高性能钻杆研发及应用进展

秦长毅，蒋家华，蒋存民，张震宁

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077; 2.江苏曙光集团股份有限公司 江苏 泰州 225500)

·综 述·

高性能钻杆研发及应用进展

秦长毅1，蒋家华2，蒋存民2，张震宁2

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077; 2.江苏曙光集团股份有限公司 江苏 泰州 225500)

从钻杆材料的韧性、抗腐蚀性能、疲劳寿命的研究，钻杆特殊螺纹接头研发，钻杆几何尺寸改进等5个方面，分析了钻井生产需求和钻杆失效预防对高性能钻杆使用性能的需求，以及对其研发应用的推动；阐述了高性能钻杆的研究进展和应用现状；并提出了持续开展高性能钻杆研究的建议。

高性能钻杆；韧性；疲劳；特殊螺纹接头

0 引 言

钻杆是钻柱的主要组成部分，在旋转钻井中传递扭矩，在钻井过程中作为钻井液的循环通道,并通过不断连接来加长钻柱进而达到不断加深井眼的目的。钻杆在钻井设备中占有十分重要的地位，其使用寿命对钻井速度和质量具有至关重要的影响。钻井过程是石油天然气勘探开发的关键环节，其技术和水平直接影响油气勘探开发的质量和效益，其费用占勘探开发总投资的50%以上，其中钻柱的质量和安全使用寿命起着至关重要的作用[1,2]。钻杆在钻井过程中服役条件苛刻，不仅承受拉压、弯曲、扭转、震动等多种载荷的复合作用，而且受到钻井液、地层水以及油气中的腐蚀性气体介质的腐蚀，在钻进过程中常常发生失效，从而严重影响钻井进度并增加钻井成本。随着深层油气资源的勘探开发，水平井、定向井、大位移井、深井、超深井以及欠平衡和气体钻井技术不断推广应用。这些钻井技术的应用使钻井条件和井下情况出现了新的变化,对钻杆的质量和使用性能提出了更高的要求，也使钻杆面临着许多新的具有挑战性的问题。例如，复杂的地质条件和钻井深度的增加，使钻柱承受更大的拉伸、扭转和冲击等交变载荷，整体受力更为复杂，对钻杆的疲劳和腐蚀疲劳抗力提出了新的更高的要求；高含硫气田开发中地层流体富含腐蚀性很强的硫化氢气体和卤性盐水，对钻杆的抗腐蚀性能提出了更高的要求[3,4]。为了满足最新钻井技术要求和日益苛刻的钻井作业要求，钻杆生产企业不断地进行钻杆的理论研究、不断地提高钻杆的质量、不断地研究开发新产品[5]，越来越多具有高强度高韧性及特殊螺纹接头的高性能钻杆应用到钻井过程中。高性能钻杆在使用过程中也逐渐暴露出一些问题甚至发生了失效事故，国内外相关研究人员为此展开了一系列研究，旨在解决问题预防失效，切实提高钻杆质量、提升使用性能、延长使用寿命，从而保证整个钻柱系统的结构完整性和密封完整性，确保钻井生产的正常运行，对于保证石油天然气钻井安全具有重要意义。

1 高性能钻杆材料研究

1.1 高强度钻杆的韧性

目前，API规范中的G105和S135高强度钻杆已广泛应用于石油天然气钻井过程中，经过近几十年来的不断研究和改进，钻井技术和钻杆性能相互促进，钻杆的产品质量已有了大幅提升。在严苛的使用条件下，钻杆依然会出现失效事故，统计分析发现，失效形式主要为刺孔和断裂[6-13]，其主要的失效机理为疲劳和腐蚀疲劳，属于低应力断裂[14]。钻杆刺穿或断裂的失效过程：钻井液腐蚀坑形成→疲劳裂纹萌生→裂纹扩展穿透壁厚→高压钻井液刺出→形成刺孔→断裂。从本质上讲，刺穿是早期疲劳或腐蚀疲劳失效，裂纹穿透钻杆壁厚以后，最后的表现形式是发生刺孔失效还是断裂失效取决于钻杆所承受的外力载荷和钻杆材料的性能[11,15]。在一定的工作应力下，裂纹能否扩展穿透壁厚和刺穿后裂纹是否稳定扩展以及稳定扩展裂纹尺寸的大小取决于材料的韧性[16]。高韧性材料有高的抵抗裂纹扩展的能力，在钻杆断裂前允许有更长的裂纹存在，因此提高材料的韧性不但可以防止钻具的脆断，更重要的是延长钻具的使用寿命[17]。

