钛合金/钢钻杆复合钻柱动力学特性分析与优化设计

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点,基于井口钻杆抗拉余量设计要求,设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱,即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ101.6 mm钻杆上半段使用钛合金钻杆)和复合钻柱3(Φ101.6 mm钻杆下半段使用钛合金钻杆)。为了探究钛合金/钢钻杆复合钻柱(简称为复合钻柱)的动力学特性,基于Hamiton原理建立复合钻柱的动力学模型,并采用节点迭代法和Newmark-β法对模型进行求解,分析3种复合钻柱的涡动特征、动态应力和振动特性,并与常规钢钻柱进行比较。结果表明:钛合金钻杆的使用可有效减缓钻柱涡动速度、动态应力,其中复合钻柱3的涡动速度、动态应力最小;基于振动特征强度对钻井作业参数进行优化,形成复合钻柱3的钻井作业参数推荐图版并给出合理的施工参数范围。

工况外载条件下钛合金/钢钻杆接头有限元分析对比研究

由于我国的优质天然气资源主要集中在深层及超深层,超深井的钻探对钻柱提出了更高的性能要求。钛合金钻杆由于具有高强、低密、耐蚀、抗疲劳、耐热和无磁性等优点,是超深层天然气钻柱的研究热点。本文使用三维有限元分析方法,对比研究不同外载条件下钛合金材料和钢钻杆材料对高承载钻杆接头承载性能和密封性能的影响,并分析高承载钻杆接头在工况下的失效方式和力学特性。结论表明:钛合金材料可以使钻杆接头的整体应力水平降低20%,抗扭能力提高约60%,但在同样扭矩上扣后螺纹接头的主台肩密封压力比钢制钻杆接头低15%~20%;当加载内压+拉伸+弯矩的复合载荷后,螺纹的最大危险点由外螺纹主台肩圆弧凹槽处转移到了在外螺纹主台肩侧第一圈齿根处,螺纹整体的应力水平增高,密封性能下降。因此为了满足超深井天然气井钻采需求,使用钛合金/钢钻杆复合钻柱时,可适当提高钛合金钻杆的上扣扭矩,提高螺纹接头的密封性能。

Ф73 mm摩擦焊接式全钛合金钻杆的研制与应用

叙述了Φ73 mm摩擦焊接式全钛合金钻杆的研发过程,详细介绍了其管体镦锻制造技术以及产品使用效果。通过特殊的管体镦锻技术以及螺纹车削技术,开发出了性能稳定、使用寿命长的Φ73 mm摩擦焊接式全钛合金钻杆。该摩擦焊接式全钛合金钻杆在塔河油田T4326CH2超短半径水平井已成功应用,最高造斜曲率达到55°/30 m,创下西北工区井眼曲率最大、侧钻进尺最少、侧钻时间最短3项纪录。

固溶时效对Ti-5Al-3V-1Mo-1Zr钛合金钻杆组织演变及力学性能的影响

利用激光共聚焦显微镜(CLSM)、电子扫描显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和力学性能测试等手段分析相变点上两阶段固溶时效(TSSA)对Ti-5Al-3V-1Mo-1Zr钛合金钻杆片层组织演变规律及力学性能的影响。结果表明:通过采用相变点上TSSA工艺获得了全片层转变组织,随时效温度的升高,全片层转变组织的晶界α相平均宽度由5.5μm增至9.0μm,集束内的α片层平均宽度由2.75μm增至3.95μm,材料抗拉和屈服强度变化幅度均小于0.15 MPa/℃;与原始挤压态相比,钛合金的冲击功增加74.07%,材料冲击功与α片宽度满足Hall-Petch关系;经(1000℃, 1 h,炉冷(FC))→(600℃, 1 h,空冷(AC))+(550℃, 6 h,AC)热处理后钛合金具有良好的综合性能匹配,其屈服强度为894 MPa,夏比V型缺口冲击功(-20℃)为46 J,伸长率为7.5%。

油气钻采用钛合金钻杆材料服役损伤行为研究进展

深层油气、海洋可燃冰等苛刻环境资源逐渐成为能源主要采收领域。愈发苛刻的钻采环境对石油钻杆服役性能提出了更高的需求。高性能钛合金钻杆具有低密高强、耐蚀及抗疲劳等特性,可有效提升高温、高压、高腐蚀及动载荷等苛刻环境下的能源钻采能力和效率。分析了我国钛合金钻杆大规模推广应用的制约因素,综述了强酸及复杂动载钻采环境下钛合金钻杆的腐蚀、疲劳等服役损伤行为机理研究进展,结合实际服役工况,指出了存在的问题,展望了将来的研究方向。

