钻杆最新发展研究

钻杆技术发展情况

石油钻具类产品泛指石油、 天然气开采业用于地层钻探开采的专用管材， 石 油钻具是石油工业中不可替代型高科技含量的工具类产品， 属消耗型，其广泛被 用于石油开采、地质勘探和深井开挖等地下深层作业。 石油钻具包括钻铤、 钻杆、 转换接头、扶正器等，其中钻铤、钻杆为最主要的两种石油钻具产品。

钻杆是钻柱的基本组成部分， 主要用于传递扭矩、 输送钻井液， 以及在钻井 过程中不断连接钻杆， 以达到不断加深井眼的目的。 钻杆又分为普通钻杆、 方钻 杆和加重钻杆等。 普通钻杆是钻柱的主要组成部分， 上面连着方钻杆， 下面连着 钻铤，其作用是传递扭矩，使钻头向下钻进，加深井眼。方钻杆位于钻柱的最上 端，其主要作用是传递扭矩，工作是承受钻柱的重量，由驱动部分（正方形或六 角形）、上部接头（左旋螺纹）、下部接头（右旋螺纹）组成，最常用的是正方形 的方钻杆。 加重钻杆是普通钻杆与钻铤之间的过渡钻柱段， 它能有效地缓解钻铤 与钻杆在结合中过渡段的应力集中， 提供钻压并能有效地减少钻柱与井壁的连接 面积及外径磨损率。

随着牙轮钻进，空气潜孔锤钻进，气举反循环钻进等钻探工艺的推广使用， API 系列井内钻柱构件和井下工具也得到了越来越广泛的应用。 尤其是连接钻柱 构件的 API 系列钻具接头螺纹， 更是起着不可或缺的作用。 钻杆接头螺纹按被检 测石油钻杆接头螺纹的型式可分为：数字型螺纹（NC、内平型螺纹（IF ）、贯眼 型螺纹（FH和正规型螺纹（RGE。

数字型（NQ螺纹以螺纹基面中径的英寸和十分之一英寸的数字值表示的螺 纹。所有规格螺纹采用 V-0.038R 平顶圆底三角形牙型，这种牙型的特点是圆形 牙底半径为0.038英寸（0.965mm。数字型螺纹是API推荐优先使用的螺纹， 该型螺纹按锥度可分为 1:6

和 1:4 两种型式，应用于方钻杆、钻杆、钻铤、钻具 稳定器等钻井工具，在大庆油田

NC50螺纹还用在钻头上。

内平型（ IF ）接头螺纹连接外加厚或内外加厚钻杆，形成钻杆接头内径、 管体加厚内径与管体内径相等或近似的通径，钻井液流动阻力小，但外径较大， 容易磨损。 所有规格螺纹均采用 V-0.065 平顶平底三角形牙型， 这种牙型为平牙 底，牙顶较宽度为0.065英寸（1.651mm。除5 1/2 IF夕卜，其它规格螺纹因结 构尺寸与相应的数字型螺纹完全相同， 故具有互换性。 但该型螺纹因其牙型结构 易导致应力集中，故 API 已将其淘汰，其中包括 4 1/2 IF 和 4 IF ，取而代之的 是NC50和NC46数字型螺纹。

贯眼型（FH钻杆接头螺纹连接内外加厚钻杆， 形成钻杆接头内径和加厚端 内径相等， 而均小于钻杆管体内径的通径。 该型螺纹的规格虽然为数不多， 但却 使用了 V-0.065、V-0.050 （牙底为圆弧，牙顶宽度为 0.050英寸，1.27mm）和 V-0.040 （牙底为圆弧，牙顶宽度为 0.040英寸，1.02mm）三种牙型，曾经被广 泛用于水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤和钻头等。现在除 5 1/2 FH和6 5/8 FH两 种使用V-0.050牙型、1:6锥度的大规格螺纹外，其余均在 API淘汰螺纹之列。 其中唯一使用V-0.065牙型的4 FH与内平型螺纹一样被数字型螺纹 NC40所取 代。

正规型（RGE钻杆接头螺纹曾用于连接内加厚钻杆，形成钻杆接头内径小 于加厚内径，而钻杆加厚端内径又小于管体内径的通径。 API设计正规型螺纹的

主要目的是将其应用于钻头连接，由于钻头位于钻柱末端，在这里螺纹牙底的应 力集中现象的存在与否无关紧要，因而 API把它们所有规格全数保留下来。该

型使用V-0.050和V-0.040牙型，在API SPEC 7第四十版中新增添了使用 V-0.055

（平牙底，牙顶宽度为0.055英寸，1.397mm）牙型的1REG和1 1/2 REG两种 规格螺纹。

被淘汰螺纹与数字型螺纹互换情况见表一。

表一螺纹互换类型对照表

序号 淘汰类型螺纹 数字型螺纹

1

2

3

4

5

6 3 2 —IF 8

7 2— IF 8

1 3 TF 2

4FH

4IF

1 4 - IF 2 NC26

NC31

NC38

NC40

NC40

NC50

随着世界经济的发展，石油天然气的需求不断增长，且近年来有逐渐加速的 趋势。但是国际大型石油天然气开发项目却都集中在深井、 深海井、高腐蚀性井

等领域，开采难度明显加大。根据埃克森美孚的预测，容易开采的普通井比例将 由2003年得80%F降到2010的57%说明石油天然气已转向开采难度大的非常 规资源的开发。这表明，仅仅API系列井内钻柱构件和井下工具已不能满足日益 苛刻的钻井作业要求，必须不断地研究开发满足最新钻井技术要求的钻杆新产 品，因此各钻杆生产厂家都不断开发研究新型产品。比较有代表性的是美国格兰 特-普莱迪科公司（Grant Prideco ）的双台肩钻具技术。

