梁 健， 張金昌， 尹 浩， 孫建華， 馮起贈

(中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

大陸科學超深鉆探、深層油氣鉆井及大洋深水鉆探作業(yè)過程中，除地層條件復(fù)雜及不確定性外，還將遭遇“井溫高、壓力高、管柱長、井徑大”的困難與挑戰(zhàn)，采用常規(guī)鉆井機具難以滿足鉆井要求，如施工效率低、周期長，成本與能耗高，鉆井安全難以保障，甚至無法實施。鋁合金鉆桿以其獨特的優(yōu)越性，即具有質(zhì)量輕、比強度高、鉆進深度大、所需能耗小等特點[1-6]，已成為超深井鉆探中鉆柱的優(yōu)選材料體系。那么，鋁合金鉆桿，顧名思義是一種由鋁合金材料制造而成的鉆桿，是鉆探專業(yè)領(lǐng)域中使用的一種鉆井工具。在介紹鋁合金鉆桿之前，請允許我先帶領(lǐng)大家認識一下鉆柱和鉆桿這對兄弟。

1 鉆柱=鉆桿？

鉆柱是在鉆井過程中連接地表裝備與井底工具的超長桿件，其由鉆頭、鉆鋌、穩(wěn)定器、鉆桿、專用接頭及方鉆桿連接而成(圖1)，實現(xiàn)起下鉆頭、施加鉆壓、傳遞動力、輸送鉆井液、處理事故等功能。

圖1 鉆柱的組成

鉆桿是一種兩端帶有螺紋的中空長管，出于物資運輸、鉆井工藝、機加工制造與成本控制等因素的考慮，每根鉆桿長度一般在幾米到十幾米之間。根據(jù)鉆井深度的要求，鉆柱由成百上千根鉆桿連接而成。因此，鉆桿是鉆柱的組成部分。

2 鉆柱可以無限長嗎？它的極限長度是多少？

每種物質(zhì)都有其自身重力的存在，鉆桿也不例外。鉆柱中越靠近地表的鉆桿由于它所懸掛的鉆桿比較多，下部重力相對較大，當鉆井超過某一深度時，鉆柱自重就能將井口處附近鉆桿拉斷，因此鉆柱存在它的極限應(yīng)用長度[7]。

這就好比倒掛人梯的雜技表演，最上邊的第一個人，腳部固定，用手握住第二個人的腳，第二個人用手握住第三個人的腳，依次倒掛下去……(如圖2所示)。為了倒掛更多的人，需要保證第一個人身體最強壯，并保證他下面的人質(zhì)量總和盡量輕，就要求我們要尋找既強壯而又“苗條”的雜技演員，就是說越靠近地表的鉆桿要求越“強壯”，越靠近孔底的鉆桿要求越輕。當每根鉆桿所受的極限拉力等于他下端所接鉆桿重力時，就達到了鉆柱的極限長度。

圖2 倒掛人梯雜技表演

3 鋁合金鉆桿就是我們夢寐以求的“既強壯又苗條的雜技演員”

鋁合金鉆桿一般由鋼質(zhì)的公(母)接頭、鋁合金桿體通過螺紋連接組成(圖3)，相對于鋼鉆桿具有密度小、質(zhì)量輕、比強度高等優(yōu)點(圖4)。雖然相對于鋼鉆桿強度有所降低，但成倍減小的密度，使得鋁合金鉆桿的出現(xiàn)大大增加了鉆柱的極限長度。由于鋁合金鉆桿的“到場”，配合鋼鉆桿組成的鉆柱，使得鉆探工程這一“伸入地殼的望遠鏡”能夠“望得更遠”。

4 鋁合金鉆桿的“前世今生”

自20世紀60年代，鋁合金鉆桿由瑞典的克芮留斯公司研制成功以來，一些國家的鋁合金鉆桿已經(jīng)形成系列開發(fā)，并應(yīng)用于難進入地區(qū)、大位移井、定向井、超深井及深部科學鉆探鉆進中。其中，最為著名的應(yīng)用案例是前蘇聯(lián)СГ-3科學超深井，鋁合金鉆桿技術(shù)作為СГ-3科學超深井三大特色技術(shù)之一，為提高人類向地下空間進軍的能力做出了巨大貢獻。

圖3 鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 鋼鉆桿與鋁鉆桿能力對比

截止21世紀初，中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所首先提出了“我國鋁合金鉆桿應(yīng)逐步完成其批量化、系列化和低成本的開發(fā)應(yīng)用”。目前，經(jīng)多輪立項研究，鋁合金鉆桿已初步形成系列[8]，包括?34、42、52 mm普通外絲鉆桿、?60 mm水文及環(huán)境地質(zhì)評價鉆孔抽水與壓水試驗用全鋁鉆桿、?91和114 mm繩索取心鉆桿、?95 mm反循環(huán)鉆進用雙壁鉆桿，?147 mm石油及科學深部鉆探用鉆桿(圖5)?，F(xiàn)如今，亞洲最深的大陸科學探井“松科2井”中成功應(yīng)用了鋁合金鉆桿，充分體現(xiàn)了其在減少鉆機動力消耗，降低鉆探施工難度，提高鉆探效率，減輕工人勞動強度等方面的優(yōu)勢。

圖6為國內(nèi)外應(yīng)用鋁合金鉆桿的幾個重大工程。

5 鋁合金鉆桿任重道遠

雖然鋁合金鉆桿表現(xiàn)出優(yōu)異的技術(shù)優(yōu)勢，但現(xiàn)階段鋁合金鉆桿還存在3個方面的不足[9-14](圖7)。

(1)硬度因素。鋁合金鉆桿的材料硬度偏低，在鉆進過程中易產(chǎn)生磨損等損傷。

(2)熱穩(wěn)定性因素。隨著井深的不斷增加、地溫的持續(xù)升高，鋁合金鉆桿在高溫條件下具有力學性能衰減的特性。

圖5 勘探技術(shù)研究所開發(fā)的系列鋁合金鉆桿

圖6 國內(nèi)外超深井應(yīng)用情況

(3)腐蝕因素。鉆井過程中所使用的鉆井液在高溫高壓的作用下具有較強的腐蝕性，致使鋁合金鉆桿極易發(fā)生腐蝕。

圖7 鋁合金鉆桿的“痛楚”

因此，要努力實現(xiàn)鋁合金鉆桿技術(shù)的優(yōu)化與升級，設(shè)計制造出的長壽命、高可靠性鋁合金鉆桿，為我國未來的萬米深地與深水科學鉆探工程的謀劃與實施提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)，為滿足我國進一步的推進地殼探測工程計劃提供理論支撐和技術(shù)支持。

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