钻井工况下钛合金钻杆与钢制钻杆摩擦磨损性能对比研究

钛合金材料由于具有高的比强度、低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为深井、超深井及大位移水平井工况环境下钻杆及井下工具的热门候选材料,但在钻井条件下对钛合金钻杆的摩擦磨损性能缺乏研究,与钢制钻杆的性能优劣缺乏对比数据。通过硬度试验、冲击磨损试验、往复摩擦和模拟工况摩擦磨损对比试验,对钛合金钻杆和钢制钻杆的摩擦磨损性能及表面形貌进行对比分析。结果表明,由于抗划痕性能和硬度的差异,钛合金钻杆材料耐冲击磨损性能低于钢制钻杆材料,尤其在100r/min的中等冲击频率下钛合金钻杆材料耐冲击磨损性能明显低于钢制钻杆材料;在空气中的往复磨损试验中,钛合金钻杆材料的摩擦系数显著低于钢制钻杆,与岩石对磨时为典型的磨粒磨损机制,与金属对磨时为典型的粘着磨损机制;在钻井液环境中,钛合金钻杆的耐摩擦磨损性能不如钢制钻杆,但在水基钻井液中,钛合金钻杆与岩石材质对磨时,其耐磨性能最强、摩擦系数最低。建议在使用钛合金钻杆钻井时采用水基钻井液。下一步研究应提高钛合金材料耐磨性能或进行表面处理以提高钛合金钻杆的耐磨性。

一种石油钻杆用TC4S钛合金热变形组织演变规律研究

针对TC4S钛合金锻造坯料,采用Gleeble-3800热模拟实验机在变形温度为890~1030℃和应变速率为0.01~10 s-1热变形条件下进行等温静压恒应变速率压缩试验,压下量为60%,以研究该合金的热变形组织演变规律。结果表明,该合金热变形组织受变形温度和应变速率影响显著,α→β转变明显。随着变形温度的增加,初始α晶粒逐渐减少,930℃时开始出现针状α组织;990℃时较低的应变速率下出现粗大β晶粒。当变形温度为890~950℃时,α相部分转变为β相,变形过程主要发生动态再结晶和α组织球化;当变形温度为970~1030℃时,α相全部转变为β相,β组织同时发生动态回复和动态再结晶。

一种钛合金钻杆旋转摩擦焊接工艺的数值模拟与试验研究

苛刻能源钻采环境中钛合金石油钻杆与螺纹接头连接处易发生断裂失效等问题,对未来石油钻杆的连接提出了更高的要求。采用数值模拟和试验相结合的方法对钛合金管材旋转摩擦焊接接头飞边成形、温度场演变和组织性能等进行研究。结果表明,在文中所采取的工艺参数条件下,焊接界面结合良好,拉伸试验后,断裂发生在母材侧,焊接界面两侧的硬度呈“W”型分布;数值模拟温度场变化表明,焊接初期界面温度上升极快,随后进入稳态阶段,此阶段界面塑性金属被大量挤出,形成飞边,包覆在管外壁上。所建立的二维轴对称模型计算结果与试验结果相比,误差控制在合理范围内。文中通过先进固相连接技术研究,为钛合金石油钻杆与螺纹接头的高质量连接提供参考。

钛合金弹塑性变形行为与本构模型研究

以钻杆用TC4钛合金材料为研究对象,通过开展基于分离式Hopkinson压杆实验的材料应力-应变关系及塑性模型研究,获得不同应变率条件下的材料动态压缩屈服应力;通过数据拟合、优化等方法获得相应SHPB条件下的J-C材料模型参数;研究TC4材料失效行为与本构关系,研究不同剪切速率对材料失效模型、裂纹扩展方式等的影响规律。最终在上述研究基础上提出合理的材料失效准则并进行仿真验证,研究成果为TC4材料在煤矿用无磁钻杆上的应用提供了理论基础。

氧化时间对钛合金钻杆微弧氧化膜层结构和性能的影响

采用脉冲直流微弧氧化方法在钛合金钻杆表面制备了不同氧化时间下的TiO_2陶瓷膜层,用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、球盘摩擦试验机及电化学工作站等分析了膜层的形貌、结构、组成以及膜层的硬度、摩擦磨损性能和耐蚀性。结果表明,随着氧化时间的延长,膜层的厚度增加,但膜层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性先增加后降低。经不同氧化时间处理后,膜层的相结构主要由金红石型TiO_2和锐钛矿型TiO_2组成,此外还含有少量的Al2TiO5晶体和SiO_2非晶态。微观形貌分析表明,随着氧化时间延长,膜层表面粗糙度延长。在本实验条件下,当氧化时间为40min时,微弧氧化膜层的综合性能较好。

