1、钻杆材料简介小组成员：杨伟、刘宝林、刘炜张晗、纪天坤吉林大学建设工程学院 2012年4月目录 一、钻杆材料 1、抗硫钻杆 2、铝合金钻杆 3、钛合金钻杆 4、超高强度钢钻杆 5、碳纤维复合材料钻杆 6、凯夫拉材料二、钻杆安全性理论计算 1、拉应力 2、剪应力 3、弯曲应力 4、安全系数四、钻杆的有限元分析三、材料的性能测试试验与方法 1、力学性试验 2、腐蚀性试验抗硫钻杆抗硫钻杆是国内目前接触最多、应用最广的一种高性能钻具,主要用于酸性气田。在一些高含H2S 的油气田,由于H2S 对钻杆具有很强的腐蚀性,尤其是对高强度的钻杆。抗硫钻杆在国内得到了大量的应用,从95SS 钢级的钻杆直到105SS
2、钢级的钻杆。由于材料强度的提高,必然会导致材料硬度的提高,而材料硬度的提高,对腐蚀环境的敏感性增强,发生腐蚀和应力腐蚀的风险性越高。因此,抗硫钻杆材料的强度受到了很大的限制。抗硫钻杆铝合金钻杆一、优越性（与常规钢性钻杆）（1）降低对钻机载荷的要求,比钢性钻柱有更大的钻深能力。铝合金的密度为2.8 t/m3,钢的密度为7.8 t/m3。因此,单位长度的铝合金钻杆质量远低于常规的钢性钻杆,约为钢性钻杆的1/3,对8 000 m 以上的深井,外径139 mm,壁厚10.54 mm的常规钢钻杆的质量约为300 t,而使用铝合金钻杆,钻柱质量约为100 t,因此,铝合金钻柱比钢钻柱显示出更强的钻深能力。
3、（2）减少起下钻过程的能耗,加快进度。试验结果表明:在起下钻中,用铝合金钻杆比钢钻杆节省起钻时间35%、下钻时间17%。铝合金钻杆 （3）铝合金钻柱对套管的磨损比钢钻柱轻。通常,铝合金钻柱的磨损较钢钻柱容易。但是,由于钻铝合金钻柱对套管的磨损比钢钻柱轻。通常,铝合金钻柱的磨损较钢钻柱容易。但是,由于钻杆压力产生的法向压力明显比钢钻柱低,在所有其他条件都相同的情况下,铝合金钻杆的磨损比钢钻杆要低。同时,由于铝合金钻杆硬度低,耐冲蚀磨损能力差,钻井液中的研磨颗粒在钻杆内高速的循环会导致钻杆内、外壁的磨损。这种磨损在钻杆接头至钻杆的过渡区域尤其严重,而在钢钻杆中较少。铝合金钻杆 （4）铝合金钻杆由于
4、硬度低,仅在HB130 左右,对H2 S 腐蚀介质不敏感,而常规的钢钻杆,例如S135 钢级钻杆,其硬度在HRC35 左右,在含H2S的介质中极易受腐蚀损坏。因此,相对于钢性钻杆,铝合金钻杆对H2S 腐蚀介质的抵抗力更高。（5）振动衰减。相对于钢,铝合金具有一个高的吸收和分散弹性振动能量的能力。俄罗斯完成的研究结果显示,铝合金钻杆具有很强的吸收弹性振动能量的能力,厚壁铝合金钻杆较钢钻杆的减震能力大约要高50%。铝合金钻杆 （6）对于交变弯曲和动应力的抵抗力,钻杆中的交变弯曲应力与材料的弹性模量成比例,在所有的其他因素都相等的条件下,铝合金钻杆和钢对应的比例为1：2.96。（7）铝合金钻杆材料强
5、度随着温度的升高而降低。当温度达到氏200 摄氏度时,材料屈服强度和抗拉强度与室温相比,有明显的下降,甚至高达40%以上。铝合金钻杆铝合金钻杆二、接头 铝合金钻杆有钢制接头铝合金钻杆和全铝合金钻杆2 种,如图 所示。钢接头铝合金钻杆的接头用钢材制造,杆体与接头采用快速热配装方法实施螺纹连接。钛合金钻杆钛合金钻杆的商业应用是RTI 能源和GrantPrideoo 多年试验的成果。钛的抗化学性强，比钢轻一半且韧性高1倍。钛的这些性能特别适用于高温、腐蚀环境中，但是钛合金钻杆制造费与钢钻杆相比非常高，且市场很有限。钛合金钻杆由三个基本要素组成：钻杆本体、钻杆接头、接头与本体连接。与常规钢钻杆相比较，
