂纹扩展速率表达式,并探讨了其疲劳断裂机制。结果表明:随着应力比R的增加,疲劳裂纹扩展速率曲线向左上方移动,da/dN增大,ΔKth呈线性减小的趋势;近门槛区断口为解理断裂机制,稳定扩展区断口以疲劳条带扩展机制为主,同时也存在解理断裂。

亚温淬火对钻杆钢组织和性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜观察及力学性能测试等方法,研究了亚温淬火对S135钻杆钢显微组织及力学性能的影响。结果表明:在760～800℃进行亚温淬火处理,S135钻杆钢可获得铁素体和马氏体的双相组织;随着亚温淬火温度的升高,马氏体体积分数不断增加,铁素体体积分数不断减少,材料的硬度和强度升高,塑性和韧性下降,材料由韧性断裂向脆性断裂转变,其微观断口特征由最初的韧窝转变为解理。

复相化处理对S135钻杆钢组织和性能的影响

采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及力学性能测试等方法,研究了复相化处理对S135钻杆钢显微组织及力学性能的影响。结果表明:在760～800℃进行复相化处理,获得铁素体+马氏体的双相组织。随着复相化处理温度的升高,马氏体体积分数不断增加,铁素体体积分数不断减少,材料的硬度和强度升高,塑性和韧性下降,材料由韧性断裂向脆性断裂转变,其微观断口形貌由最初的韧窝转变为解理。复相化处理后,材料的应变硬化指数n升高,且由原来的一个n值变为两个n值。

电流密度对G105钻杆用钢Ni-P合金镀层的影响

在G105钻杆用钢表面制备了Jκ为3~7 A/dm^2范围内的Ni-P合金镀层。采用极化曲线、结合力、耐磨性、硬度及厚度测试等手段研究了G105钻杆用钢表面电沉积Ni-P合金镀层的耐蚀性、厚度、结合力、耐磨性和硬度等,并利用X-射线衍射对镀层的结构进行了分析。结果表明,在其他电沉积条件相同的情况下,改变电流密度,得到的Ni-P合金镀层的性能也不相同。当Jκ为6 A/dm^2时,镀层的综合性能指标达到最佳。X-射线衍射分析表明,镀层为非晶态合金。

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。

钛合金钻杆在页岩气长水平段的延伸钻进能力分析

页岩气井的发展方向是垂深更深、水平段更长,长水平段延伸钻进困难已成为制约深层长水平段页岩气井效益开发主要的瓶颈,而采用轻质钻杆则是解决页岩气井水平段延伸钻进难题的方案之一。为了定量化评价钛合金钻杆在页岩气长水平段的延伸钻进能力,基于Hamilton原理建立全尺寸钛合金钻柱动力学模型并采用HHT-α法对模型进行求解;进而以钢制钻杆作为比较对象,分析钛合金钻杆的降摩减阻、抵抗变形和轴向力传递能力及其影响因素。研究结果表明:①钛合金钻杆能够有效减少钻柱摩阻,当钻井液密度为1.30 g/cm3时,Ø101.6 mm钛合金钻杆的接触摩阻比同规格的钢制钻杆减少18.5%,Ø127.0 mm钛合金钻杆的接触摩阻比Ø101.6 mm钢制钻杆减少34.8%;②较之于钢制钻杆,钛合金钻杆更容易发生屈曲变形,但通过调控钛合金钻杆尺寸规格可以缓解屈曲变形,从而降低屈曲导致的局部摩阻增加;③钻井液密度提高,能够明显增强钛合金钻杆的降摩减阻效果。结论认为,轻量化的Ø127.0 mm钛合金钻杆的降摩减阻能力高于Ø101.6 mm钛合金钻杆,更高于Ø101.6 mm钢制钻杆,更加有利于解决长水平段水平井延伸钻进困难的问题。