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高性能钻具的需求与发展 刘永刚，韩礼红，宋生印，徐欣 中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安710065 摘要：近年来，随着酸性气田的勘探开发及特殊工艺井的采用，钻具失效事故时有发生，对钻具的安全 性能提出了新的要求。本文针对超深井、超短半径水平井等恶劣环境和服役工况对高性能钻具的要求，对国 外的高性能钻具的研制和开发情况进行了综合性的分析评价，对国内高性能钻具的研究和产品开发情况进行 了介绍，为促进高性能钻杆的国产化研究提供丫借鉴和方向。 随着钻机设备性能的不断提升和发展，以及新钻井技术和钻井艺的不断提高和应用，一 些高含二氧化碳和硫化氢的酸性气田、以及超深油气藏资源正在被不断的发现和开发，超深 井、超短水平定向井、大位移井的数量也在不断增加。如川渝气田的罗家2井H2S的含量高 C02含量106．889／m3，塔里木的大北气田平均井深在6000m以上，并含有 达125．539／m3， 一定量的腐蚀性介质。这些气田的勘探开发，气体钻井、水平井的推广应用，对钻具安全提 出了新的考验，常规的G105，S135钻杆已不能满足和适应这些气田安全、高效的钻井需要。 事实表明，在酸性气田钻探开发中的腐蚀介质对钻具失效的威胁会给井队安全生产和人身健 康带来巨大的危险和安全隐患，而超深井钻探过程中的钻具失效也会给井队生产带来巨大的 经济损失。如川渝气田的罗家2井发生的钻具硫化氢应力腐蚀开裂失效和克深l井发生的钻 具断裂失效事故。常规的S135钻杆，在超深井中处理井下复杂的安全提升余量和抗腐蚀性能 上受到严重制约，已不能很好的满足高强度、高韧性和高抗腐的服役工况和服役环境的要求， 发生失效的风险性增强。因此，适用于这些复杂的钻井服役工况和服役环境以及新钻井技术 下的高性能钻杆产品得到了发展和应用的平台和空间，涌现出了一批具有超高强度、韧性和 高耐腐蚀的高性能钻杆。 1．高性能钻具在国外的研究和发展 为了应对越来越苟刻的油藏地质环境和新的钻井技术的需要，国外早在上个世纪就开展 了对高性能钻具的研究，并取得了明显的成果。如高钢级的抗硫钻杆、铝合金钻杆、钛合金 钻杆等，这些高性能的钻具，具有与目前常用的APIS135钢级钻杆无法比拟的高性能，在 一定程度上很好的满足了对某些特殊地质条件和特殊钻井工艺的施工要求，为油气资源的勘 探开发提供了支持。 1)高钢级抗硫钻杆。抗硫钻杆是国内目前接触最多，应用最广的高性能钻具，也是我 国最早引用，以及引用量最大的非API高性能钻杆，其主要用于酸性气田。在一些高含硫化 氢的油气田，由于硫化氢对钻杆具有很强的腐蚀性，尤其是对高强度的钻杆，因此，抗硫钻 杆在国内得到了大量的应用，从95SS钢级的钻杆直到120SS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提高。因此，抗硫钻杆材料的强度受到了很大的限制。目前，只有美国 的格兰特钻杆有限公司研发成功了120SS钢级的抗硫钻杆，并在油田得到应用。 2)铝合金钻杆。从上世纪50年代起，俄罗斯的研究中心在研制和推广全尺寸的铝合金 设立研发小组，开始从事铝合金钻杆的研发工作，并配备了专门用于制造不同横截面钻杆的 设备。 这些研发工作包括：研究能够满足深钻和超深钻要求所需物理、力学和操作特征的材 料； 研发和实验铝合金钻杆的分级和铝合金钻杆的生产过程；设计和生产制造铝合金钻杆的 设备；建造用于进行全尺寸铝合金钻杆生产的厂房；设计适用于不同钻孔条件的铝合金钻杆 安装的过程。这些研究和设计考虑了铝合金钻杆生产的基础设备，利用了铝合金钻杆的所有 优点，取得了很好的研究成果，铝合金管材已成为俄罗斯常用的钻井管材，铝合金钻杆，包 括管体和接头的规格、结构和材质已被列入俄罗斯国家标准，并列入2009年版IS013085国 际标准。与常规钢钻杆柱相比，铝合金钻杆具有如下几个特点和优势。 一892— (1)降低对钻机负荷的要求，比钢钻柱有更大的钻深能力。铝合金的密度为2．8t／m3，钢 的密度为7．8t／m3。即使带钢接头的铝合金钻杆也比钢钻杆轻得多，钻柱中由其自重产生的应 力比钢钻柱中的也小得多。所以尽管铝合金的屈服强度比钢的要低，但铝合金钻柱比钢钻柱 显示出更强的钻深潜力。前苏联用铝合会钻柱施工15000m超深井，采用的钻机大钩负荷为 这是因为铝合金材料的密度比钢的小得多，用于81／2in