地质钻探高强度铝合金钻杆研制及其应用

铝合金钻杆的设计制造技术属高新技术范畴,世界上只有俄罗斯、美国等少数发达国家能够批量生产。简要介绍了我国地质钻探用铝合金管材研制、铝合金钻杆制造关键技术及野外试验情况,并对今后铝合金钻杆的研发和应用方向提出了建议。项目工作成果对今后我国开发特深孔铝合金绳索取心钻杆和超深孔铝合金钻杆具有重要价值。安徽彭桥煤矿区的铝合金钻杆钻探试验最大孔深超过1000 m,应用效果良好,开辟了我国地质钻探铝合金钻杆在中深孔应用的先河。     

深部钻探铝合金钻杆开发应用

铝合金钻杆具有质量轻、比强度高、钻进深度大等特点,开发并应用铝合金钻杆对提高我国难进入地区钻探施工效率、推动深部科学钻探技术进步以及节能降耗等具有重大现实意义。本文介绍了我国铝合金钻杆批量化、系列化开发与应用的现状,并重点分析了铝合金钻杆应用技术特点、试制关键技术、室内试验和推广应用情况;根据铝合金钻杆的实钻应用情况及研发趋势,提出了我国铝合金钻杆开发的新构想。     

φ71 mm绳索取心铝合金钻杆的研制

介绍了国内外铝合金钻杆的研制现状,分析了绳索取心铝合金钻杆在地质钻探中的优势。对φ71 mm×5.5 mm绳索取心铝合金钻杆体与钢接头连接结构进行了详细设计。通过对试验钻杆进行静拉力、扭矩试验,得出了铝合金钻杆体与钢接头主要技术参数。     

铝合金钻杆的优越性及在地探深孔中的应用前景

在归纳铝合金钻杆众多优点的基础上,介绍铝合金钻杆与钢接头的连接方式、过盈配合,举例分析铝合金钻杆可显著减少深孔钻进大钩载荷、转盘扭矩和泵压损失的效果,探讨了铝合金钻杆在地探深孔中的应用前景。     

φ147 mm铝合金钻杆抗内外压强度试验研究

铝合金钻杆因具有质量轻、比强度高、抗腐蚀性好、低磁等优点,在深井与超深井钻探作业中备受关注。在深井与超深井钻进中,铝合金钻杆需要承受巨大的内外压力,因此有必要对钻杆所能承受的最大内外压力进行计算与试验,对自行研制的φ147 mm铝合金钻杆进行了静水内、外压试验与弹性力学理论计算校核,7075铝合金钻杆在内压69.51 MPa时持续加压20 min,没有发生泄漏现象;最大抗外压值为107.4 MPa。2024铝合金钻杆在内压48.65 MPa时持续加压20 min,没有发生泄漏现象;最大抗外压值为72.3 MPa。试验表明,铝合金钻杆抗内、外压性能良好,从而保证了铝合金钻杆在深井及超深井钻进时的可靠性。     

高可靠性铝合金钻杆及其在超深井和水平井中的应用

在我国颁布铝合金钻杆国家标准的前提下,归纳了铝合金钻杆用于超深井和水平井钻井的众多优点;分析了新标准铝合金钻杆与钢接头的连接方式:梯形丝扣连接、设置内支撑端面和锥形配合面、通过高温装配工艺实现过盈配合;介绍了在超深井和水平井中应用高可靠性铝合金钻杆可显著减少大钩载荷、转盘扭矩和泵压损失以及提高钻杆强度储备的效果。     

铝合金钻杆强度的模拟仿真分析

与传统的钢制钻杆相比,铝合金钻杆具有密度小、比强度高、无磁等优点,因此在钻井作业中具有较大优势。钻杆在井下工作环境恶劣,如与井壁发生碰撞,将导致钻杆变形,降低其强度。笔者通过Ansys LS-DYNA以及Workbench进行仿真,研究Φ147 mm铝合金钻杆与孔壁碰撞后的变形状态,以及产生裂纹后对其强度进行分析。结果表明,Φ147 mm铝合金钻杆在使用过程中,钻杆主体段相对薄弱,在2 m/s的速度下与钻孔壁发生碰撞会产生塑性变形,从而降低铝合金钻杆的性能。钻杆主体段的裂纹长度1 mm时,在载荷作用下,将发生裂纹扩展,导致钻杆断裂。钻杆主体段有裂纹时,在疲劳载荷作用下,有裂纹的钻杆所能承受的载荷是无裂纹钻杆所能承受载荷的五分之一。     

