《型鉆桿材料介紹》PPT課件

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1、鉆桿材料簡介小組成員：楊偉、劉寶林、劉煒張晗、紀(jì)天坤吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院2012年4月目錄一、鉆桿材料1、抗硫鉆桿2、鋁合金鉆桿3、鈦合金鉆桿4、超高強(qiáng)度鋼鉆桿5、碳纖維復(fù)合材料鉆桿6、凱夫拉材料二、鉆桿安全性理論計算1、拉應(yīng)力2、剪應(yīng)力3、彎曲應(yīng)力4、安全系數(shù)四、鉆桿的有限元分析三、材料的性能測試試驗(yàn)與方法1、力學(xué)性試驗(yàn)2、腐蝕性試驗(yàn)抗硫鉆桿抗硫鉆桿是國內(nèi)目前接觸最多、應(yīng)用最廣的一種高性能鉆具,主要用于酸性氣田。在一些高含H2S的油氣田,由于H2S對鉆桿具有很強(qiáng)的腐蝕性,尤其是對高強(qiáng)度的鉆桿?？沽蜚@桿在國內(nèi)得到了大量的應(yīng)用,從95SS鋼級的鉆桿直到105SS鋼級的鉆桿。由于材

2、料強(qiáng)度的提高,必然會導(dǎo)致材料硬度的提高,而材料硬度的提高,對腐蝕環(huán)境的敏感性增強(qiáng),發(fā)生腐蝕和應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險性越高。因此,抗硫鉆桿材料的強(qiáng)度受到了很大的限制。抗硫鉆桿鋁合金鉆桿一、優(yōu)越性（與常規(guī)鋼性鉆桿）（1）降低對鉆機(jī)載荷的要求,比鋼性鉆柱有更大的鉆深能力。鋁合金的密度為2.8t/m3,鋼的密度為7.8t/m3。因此,單位長度的鋁合金鉆桿質(zhì)量遠(yuǎn)低于常規(guī)的鋼性鉆桿,約為鋼性鉆桿的1/3,對8000m以上的深井,外徑139mm,壁厚10.54mm的常規(guī)鋼鉆桿的質(zhì)量約為300t,而使用鋁合金鉆桿,鉆柱質(zhì)量約為100t,因此,鋁合金鉆柱比鋼鉆柱顯示出更強(qiáng)的鉆深能力。（2）減少起下鉆過程

3、的能耗,加快進(jìn)度。試驗(yàn)結(jié)果表明:在起下鉆中,用鋁合金鉆桿比鋼鉆桿節(jié)省起鉆時間35%、下鉆時間17%。鋁合金鉆桿（3）鋁合金鉆柱對套管的磨損比鋼鉆柱輕。通常,鋁合金鉆柱的磨損較鋼鉆柱容易。但是,由于鉆鋁合金鉆柱對套管的磨損比鋼鉆柱輕。通常,鋁合金鉆柱的磨損較鋼鉆柱容易。但是,由于鉆桿壓力產(chǎn)生的法向壓力明顯比鋼鉆柱低,在所有其他條件都相同的情況下,鋁合金鉆桿的磨損比鋼鉆桿要低。同時,由于鋁合金鉆桿硬度低,耐沖蝕磨損能力差,鉆井液中的研磨顆粒在鉆桿內(nèi)高速的循環(huán)會導(dǎo)致鉆桿內(nèi)、外壁的磨損。這種磨損在鉆桿接頭至鉆桿的過渡區(qū)域尤其嚴(yán)重,而在鋼鉆桿中較少。鋁合金鉆桿（4）鋁合金鉆桿由于硬度低,

4、僅在HB130左右,對H2S腐蝕介質(zhì)不敏感,而常規(guī)的鋼鉆桿,例如S135鋼級鉆桿,其硬度在HRC35左右,在含H2S的介質(zhì)中極易受腐蝕損壞。因此,相對于鋼性鉆桿,鋁合金鉆桿對H2S腐蝕介質(zhì)的抵抗力更高。（5）振動衰減。相對于鋼,鋁合金具有一個高的吸收和分散彈性振動能量的能力。俄羅斯完成的研究結(jié)果顯示,鋁合金鉆桿具有很強(qiáng)的吸收彈性振動能量的能力,厚壁鋁合金鉆桿較鋼鉆桿的減震能力大約要高50%。鋁合金鉆桿（6）對于交變彎曲和動應(yīng)力的抵抗力,鉆桿中的交變彎曲應(yīng)力與材料的彈性模量成比例,在所有的其他因素都相等的條件下,鋁合金鉆桿和鋼對應(yīng)的比例為1：2.96。（7）鋁合金鉆桿材料強(qiáng)度隨著

5、溫度的升高而降低。當(dāng)溫度達(dá)到氏200攝氏度時,材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與室溫相比,有明顯的下降,甚至高達(dá)40%以上。鋁合金鉆桿鋁合金鉆桿二、接頭鋁合金鉆桿有鋼制接頭鋁合金鉆桿和全鋁合金鉆桿2種,如圖所示。鋼接頭鋁合金鉆桿的接頭用鋼材制造,桿體與接頭采用快速熱配裝方法實(shí)施螺紋連接。鈦合金鉆桿鈦合金鉆桿的商業(yè)應(yīng)用是RTI能源和GrantPrideoo多年試驗(yàn)的成果。鈦的抗化學(xué)性強(qiáng)，比鋼輕一半且韌性高1倍。鈦的這些性能特別適用于高溫、腐蝕環(huán)境中，但是鈦合金鉆桿制造費(fèi)與鋼鉆桿相比非常高，且市場很有限。鈦合金鉆桿由三個基本要素組成：鉆桿本體、鉆桿接頭、接頭與本體連接。與常規(guī)鋼鉆桿相比較，鈦

6、合金鉆桿有以下性能優(yōu)點(diǎn)：（1）鈦合金密度為4.1×103kg/m3，鋼密度為7.8×103kg/m3，鈦比鋼輕43%；（2）鈦合金彈性模量為119GPa，鋼彈性模量為210GPa，鈦合金是鋼的57%；（3）鈦合金具有更好的耐腐蝕及抗侵蝕的能力；（4）鈦合金具有高抗疲勞特性，在空氣和鉆井液環(huán)境中其疲勞性能幾乎相同；（5）鈦合金鉆桿屈服強(qiáng)度為840MPa，約等于S-135鋼鉆桿強(qiáng)度重量比值的1.54倍。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,Gra

7、ntPrideco開發(fā)出了UD-165超高強(qiáng)度鋼鉆桿(VM-165級超高強(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,將高性能鉆桿的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了對比,見表3。從表中可以看出,UD-165鋼鉆桿的強(qiáng)度重力比較S-135級提高了22%,僅次于鈦合金鉆桿;UD-165鋼鉆桿的強(qiáng)度重力比優(yōu)于鋁合金鉆桿;由于采用薄壁結(jié)構(gòu)使得水力性能要優(yōu)于鋁合金及鈦合金鉆桿,這對于大位移井和深井尤為重要超高強(qiáng)度鋼鉆桿三、接頭超