钛合金钻杆应用译文

卢菲：

根据你自己的需要进行编辑。如果还需要其他资料，再告诉我。（138********，朱俊昌）。

第一篇文章

该文章出自1999-2000年美国《国际钻井承包商》杂志，是关于钻杆应用方面的各种新知识，每一篇文章都有编号，该文章只是一个摘要。

管材应用：钛合金钻杆、洗井、应力释放等

IADC/SPE 59140：用于小曲率钻井的钛合金钻杆的研制

作者：美国格兰特钻具公司的J.E. 史密斯；应力工程服务公司的E.I. 贝利和R.W.舒茨。

在多层套管钻井过程中，常会遇到小于80英尺（如＞95°/100ft）的小曲率半径井段，为了减少钻杆失效、延长钻杆寿命，需要研发一种非常规钻杆。传统钻井过程中应用的钢制、铝制或复合材料钻杆常常会因为疲劳裂纹、磨损或其它机械原因导致使用寿命不长。

由于钛合金管材的弹性系数大约为16.5msi，弹性要比钢制钻杆好，更加适合于高曲率井段。最常用的钛合金材料为Ti-6AI-4V，最低屈服强度为130ksi，密度仅为钢材的56%。该材料在钻井过程中的实际井底流体环境中，具有耐腐蚀、抗疲劳、重量轻、弹性好、强度高等优点。

已经生产了较为经济的钛合金钻杆，由材料为Ti-6AI-4V的管体经两端镦粗后、在两端对焊工具接头组成，管体尺寸满足API标准、长度范围为API标准规定的范围2或3 。为降低制造成本，工具接头采用钢制，接头螺纹经过上卸扣磨合，接头外径敷焊耐磨带（避免接头磨损后用普通焊条补焊）。

图中所示为井身结构，钛合金钻杆适合于弯曲段

短曲率半径井段用钛合金钻杆的主要研究方面包括：为了延长管体疲劳寿命，研究了管体从外径到内径的调质处理方法；为了延长其他区域的疲劳寿命，优化了管体加工和镦粗过程、研了究管体与接头的连接方法、进行了管体与接头连接区域以及接头的设计和测试。本文概述了2.875英寸、Ti-6AI-4V管体材料的短曲率半径井段用钻杆的研究过程、试验室测试结果，同时也提供了该钛合金钻杆在现场各种曲率半径下的实际应用效果。

IADC/SPE 59141：旋转台肩式连接应力释放槽的优化

作者：斯伦贝谢油田服务公司，M.霍梅尔。

现场经验和有限元分析均表明公接头螺纹根部加工应力释放槽能有效延长接头使用寿命。但是，应力释放槽的几何形状并没有精确的理论基础，事实上，也一直处于讨论甚至是争论之中。并且，由于旧接头需要切掉部分旧螺纹重新加工螺纹，为了能够多修几次螺纹，人们也有意识的减少应力释放槽的长度。

本文的目的就是通过利用有限元分析的方法展示应力释放槽上的应力集中情况。螺

纹连接寿命的预测方法为失效评判标准，主要应用到线性平均应力和交变应力两个参数。获得交变应力的方法是在特定狗腿度的井段中旋转螺纹连接段，这样就获得从最大到最小的应力周期，一个周期就是一次交变应力。有限元模型就是利用这种动态旋转测试的结果。

对5 1/2扣型的螺纹连接建立参数化的有限元模型，该模型允许应力释放槽的长度发生变化。结过表明确实存在最优应力释放槽长度。当应力释放槽长度小于最优长度时，由于存在着不必要的公接头螺纹，应力集中更加明显；当应力释放槽长度大于最优长度时，剩余的螺纹就会过载。建议根据这项研究制定新的工业标准。特别地，建议新产品出厂前就加工新标准的应力释放槽，这不仅能满足有问题的现有标准，还能够改进重新修扣后的应力状态。

