极地钻探用铝合金双壁钻杆结构强度的有限元分析及试验研究

为了实现钻穿冰盖、直接获取冰下基岩样品的科研目标,本文设计了一种极地钻探用铝合金双壁钻杆,使钻杆可以满足极地上覆积雪层、冰层、冰岩夹层和冰下基岩等不同地层的空气反循环、水力反循环、绳索取心钻进相配合等钻进需求。依据铝合金双壁钻杆在极限拉伸、极限拉扭组合工况下的受力情况,开展了双壁钻杆的有限元分析,并对双壁钻杆外管与钢接头连接试样进行了拉伸试验与扭转试验。双壁钻杆有限元分析结果表明:在极限拉伸和极限拉扭组合工况下铝合金双壁钻杆中产生的最大应力分别为183.8 MPa与161.9 MPa,均小于铝合金材料的屈服强度489.99 MPa。双壁钻杆外管与钢接头连接试样强度试验结果也表明:拉伸试样破坏时的极限可承载拉力为399.5 kN,远大于提升1000 m双壁钻杆所需的拉力(208.11 kN);扭转试样破坏时的极限可承载扭矩为8264.7N·m,同样大于钻杆在正常钻进过程当中所承受的最大扭矩(1990.56 N·m)。上述结果表明,极地钻探用铝合金双壁钻杆设计方案可以满足极地钻探使用要求。

石油钻杆的发展趋势分析

随着钻井工况的复杂化、钻井深度加深以及其他特殊钻井的需求,钻杆定制化生产的要求越来越多,如抗硫钻杆、超高强度钢级钻杆、特殊螺纹钻杆等高端石油钻杆。目前,国内石油钻杆生产厂家都以生产API标准的石油钻杆为主,同质化竞争严重,针对深井、深海井、高腐蚀性井等领域发展所需的抗硫钻杆、超高强度钢级钻杆、特殊螺纹钻杆等高端石油钻杆产品目前涉足厂家较少,在特殊用途钻杆市场内还未形成竞争力。石油钻杆未来发展趋势一定是以满足特殊用途的定制化钻杆为前提的高端石油钻杆。本文立足于国内市场现状,放眼石油钻杆发展趋势,为今后我国钻杆的发展方向提出建议。

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。

铝合金钻杆材料、特点及其磨损研究进展

综述了国内外铝合金钻杆的研究现状,介绍了几种常用石油勘探用铝合金钻杆材料的成分、力学性能及铝合金钻杆的优点,分析了钻杆磨损的原因及类型,探讨了我国开发铝合金钻杆存在的关键问题。

超声表面滚压处理铝合金钻杆的高温摩擦学性能

为了提高铝合金钻杆的耐磨性,利用超声表面滚压技术(USRP)对2219铝合金钻杆材料进行表面强化处理。采用透射电子显微镜(TEM)表征了USRP处理后铝合金的晶粒大小,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度计测量了强化层的微观形貌、相组成和显微硬度,并利用高温摩擦磨损试验机评价了试样的摩擦学性能,对磨副为玛瑙球。结果表明,经USRP处理后2219铝合金表面形成了纳米晶和厚度约500μm的塑性强化层,表面硬度由120 HV0.05提高至190 HV0.05。随着摩擦磨损试验温度的升高,未处理试样和USRP试样的平均摩擦因数和磨损率都逐渐增大。在相同试验温度下,USRP试样的平均摩擦因数和磨损率均小于未处理试样的。未处理试样和USRP试样的磨损机制主要是黏着磨损和磨粒磨损。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

新型钛合金和铝合金钻杆结构安全性分析

为满足特殊工艺井的钻井要求,开发了新型钛合金钻杆和铝合金钻杆。由于钻杆在钻进中易出现断裂和刺穿等失效事故,为确保新型钻杆在钻进过程中的结构安全性,对新型钛合金和铝合金钻杆分别进行了有限元分析。计算分析表明:钛合金钻杆的工作安全性较高,可用于深井、大位移井、水平井、大斜度井钻井施工;铝合金钻杆结构安全性较低,可通过增加壁厚来提高其结构安全性。

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。

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。

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。

绳索取心复合钻柱的动力学行为研究

绳索取心复合钻柱在岩心钻探"满眼钻进"过程中,钻杆易出现不同程度的划痕、压痕及磨痕等情况。本文利用非线性有限元方法,采用三维管单元对绳索取心复合钻柱拉压两处截面的涡动轨迹、涡动速度、横向振动、纵向振动规律进行了分析。结果表明:转速的增加和钻压的增大会显著增加钻柱与井壁的碰撞次数;在相同钻压条件下,随着钻柱回转速度的增大,钻柱与井壁的碰撞机率增加、接触轨迹增长,致使钻柱与孔壁的滑动摩擦机会增多;钻柱的涡动速度均值将随钻压和转速的增加而增大,转速大于钻压的影响;转速的增加则会加大钻柱的横向振荡频率,钻压的增大会增加钻柱横截面的纵向振荡幅值。

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。