SiO_2、Al_2O_3、ZrO_2对磨副材料对离子渗氮工业纯钛TA2磨损性能的影响

研究了离子渗氮处理工业纯钛TA2与硬质材料对磨的磨损性能。采用球盘摩擦磨损试验机评价摩擦学性能,选取了3种硬度的对磨副材料Si O2、Al2O3、Zr O2。利用光学显微镜、白光三维形貌仪、X射线衍射仪和显微硬度计分别对渗氮前后TA2的微观组织结构和硬度进行表征,并分析磨痕的表面形貌及元素组成。结果表明,渗氮后TA2表面生成了80μm厚的Ti N、Ti2N和α-Ti(N)硬质相渗氮层,表面硬度由140 HV提高至1260 HV,耐磨性能得到了提高。未处理样品的磨损机制主要是严重的黏着磨损、塑性形变和一定程度的磨粒磨损;渗氮样品的磨损机制主要为磨粒磨损,磨损率随对磨副材料硬度的升高而增大。

钨酸钠添加量对钛合金钻杆微弧氧化层耐磨性能的影响

为了提高钛合金钻杆的耐磨性能,向电解液中添加了钨酸钠,在TC4钛合金表面制备了不同钨含量的微弧氧化复合膜层。利用X射线衍射仪(XRD)、硬度仪分析复合膜层的相组成及硬度,用多功能摩擦磨损试验机测试膜层的摩擦磨损性能,并利用扫描电镜和三维显微镜(白光干涉仪)分别观察微弧氧化层磨损后的微观形貌及磨痕的三维形貌。结果表明:钨酸钠改性微弧氧化膜层中除了锐钛矿型TiO2和金红石型TiO2外,还含有WO3。钨酸钠改性微弧氧化复合膜层的摩擦系数显著降低,W3膜层的摩擦系数为0.32,磨痕宽度和深度分别为390μm和4.1μm,相对耐磨性达到10.4,磨痕没有明显的铧犁沟,比较平整。与TC4钛合金基体相比,钨酸钠改性微弧氧化复合膜层的耐磨性得到了明显提高。钨酸钠改性微弧氧化复合膜层的磨损以磨粒磨损为主,伴有黏着磨损。本试验条件下,当钨酸钠添加浓度为3 g/L时,微弧氧化后膜层的耐磨性能最好。

钛合金钻杆在特深井修井作业中的适应性研究

特深井修井作业中,修井钻具面临载荷大、安全系数低及修井机负载高等难题,常规S135钢钻具已经不能完全满足作业需求。为此,开展了钛合金钻杆的力学性能测试研究。对钛合金钻杆的硬度、拉伸性能和旋转弯曲疲劳性能进行了全面的测试和分析,建立了钛合金钻杆管体强度计算模型,对管体抗拉强度和抗内压强度进行了建模和计算。在此基础上,对钛合金钻杆在特深井修井作业中的适用性进行了研究,对钛合金+钢钻杆复合钻具组合进行了抗拉校核及水力性能计算。分析结果表明,使用钛合金+钢钻杆复合钻具组合后,解卡作业最大钩载由1784 kN降低至1519 kN,作业管柱最小安全系数由1.16升至1.59。研究结果为特深井修井钻具轻量化技术分析提供了理论依据。

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。

钛合金钻杆在短半径水平井中应用技术研究

随着超深井、短半径井和大位移井钻探数量的逐渐增多,钻杆在井下的服役条件越来越苛刻,常规的钢钻杆已经不能满足复杂井的作业需求,钛合金钻杆以其密度小、弹性模量低和耐蚀性好等特点成为油气井领域研究的热点。为了研究钛合金钻杆在短半径水平井中的使用性能,首先对钛合金钻杆管体基本强度准则进行了分析,接着开展了钛合金钻杆的疲劳试验,对其疲劳性能进行了测定,最后以超深水平井为例,对比了钛合金钻杆和钢钻杆在井下的使用性能。分析结果表明:在低应力水平下,钛合金钻杆在空气和钻井液中的疲劳寿命均达到107次以上;当应力水平一定时,钛合金钻杆试样在钻井液中的疲劳寿命略低于空气中,但二者相差不大;在滑动钻进、旋转钻进、上提和下放等不同工况下,钛合金钻杆的侧向力、扭矩和摩阻均小于钢钻杆,其作业摩阻约为钢钻杆的60%。所得结论可以为钛合金钻杆在短半径水平井中的应用提供理论依据。