随着深井、超深井和盐层复杂地层井的开发，国内外钻杆生产厂家均致力于S135高韧性钻杆和超高强度钻杆的开发。新产品已应用到油气钻井中，并取得了增加钻井深度，缩短完钻周期、节约钻探成本的突破性进展。例如，NOV Grant Prideco公司的S135-T、Z-140、V-150和UD-165钻杆，提高的屈服强度提供了优越的抗扭和抗拉强度，使钻柱重量降低，钻柱设计简单。在国内，天管和海隆合作研发出165钢级的钻杆，宝钢和渤海装备也均生产了150钢级的钻杆。通过某V150钢级钻杆的断裂失效，分析其失效原因是韧性降低导致的脆性断裂[18]，可见超高强度钻杆能否大规模投入应用，关键还是在保证屈服强度的同时，能否具备符合复合生产需求的韧性。

钻杆的最低韧性要求不但要与其强度相配合，而且与其服役环境有关，为避免脆性断裂事故的发生，首先应使材料的韧脆转变温度低于钻井现场的地面气温。对于寒冷地区以及腐蚀环境需要更高的材料韧性。

1.1.1 安全韧性指标的确定

当钻杆内形成裂纹后，如果钻杆所承受的外载荷以及材料自身性能使疲劳裂纹扩展速度较慢，临界裂纹尺寸较大，高压钻井液的冲刷作用会将裂纹尖端钝化，降低裂纹尖端应力强度因子，从而控制裂纹的扩展速度。裂纹沿周向和径向扩展，穿透壁厚后形成刺孔，钻井液通过刺孔流出。随着刺孔的形成和扩大，钻井工作者可以通过地面泵压的明显下降判断钻杆已发生刺穿失效，及时采取措施，防止钻杆进一步发生失稳断裂。反之，当钻杆内形成裂纹后，如果钻杆所承受的外载荷以及材料自身性能使疲劳裂纹扩展速度较快，临界裂纹尺寸较小，裂纹直接演变为断裂失效[15]。因此，为保障疲劳和腐蚀疲劳断裂的安全性，应采用“先漏后破”准则。

当材料的韧性达到一定值时，钻杆的失效模式可由“断裂”转变为“刺穿”[16]；统计分析刺孔的尺寸在20～40 mm之间集中分布，根据断裂力学原理，利用断裂韧性与夏比冲击韧性之间的关系[19]，可以计算出钻杆夏比冲击韧性的最低要求值。通过应力强度比系数的提出，可进一步推导出钻杆发生“先漏后破”失效模式的材料韧性指标的计算公式；统计分析失效钻杆的断口形貌得出疲劳裂纹稳定扩展长度为60～80 mm，可以计算了高强度钻杆的夏比冲击要求值[15]。

1.1.2 提高韧性的途径

目前，实现高强度钻杆具有高韧性的主要途径为控制化学成分和淬火-回火热处理工艺。有学者总结了我国钻杆用钢的成分及热处理工艺的研究情况，统计分析了近年高性能钻杆用钢的主流钢种及其力学性能，发现当前我国高强度钻杆用钢性能可以达到使用要求并具有较好的强度和韧性匹配[20]。高强度和超高强度钻杆用钢的冶炼中采用纯净钢生产技术，降低钢种的P和S含量，不仅明显提升材料的冲击韧性还可以明显降低对硫化物应力腐蚀开裂的敏感性[5]。

关于钻杆用钢的热处理工艺和材料力学性能，研究26CrMo4s/2钻杆用钢在不同回火温度处理后的拉伸强度和冲击韧性，分别确定了得到较高冲击韧性的回火温度范围和拉伸强度不发生明显降低的温度范围，从而得到同时保证材料强度和韧性的精确回火温度控制范围[21]。对S135钢级钻杆进行了分级淬火及回火热处理，获得下贝氏体 /马氏体型复相组织；研究表明在保证强度的前提下，下贝氏体相的引入可以提高钻杆钢的韧性，并可以有效提高微裂纹萌生及扩展的阻力[22]。对V150钢级钻杆进行了系统的回火温度优化试验，找出回火温度的拐点，在拐点温度以下，可以在保证强度的基础上实现冲击韧性的显著提高；并统计分析第二相粒子析出形态和数量，优化回火温度，增强第二相强化并提高材料韧性[23]。研究析出相的形貌及结构尺寸发现其具有多重特征，表现出对回火温度的依赖性。通过对不同回火温度处理后材料微观组织的观察，分析析出相的组织和形貌，得出析出相形貌演变，进而得到使材料具有良好的强度/韧性匹配的回火温度[24]。

