四种轻型高强度新型钻杆

    在油气田勘探开发钻井中，尤其是在深井、大位移井、水平井、大斜度井中，钻杆的磨损严重，给油田带来重大损失。钻具损失是造成钻井成本增加的一个重要原因，也是影响安全快速钻井的关键因素。钻杆是用于传递动力、输送泥浆的主要工具。钻杆常处于交变应力并且在与井壁摩擦碰撞的恶劣条件下工作，往往成为整个钻井设备与工具中最薄弱的环节，由裂纹发展致穿孔或完全断裂时有发生。据统计，钻具损失有75%-85%是由于腐蚀造成的。所以加快研制具有高强度、抗腐蚀、耐疲劳、重量轻的钻杆就迫在眉睫，本文介绍了3种新型高强度非钢钻杆，为油田选用相应的钻杆提供选择与参考。

    复合钻杆

    复合钻杆（CDP）的制造是通过在卷筒上缠绕碳纤维然后应用环氧基复合材料覆盖并密封而成。复合钻杆包括合成钢销和套筒联接工具箱，与设计常规钢钻杆连接相似。复合钻杆的成本较高大约是常规钢钻杆的3倍。复合钻杆与常规钢钻杆相比有以下几个潜在优点：重量降低；更高的强度重量比率；优越耐腐蚀性；高抗疲劳抵抗能力；无磁性。复合钻杆非常适合于用到超深井钻井和其它钻井应用，主要缺陷在于其水力特性和效率，阻碍了其在超深井钻井和大位移井钻井（ERD）的应用。要达到必要的结构特性（扭转力矩、拉伸能力等），复合钻杆必须比常规钢钻杆厚实，约为钢钻杆的2倍。管内径的显著减少，会造成一定的压力损失。

    复合钻杆的高强度重量比与钢钻杆比较，主要优点是降低扭矩和拖拽阻力。水力效率是超深井钻井的重要指标，综合来看还不能提供一种可实行的解决方案，复合钻杆设计师通过增加管子的外径来增加壁厚。

    钛合金钻杆

    钛合金钻杆的商业应用是RTI能源和Grant Prideoo进行多年大量试验的成果。钛的抗化学性强，比钢轻一半且韧性高一倍。钛的这些性能特别适用于在高温、腐蚀环境中，短半径、延长的有效半径和超深井条件下的钻探。但是钛合金钻杆制造费与钢钻杆相比非常高（七到十倍，甚至更多），并且市场非常有限。

    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。在超深井钻井方面，钛合金钻杆提供了比常规钢钻杆的重大性能优点：钛合金密度4.4×103Kg/m3，钢密度为7.8×103Kg/m3，钛比钢轻43%；钛合金弹性模量为119GPa，钢弹性模量为210GPa，钛合金是钢的57%；钛合金具有更好的耐腐蚀及抗侵蚀的能力；钛合金具有高抗疲劳特性，其疲劳性能在空气中与钻井液环境中几乎相同；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。

    铝合金钻杆

    铝合金钻杆（ADP）在石油工业使用了数十年，铝合金钻杆已经形成了产品系列，大多数的应用经验来自俄罗斯和前苏联。在上世纪60年代和70年代，铝合金钻杆开始应用于北美和南美洲，以扩大钻机的钻井深度和降低重量。铝合金钻杆的成本大约是常规钢钻杆的2倍。性能优点包括：重量降低；高耐腐蚀性；高抗疲劳特性；无磁性。

    铝合金钻杆也可以用于某些大位移井钻井和水平井钻井中，其不足之处是屈服强度相对较低，其强度重量比低于超高强度钢钻杆，壁厚通常要比钢钻杆厚，造成对水力性能的不良影响。另外，在温度上升到121℃时，其屈服强度将急剧下降，将影响某些大位移井钻井应用。

    超高强度钢钻杆

    目前用于大位移井钻井、超深井钻井和深水钻井的近期、中期和长期的钻杆材料依然是超高强度钢，市场上可提供的高强度钢包括140ksi和150ksi最小屈服强度级，这些钢钻杆和S-135钻杆相比成本相当。Z-140型高强度钻杆的强度重量比率为123.3kPa/kg/m3，比S-135高强度钻杆的高出4%。该公司已经制造出2套由V-150型149mm钻杆组成的钻柱,总长度超过16764m。V-150型高强度钻杆的强度重量比率为132kPa/kg/m3,比S-135型钻杆的高出11%。

    钢的延展性和刚性之比降低已成为阻碍高强度钢应用的一个重要难题。制造商已经进行了明显的改进，提供的钢比S-135更好。另外，制造商还实施了化学、热处理，制造业的进步，也许能使这些等级达到更加严密的韧性标准。

    多种用于超深井钻井的高强度、低密度钻杆相继问世。其主要性能如下表所示，其中级别为Ti6al-4Ⅴ的钛合金钻杆，屈服强度为827.5MPa，虽然低于S-135，但是其密度低，每根质量是S-135 的64.7%，总体性能提高率为37%。UD-165钢钻杆比S-135钻杆性能提高率为22%，且屈服强度比S-135钢钻杆高。Al-Zn-MgⅡ铝合金屈服强度达到了480MPa，且性能重量比与S-135相比提高12%，但是其价格昂贵，目前难以承受。Al-Zn-MgⅣ铝合金钻杆屈服强度虽然仅为350MPa，但比S-135钻杆相比总体性能下降仅为19%。