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[摘 要]钻杆是尾部带有缧纹的钢管，用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。近年来， 随着超深井和大位移井的发展， 钻具失效事故时有发生， 对钻具的安全性能提出了新要求。本文对国内外的抗硫钻杆、铝合金钻杆等高性能钻杆的性能和特点进行了综合分析和评价， 为复杂环境和服役工况下的钻具选用提供参考。
[摘 要]钻杆； 性能； 铝合金； 钛合金
中图分类号：TU395 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0028-01
钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用。近年随着钻机性能的不断提升和发展， 以及新钻井技术和钻井工艺的不断提高和应用，一些高含CO2和H2S的酸性油气田以及超深油气藏资源正在被不断地发现和开发， 超深井、超短水平定向井、大位移井的数量也在不断增加，对钻具安全提出了新的考验。如：塔里木的大北气田平均井深在6000m以上，并含有一定量的腐蚀性介质。常规的G105钢级、S135钢级钻杆已不能很好地满足和适应这些气田安全、高效的钻井需要，钻具失效事故时有发生。事实表明：酸性油气田开发中的腐蚀介质对钻具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带来巨大的经济损失。例如某油田发生的钻具硫化氢应力腐蚀开裂失效钻具断裂失效事故。常规的S135钻杆已不能满足超深井和高酸性油气田对钻具的高强度、高韧性和抗腐蚀服役工况和服役环境的要求， 發生失效的风险性增强。针对这些复杂的钻井服役工况和服役环境以及新钻井技术和工艺，钻具产品也在不断发展，研制出了一批高性能钻杆产品。
1 超高强度钻杆
超高强度钢钻杆是为实现超深井钻井而研制的。目前， 市场上可提供的高强度钢钻杆的最小屈服强度为965MPa（140kpsi） 和1034MPa（150kpsi）。140 钢级钻杆使用量大约是16.8*104m，150钢级为6.1*104m。165级钢的开发使得其产品的强度质量比相比S135钻杆提高22%，仅比钛合金钻杆低15%， 位于第2位，但其成本却远低于钛合金钻杆。国外某钻杆生产厂家生产的Z-140 型高强度钻杆的强度质量比率为123.3kPa/kg/m3，比S135钻杆高出11% 。钢的延展性和刚性之比降低已成为阻碍高强度钢钻杆应用的一个重要难题。制造商已经进行了明显的改进。炼钢、轧制、热处理工艺的不断进步，为超高强度等级的材料达到更高的韧性指标提供了技术支持。
2 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。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105SS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。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。随着对抗硫钻杆需求的增加，例如：四川的普光气田、罗家寨气田，塔里木塔中气田等区块，抗硫钻杆的需求剧增，促进了抗硫钻杆的研究和开发。目前，的抗硫钻杆技术研究已取得阶段成果，包括宝钢、渤海能克在内的多家国内钻杆生产厂家研发出95SS和105SS钢级的抗硫钻杆，并在油田得到应用。120SS钢级抗硫钻杆已在研发当中。
3 铝合金钻杆
铝合金钻杆与常规钢性钻杆，具有7个特点。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2.8t/m3，钢的密度为7.8t/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，铝合金钻柱比钢钻柱显示出更强的钻深能力。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%。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。4）铝合金钻杆材料强度随着温度的升高而降低。当温度达到氏200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。
4 复合材料钻杆
复合材料钻杆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。目前生产的复合钻杆，其成本大约是常规钢钻杆成本的3 倍， 但复合材料钻杆具有许多潜在的优势，包括质量轻、高的强度质量比、超高的抗腐蚀能力以及增强的抗疲劳能力。目前阻碍复合钻杆用于超长位移的大位移井、超深井和深水钻井的一个主要问题是其水力特性和效率。为了获得必要的结构特性，复合钻杆必须制造得比常规钢钻杆厚许多。根据设计参数，复合钻杆的壁厚可能要达到常规钢钻杆壁厚的2 倍。这将明显降低管子内径，导致钻杆内的压力损失过大。由于水力效率的这种重要性， 复合材料钻杆通常无法为超长位移的大位移井和超深井的钻井施工提供一个可行的解决方案。
5 钛合金钻杆
在超短半径钻井、超深井和深水钻井应用中， 钛合金钻杆具有明显的优势。钛要比钢轻56%，钛合金钻杆的最小屈服强度为827MPa（120 kpsi），比S135 钢钻杆强度质量比提高了37%。目前， 钛合金钻杆已用于超短半径钻井，为满足曲率半径< 18.3m的老井侧钻作业的需要， 国外研制了可靠性好、使用寿命长的钛合金钻杆。这种钻杆的杆体选用T-i 6A-l 4V合金制造， 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。杆体表面采用喷丸硬化工艺处理，杆端实施加厚处理。生产出长9.14m，直径为73 mm的钛合金钻杆管体与直径为92.5mmFR26钻杆接头配接，已成功用于美国科罗多拉州的一口曲率半径为18m的油井的钻井作业。
结束语
未来石油工业的发展是向着更深的超深井和更长位移的大位移井方向发展， 从而导致石油钻杆生产厂家和材料研究机构更多地关注超高强度钢钻杆或非钢钻杆， 目的是提高钻柱对新钻井工艺下的服役工况和服役环境的适应能力。抗硫钻杆、铝合金钻杆、超高强度钻杆、钛合金钻杆和复合材料钻杆等这些高性能钻杆产品， 随着材料治炼工艺、热处理工艺和制造工艺的不断提高， 产品性价比将不断提高，也将得到进一步的发展和应用。
参考文献
[1] 王运美，张宏.钻具失效诱因及湿H2S 环境危害探讨[J].石油矿场机械，2009，38（7）：30-33.