IADC/SPE 59142：利用膨胀管技术提高油井经济效益

作者：壳牌石油开发公司尼日利亚项目部，D.O. Owoeye 。

本文描述了将一种膨胀管（ETT）用作完井膨胀式筛管或防砂筛管（ESS）的实际应用，结果显示能有效提高油井经济效益。本文强调了小井眼油井钻井、完井、采油过程中的很多挑战，井眼小的原因是为了降低打井费用，但井眼小会导致井下修理频繁，本文提供了降低修理次数的解决方案，本文也提出了优化原油渗出通道的方法。

为了在短期内将壳牌石油开发公司的产量提高60%、到2010年提高200%以上（至2.5MM桶/天），许多油井采取水平井方式完井，每口井的潜在增产量为3000桶/天。长期以来，膨胀管技术的应用，从最初的4口井发展到如今能应用到60°井斜角以下、最长铺设长度240英尺的许多口井中。

本文介绍了井号为SMTQ-5的油井应用膨胀管技术的商业案例和经济可行性分析。重点强调了策划和项目管理，执行阶段的临界工程事项。为评估技术可行性，本文还描述了质量可靠性保证（QRA），结果表明，如果将膨胀式筛管应用于水平井中，成功率为94%、弃井率1.6% 。

IADC/SPE 59143：通过改变钻具外形提高洗井能力并降低旋转扭矩

作者：SMF国际公司，J.柏雷特

本文介绍了一种用于旋转钻井钻柱上的全新设计的钻具，通过在该钻具上加工某种外形，可以提高洗井效果并减少旋转摩擦。文中介绍了一系列质量保证程序以及目前成功的现场应用情况。

其中一个外形的作用是利用阿基米德螺旋线以及槽的推进作用，可以改变泥浆流向，以防止岩屑沉淀并加强岩屑传输。

另一个外形的作用是将钻井液沿切线方向形成一道连续的薄膜，进而达到降低井下旋转过程中的摩擦。利用这两种外形，可以改进钻进效果，并克服目前遇到的操作瓶颈。

IADC/SPE 59144：隔热钻杆的开发与测试

作者：圣地亚国家实验室，J. 芬格和R.D.雅各布森。

本文讲述了隔热钻杆（IDP）的理论背景、试验室测试和现场测试。列出了结构试验室和热力试验室的测试程序和试验结果。给出了某地热井在不同泥浆流速下隔热钻杆和常规钻杆内部的流体温度对照。简要介绍了一种软件，该软件可建立井身温度模型及纠正隔热钻杆设计差异导致的计算精度，列出了现场试验过程中的实际井身温度和计算温度的对比结果。

IADC/SPE 59146：水平井中的带接头钻杆的侧弯问题研究

作者：R.F.米切尔，兰德马克钻井及油井服务公司

本文首次分析了水平井中带接头钻杆的侧弯问题。本文用解析解法依据钻杆重力对水平井中的钻杆进行三维计算，并给出梁柱计算公式。钻杆变形量、接触载荷和弯曲应力是依据显示公式计算的。通过计算量接头之间的钻杆下沉量可以知道管体与井壁之间的距离。管体接触到井壁所需的外力即为临界弯曲力。将实际的正压力与临界弯曲力进行对比就知道钻杆是否接触到了井壁。

该分析可应用于井底钻具组合、钻杆、套管和油管。该分析的结果只是几个简单的公式，甚至可以手算。

IADC/SPE 59147：自动钻机用油田管材螺纹的开发

作者：立邦钢铁集团，K.丸山茂德。

本文展示了一种新设计的锥面螺纹连接区域的设计数据。该连接安装快捷方便，同时降低刺穿和研扣几率。该螺纹牙形与目前常规油田管螺纹的外形不一样。该螺纹可以连接在API偏梯形螺纹之上。

第二篇文章

钛合金钻杆：短曲率半径水平井一种可行的选择

格兰特钻具公司：杰克.史密斯，迈克尔.杰力森，P.E，杰拉尔德.威尔森；

RTR 能源系统有限公司：杰瑞.卢比

不稳定的油气价格使得美国勘探和开采业致力于开发更经济适用的工具和方法。钻井工程师们对水平井的将来表示非常乐观，因为他们不断研究出新的钻井设备和技术的联合应用。

最具前景的一种技术就是弹性钻杆和水平井小井眼的应用，小井眼也叫苗条井眼，是指直井下方加钻一段小曲率半径的弯井，再钻一段水平井，这段水平井就是小井眼井。但是，对于钻取短曲率半径的小井眼井，钻杆不得不沿着60英尺以下的曲率半径前进，这使得钻杆受到过大的弯曲力，这引起的疲劳、磨损、机械损伤、尤其是井身造斜阶段旋转钻杆造成的交变弯曲应力，会降低钻杆寿命及可靠性。