冷组装铝合金钻杆螺纹副力学性能测试及失效分析

与传统的钢制钻杆相比,铝合金钻杆具有密度小、比强度高、无磁等优点,因此在深井与超深井钻井作业中具有较大优势。在实际使用中,铝合金钻杆两端需要通过钢接头之间的螺纹来实现拧卸钻杆,而铝合金杆体与钢接头还需要过盈装配以实现紧固连接 。以液氮为冷源,对50 mm的7075铝合金钻杆管体与钢接头进行了“冷组装”过盈装配,铝合金管体与钢接头之间的过盈量分别为0.10、0.15、0.20 mm。对组装后两端带钢接头的铝合金钻杆分别进行了拉伸和扭转试验,评价了铝合金管体与钢接头连接的可靠性,对断裂试样的断口进行了宏观与微观分析,阐述了其断裂机理。结果表明,采用“冷组装”方式可以实现铝合金管体与钢接头的过盈装配,其中过盈量为0.15 mm时,带钢接头的铝合金钻杆综合性能较优,可以承受较大的抗拉强度极限和抗扭极限,其断裂方式为脆性断裂。     

钻井利器的故事之“铝合金钻杆”

地球科学的发展对地球深部数据的依赖程度越来越高,作为“入地”重要手段的科学超深井工程是研究深部地质学的重要方法,被誉为是“伸入地壳的望远镜”。与钢钻杆相比,铝合金钻杆以其独特的优越性(质量轻、比强度高、钻进深度深、所需能耗少),已成为难进入地区、大位移井、超深井等钻柱设计的优选方案。本文从科普的角度介绍了钻柱与钻杆的区别、钻柱的使用极限长度、铝合金钻杆的技术优势及其现存的不足之处,以此提高对铝合金钻杆的认识,促进铝合金钻杆的研究和发展。     

铝合金钻杆与钢接头可靠连接过盈量的计算及组装工艺

铝合金钻杆具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优点,但其耐磨性较低。实际使用时,将铝合金钻杆杆体与钢接头组装在一起形成钻杆柱,由钢接头来承受拧卸操作。由于铝合金与钢在弹性模量、热膨胀系数、屈服强度等方面的差异,经常出现连接不可靠的情况。针对饱147 mm ×13 mm的内加厚铝合金钻杆进行过盈量的理论计算,得出满足传递载荷及材料不产生塑性变形的过盈量范围是0.712～1.009 mm。同时对钻杆杆体及钢接头的组装工艺进行介绍。     

基于COMSOL的铝合金钻杆腐蚀分析

为预测科学超深井钻探工程中铝合金钻杆耐腐蚀性能,运用COMSOL软件,建立多物理场腐蚀分析模型,开展“松科二井”铝合金钻杆“应力-温度-电化学”作用下的腐蚀规律仿真分析。分析结果表明：腐蚀体系达到平衡时,铝合金电极一侧的电解质电位偏高,钢接头电极一侧电解质电位偏低,靠近钢接头电极一侧铝杆体电流密度高;随着钻杆所受应力、温度的增加,腐蚀速率加快,相对于温度的影响,载荷对腐蚀影响较小;腐蚀速率和井下工作时间成正线性相关;离钢接头的电偶腐蚀处越近,铝合金钻杆的界面电流密度越大,并成指数关系,外壁强影响区域大约在距电偶腐蚀处0~200 mm,内壁为0~110 mm。研究成果将为铝合金钻杆的工程防腐提供参考。     

地质钻探铝合金钻杆材料研制及室内试验研究

与钢钻杆相比,铝合金钻杆具有比强度高、刚度低、耐腐蚀性好等优点,在实施钻探工程作业时,可增加现有钻探设备钻进能力,减少钻机动力消耗,降低钻探施工难度,减轻工人劳动强度.开展地质钻探铝合金钻杆研究,对提高我国难进入地区地质调查钻探工程效率、推动地质钻探科学技术进步以及节能降耗工作具有重大现实意义.本文介绍了7E04铝合金...     

科学超深井钻探铝合金钻杆的腐蚀失效分析

针对铝合金钻杆在复杂的超深井钻井工程服役条件,分析了铝合金钻杆腐蚀行为的主要外在钻井工程因素,并进行了松辽盆地资源与环境深部钻探“松科二井”铝合金钻杆工程试样腐蚀程度的测试与分析。分析结果表明：钻杆结构、磨损与应力、钻井液介质、井内高温高压是其产生腐蚀的主要服役条件因素;铝杆体与钢接头连接处的腐蚀情况最为严重,铝杆体次之,加厚端部分耐蚀性最好;腐蚀产物的主要成分是Al2O3和Al(OH)3相。     