[2] 魏存祥，刘海军，魏志，等.新型高强度钻杆性能及应用[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2008，10（4）：37-40.
[摘 要]钻杆； 性能； 铝合金； 钛合金
中图分类号：TU395 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0028-01
钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用。近年随着钻机性能的不断提升和发展， 以及新钻井技术和钻井工艺的不断提高和应用，一些高含CO2和H2S的酸性油气田以及超深油气藏资源正在被不断地发现和开发， 超深井、超短水平定向井、大位移井的数量也在不断增加，对钻具安全提出了新的考验。如：塔里木的大北气田平均井深在6000m以上，并含有一定量的腐蚀性介质。常规的G105钢级、S135钢级钻杆已不能很好地满足和适应这些气田安全、高效的钻井需要，钻具失效事故时有发生。事实表明：酸性油气田开发中的腐蚀介质对钻具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带来巨大的经济损失。例如某油田发生的钻具硫化氢应力腐蚀开裂失效钻具断裂失效事故。常规的S135钻杆已不能满足超深井和高酸性油气田对钻具的高强度、高韧性和抗腐蚀服役工况和服役环境的要求， 發生失效的风险性增强。针对这些复杂的钻井服役工况和服役环境以及新钻井技术和工艺，钻具产品也在不断发展，研制出了一批高性能钻杆产品。
1 超高强度钻杆
超高强度钢钻杆是为实现超深井钻井而研制的。目前， 市场上可提供的高强度钢钻杆的最小屈服强度为965MPa（140kpsi） 和1034MPa（150kpsi）。140 钢级钻杆使用量大约是16.8*104m，150钢级为6.1*104m。165级钢的开发使得其产品的强度质量比相比S135钻杆提高22%，仅比钛合金钻杆低15%， 位于第2位，但其成本却远低于钛合金钻杆。国外某钻杆生产厂家生产的Z-140 型高强度钻杆的强度质量比率为123.3kPa/kg/m3，比S135钻杆高出11% 。钢的延展性和刚性之比降低已成为阻碍高强度钢钻杆应用的一个重要难题。制造商已经进行了明显的改进。炼钢、轧制、热处理工艺的不断进步，为超高强度等级的材料达到更高的韧性指标提供了技术支持。
2 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。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105SS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。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。随着对抗硫钻杆需求的增加，例如：四川的普光气田、罗家寨气田，塔里木塔中气田等区块，抗硫钻杆的需求剧增，促进了抗硫钻杆的研究和开发。目前，的抗硫钻杆技术研究已取得阶段成果，包括宝钢、渤海能克在内的多家国内钻杆生产厂家研发出95SS和105SS钢级的抗硫钻杆，并在油田得到应用。120SS钢级抗硫钻杆已在研发当中。
3 铝合金钻杆
铝合金钻杆与常规钢性钻杆，具有7个特点。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2.8t/m3，钢的密度为7.8t/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，铝合金钻柱比钢钻柱显示出更强的钻深能力。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%。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。4）铝合金钻杆材料强度随着温度的升高而降低。当温度达到氏200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。
4 复合材料钻杆
复合材料钻杆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。目前生产的复合钻杆，其成本大约是常规钢钻杆成本的3 倍， 但复合材料钻杆具有许多潜在的优势，包括质量轻、高的强度质量比、超高的抗腐蚀能力以及增强的抗疲劳能力。目前阻碍复合钻杆用于超长位移的大位移井、超深井和深水钻井的一个主要问题是其水力特性和效率。为了获得必要的结构特性，复合钻杆必须制造得比常规钢钻杆厚许多。根据设计参数，复合钻杆的壁厚可能要达到常规钢钻杆壁厚的2 倍。这将明显降低管子内径，导致钻杆内的压力损失过大。由于水力效率的这种重要性， 复合材料钻杆通常无法为超长位移的大位移井和超深井的钻井施工提供一个可行的解决方案。
5 钛合金钻杆
在超短半径钻井、超深井和深水钻井应用中， 钛合金钻杆具有明显的优势。钛要比钢轻56%，钛合金钻杆的最小屈服强度为827MPa（120 kpsi），比S135 钢钻杆强度质量比提高了37%。目前， 钛合金钻杆已用于超短半径钻井，为满足曲率半径< 18.3m的老井侧钻作业的需要， 国外研制了可靠性好、使用寿命长的钛合金钻杆。这种钻杆的杆体选用T-i 6A-l 4V合金制造， 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。杆体表面采用喷丸硬化工艺处理，杆端实施加厚处理。生产出长9.14m，直径为73 mm的钛合金钻杆管体与直径为92.5mmFR26钻杆接头配接，已成功用于美国科罗多拉州的一口曲率半径为18m的油井的钻井作业。
结束语
未来石油工业的发展是向着更深的超深井和更长位移的大位移井方向发展， 从而导致石油钻杆生产厂家和材料研究机构更多地关注超高强度钢钻杆或非钢钻杆， 目的是提高钻柱对新钻井工艺下的服役工况和服役环境的适应能力。抗硫钻杆、铝合金钻杆、超高强度钻杆、钛合金钻杆和复合材料钻杆等这些高性能钻杆产品， 随着材料治炼工艺、热处理工艺和制造工艺的不断提高， 产品性价比将不断提高，也将得到进一步的发展和应用。
参考文献
[1] 王运美，张宏.钻具失效诱因及湿H2S 环境危害探讨[J].石油矿场机械，2009，38（7）：30-33.
[2] 魏存祥，刘海军，魏志，等.新型高强度钻杆性能及应用[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2008，10（4）：37-40.