鉆桿材料特性分析

鉆桿材料特性

鉆桿材料特點超高強度鋼鉆桿
一、概況

輕質(zhì)、薄壁的超高強度鋼鉆桿可用于解決大位移井、超深井和深水鉆井的鉆井難題。但由于高強度鋼在低溫下具有脆性且很難在抗沖擊韌性和抗拉強度間達(dá)到平衡,但近期,GrantPrideco開發(fā)出了UD- 165超高強度鋼鉆桿(VM- 165級超高強度鋼), 其獨特的熱處理工藝使得鉆桿既滿足屈服強度的要求又滿足韌性要求。

二、超高強度鋼鉆桿特點

為說明超高強度鋼鉆桿UD- 165的性能優(yōu)勢,將高性能鉆桿的相關(guān)參數(shù)進行了對比。

三、接頭

超高強度鋼鉆桿的接頭設(shè)計原則是具有最小的外徑和最大的內(nèi)徑, 以減輕質(zhì)量、增強水力學(xué)性能, 同時傳遞大的扭矩為此, 專門設(shè)計了高強度雙臺肩鉆桿接頭。這種新型接頭具有以下特點:

1. 首創(chuàng)雙頭螺紋設(shè)計, 縮短上、卸扣時間達(dá)50%, 提高起下鉆效率;
2. 采用雙半徑螺紋形式, 減小連接峰值應(yīng)力, 延長疲勞壽命;
3. 優(yōu)化錐度, 滿足鉆桿連接速度和扭矩傳遞的需要;
4. 材料強度, 新接頭采用標(biāo)稱最小屈服強度達(dá)896MPa材料制造, 遠(yuǎn)大于API的827MPa要求, 有利于增加抗扭強度, 同時改進的尺寸設(shè)計有利于提高水力效率。
   
   
   碳纖維復(fù)合材料鉆桿

一、概況

復(fù)合材料鉆桿由復(fù)合材料管和鋼接頭組成，并保證管材與接頭的密封性，成型后，抽出心棒，并在其外涂覆耐磨材料。

二、優(yōu)缺點分析

與普通的鋼鉆桿相比, 復(fù)合材料鉆桿的優(yōu)越性主要有以下幾點：

1. 質(zhì)量輕。在維持必要力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,復(fù)合材料鉆桿的質(zhì)量約為普通鉆桿質(zhì)量的40% ~50% 。對于深井而言, 鉆柱質(zhì)量的減輕意味著使用現(xiàn)有鉆機能力可以鉆進更深的距離。
2. 強度重力比高。Sm ith等人指出, 制約大位移井、超深井和深定向井鉆井能力的一個主要因素是鉆桿的強度重力比。長91144m ( 30 英尺)直徑13917mm ( 5“- 英寸) 的普通S135級鋼鉆桿強度重力比為480 000, 而同規(guī)格復(fù)合材料鉆桿則為625 000, 比S135級鋼鉆桿提高3012% 。
3. 抗腐蝕性強。復(fù)合材料鉆桿具有很大的靈活性, 可以根據(jù)現(xiàn)場要求調(diào)節(jié)材料性能, 因此具有優(yōu)越的抗腐蝕性能。
4. 疲勞強度高。研究表明 , 鉆柱失效原因的95%可歸結(jié)為疲勞失效。而復(fù)合材料鉆桿纏繞纖維結(jié)構(gòu)后具有更高的疲勞強度。
5. 鉆桿無磁性, 方便井下測量; 鉆桿壁內(nèi)可方便置入光纜或電線, 具有井底2地面數(shù)據(jù)/信號的高速雙向通信功能。

為達(dá)到一定結(jié)構(gòu)強度要求, 復(fù)合材料鉆桿壁厚要大于普通鋼鉆桿; 若減小內(nèi)徑則會增大壓力損失, 若增大外徑, 則會增加環(huán)空循環(huán)當(dāng)量密度, 這會引起密度窗口鉆井井控問題。另外, 目前復(fù)合材料鉆桿價格為普通鋼鉆桿的3倍左右, 這會增加投資, 但是其整體綜合成本還是要優(yōu)于普通鋼鉆桿。
凱夫拉材料

在本世紀(jì) 60年代，美國杜邦公司研制出一種新型復(fù)合材 料棗“凱夫拉”材料。這是一種芳綸復(fù)合材料。由于這種新型材料密度低、強度高、韌性好、耐高溫、高強度及模數(shù)并易于加工和成型，而受到人們的重視。Kevlar纖維是石棉的2到11倍強度；是高強度石墨的1.6倍強度；是玻璃纖維的3倍強度；是相同重量下鋼纖維的5倍強度。且Kevlar的密度非常低，幾乎只有石棉密度的一半。而卻擁有很高的破裂延伸度，除了高強度外，更有以下好處：

1. 熱穩(wěn)定性，Kevlar大熱試驗中（TGA）非常穩(wěn)定，直至600℃才有明顯的重量喪失；
2. 低侵蝕性，具有高含量的Kevlar試片，表現(xiàn)出比半金屬片低的侵蝕性；
3. 耐磨性，與石棉纖維制成的剎車片比較，在Kevlar纖維開松良好的狀態(tài)下，體現(xiàn)出非常低的磨耗性。維持預(yù)成型剎車片的強度，保持填充劑的持久性。