两步法制备TiO_2/(PTFE+石墨)微弧氧化复合膜层及其摩擦磨损行为

目的提高钛合金钻杆的耐磨性能。方法先对钛合金钻杆表面进行微弧氧化处理,然后再对微弧氧化层进行(PTFE+石墨)复合处理,得到(PTFE+石墨)复合膜层。利用扫描电镜(SEM)观察Ti O_2/(PTFE+石墨)复合膜层的表面形貌,通过能谱(EDS)分析膜层元素的含量,用X射线衍射(XRD)分析复合膜层的相组成,用多功能摩擦磨损试验机测试膜层的摩擦磨损性能,并利用三维显微镜(白光干涉仪)观察微弧氧化层磨损后磨痕的三维形貌。结果PTFE和石墨进入钛合金微弧氧化层的微孔中,并在表面形成薄薄的一层PTFE+石墨复合涂层。膜层中主要含有Ti、O、Si、Al、P、V、C、F等元素,其中碳和氟质量分数分别达到9.96%和25.53%。XRD分析结果表明,Ti O_2/(PTFE+石墨)复合膜层中除了锐钛矿型Ti O_2和金红石型Ti O_2外,还含有PTFE和石墨。Ti O_2/(PTFE+石墨)复合膜层的摩擦系数为0.19,磨痕宽度和深度分别为210μm和1.5μm,相对耐磨性达到18.73。复合膜层的磨痕没有明显的铧犁沟,磨痕比较平整。与TC4钛合金基体相比,Ti O_2/(PTFE+石墨)复合膜层的耐磨性得到了明显提高。Ti O_2/(PTFE+石墨)复合膜层的磨损以磨粒磨损为主,伴有粘着磨损。结论采用两步法对钛合金进行Ti O_2/(PTFE+石墨)复合处理后,可有效提高钛合金的耐磨性能。

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。

钨酸钠含量对钛合金钻杆微弧氧化层电偶腐蚀的影响

为了提高钛合金钻杆的耐电偶腐蚀的能力，向电解液中添加钨酸钠，在TC4钛合金表面制备了不同钨含量的微弧氧化复合膜层。采用数字式涂层测厚仪、显微硬度计和表面粗糙度仪分别测试微弧氧化层厚度、硬度和粗糙度，采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）分析微弧氧化层的形貌和物相；采用电偶腐蚀测量仪分析微弧氧化层的腐蚀性能。结果表明：随着钨酸钠含量的增加，微弧氧化层的厚度、硬度先增加后减小，当钨酸钠浓度为3g／L时，厚度和硬度达到最大值，该浓度下的膜层粗糙度相对较小；添加钨酸钠进行微弧氧化处理后，微弧氧化层与S135钢组成偶对后的偶合电流显著降低。偶合电压增大：微弧氧化处理后膜层的电偶腐蚀加速系数明显低于TC4钛合金的；TC4钛合金基体腐蚀最严重，钨酸钠浓度为3g／L时电偶腐蚀相对较轻。本试验条件下，当钨酸钠添加浓度为3g/L时，微弧氧化后膜层性能最好。

高性能钻杆研究进展

近年来,随着酸性气田的勘探开发及特殊钻井工艺的应用,钻具失效事故时有发生,对钻具的安全性能提出了新要求。对国内外的抗硫钻杆、铝合金钻杆、钛合金钻杆等高性能钻杆的性能和特点进行了综合分析和评价,为复杂环境和服役工况下的钻具选用提供参考。针对这些高性能钻杆的性价比,提出了我国自主研发高性能钻杆的建议。

煤矿钛合金钻杆螺纹断裂分析

采用扫描电镜、力学测试、金相组织分析和有限元分析,对煤矿用钛合金钻杆螺纹断裂原因进行分析,包括断口宏、微观形貌、材料性能特性、螺纹加工精度、钻杆螺纹抗扭强度及应力分布情况。结果表明：该钛合金钻杆从外螺纹导向面发生断裂,主要原因为螺纹加工精度差,牙底存在加工小台阶,导致导向面牙底圆角半径过小,引起严重的应力集中。此外,该钛合金材料强度有余而韧性不足,抵抗裂纹扩展能力较低,断口起裂后迅速发生失稳断裂。