高强耐热铝合金钻杆材料优选

铝合金钻杆的使用性能是制约深部钻探技术发展的“瓶颈”。本文综合考虑孔内工况因素和钻杆性能因素,以钻柱组合设计为基础准则,从特深孔钻探工程技术需求出发,开展了高强耐温铝合金钻杆材质选择和评价的试验研究。试验结果表明：2219铝合金固溶时效制度分别为535 ℃/1 h、165 ℃/20 h,2618铝合金固溶时效制度分别为530 ℃/1 h、200 ℃/20 h;2219铝合金在高温长时间暴露后的室温力学性能优于2618铝合金,在高温瞬时条件下的力学性能劣于2618铝合金;2219铝合金中含有Zr,该元素在热暴露过程中起到减缓溶质扩散速率的作用,这对提高热暴露后的剩余强度是有利的。     

含缓蚀剂钻井液对铝合金钻杆材料的腐蚀影响

铝合金钻杆在钻井液中发生腐蚀会引发严重的孔内事故。为了延缓钻井液对铝合金钻杆的腐蚀作用,在pH值为10、温度为70 ℃的聚磺体系钻井液中,分别加入一定比例的有机缓蚀剂（十二烷基苯磺酸钠,C18H29NaO3S或SDBS）及稀土缓蚀剂〔硫酸镧,La2(SO4)3〕,通过力学性能测试,研究缓蚀剂对7075系铝合金钻杆材料腐蚀的影响。结果表明：上述2种缓蚀剂均可降低铝合金在碱性钻井液中的腐蚀,提高铝合金钻杆抗拉强度最高达6.73%;合金中Cu、Mg、Si等元素的第二相粒子是腐蚀的敏感区域,第二相粒子脱落后即形成腐蚀坑;在产生腐蚀裂纹时,腐蚀产物主要由Al、C、O等元素组成。     

俄罗斯科学深钻技术概况和特点──技术考察系列报道之四

俄罗斯科学深钻技术概况和特点──技术考察系列报道之四中国地质勘查技术院王达，张伟地矿部探矿工程研究所汤松然５铝合会钻进管材５．１概况铝合金钻杆柱用于钻探施工，尤其是钻深井和超深井，具有一系列优点。前苏联的钻探界十分重视铝合金材料和钻柱的研究、开发和应...     

深井复合钻柱技术在特深科学钻探中的应用探讨

深井复合钻柱技术是解决特深科学钻探超长钻杆柱可靠性问题的重要途径,其与设备能力、材料性能、钻进条件及管柱力学等息息相关。本文系统总结了复合钻柱技术在我国深部钻探中的发展和应用情况,在复合钻柱强度理论的基础上,探讨了不同复合钻柱的组合方案及其极限下深。研究结果表明,若以?216 mm直径终孔,仅依靠钢质钻柱已无法满足特深钻探13000 m的下深要求,而采用V150钢级?127 mm钻杆配合?127 mm钛合金钻杆及S135钢级?127 mm钻杆配合?129 mm铝合金钻杆可分别满足最大13484 m和18783 m的下深要求,钻柱总重分别仅有360.5 t和324.3 t,均具备可靠的安全性保障。本文对特深科学钻探用复合钻柱的设计和选择具有参考意义。     

轻合金钻杆试验结果

由BA－23,ABT－1和16－T铝合金制成,并具有钢及轻合金卡子()的钻杆业已经过试验。确定了管的强度参数。在试验台上试验了管的疲劳强度。钢和     

铝合金钻杆试验概况

为了尽快实现我国钻探技术的现代化,使钻探装备轻便化,充分发挥金刚石钻进高转速、高效率的特长,冶金部于1973年组织有关单位开展铝合金钻杆研制及钻进试验工作。几年来在各级党组织的领导下,经过广大工人和科技人员的共同努力,取得了初步效果。铝钻杆钻进的技术意义金刚石岩心钻进的最大工艺特点是高转速,钻进效率随钻进转速的提高而提高(当     

超声波冷锻与阳极氧化处理铝合金钻杆摩擦学性能研究

恰当的表面工程技术是实现长寿命、高可靠性、高耐磨性铝合金钻杆的关键技术之一。本文选用超声波冷锻技术(Ultrasonic Cold Forging Technology,UCFT)和阳极氧化技术(Anodic Oxidation,AO)对铝合金钻杆材料(7E04)进行表面强化处理。在球盘摩擦磨损试验机上对UCFT和AO处理前后铝合金的摩擦学性能进行表征,选取Zr O2硬质材料的对磨球。结果表明,经UCFT处理后样品表面形成了约为100μm的塑性变形层,表面晶粒细化至56 nm;经AO处理后样品表面生成了多孔的氧化物层,其厚度约60μm;UCFT处理与AO处理均不同程度地提高了样品的表面硬度和耐磨性;且AO处理能有效降低样品的摩擦系数;与未处理的样品表面发生了磨料磨损、粘着磨损和塑性形变不同,UCFT处理的样品呈现出典型的粘着磨损形貌,AO处理的样品主要为疲劳磨损形式。