6、钛合金钻杆有以下性能优点：（1）钛合金密度为4.1103kg/m3，钢密度为7.8103kg/m3，钛比钢轻43%；（2）钛合金弹性模量为119 GPa，钢弹性模量为210GPa，钛合金是钢的57%；（3）钛合金具有更好的耐腐蚀及抗侵蚀的能力；（4）钛合金具有高抗疲劳特性，在空气和钻井液环境中其疲劳性能几乎相同；（5）钛合金钻杆屈服强度为840MPa，约等于S-135钢钻杆强度重量比值的1.54 倍。超高强度钢钻杆一、概况：轻质、薄壁的超高强度钢钻杆可用于解决大位移井、超深井和深水钻井的钻井难题。但由于高强度钢在低温下具有脆性且很难在抗冲击韧性和抗拉强度间达到平衡,但近期,GrantPride
7、co开发出了UD-165超高强度钢钻杆(VM-165级超高强度钢),其独特的热处理工艺使得钻杆既满足屈服强度的要求又满足韧性要求。二、超高强度钢钻杆特点 为说明超高强度钢钻杆UD-165的性能优势,将高性能钻杆的相关参数进行了对比,见表3。从表中可以看出,UD-165钢钻杆的强度重力比较S-135 级提高了22%,仅次于钛合金钻杆;UD-165钢钻杆的强度重力比优于铝合金钻杆;由于采用薄壁结构使得水力性能要优于铝合金及钛合金钻杆,这对于大位移井和深井尤为重要超高强度钢钻杆三、接头 超高强度钢钻杆的接头设计原则是具有最小的外径和最大的内径,以减轻质量、增强水力学性能,同时传递大的扭矩为此,专门设
8、计了高强度双台肩钻杆接头。这种新型接头具有以下特点:（1）首创双头螺纹设计,缩短上、卸扣时间达50%,提高起下钻效率;（2）采用双半径螺纹形式,减小连接峰值应力,延长疲劳寿命;（3）优化锥度,满足钻杆连接速度和扭矩传递的需要;（4）材料强度,新接头采用标称最小屈服强度达896MPa材料制造,远大于API的827MPa要求,有利于增加抗扭强度,同时改进的尺寸设计有利于提高水力效率。碳纤维复合材料钻杆一、概况 复合材料钻杆由复合材料管和钢接头组成，并保证管材与接头的密封性，成型后，抽出心棒，并在其外涂覆耐磨材料。二、优缺点分析 与普通的钢钻杆相比,复合材料钻杆的优越性主要有以下几点：(1)质量轻。
9、在维持必要力学性能的基础上,复合材料钻杆的质量约为普通钻杆质量的40%50%。对于深井而言,钻柱质量的减轻意味着使用现有钻机能力可以钻进更深的距离。(2)强度重力比高。Sm ith等人指出,制约大位移井、超深井和深定向井钻井能力的一个主要因素是钻杆的强度重力比。长91144m(30 英尺)直径13917mm(5“-英寸)的普通S135级钢钻杆强度重力比为480 000,而同规格复合材料钻杆则为625 000,比S135级钢钻杆提高3012%。(3)抗腐蚀性强。复合材料钻杆具有很大的灵活性,可以根据现场要求调节材料性能,因此具有优越的抗腐蚀性能。(4)疲劳强度高。研究表明,钻柱失效原因的95%可