钻杆管体与接头通过摩擦焊接的方式连接成整体，为了保证钻杆的整体性能，焊缝的质量不容忽视。通过精准的回火温度测控和焊缝热处理宽度的控制，可以制造出焊缝区域性能参数均匀稳定的高韧性的S135钢级钻杆[25]。

1.2 钻杆的抗腐蚀性能

在钻井作业中，为适应各种钻井工艺的需要，使用了盐水、钾基聚合物等钻井液体系，并含有多种添加剂，在井下高温高压作用下具有强烈的腐蚀性[26]。在酸性气田开发中，高强度钻杆极易被H2S腐蚀，发生钻杆的过早失效，从而增加了钻井的风险和不安全因素。高强度钻杆因其材料强度的提高，必然会导致材料硬度的提高，而材料硬度的提高,对腐蚀环境的敏感性增强,发生腐蚀和应力腐蚀的风险性越高[27]。

采取优化钢的化学成分、严格控制淬火和回火的热处理技术，可以提高钻杆的抗硫腐蚀性能。抗硫钻杆钢的强 /韧性匹配依赖于析出相-位错交互作用和析出相-基体变形协调两种机制的相互竞争[24]。有学者对两种材质的钻杆，进行腐蚀性能对比试验，包括氧腐蚀试验、CO2腐蚀试验、硫化物应力腐蚀试验，系统分析了两种材质对抗不同腐蚀的性能[28]。该研究不仅为进一步提高钻杆材质的使用性能提供依据，还为高性能钻杆在不同用途的选材提供依据。

1.3 疲劳寿命研究

通过统计分析我国主要油田的钻杆失效事故发现，失效事故中的80%都与疲劳有关[19]。对钻杆疲劳寿命进行科学预测，避免钻杆超寿命服役，对于预防钻杆失效具有重要意义。

关于采用小试样试验研究钻杆材料的疲劳寿命研究，集中在裂纹扩展速率和机理的研究。通过对不同化学成分、组织状态及钢级的钻杆材料在不同应力集中程度下和典型环境介质中腐蚀疲劳行为进行研究表明[29]：随着强度的升高，钻杆材料的腐蚀疲劳敏感性增大，应力集中对腐蚀疲劳寿命的降低更严重；载荷频率降低，腐蚀疲劳裂纹扩展速度加快，应力集中对腐蚀疲劳寿命降低更明显；介质的温度升高和饱和O2或CO2都促进腐蚀疲劳过程；钻杆上先期形成的点蚀坑越深，对疲劳寿命的降低越显著。采用单点弯曲单边缺口试样对165钢级钻杆用钢在H2S酸性环境中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率进行研究指出[30]，当硫化氢分压较大时，疲劳裂纹的扩展速率并不随应力频率而变化。对拉扭载荷作用下的S135钻杆疲劳寿命曲线进行了试验检测，分析疲劳断口特征发现[31]：扭转疲劳裂纹形成于光滑试样表面，且疲劳源的大小随切应力幅值的增加而增加；在疲劳源与疲劳裂纹扩展处的微观形貌特征为典型纯滑移型断裂，在裂纹扩展处涟波状花样区域的大小随切应力幅值的增加而增大。对4种化学成分及材料性能均符合标准要求且材料的拉伸强度基本相同的钻杆进行腐蚀疲劳试验，发现钻杆材料的腐蚀疲劳寿命相差很大，研究表明[32]：腐蚀疲劳裂纹扩展机理是阳极溶解与氢致开裂共存，氢致开裂加快了疲劳裂纹扩展；成分偏析及夹杂物导致材料的阳极溶解、特别是氢致开裂速度加快,所以是腐蚀疲劳寿命减少的主要原因；钻杆材料的低倍组织酸洗检验可作为间接评定钻杆材料腐蚀疲劳性能的方法。

