鉆桿材料特性分析

鉆桿材料特性

鉆桿材料特點(diǎn)超高強(qiáng)度鋼鉆桿
一、概況

輕質(zhì)、薄壁的超高強(qiáng)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(qiáng)度鋼在低溫下具有脆性且很難在抗沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度間達(dá)到平衡,但近期,GrantPrideco開發(fā)出了UD- 165超高強(qiáng)度鋼鉆桿(VM- 165級(jí)超高強(qiáng)度鋼), 其獨(dú)特的熱處理工藝使得鉆桿既滿足屈服強(qiáng)度的要求又滿足韌性要求。

二、超高強(qiáng)度鋼鉆桿特點(diǎn)

為說明超高強(qiáng)度鋼鉆桿UD- 165的性能優(yōu)勢(shì),將高性能鉆桿的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

三、接頭

超高強(qiáng)度鋼鉆桿的接頭設(shè)計(jì)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(qiáng)水力學(xué)性能, 同時(shí)傳遞大的扭矩為此, 專門設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度雙臺(tái)肩鉆桿接頭。這種新型接頭具有以下特點(diǎn):

1. 首創(chuàng)雙頭螺紋設(shè)計(jì), 縮短上、卸扣時(shí)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(zhǎng)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(qiáng)度, 新接頭采用標(biāo)稱最小屈服強(qiáng)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(qiáng)度, 同時(shí)改進(jìn)的尺寸設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)：

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(duì)于深井而言, 鉆柱質(zhì)量的減輕意味著使用現(xiàn)有鉆機(jī)能力可以鉆進(jìn)更深的距離。
2. 強(qiáng)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(gè)主要因素是鉆桿的強(qiáng)度重力比。長(zhǎng)91144m ( 30 英尺)直徑13917mm ( 5“- 英寸) 的普通S135級(jí)鋼鉆桿強(qiáng)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(jí)鋼鉆桿提高3012% 。
3. 抗腐蝕性強(qiáng)。復(fù)合材料鉆桿具有很大的靈活性, 可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)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(qiáng)度。
5. 鉆桿無磁性, 方便井下測(cè)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(hào)的高速雙向通信功能。

為達(dá)到一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(huì)增大壓力損失, 若增大外徑, 則會(huì)增加環(huán)空循環(huán)當(dāng)量密度, 這會(huì)引起密度窗口鉆井井控問題。另外, 目前復(fù)合材料鉆桿價(jià)格為普通鋼鉆桿的3倍左右, 這會(huì)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(guó)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(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、高強(qiáng)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(qiáng)度；是高強(qiáng)度石墨的1.6倍強(qiáng)度；是玻璃纖維的3倍強(qiáng)度；是相同重量下鋼纖維的5倍強(qiáng)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(qiáng)度外，更有以下好處：

1. 熱穩(wěn)定性，Kevlar大熱試驗(yàn)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(qiáng)度，保持填充劑的持久性。