工程师们尝试了一系列办法来解决这一难题，这要求材料具备高屈服强度同时又具备高弹性，他们尝试了各种材料的管体，包括各种铁合金、铝合金和玻璃纤维/碳纤维复合材料。

格兰特钻具公司（威特福国际有限公司的子公司）和德克萨斯RTI能源系统有限公司（RTI国际金属有限公司的子公司）找到了一种解决方案：铁合金钻杆，该钻杆综合了钢铁的强度和耐用度，具有弹性高、重量轻和耐腐蚀的特点。本文将重点介绍用于水平井短曲率半径的钛合金钻杆、同时简要介绍该工况下钛合金钻杆附件的开发、关于提高钻杆接头及接头与管体连接区域抗疲劳性能的设计和测试。同时，本文还提供了钛合金钻杆在火炬钻井服务有限公司首次商业应用的最新结果。

概况

在美国的许多盆地和油藏中，水平井技术被证明非常有效，特别是短曲率半径的小井眼钻井中。

美国现在有成千上万口井可以改成小曲率半径的水平井或多分枝小曲率半径水平井，这样有利于采收率及延长油藏寿命。但是，这就要求钻杆通过造斜段旋转时不得因高频周期应力过早失效。钻杆在通过弯曲井段时不得造成大扭矩和阻滞现象。

1996年，格兰特和RTI开始开发用于短曲率半径钻井的钛合金钻杆的开发，在制

造短曲率半径钻井的管体方面，与普通钢材相比，钛合金具有很多先天性的优点：

●钛不受腐蚀疲劳影响。空气中有疲劳性能，钻井环境下也有；

●钛比钢铁更能抵制腐蚀或侵蚀；

●钛的弹性系数为17 MM psi，而钢铁为30 MM psi ，所以钛比钢铁硬57%；

●钛合金管体的屈服强度为120，000psi，其强度重量比是S-135钢级钢制管体的

1.54倍；

●钛的密度是钢的56%，钛的密度为0.160磅/立方吋，而钢为0.283磅/立方吋。

钛合金钻杆虽然比钢钻杆有许多优点，但低弹性模量是关键。钻井公司钻50英尺或以下的短曲率半径井段时，希望疲劳寿命高于500,000转。试验室试验证实，当周期应力处于30，000psi与40,000psi之间时，钛的疲劳寿命是钢的10倍以上。钛的价格比钢贵，但在短曲率半径钻井中，其超长的疲劳寿命和综合性能使得其在经济效益方面仍比钢合算。

钛合金钻杆由于其优良的综合性能，如更加坚固、寿命更长、强度更高，所以正逐步代替玻璃纤维/碳纤维钻杆。钛合金钻杆能承受更大的扭矩，能应用于更加粗糙的、能撕裂合成纤维钻杆的地层，同时，优良的耐热性能让它应用于高温地层，如用于钻地热井。

钛合金钻杆具有优良的抗腐蚀性能，不受盐水、二氧化碳和硫化氢的腐蚀。钛合金的材料特性的均匀性使得它比合成纤维更加可靠，因为合成纤维各个方向的强度不一样，合成纤维管的强度取决于纤维的缠绕方向。

表1：钛合金（Ti-6A1-4V）钻杆与钢钻342,951杆（外径2 7/8″，壁厚0.362″）性能对照表

开发过程

钻杆由三中基本构件组成：管体、工具接头和工具接头至管体的连接段。对于最初的碳合金钻杆，管体选材为Ti-6A1-4V钛合金，原因是该材料价格较低，同时具备高抗拉强度、高疲劳强度、低弹性系数、强抗腐蚀能力、市场上容易采购到的特点。事实证明，该材料容易被机械加工、焊接、锻造，并且制成无缝管的成本不太高。选用一种低价格、高屈服强度的热轧管依据API标准提高的尺寸以较高的生产率制成薄壁无缝管。首批管子的尺寸为：外径2 7/8″、壁厚0.362″、长度30英尺。