关于钻杆疲劳寿命预测的理论计算研究，集中在疲劳裂纹扩展公式或S-N曲线对疲劳寿命的分析计算，以及通过模型的改进使计算结果更好的指导钻杆在实际钻井工程中的应用。对钻柱进行应力状态分析和等效应力合成，在此基础上运用可靠性理论确定影响钻杆疲劳寿命的随机性参数；结合裂纹扩展速率Forman模型建立钻柱I、III复合型疲劳裂纹扩展速率的计算模型，可以计算相应可靠度下钻柱疲劳裂纹的循环寿命[33]。采用疲劳寿命对数正态分布模型和Basquin公式，可以得出中短寿命区完整的概率-应力-疲劳寿命(P-S-N)曲线；并利用2 m-1外推法给出长寿命区疲劳寿命表达式及疲劳极限[34]。基于可靠性理论对钻杆疲劳裂纹萌生寿命预测进行研究，发现钻杆管体部位承受的弯曲及拉伸应力载荷均明显大于接头螺纹连接部位；通过不同应力幅条件下的疲劳寿命试验，发现钻杆疲劳裂纹萌生寿命分布符合正态分布，且随着应力水平的降低，疲劳裂纹萌生寿命分布概率密度函数的峰值逐渐降低，疲劳裂纹萌生寿命的离散性逐渐增强；可以计算不同可靠度下的疲劳裂纹萌生寿命对数值，得到寿命预测方程[35]。

2 高性能钻杆结构研究

高性能的钻杆不仅需要使用具有高强度高韧性耐腐蚀的材料，还需要具有合理的适于使用的结构。日益苛刻的钻井工况环境一方面对钻杆的使用性能提出了更高的要求：增大上扣扭矩，提高上扣速度，提高机械性能和水力性能，具有良好的气密封性能等；另一方面，对钻杆的使用寿命和使用安全也提出了更高的要求。钻井生产对钻杆性能和寿命的需求促进了钻杆结构设计的优化。

2.1 特殊螺纹接头的研发

API钻杆接头的抗扭强度普遍低于管体，在使用时靠外螺纹根部的直角台肩面与内螺纹端面的直角台肩互相挤压，形成密封，当钻杆受到拉伸载荷作用时，密封面上的接触压力就会显著下降，从而失去密封作用[36]。为了满足高强度钻杆钻探深井、水平井或大斜度定向井的需要以及解决钻杆接头在使用中出现的问题，特殊螺纹钻杆接头应运而生，其主要特点是具有更小的外径，更大的内径，更高的抗扭强度和更好的密封性能，可以承受更为苛刻的复合载荷。特殊螺纹接头基本采用双密封台肩的设计形式，高抗扭接头的扭转强度相比API NC螺纹接头增加40%左右，超高抗扭接头可增加70%左右。接头较小的外径和较大的内径可用于小井眼钻井并提高液压；更高的扭转强度，可施加更大的扭矩操作；磨损留量增加。

考虑接头的使用性能的改善和不断提升，特殊螺纹接头在研发设计中还考虑了接头外径、内径、镗孔段长度、应力分散槽、螺纹锥度等的改进。例如，钻杆接头的标准锥度为1∶6，NOV Grant Predeco公司开发了和标准油套管接头相同的1∶16锥度，明显增加了辅助内台肩的接触面积，大幅提高了接头的抗扭能力。有研发人员[37]改变了外螺纹的锥度，使得螺纹应力分布更加均匀，并降低了主台肩过渡圆角处的应力集中。

评价螺纹接头的抗扭性能、密封性能和承受复合载荷的能力，主要有两种方法：实物试验和有限元分析。通过实物上/卸扣试验，可以检验接头的抗粘扣性能和抗扭能力；通过实物复合载荷试验，可以检验接头在轴向载荷、内/外压力、弯曲等多种载荷复合应力作用下的密封性能，以及温度环境对接头密封和结构完整性的影响；通过实物弯曲疲劳试验，可以检验钻杆管体和接头的抗疲劳性能。实物试验可以检验产品的使用性能是否满足设计要求，及时发现设计和加工中存在的问题。钻杆接头在使用中的应力分布状态直接决定了钻杆的连接强度和密封性能等[38]。因此，对钻杆接头的应力分布规律进行分析，是提高钻杆使用性能的关键，有限元分析方法被广泛运用。采用有限元分析方法，对比某双台肩高抗扭接头与API接头，分析发现双台肩高抗扭接头的抗扭强度为API接头的1.5倍，前者在轴向拉力和扭矩的共同作用下，等效应力明显好于后者[39]。建立力学模型分析接头在不同紧扣圈数及拉伸载荷作用下的受力情况表明，合理的紧扣圈数可以显著提高接头的密封性能，能有效降低拉伸载荷作用下螺纹牙轴向载荷增长幅值，延长接头的使用寿命[40]。采用三维有限元模型分析双台肩钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力和弯矩作用下的受力特性，可以得出螺纹接头在不同作用下承受最大载荷的部位[41]。有学者针对螺纹粘扣时接触压力过大引发的塑性变形的问题，分析了钻杆接头接触压力分布规律和 Mises 应力分布规律，发现外螺纹大端第一个螺纹牙是最易发生粘扣的部位，应在螺纹结构优化中重点考虑[42]。有学者通过三维有限元模型，研究大轴向载荷作用下钻杆接头的密封机理发现合理的接触压力才能保证接头的密封性能[43]；当轴向载荷超过一定值后，主、副台肩失去密封性能，增加接头发生应力腐蚀的风险。有限元分析方法侧重应力分布和理论机理研究，可与实物实验的相互验证。两种方法共同使用，对钻杆接头的优化设计起到了积极的促进作用。