10、归结为疲劳失效。而复合材料钻杆缠绕纤维结构后具有更高的疲劳强度。(5)钻杆无磁性,方便井下测量;钻杆壁内可方便置入光缆或电线,具有井底2地面数据/信号的高速双向通信功能。碳纤维复合材料钻杆为达到一定结构强度要求,复合材料钻杆壁厚要大于普通钢钻杆;若减小内径则会增大压力损失,若增大外径,则会增加环空循环当量密度,这会引起密度窗口钻井井控问题。另外,目前复合材料钻杆价格为普通钢钻杆的3倍左右,这会增加投资,但是其整体综合成本还是要优于普通钢钻杆。凯夫拉材料在本世纪60年代，美国杜邦公司研制出一种新型复合材料枣“凯夫拉”材料。这是一种芳纶复合材料。由于这种新型材料密度低、强度高、韧性好、耐高温、高强
11、度及模数并易于加工和成型，而受到人们的重视。Kevlar纤维是石棉的2到11倍强度；是高强度石墨的1.6倍强度；是玻璃纤维的3倍强度；是相同重量下钢纤维的5倍强度。且Kevlar的密度非常低，几乎只有石棉密度的一半。而却拥有很高的破裂延伸度，除了高强度外，更有以下好处：凯夫拉材料 热稳定性，Kevlar大热试验中（TGA）非常稳定，直至600才有明显的重量丧失；低侵蚀性，具有高含量的Kevlar试片，表现出比半金属片低的侵蚀性；耐磨性，与石棉纤维制成的刹车片比较，在Kevlar纤维开松良好的状态下，体现出非常低的磨耗性。维持预成型刹车片的强度，保持填充剂的持久性。不同材质高强度钻杆的主要性能钻
12、杆安全性理论计算 1、轴向拉力产生的拉应力 轴向拉力产生的拉应力为：式中,Ft 为轴向拉力,N;A 为钻杆截面积,m2。2、扭矩产生的剪应力 扭矩产生的剪应力为：式中,Mt 为钻杆扭矩;J 为钻杆截面极惯矩，r 为半径。3、井眼弯曲产生的弯曲应力 井眼弯曲产生的弯曲应力为：钻杆安全性理论计算 上式中,E 为钻杆材料的弹性模量;kb 为井眼曲率。4、安全系数 因为应力强度从钻杆内壁到外壁是变化的,因此,应取其最大值为校核的依据,安全系数为:式中,s为材料的屈服极限;imax为截面上峰值应力强度。建立钻杆力学模型模拟了直径为127mm 新型钛合金钻杆和铝合金钻杆,钛合金钻杆密度为4103 kg/m
13、3,弹性模量为119GPa,泊松比为0.34;铝合金钻杆密度为2700 kg/m3,弹性模量为70GPa,泊松比为0.33。进行弹性力学分析时依据钻杆工作工况,其模型一端固定一端自由,自由端受轴向力F 和一个沿y 轴正向的扭矩Mn。其力学模型如图1所示。钻杆的有限元分析1、钛合金钻杆 为量化研究钛合金钻杆结构安全性,本文模拟了 127 mm 钛合金钻杆在不同轴向载荷和扭矩下的峰值应力(由钻杆使用工况可知钻杆在使用过程中很少存在失稳的情况,故不作考虑。)。首先模拟了扭矩为20000 N m 时不同轴向载荷下的钛合金钻杆结构安全性。图2 为轴向载荷为100 500 kN 时所对应的峰值应力曲线,可
14、以看出,随着轴向载荷的增大,应力峰值也依次增大。在轴向载荷500 kN 时,峰值应力为237.2 MPa。由式(8)计算可知,在工作载荷范围内工具的安全系数 3.3(钛合金钻杆屈服强度约为840 MPa),其结构安全性满足使用要求。钻杆的有限元分析2、铝合金钻杆有限元分析 为量化研究铝合金钻杆结构安全性,本文模拟了127 mm 铝合金钻杆在不同轴向载荷和扭矩下的峰值应力(钻杆在工作过程中主要受轴向载荷和扭矩,其余的力对其作用相对较小)。分别模拟了扭矩为20 000 N m 时不同轴向载荷及轴向载荷为250 kN 时不同扭矩下的铝合金钻杆结构安全性。图4 为轴向载荷为100 500 kN 时铝合
