引 言

在特深井修井作業(yè)中， 修井鉆具面臨強(qiáng)度低、修井機(jī)負(fù)載高等難題， 常規(guī)S135 鋼鉆具已經(jīng)不能完全滿足作業(yè)需求。鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、抗腐蝕性能和耐疲勞性能好等特性， 近年來在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。在石油工程中使用鈦合金鉆桿可減輕地面設(shè)備負(fù)載、減少水力損失、提高延伸位移等。鈦合金鉆桿在超短半徑鉆井、超深井鉆井和深水鉆井中應(yīng)用時(shí)技術(shù)優(yōu)勢明顯。從技術(shù)角度篩選， 鈦合金鉆具能全面滿足特深井修井作業(yè)需求。

早在20 世紀(jì)90 年代， 美國就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鈦合金管材在石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用[1-2] 。應(yīng)用最為成熟的是美國RMI 公司[3] ， 該公司于20 世紀(jì)90 年代開發(fā)出一種合金含量低、材料成本低以及加工性能良好的α＋β 型Gr. 28 鈦合金，并用于油井管的生產(chǎn)制造， 在滿足油氣生產(chǎn)強(qiáng)度與耐蝕性要求的前提下， 顯著降低了鈦合金油井管的生產(chǎn)成本。Weatherford 公司的子公司Grant Prideco及RTI 國際公司在Texas 的子公司(RTI 能源系統(tǒng)公司)， 于21 世紀(jì)初研制出強(qiáng)度高、撓性和耐用性好， 而且質(zhì)量輕、耐腐蝕的鈦合金鉆桿[4-7] ， 鉆桿本體材料采用Ti-6Al-4V (ASTM5) 合金， 屈服強(qiáng)度為840 MPa， 相當(dāng)于S135 鋼鉆桿強(qiáng)度與質(zhì)量比值的1.54 倍， 疲勞壽命比鋼鉆桿延長了近10 倍。

國內(nèi)只有少數(shù)幾家研究院所和制造廠進(jìn)行鈦合金材料在石油天然氣鉆完井領(lǐng)域的先期研究。中國石油管工程技術(shù)研究院進(jìn)行了鈦合金油井管全面的試驗(yàn)研究工作， 并與制造廠合作開發(fā)出鈦合金油管， 目前正在逐步推廣應(yīng)用。

1、鈦合金鉆桿力學(xué)性能測試

1. 1 硬度測試

采用TC4U 鈦合金， 依據(jù)文獻(xiàn)[8] 進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)， 對一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗(yàn)力壓入試樣表面， 規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力， 測量試樣表面壓痕的深度， 由壓痕的深度求出材料硬度。試驗(yàn)原理如圖1 所示。

鈦合金材料摩擦焊區(qū)剖面硬度測試位置示意圖

如圖2 所示。鈦合金材料接頭硬度和管體硬度測試

結(jié)果如表1 所示。

焊區(qū)不同位置(1～14) 剖面硬度分別為30. 3、30. 5、30. 4、33. 2、31. 2、31. 4、31. 8、31. 1、31. 1、30. 2、33. 2、31. 1、30. 6 及31. 3 HRC。

測試結(jié)果表明， 鈦合金管體硬度平均值為34. 5 HRC， 大于鈦合金接頭硬度平均值30. 3HRC。鈦合金焊區(qū)剖面硬度在14 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中硬度平均值為31. 2 HRC， 且無明顯波動點(diǎn)。

1. 2 拉伸性能測試

采用TC4U 鈦合金， 依據(jù)文獻(xiàn)[9]進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。其不同位置拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明， 管體抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度最強(qiáng)， 焊縫處伸長率最高。

1. 3 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測試

采用TC4U 鈦合金， 依據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測試。試驗(yàn)原理為試樣旋轉(zhuǎn)并承受彎矩， 產(chǎn)生彎矩的力恒定不變且不轉(zhuǎn)動。試驗(yàn)一直進(jìn)行到試樣失效或超過預(yù)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)如表3 和表4 所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明， 在鉆井液環(huán)境中鈦合金鉆桿材料旋轉(zhuǎn)彎曲壽命可超過107 次， S135 鉆桿鋼只能達(dá)到105 ～106 次。

2、鈦合金鉆桿管體強(qiáng)度計(jì)算

管體抗拉強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度一般與套管鋼級和壁厚等有關(guān)。通常來說， 管體鋼級和壁厚越大， 其抗拉強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度越高[11] 。

鈦合金管體抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中: pt為管體抗拉強(qiáng)度， MPa; D 為管體外徑，mm; t 為管體壁厚， mm; Yp為材料最小屈服強(qiáng)度，MPa。

鈦合金管體抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中: pi為管體抗內(nèi)壓強(qiáng)度， MPa。

由式(1) 和式(2) 可知， 在外徑、壁厚和鋼級相同的條件下， 鈦合金鉆桿的管體抗拉強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度與對應(yīng)鋼鉆桿的管體抗拉強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度相等， 鈦合金鉆桿的抗外擠強(qiáng)度計(jì)算需要進(jìn)一步開展管體擠毀試驗(yàn)以確定標(biāo)定值。

3、鈦合金鉆桿在特深井修井作業(yè)中的使用性能研究

3. 1 鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

以順北特深井為例， 最大井深8225 m， 修井作業(yè)中涉及上提、下放、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和打撈解卡等工序。為了解決特深井修井作業(yè)中鉆具組合強(qiáng)度、鉤載和水力參數(shù)等問題， 設(shè)計(jì)了特深井修井作業(yè)的鈦合金＋鋼鉆桿復(fù)合鉆具組合， 相關(guān)參數(shù)對比如表5所示。