2.2 钻杆规格和几何尺寸的改进

钻杆的腐蚀疲劳和硫化物应力腐蚀失效，除材料的抗腐蚀性能影响，集中出现在应力集中处。钻杆的应力集中主要位于螺纹接头的台阶圆角和螺纹牙底，以及管体的内加厚过渡处。石油管工程技术研究院对大量失效钻杆分析研究，发现随着内加厚过渡区长度的增加和过渡圆角半径的增大，内加厚过渡区消失点的应力逐渐减少，应力集中逐渐降低，通过有限元分析和实物试验验证，提出了改进内加厚过渡区结构和尺寸的研究成果，即内加厚过渡区最小长度为100 mm，过渡圆角半径最小为300 mm，该研究成果被API采纳，现场数据证明，钻杆的内加厚过渡区增长，可有效提升钻杆寿命[44]。近年来又发现内加厚过渡区长度大于100 mm的钻杆在深井和水平井钻探中失效事故频发，将过渡区长度增加到140 mm以上，钻杆的疲劳寿命大幅提高[5]。

通过分析我国西部油田多年钻杆大量疲劳刺漏的原因，研究人员[45]发现除了增加内加厚过渡长度之外，增加壁厚和延长外加厚长度均可提高钻杆的疲劳强度；研究还发现 127 mm 钻杆不适合深井、超深井的大拉力、高扭矩、高转速、大狗腿、强腐蚀等等复杂工况，提出了用于深井的139 mm和非API的149 mm大直径钻柱设计思想。

3 结束语

先进钻井技术的推广应用和安全高效钻井作业的生产需求，推动了钻杆制造技术的进步和高性能钻杆的研发，国内外研究人员在高强度高韧性钻杆材料的研制，特殊螺纹接头开发，钻杆疲劳断裂机理以及寿命预测技术等方面均取得了重要的研究成果并取得了显著的应用效果。“三超”、非常规以及新型油气资源的勘探开发，对钻杆服役性能提出了更高要求，高性能钻杆研发还需要持续开展。为了延长钻杆的使用寿命，有效控制和减少钻杆失效事故的发生，需要进一步完善超高钢级钻杆材料的韧性、抗腐蚀性能和疲劳寿命预测研究；开发性能更优越的特殊螺纹接头；提升钻杆制造技术，避免因制造过程的问题引起钻杆的早期失效；提升高性能钻杆的检验和评价技术，充分发挥实物试验和三维有限元分析的作用；加强高性能钻杆的选用和管理。

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Research and Application Development of High-performance Drill Pipe

QIN Changyi1, JIANG Jiahua2, JIANG Cunmin2, ZHANG Zhenning2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China; 2.JiangsuShuguangGroupCo.Ltd.,Taizhou,Jiangsu225500,China)

The research progress and application status of high-performance drill pipe were described through five aspects including the research on drill pipe material toughness, corrosion resistance and fatigue life, the research and development of premium connection, and the improvement of drill pipe geometry. Drilling requirements and drill pipe failure prevention promoted the research and development of high performance drill pipe were analyzed. Finally, intented research on high performance drill pipe was suggested.

high-performance drill pipe; toughness; fatigue; premium connection

秦长毅，男，1962年生，教授级高工，主要从事质量计量标准化管理工作。E-mail:qincy@cnpc.com.cn

TE921.2

A

2096-0077(2017)01-0009-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.002

2017-01-06 编辑：屈忆欣)