油气井管材--新材料新工艺与新技术

第1章油气井管材概况 油气井管材简称油井管，是油气井钻采中用量*大和*为重要的结构材料，在现代石油工业勘探开发中具有极其重要的作用，其性能与质量直接决定了油气井的钻采效率和服役寿命。油气井管材通过接头连接形成的系统称为管柱。管柱是建立油气井筒及油气资源采收通道的重要载体和保障油气井筒完整性的重要实体屏障，也是油气田开展油气生产的重要基础设施。 1.1油气井管材的发展 石油工业的规模化发展与油气井管材的性能提升、成本降低等具有极为密切的关系，特别是油井管服役性能的不断提高，直接推动了石油工业钻采技术从浅层向深层、非常规、海洋等方面的不断发展[1]。 *早的钻采用管材可追溯到我国四川早期盐业开采用的凿锉工具及竹/木制管材[2]，主要采用顿钻法，利用井下竹木管材连接下部金属凿锉工具实现冲击掘进（图1.1），井口采用空心原木固井防止井壁坍塌。竹/木制管材除作为井下材料使用外，在该时期也广泛应用于钻井平台与地面输送领域。四川地区竹制井架与竹制管道如图1.2所示。 图1.1我国四川早期盐业开采用凿锉工具及竹/木制管材[2] 1859年，美国人将蒸汽机引入石油钻采并将**根铁管插入地层用于固井封水，标志着现代石油工业诞生。1924年，美国石油学会（American Petroleum Institute，API）发布了《油井管用钢铁管材规范》，首次实现了钢铁材料在石油管材领域应用的标准化，为油气井钻井装备及井下管柱系统结构的发展奠定了重要基础。现代油气井钻井装备及井下管柱系统结构如图1.3所示。 图1.3现代油气井钻井装备及井下管柱系统结构 钢铁材料管材的广泛应用提升了油气工业钻采能力和生产效率。1924年，世界原油产量猛增至约1亿t，石油产品也实现了从供应灯油向满足内燃机燃料和化工消费需求的跨越。1967年，全球一次能源消费中石油的比例超越煤炭，人类正式从“煤炭时代”进入了“石油时代”，2019年，世界原油年产量达40亿t以上。 当前，随着石油工业的发展，浅层及易动用油气资源日趋枯竭，深层、超深层、低渗透储层、海洋油气、非常规油气等复杂工况油气资源及可燃冰、热干岩等新能源已经成为未来能源接替的重要发展方向。油气井管材新材料、新工艺与新技术的发展对于保障上述资源的高效、安全开发具有十分重要的意义。 1.2油气井管材的分类 油气井管材的类型多样，按照材质可分为碳钢、低合金钢、不锈钢、铁-镍基合金、镍基合金、铝合金、钛合金、非金属等；按照使用场景可分为钻井用管材、固井用管材、完井生产用管材等；按照结构特点主要分为钻具、套管、油管、抽油杆、井下工具等；按照标准化程度可分为API管材和非API管材，其中API管材是指按照API现行标准生产的管材，而非API管材泛指其性能要求、结构特点等均超出API现行标准范围的一类特殊材料和结构管材。 本节从油气井管材使用场景及结构特点角度出发，简要介绍油气井管材的主要类型、结构特点、作用和基本性能要求。 1.2.1油气井钻井用管材 油气井钻井用管材主要包括钻杆、钻铤、加重钻杆及方钻杆等，由管材本体通过螺纹接头连接而成的系统称为钻柱，是实现地下油气藏与地面井口连通*主要的工具，承担着传递动力、施加钻压、连接钻头、建立泥浆循环等重要作用。典型钻柱结构如图1.4所示。 1.钻杆 钻杆具有传递动力、支撑泥浆循环、延长钻柱深度等作用，是钻柱中用量*大的管材，一般占钻柱设计长度的90%以上。当前，世界范围内商业化规模应用中主要包含两类钻杆材料体系：钢制钻杆和铝合金钻杆。钛合金、碳纤维等钻杆当前仍处于研发和工程验证阶段，尚无相关国际标准发布。 钢制钻杆材料体系是在美国AISI4100系列低碳铬钼合金钢基础上改进而来，其结构包含管体和接头，如图1.5所示。管体主要采用热轧—镦粗—热处理工艺，接头主要采用锻造—热处理工艺，管体与接头通过摩擦焊接等连接方法制造成钻杆。 图1.4典型钻柱结构图 图1.5钢制钻杆结构图 钻杆按其管体强度级别分为E级、X级、G级、S级和V级，典型钢级API标准钻杆管体及接头强度要求如表1.1所示[4]。E级、X级、G级和S级钻杆管体材料一般采用AISI4130等合金钢加调质处理，室温组织为回火索氏体。接头主要采用AISI4137H等合金钢，室温组织同样为回火索氏体。与管体相比，接头主要采用锻造工艺，因此在晶粒度、夹杂物尺寸等组织细化程度方面更为优异[5，6]。 典型API标准钻杆按其管体加厚结构形式分为内加厚（internal upset，IU）、外加厚（externalupset，EU）、内外加厚（internal-external upset，IEU）等，如图1.6所示。 典型API标准钻杆接头一般包括加厚端、台肩、内外螺纹等结构，如图1.7所示。 图1.7典型API标准钻杆接头结构 铝合金钻杆结构包括一体式全铝合金钻杆和钢接头铝合金钻杆两类，当前应用*广泛的是钢接头铝合金钻杆，其结构如图1.8所示。全铝合金钻杆一般采用热挤压—热处理—管端接头加工的工艺，钢接头铝合金钻杆一般采用热装配工艺实现管体和接头的连接。 图1.8钢接头铝合金钻杆结构 按铝合金钻杆管体材料的使用性能，将其分为四个系列，管体材料的基本性能要求如表1.2所示[7]。 2.钻铤 钻铤位于钻柱的下部，其主要作用是施加钻压，增加近钻头部分钻柱的刚度和结构稳定性，控制井斜，减少钻头的震动、摆动和跳动等。与钻杆相比，钻铤具有质量大（钻杆的5～8倍）、壁厚厚（钻杆的4～6倍）等结构特征，分为螺旋式、圆柱式等类型，如图1.9所示。钻铤一般采用AISI4145H等4100系列材料锻造或热轧成厚壁无缝钢管，再经调质热处理及机械加工制造而成。