钻杆材料特性分析

钻杆材料特性

钻杆材料特点超高强度钢钻杆
一、概况

轻质、薄壁的超高强度钢钻杆可用于解决大位移井、超深井和深水钻井的钻井难题。但由于高强度钢在低温下具有脆性且很难在抗冲击韧性和抗拉强度间达到平衡,但近期,GrantPrideco开发出了UD- 165超高强度钢钻杆(VM- 165级超高强度钢), 其独特的热处理工艺使得钻杆既满足屈服强度的要求又满足韧性要求。

二、超高强度钢钻杆特点

为说明超高强度钢钻杆UD- 165的性能优势,将高性能钻杆的相关参数进行了对比。

三、接头

超高强度钢钻杆的接头设计原则是具有最小的外径和最大的内径, 以减轻质量、增强水力学性能, 同时传递大的扭矩为此, 专门设计了高强度双台肩钻杆接头。这种新型接头具有以下特点:

1. 首创双头螺纹设计, 缩短上、卸扣时间达50%, 提高起下钻效率;
2. 采用双半径螺纹形式, 减小连接峰值应力, 延长疲劳寿命;
3. 优化锥度, 满足钻杆连接速度和扭矩传递的需要;
4. 材料强度, 新接头采用标称最小屈服强度达896MPa材料制造, 远大于API的827MPa要求, 有利于增加抗扭强度, 同时改进的尺寸设计有利于提高水力效率。
   
   
   碳纤维复合材料钻杆

一、概况

复合材料钻杆由复合材料管和钢接头组成，并保证管材与接头的密封性，成型后，抽出心棒，并在其外涂覆耐磨材料。

二、优缺点分析

与普通的钢钻杆相比, 复合材料钻杆的优越性主要有以下几点：

1. 质量轻。在维持必要力学性能的基础上,复合材料钻杆的质量约为普通钻杆质量的40% ~50% 。对于深井而言, 钻柱质量的减轻意味着使用现有钻机能力可以钻进更深的距离。
2. 强度重力比高。Sm ith等人指出, 制约大位移井、超深井和深定向井钻井能力的一个主要因素是钻杆的强度重力比。长91144m ( 30 英尺)直径13917mm ( 5“- 英寸) 的普通S135级钢钻杆强度重力比为480 000, 而同规格复合材料钻杆则为625 000, 比S135级钢钻杆提高3012% 。
3. 抗腐蚀性强。复合材料钻杆具有很大的灵活性, 可以根据现场要求调节材料性能, 因此具有优越的抗腐蚀性能。
4. 疲劳强度高。研究表明 , 钻柱失效原因的95%可归结为疲劳失效。而复合材料钻杆缠绕纤维结构后具有更高的疲劳强度。
5. 钻杆无磁性, 方便井下测量; 钻杆壁内可方便置入光缆或电线, 具有井底2地面数据/信号的高速双向通信功能。

为达到一定结构强度要求, 复合材料钻杆壁厚要大于普通钢钻杆; 若减小内径则会增大压力损失, 若增大外径, 则会增加环空循环当量密度, 这会引起密度窗口钻井井控问题。另外, 目前复合材料钻杆价格为普通钢钻杆的3倍左右, 这会增加投资, 但是其整体综合成本还是要优于普通钢钻杆。
凯夫拉材料

在本世纪 60年代，美国杜邦公司研制出一种新型复合材 料枣“凯夫拉”材料。这是一种芳纶复合材料。由于这种新型材料密度低、强度高、韧性好、耐高温、高强度及模数并易于加工和成型，而受到人们的重视。Kevlar纤维是石棉的2到11倍强度；是高强度石墨的1.6倍强度；是玻璃纤维的3倍强度；是相同重量下钢纤维的5倍强度。且Kevlar的密度非常低，几乎只有石棉密度的一半。而却拥有很高的破裂延伸度，除了高强度外，更有以下好处：

1. 热稳定性，Kevlar大热试验中（TGA）非常稳定，直至600℃才有明显的重量丧失；
2. 低侵蚀性，具有高含量的Kevlar试片，表现出比半金属片低的侵蚀性；
3. 耐磨性，与石棉纤维制成的刹车片比较，在Kevlar纤维开松良好的状态下，体现出非常低的磨耗性。维持预成型刹车片的强度，保持填充剂的持久性。