石油钻具技术的研究与发展.pdf

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1、第4期余荣华等．石油钻具技术的研究与发展石油钻具技术的研究与发展余荣华1袁鹏斌2章志龙1舒志强1(1．上海海隆石油管材研究所；2．海隆石油工业集团有限公司)摘要综合分析了国内外新型石油钻具技术的研究与应用情况，介绍了高强度钢质石油钻具、碳纤维钻具、高强度铝合金钻具、钛合金钻具、电子标签钻具及智能化钻具等新型钻具，总结了石油钻具技术将逐渐向高强度、轻型化、信息化管理、智能化方向发展，并且未来钻具技术装备的发展与新钻井技术的结合将最终形成智能化钻井系统。关键词石油钻具智能化信息化管理高强度轻型化中图分类号TE921文献标识码A文章编号1000—3932(2017)04-0335—06石油天然气钻

2、井是一项地下隐蔽性工程。随着陆上、海上复杂油气田和难采难动用储量开发的需求日益增长，复杂地质条件下钻复杂结构井、超深井、超大位移井、特殊工艺井和超极限井时，存在着大量非均质性、不确定性、非结构性、非数值化的难题，要解决这些工程难题迫切需要石油钻具的更新换代。为此，笔者探讨了国内外新型石油钻具技术的研究与应用情况，并分析了石油钻具的发展趋势，期望能指引新型石油钻具的研究设计，推动石油钻具装备的更新换代。1高强度化石油钻井技术向着更深的超深井和更长位移的大位移水平井方向发展，深井、超深井数量逐步增加，使得钻柱在井下的服役环境越来越苛刻，井下各种复杂问题出现的几率也成倍增加，对钻柱性能指标提出了更

3、高要求，开发钻井安全性好、钻深能力强、钻井效率高的钻具成为迫在眉睫的任务。1．1高强度钢质石油钻具在钢质钻杆中，现行钻杆规范API5DP一2010中规定的最高强度钻杆为S135钢级钻杆，DS-1(《钻井用管材产品规范》)标准中增加了Z140和V150两种高钢级钻杆⋯，Vallourec公司对于V150和VMl65系列高钢级钻杆产品的制造与应用均有报道旧1。与非钢质钻杆相比，高强度钢质钻杆具有理想的机械性能和优越的经济效益，是对S135钢钻杆的技术升级，其钻杆尺寸规格和生产制造技术设备等相对成熟，并且在钻井过程中不需要对现场配套设备进行更换。魏存祥等认为在大位移钻井、超深井钻井和深水钻井的近期

4、、中期使用高强度钢质钻杆占有很大优势¨1。近几年，随着国内先进钢种设计、冶炼轧制及热处理等工艺技术和先进设备的不断发展进步，高强度钻杆技术的研究和应用越来越多。欧阳志英等研究了工程屈强比对V150和UDl65高强度钻杆形变硬化指数、真实断裂强度、均匀形变容量及静力韧度等的影响规律H。，研究得到150ksi(1ksi一6．895MPa)和165ksi高强度钢钻杆最小屈服强度与S135钻杆相比，分别提高了11％和22％。近几年国内生产的5-7／8”非标准尺寸V150高强度钻杆在塔里木油田7km以上的超深井钻井中得到大规模应用，该钻杆在抗拉强度等机械性能不降低的情况下，增大了钻柱水眼尺寸，大幅降低

5、钻柱内压降，改善了钻井水力性能，使得钻井效率较同区块S135钻具提高约30％以上。2015年海隆石油开发了165ksi(HLl65)高强度钻杆，开展了大量试验研究，包括拉伸强度塑性、低温冲击韧性、高周疲劳及断裂韧性等测试，结果表明，该级别钻杆综合力学性能水平达到国际先进水平，并且在塔里木油田某7．6km超深井使用，累计钻进7066m，纯钻时间两千多小时。VMl65与HLl65高强度钻杆综合性能对比见表1。作者简介：余荣华(1978一)，高级工程师，主要从事石油装备、油气管道检测的研发与应用工作，yrh618@163．eom。336化工自动化及仪表第44卷1．2碳纤维钻具碳纤维因具有轴向强度和

6、模量高、密度低、无蠕变、耐超高温和疲劳等诸多特点受到广泛关注。美国能源部于1999年就开始研究采用碳纤维复合材料制造石油钻具¨。。碳纤维复合钻具是通过在卷筒上缠绕碳纤维，然后应用一种环氧基复合材料覆盖并密封而成。碳纤维复合钻具是一种力学性能优异的新型钻具，重量轻，具有高强度重量比、超高的抗腐蚀能力和较强的抗疲劳能力。它的比重不到钢的1／4，碳纤维复合材料理论抗拉强度高达180GPa，一般都在3500MPa以上，是钢的6—9倍，弹性模量为230—430GPa，也高于钢，比强度(即材料的强度与其密度之比)可达到2kg／cm2以上，其比模量也比钢高。碳纤维复合材料的比强度愈高，构件自重愈小，比模量

7、愈高，构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维复合钻杆的广阔应用前景。碳纤维复合钻具非常适合于超深井、老井侧钻、钻水平井钻进、更长位移的大位移井钻井。由于碳纤维复合钻杆具有更好的柔韧性，所以能够更好地承受在钻短曲率水平井时所经常遇到的应力和疲劳损伤。2003年中期，美国能源部在O．klahoma一口水平气井422．15m深的高研磨性地层中对碳纤维复合钻杆进行了现场试验，并获得了成功。2004年，美国能源部在