在油氣田勘探開發鉆井中，尤其是在深井、大位移井、水平井、大斜度井中，鉆桿的磨損嚴重，給油田帶來重大損失。鉆具損失是造成鉆井成本增加的一個重要原因，也是影響安全快速鉆井的關鍵因素。鉆桿是用于傳遞動力、輸送泥漿的主要工具。鉆桿常處于交變應力并且在與井壁摩擦碰撞的惡劣條件下工作，往往成為整個鉆井設備與工具中最薄弱的環節，由裂紋發展致穿孔或完全斷裂時有發生。據統計，鉆具損失有75%-85%是由于腐蝕造成的。所以加快研制具有高強度、抗腐蝕、耐疲勞、重量輕的鉆桿就迫在眉睫，本文介紹了3種新型高強度非鋼鉆桿，為油田選用相應的鉆桿提供選擇與參考。

    復合鉆桿

    復合鉆桿（CDP）的制造是通過在卷筒上纏繞碳纖維然后應用環氧基復合材料覆蓋并密封而成。復合鉆桿包括合成鋼銷和套筒聯接工具箱，與設計常規鋼鉆桿連接相似。復合鉆桿的成本較高大約是常規鋼鉆桿的3倍。復合鉆桿與常規鋼鉆桿相比有以下幾個潛在優點：重量降低；更高的強度重量比率；優越耐腐蝕性；高抗疲勞抵抗能力；無磁性。復合鉆桿非常適合于用到超深井鉆井和其它鉆井應用，主要缺陷在于其水力特性和效率，阻礙了其在超深井鉆井和大位移井鉆井（ERD）的應用。要達到必要的結構特性（扭轉力矩、拉伸能力等），復合鉆桿必須比常規鋼鉆桿厚實，約為鋼鉆桿的2倍。管內徑的顯著減少，會造成一定的壓力損失。

    復合鉆桿的高強度重量比與鋼鉆桿比較，主要優點是降低扭矩和拖拽阻力。水力效率是超深井鉆井的重要指標，綜合來看還不能提供一種可實行的解決方案，復合鉆桿設計師通過增加管子的外徑來增加壁厚。

    鈦合金鉆桿

    鈦合金鉆桿的商業應用是RTI能源和Grant Prideoo進行多年大量試驗的成果。鈦的抗化學性強，比鋼輕一半且韌性高一倍。鈦的這些性能特別適用于在高溫、腐蝕環境中，短半徑、延長的有效半徑和超深井條件下的鉆探。但是鈦合金鉆桿制造費與鋼鉆桿相比非常高（七到十倍，甚至更多），并且市場非常有限。

    鈦合金鉆桿由三個基本要素組成：鉆桿本體、鉆桿接頭、接頭與本體連接。在超深井鉆井方面，鈦合金鉆桿提供了比常規鋼鉆桿的重大性能優點：鈦合金密度4.4×103Kg/m3，鋼密度為7.8×103Kg/m3，鈦比鋼輕43%；鈦合金彈性模量為119GPa，鋼彈性模量為210GPa，鈦合金是鋼的57%；鈦合金具有更好的耐腐蝕及抗侵蝕的能力；鈦合金具有高抗疲勞特性，其疲勞性能在空氣中與鉆井液環境中幾乎相同；鈦合金鉆桿屈服強度為840MPa，約等于S-135鋼鉆桿強度重量比值的1.54倍。

    鋁合金鉆桿

    鋁合金鉆桿（ADP）在石油工業使用了數十年，鋁合金鉆桿已經形成了產品系列，大多數的應用經驗來自俄羅斯和前蘇聯。在上世紀60年代和70年代，鋁合金鉆桿開始應用于北美和南美洲，以擴大鉆機的鉆井深度和降低重量。鋁合金鉆桿的成本大約是常規鋼鉆桿的2倍。性能優點包括：重量降低；高耐腐蝕性；高抗疲勞特性；無磁性。

    鋁合金鉆桿也可以用于某些大位移井鉆井和水平井鉆井中，其不足之處是屈服強度相對較低，其強度重量比低于超高強度鋼鉆桿，壁厚通常要比鋼鉆桿厚，造成對水力性能的不良影響。另外，在溫度上升到121℃時，其屈服強度將急劇下降，將影響某些大位移井鉆井應用。

    超高強度鋼鉆桿

    目前用于大位移井鉆井、超深井鉆井和深水鉆井的近期、中期和長期的鉆桿材料依然是超高強度鋼，市場上可提供的高強度鋼包括140ksi和150ksi最小屈服強度級，這些鋼鉆桿和S-135鉆桿相比成本相當。Z-140型高強度鉆桿的強度重量比率為123.3kPa/kg/m3，比S-135高強度鉆桿的高出4%。該公司已經制造出2套由V-150型149mm鉆桿組成的鉆柱,總長度超過16764m。V-150型高強度鉆桿的強度重量比率為132kPa/kg/m3,比S-135型鉆桿的高出11%。

    鋼的延展性和剛性之比降低已成為阻礙高強度鋼應用的一個重要難題。制造商已經進行了明顯的改進，提供的鋼比S-135更好。另外，制造商還實施了化學、熱處理，制造業的進步，也許能使這些等級達到更加嚴密的韌性標準。

    多種用于超深井鉆井的高強度、低密度鉆桿相繼問世。其主要性能如下表所示，其中級別為Ti6al-4Ⅴ的鈦合金鉆桿，屈服強度為827.5MPa，雖然低于S-135，但是其密度低，每根質量是S-135 的64.7%，總體性能提高率為37%。UD-165鋼鉆桿比S-135鉆桿性能提高率為22%，且屈服強度比S-135鋼鉆桿高。Al-Zn-MgⅡ鋁合金屈服強度達到了480MPa，且性能重量比與S-135相比提高12%，但是其價格昂貴，目前難以承受。Al-Zn-MgⅣ鋁合金鉆桿屈服強度雖然僅為350MPa，但比S-135鉆桿相比總體性能下降僅為19%。

[復制 收藏 ]