15、金钻杆所对应的峰值应力曲线,可以看出,随着轴向载荷的增大,应力峰值也依次增大;轴向载荷为500 kN时,峰值应力为233.4 MPa;轴向载荷为250 kN、扭矩为10 000 50 000 N m时,扭矩与峰值应力成线性增加。扭矩为 50000 N m时,峰值应力为457.1 MPa。铝合金钻杆屈服强度约为150 MPa。为解决上述不足,可加厚铝合金钻杆的壁厚,但会造成水力性能不良。铝合金钻杆室内试验一、钻杆基本力学性能试验 1、试验方法（以7E04铝合金钻杆为例）钻杆杆体剖样抗拉试验。试验采用箱式电炉，对铝合金管材进行不同固溶温度、时效温度热处理后，按相关几何尺寸切割剖样，在将剖样置于WA
16、1000C 型电液伺服万能试验机上进行抗拉试验，试验后读取其屈服强度、抗拉强度及测量伸长率。钻杆表面硬度测量。对钻杆墩粗部位进行两组16个点的表面硬度测量，求其平均值，得出表面硬度值。铝合金钻杆室内试验2、试验结果及分析(1)钻杆杆体剖样抗拉试验 图2 是分别选择四组不同固溶温度、保温1 h、水冷后，在人工时效130 5，保温14 h、空冷的热处理条件下，固溶温度对杆体屈服强度、抗拉强度的影响曲线图。数据表明，随着固溶温度的升高，杆体的屈服强度、抗拉强度先升高后降低;在固溶温度达到470时，屈服强度、抗拉强度达到最大值，分别是585MPa、645MPa。铝合金钻杆室内试验 图3 是在固溶温度4
17、70 5、保温1 h、水冷基础上选择三组不同人工时效温度，保温14 h、空冷的热处理条件下，时效温度对杆体屈服强度、抗拉强度的影响曲线图。从图中可以看出，随着时效温度的升高，杆体的屈服强度、抗拉强度先升高后降低;时效温度在133时，杆体机械强度最高。铝合金钻杆室内试验(2)钻杆小样螺纹副抗拉试验 钻杆设计应遵循等强度原则，即钻杆螺纹副抗拉强度应大于钻杆杆体抗拉强度。图4 是钻杆小样抗拉强度试验的曲线图，试验结果为钻杆杆体断裂，抗拉力为631kN，也就是说螺纹副抗拉强度631kN。从图4 中我们还可以发现，铝合金钻杆弹性变形大，杆体断裂时具有较大的残余变形，且无明显的屈服阶段和缩颈阶段。铝合金钻
18、杆室内试验二、钻杆腐蚀试验1、试验方法（以7E04铝合金钻杆和及DZ60 钢管材试验为例）将7E04 铝合金及DZ60 钢管材切割成一定高度的环状试件，打磨、清洁、干燥、称重后放入三种不同pH 值的特定溶液中，72 h 后取出，在经清洗、除垢、晾干后在称重，计算腐蚀速率。2、试验结果分析 腐蚀速率即单位面积上钻杆在不同介质中单位时间内因腐蚀造成的质量损失。铝合金钻杆室内试验表3 是7E04 铝合金及DZ60 钢在似盐水泥浆腐蚀环境下的抗腐蚀性能指标。从表中可以看出，7E04 铝合金在中性环境下无腐蚀;与酸性环境下相比，在碱环境下铝合金钻杆的腐蚀速率相对较大;与DZ60 钢腐蚀特性相比，铝合金钻杆在酸性、中性(或弱碱性)环境下具有较好的抗腐蚀性能。相关研究表明，铝合金钻杆在饱和H2S 溶液和CO2 溶液里长期浸泡也不腐蚀，经实际应用发现，在任何温度下铝合金钻杆都可有效防止H2S 和CO2 的腐蚀。Thank you!