3. 2 軸向載荷及抗拉強(qiáng)度校核

采用原鉆具組合的軸向載荷及抗拉校核結(jié)果如表6 所示。?88. 9 mm＋?73. 0 mm S135 鋼鉆具組合(鉆具長度8 225 m)， 鉆具自重1 284 kN (考慮浮力)， 一旦作業(yè)過程中遇卡， 需進(jìn)行解卡作業(yè)， 作業(yè)管柱最小安全系數(shù)為1. 16， 不滿足現(xiàn)場要求(作業(yè)管柱安全系數(shù)≥1. 3)， 解卡作業(yè)最大鉤載達(dá)到1 784 kN， 而XJ850 修井機(jī)最大載荷為2 250kN， XJ850 修井機(jī)最大安全提升載荷為1 800 kN，已經(jīng)接近修井機(jī)最大安全鉤載極限。

使用鈦合金＋鋼鉆桿復(fù)合鉆具組合的軸向載荷及抗拉強(qiáng)度校核結(jié)果如表7 所示。?101. 6 mm 鈦合金＋?88. 9 mm V150＋?73. 0 mm V150 鉆具組合， 鉆具自重1 019 kN (考慮浮力)， 作業(yè)管柱最小安全系數(shù)為1. 59， 滿足現(xiàn)場要求， 解卡作業(yè)最大鉤載達(dá)到1 519 kN， 未超過XJ850 修井機(jī)安全提升載荷。因此， 使用鈦合金鉆桿能夠很好地解決特深井

修井作業(yè)中鉆具抗拉安全系數(shù)低以及修井機(jī)負(fù)載高等難題。

3. 3 沖砂作業(yè)水力性能研究

3. 3. 1 砂粒沉降速度計(jì)算方法

砂粒的沉降速度直接影響最小注入速度和沖砂工作排量， 因此準(zhǔn)確計(jì)算砂粒的沉降速度至關(guān)重要。計(jì)算砂粒沉降速度的常用方法有牛頓-雷廷格計(jì)算法、莫爾計(jì)算法、劉希圣推導(dǎo)法、斯篤克計(jì)算法和模擬試驗(yàn)法等。各種方法具體的計(jì)算公式如表8 所示。

為準(zhǔn)確計(jì)算， 本文采用前3 種計(jì)算方法計(jì)算后， 取其平均值獲得砂粒沉降速度。

3. 3. 2 沖砂作業(yè)水力參數(shù)計(jì)算

研究表明[17] : 當(dāng)液體上返速度和砂粒在沖洗液中沉降末速的比值(即vl / vt ) 為1. 6 ～ 1. 7 時(shí)，砂粒在上升液流中呈懸浮狀態(tài); 而當(dāng)液流上返速度稍增加時(shí)， 砂粒便開始上升。因而， 保證將砂粒帶出地面的條件是vl / vt≥2， 即最小注入速度vmin ＝2vt。

當(dāng)沖砂液黏度為20 mPa?s 時(shí)， 計(jì)算出兩種不同鉆具組合使砂粒上返的臨界排量， 在對應(yīng)的臨界排量下， 兩種不同鉆具組合的循環(huán)摩阻隨砂粒直徑的變化規(guī)律如圖3 所示。由圖3 可知: 隨著砂粒直徑的增大， 兩種鉆具組合的循環(huán)摩阻均逐漸增大;采用鈦合金＋鋼鉆桿復(fù)合鉆具組合后， 鉆桿內(nèi)流道直徑增大， 循環(huán)摩阻顯著降低。

當(dāng)砂粒直徑為8 mm 時(shí)， 在循環(huán)泵壓為25 MPa的要求下， 兩種不同鉆具組合的最大排量隨液體黏度的變化規(guī)律如圖4 所示。由圖4 可知: 隨著液體黏度的增大， 兩種鉆具組合的最大循環(huán)排量均逐漸減小; 采用鈦合金＋鋼鉆桿復(fù)合鉆具組合后， 鉆桿內(nèi)流道直徑增大， 循環(huán)排量顯著提高。

4 結(jié) 論

(1) 硬度、拉伸性能和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測試結(jié)果表明， 鈦合金材料具有良好的力學(xué)性能， 鈦合金鉆桿材料旋轉(zhuǎn)彎曲壽命可超過107 次， S135 鉆桿鋼只能達(dá)到105 ～106次。

(2) 通過鉆柱優(yōu)化設(shè)計(jì)， 形成了一套用于特深井修井作業(yè)的鈦合金＋鋼鉆桿復(fù)合結(jié)構(gòu)的鉆具組合， 使用該復(fù)合鉆具組合后， 解卡作業(yè)最大鉤載由1 784 kN 降低至1 519 kN， 作業(yè)管柱最小安全系數(shù)由1. 16 升高至1. 59， 解決了特深井修井作業(yè)中鉆具強(qiáng)度低以及修井機(jī)負(fù)載高的難題。

(3) 通過研究沖砂作業(yè)過程中砂粒沉降速度及合理環(huán)空上返速度計(jì)算方法， 對比分析了原鉆具組合和鈦合金＋鋼鉆桿復(fù)合鉆具沖砂作業(yè)水力性能。分析結(jié)果表明， 采用鈦合金＋鋼鉆桿復(fù)合鉆具組合后， 鉆桿內(nèi)流道直徑增大， 循環(huán)摩阻顯著降低， 循環(huán)排量顯著提高。

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第一作者簡介: 康紅兵， 高級工程師， 生于1978 年，2003 年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)， 現(xiàn)從事井下作業(yè)工藝研究工作。地址: (830000) 新疆烏魯木齊市。電話:

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