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钻具是如何炼成的

发布时间: 2016/11/29 8:39:01

工欲善其事,必先利其器,行业综合 能力的提升离不开装备及工具技术的发展。石油钻井 就是打通地面和油气层通道的过程,包括破碎岩石、取出岩屑保护井壁、固井完井 并形成油气通道三个过程。俗话说:钻头不到,油气不冒。钻杆就是 为钻头传递扭矩(即传递动力)、输送泥浆、并不断推 动钻头钻进的管柱。

钻杆长什么样子?

钻杆包括管体和接头,由三部分组成:一根两端 加厚的无缝管材,与一个带 外螺纹的公接头和一个带内螺纹的母接头。三者通过 摩擦焊接组合在一起。钻杆的长 度和直径习惯上用英制来表示(这是历史遗留问题,因为最初 大部分钻井装备都是引进英美国家的),国内常用 的钻杆长度为31英尺(9.1~9.9米);常见钻杆的直径为2-3/8、2-7/8、3-1/2、4"、4-1/2、5"、5-1/2。

钻杆有多长?实际上钻 杆有三种标准尺寸:第一级6.4~7.5米;第二级9.1~9.9米,第三级11.5~14米。那为什么 国内通常都采用第二级?为了提高工作效率,通常会将3根钻杆连接起来,形成一柱钻杆。而国内井 架二层平台高度通常为27米左右,第二级尺 寸的钻杆一柱的长度刚刚好!

短钻杆通常用来“凑数”,例如,打一口95米的井,10根9米的长钻杆和1根5米的短钻杆就刚刚好。

加长钻杆在俄罗斯、加拿大等 地比较受欢迎,因为当地温度低、条件恶劣,加长钻杆 可以减少起下钻的次数、提高效率。

钻杆是怎样炼成的?

易开采的 油气资源不断消耗,环境恶劣、地质条件 苛刻的油气井数量逐年增加。钻杆在井 下需要承受高温高压、化学腐蚀、高强度拉 力和扭矩的考验;管体内钻井液、环空反排 泥浆混合着砂石在大排量、高压力下不断冲击、磨损着钻杆,钻杆是如何承受的?

练就一付 好身板要从原材料开始:大部分钻 杆厂商都不自己炼钢,往往向钢 铁厂订购原材料(钢管和接头)。钻杆厂商 在拿到订单后,根据设计 要求来选定钢材的配比方案。常用的是“铬钼钢”,为了达到特定要求,还会添加镍、硅、钒等元素。钢铁厂会 根据配比方案向钻杆厂生产、供货。

钻杆执行API5DP(AmericanPetroleumInstitute,美国石油学会)标准,标准中将 钢材根据强度划分为E75、X95、G105、S135,有的甚至用到V150。钢材的等级越高,强度越大。在钢材中添加碳、铬、锰、钼等不同的元素,可提高钢 的强度和硬度,还可以提 升高温机械性能,使其具有 良好的抗氧化性和抗腐蚀性。

钻具钢级的选择需要“因地制宜”。钢级越高,机械强度越大,包括抗拉、抗扭、抗挤压强 度等性能均会提高。但与此同时,因为碳元 素含量的增加,也会带来不好的影响:一方面钢 抗腐蚀能力变差,所以对于 一些含硫化氢、二氧化硫 和二氧化碳较高的井则无法使用;另一方面 钻具的塑性及韧性会变差,当遭遇水平井钻井“狗腿”处大角度 弯曲的考验时,就容易发生断裂,因为太脆啦!所以在元素配比时,要综合考 虑钢材的强度、韧性和塑性,根据施工要求“因地制宜”。

原材料进厂,开始加工啦!钻杆的加 工包括三大部分:管体加工,接头加工,摩擦焊接加工。

总体而言,有三方面 因素决定了钻杆品质的优劣:原材料的配方、关键生产 工艺技术的差别、质检环节的控制。

原材料的 配方已经无需多言,重点聊一 聊生产工艺技术。主要包括:

管体加厚工艺。为了保证 钻杆的整体强度,需要在焊接前,增加该处的壁厚,有内加厚、外加厚和 内外加厚三种加厚方式。

接头加工 包括热处理和螺纹加工。热处理工艺包括淬火、回火工艺。先将接头加热到900℃(不同厂家 温度有所不同),保持一段时间,然后快速冷却。之后再次加热到600℃左右并冷却(钢材组织结构由“马氏体”转变为“回火索氏体”)。热处理的 目的就是为了提高管材的硬度、强度、耐磨性及韧性等。热处理后 需要检验接头的各项机械性,符合要求 的接头才能进行螺纹加工。加工出的 螺纹起到连接作用,台肩面旋 紧可以起到密封作用。为了保证 钻杆之间实现精确对接,需要对加 工好的接头逐一检查(螺纹的紧密距、螺距、锥度、牙高)。在实际使 用过程中螺纹容易出现粘扣(卡死、拧不开)现象,所以最后 要对螺纹进行镀铜、磷化、上卸扣等处理。管体的外径尺寸不同,对应接头 的螺纹扣型也会不同。目前2-3/8"到5"的钻杆接 头普遍采用数字型螺纹,5-1/2"到6-5/8"钻杆接头 采用贯眼型螺纹。另外,由于钻杆 接头比管体粗,所以在钻 井过程中接头更容易磨损,为了延长使用寿命,常常会在 接头处焊接耐磨带。焊接耐磨 带工艺也十分重要。

最关键的工艺——摩擦焊接。管体和接头吻合后,将接头高 速转动并施加压力,剧烈摩擦产生高热量,实现接头 和管体的紧密融合,当然收尾 还需把焊接毛刺去除。利用电磁 感应对焊缝进行中频加热,线圈处是 电磁感应最集中的地方,加热到960℃只需要30多秒。钢材导热 速度没这么快,所以接头 处形成了灼烧火红色区域。这个过程 可以提高接头处钢材的机械性能。

另外,质检环节 的控制也不容忽视。质检工作 其实是伴随着钻杆生产的各个环节。例如:在完成管 端加厚工艺时,需要对加 厚的管端进行质检;接头完成热处理后,要质检;车完螺纹也要质检……用多种仪 器和手段清除不合格产品,这是高质 量钻杆厂商成本高的原因之一。

钻杆的使用

钻杆毕竟是干苦活儿、脏活儿、累活儿的,即使钢材品质高、加工工艺强、质检严格 也难免出现钻杆管体断裂和刺漏(钻杆被泥浆刺破)、钻杆螺纹失效等状况。具体原因可以归纳为:首先是钻 杆的金属疲劳,也就是钻 杆到达使用年限或者超过了其最大使用强度。其次钻井 现场地质条件复杂,当出现各 种意外事故时(如井下落鱼、工作人员 操作失误等情况),也有可能 导致钻杆弯曲变形或断裂。

如何避免钻杆“英年早逝”?

钻具在使 用中整套钻具组合的最下部分承受的交变应力及扭矩是最大的,特殊井中处于“狗腿”处的钻具 也极容易损坏,这些都会 造成同批钻具的损耗程度不同。参考木桶理论,整套钻具 的稳定性不是由最强的决定,而是由最 薄弱的那一根决定。所以在实 际工作中需要根据钻井的难度和使用频率合理的使用同批次钻杆,这样可以 延长钻具使用寿命。在钻进过 程中应时刻注意钻机和钻杆的状况,一旦出现卡钻、抱死等现象,应立即停 钻或回钻后缓慢钻进,防止钻杆弯曲变形。完成作业后,应及时清 洗钻杆上的污泥,尤其是在酸碱地区,应重视防腐工作。出现严重 问题应回厂返修或及时报废。此外,制定钻具保养周期、定期对其 进行防锈防尘处理,可延长钻 杆的使用寿命。

新型钻具层出不穷

近年来水平井、深井和超深井、大位移井 及特殊井逐年增长,传统意义 上的钻杆已不能完全满足使用要求。对具备高强度、高韧性、智能化、数字化、防腐蚀、高温、高扭度、高灵敏度 钻杆的需求日益旺盛。因此,研发并推 广新型钻杆更符合产业未来的发展趋势。

双台肩高抗扭钻杆。这种钻杆 主要有两大优点:一是抗扭强度比API标准接头提高30%到50%;二是水眼增大,5"S135钻杆接头水眼可以由2-3/4"增大到3-1/4"。因此这种 钻具满足大排量、高泵压、高扭矩钻井作业,适用于钻探深井、超深井、大斜度井和水平井。

智能钻杆。由美国格兰特(Grant)公司首先研制,在钻杆接 头部植入芯片,钻井过程 中实时传递井下信息,地面上的 仪器同步分析,可以提高效率。

铝合金钻杆。主要优点是重量轻,在强度相同的情况下,重量仅为 钢钻杆的一半,因而在设备、动力、运输等方面都有优势,而且钻杆壁厚增加了,增强了耐磨性,寿命几乎 是普通薄壁钢钻杆的2倍多。

复合材料钻杆。复合钻杆 在卷筒上缠绕碳纤维后,由一种环 氧基复合材料覆盖并密封而成。具有高强度质量比、超高的抗 腐蚀能力和抗疲劳能力等。缺点是壁厚大,且目前生产成本较高。

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