工具接头的材料选用铬钼合金钢，外径3 5/8″、内径1 3/4″，旋转台肩式连接，扣型为FR26。设计者如此选择的原因是如果选择全钛接头，可能会导致粘扣。为了避免公接头最后一扣螺纹疲劳失效，公接头根部加工了应力释放槽。

更大的根部半径能降低应

力集中

应力释放槽能降低公接头最后

一扣啮合扣的应力

图1：FR 26公接头，能更加均匀的分布因上扣而造成的轴向力螺纹扣型已申请专利，根部半径加大至0.057″，而API的NC26螺纹的根部半径为0.038″。这种设计能降低螺纹根部的应力集中，进而显著延长接头的疲劳寿命。

管体、工具接头以及工具接头与管体连接区域的特殊设计能有效提高钻杆的疲劳寿

命。事实上，工具接头比与之相连的钢制或钛合金管体寿命都长，所以我们没有必要确定该链接的极限寿命。

测试

钛合金钻杆测试过程中有两点非常关键。

●确定钻杆之间的连接区域在拉伸、扭转、弯曲的过程中不是薄弱点。

●证明连接具有良好的抗疲劳性能。

螺纹连接区域的一体性效果和性能取决于过盈配合造成的摩擦扭矩、总过盈量、过盈配合造成的径向压力以及接触面的直径。

为确保设计结果满足设计要求，进行了多次试验；为确最终产品满足顾客要求，又进行了几次试验。这些试验主要包括：疲劳试验、拉伸试验、扭转试验和压力试验。

现场试验

所有试验进行完毕之后，格兰特和RTI公司按照设计目标制造了18根钻杆用于现场试验。

公司能提供外径范围为2 3/8″-6 5/8″的钛合金钻杆，扣型有FR（抗疲劳型）、XT （高抗扭）、HT（抗扭）或API标准螺纹。现场试验的钻杆外径2 7/8″、壁厚0.362″、长度30英尺，工具接头扣型为FR 26、外径3 5/8″、内径1 3/4″，特别设计用于短曲率半径钻井的高应力井段。

现场试验由总部位于休斯顿州的火炬钻井服务公司执行，实验地点位于堪萨斯州的格里利市。火炬公司使用由钢制钻杆和钛合金钻杆组成的混合钻柱钻井，井底钻具组合包括4根2 7/8″钛合金钻杆和一套专利水平井钻进系统。

该井的预定曲率半径为60英尺、靶心方位角为90°；实际曲率半径为58英尺、靶心方位角为93°，并且二维井身剖面非常平滑。造斜阶段，钛合金钻杆的转速为50-80转/分钟。

截至目前，火炬公司和定向井公司已在堪萨斯、怀俄明、加利福尼亚和印第安纳的水平井的弯曲段中应用钛合金钻杆。试验钻杆除了一些表面划痕，这是正常的，没有任何机械损害。

目前供货能力

很清楚，钻井公司之所以希望在短曲率半径的水平井中使用钛合金钻杆，是因为它比复合材料钻杆更可靠，比钢制钻杆弹性好、更轻、疲劳寿命长、抗腐蚀。目前我们正在开发弹性更好的2 1/2″钻杆，可用于4 1/2″井眼内。我们相信用于5 7/8″-6 3/4″井眼的2 7/8″钛合金钻杆会表现良好。更多规格的钛合金钻杆会很快开发出来。

结论

对于短曲率半径、小井眼水平井及其它一些苛刻钻井工程，钛合金钻杆是一个完美的解决方案，它具有高强度、弹性好、可靠性高和抗腐蚀的特点。在苛刻钻井条件下，它要优于纤维复合材料钻杆和钢制钻杆。在其它特定钻井条件下，钛合金与钢制钻杆的混合使用会提高钻柱性能并降低钻井成本。