这种双台肩接头产品主要具有如下优点：

1、增加接头的抗扭强度

2、采用流线型优化设计，增加接头的内径，从而显著降低钻具内沿程循环 压耗，同时减小接头外径， 从而大大改善钻具的可打捞能力， 并相应地降低环空 循环压耗，提高接头的水力性能，保持较高的抗扭特性。

3、采用平滑内径接头设计，获得更平稳的液流和更小的紊流，减小冲蚀； 减少水泥和固体颗粒沉积在接头内的机会；提高了钻柱内泵的输送效率和能力； 增加了钻柱内起下各种电缆仪器的能力（减少撞击可能性）

4、双台肩设计使得应力分布更均衡，在扣的两端都能分担载荷；与 API 连

接相比，刚性更强，同时降低了连接处的应力集中；由于降低了应力集中，提高 了抗疲劳性，从而延长了其使用寿命。

格兰特-普莱迪科公司（Grant Prideco ）的双台肩接头产品主要有 GPD驭 台肩接头、HI-TORQUE（HT高抗扭接头、extreme Torque-XT超高抗扭接头、超 高抗扭金属-金属密封（XT-M接头、Turbo Torque双引快速上扣高抗扭接头等。

GPD驭台肩接头的优点：可直接与 API NC扣对接；与API NC扣相比，显 著提高了抗扭性能（30%-50%;与相同抗扭性能的API NC扣相比，水眼增大， 压降降低；水眼无台阶，平滑过渡，不易冲蚀；在降级使用前，与 API NC扣相

比，有更大的外径容许磨损值同时提高了接头的抗疲劳能力。

HI-TORQUE（HT高抗扭接头，是第一代双台肩接头，与其它形式的接头相比， 其上卸扣都相似；同样壁厚的情况下，与 API NC 扣接头相比，抗扭性能提高 30%-70%，至少 30%；内表面平滑，降低压耗，提高接头的水力学性能；在降级 使用前，跟API NC扣相比有更多的外径磨损量。

eXtreme Torque-XT 超高抗扭接头， 是第二代双台肩接头， 在操作上更方便； 与HT高抗扭接头（第一代双台肩接头）相比，接头的锥度更小，抗扭能力提高 了 25%-30%；与 API 接头相比，抗扭能力提高了 70%；气密性的金属密封或弹性 密封可用于钻柱测试（DST，修井，和欠平衡钻井（UBD作业。

超高抗扭金属-金属密圭寸（XT-M）接头，以第二代超抗扭（XT）的双台肩接 头为基础，扭矩比 API 提高 70%；使用气密性的金属 -金属径向密封，在承受扭 矩的同时，还有高压密封作用； 可承受 10000psi 的外挤压力和 15000psi 的内压； 使用气密性的金属一金属径向密封，适用于 DST修井和欠平衡等钻井作业；满 足多次起下钻需要，不影响钻具的密封效果。

Turbo Torque 双引快速上扣高抗扭接头， 采用双引（相隔 180°）快速上扣， 能承受高扭矩，从对扣到紧扣节省至少 50%时间，上扣比 API 更快；抗扭能力优 于XT接头；优化水力设计，降低循环压耗；提高环空间隙和打捞能力，有利于 打捞作业；降低工具失效风险，延长使用寿命，降低成本。 同时，根据不同的钻井作业要求，抗硫钻杆的标准也在不断的提高， 普通抗硫钻杆。 由于此前国际上没有抗硫钻杆的统一标准， 因此各钻杆生产 厂家都按照各自的内部标准生产抗硫钻杆产品。比较有代表性的是美国格兰特 - 普莱迪科公司（Grant Prideco）的XD-105抗硫钻杆。XD-105钻杆的特点是管体与 接头均限定屈服强度，而且管体必须通过按 NACE 0177标准A方法进行的门槛 值为70%SMYS的抗硫试验，工具接头、加厚端与焊缝不进行抗硫试验。格兰特 -普莱迪科公司已经生产了大约 11 万米的 XD-105 钻杆，主要销往俄罗斯。

IRP抗硫钻杆。IRP（Industry Recommend— edPractice工业推荐作法）是加拿

大石油安全委员会负责制订的有关石油安全生产作业方面的推荐作法。 目前共有 19 卷，涵盖石油与天然气生产开发中的钻井、完井、采油采气和相关的管材、 设备、工具等各个领域。 之所以制订如此完备的安全生产条例是因为加拿大的油 气田主要分布在西部的阿尔伯达省，该省的油气产量占全国的 85%，而该省的油

气田普遍含有硫化氢，如世界首次发现 SSCC（硫化物应力腐蚀开裂）的失效事故 就发生在阿尔伯达省。

IRP 标准中涉及抗硫钻杆的有 IRPl 标准和 IRP6 标准，其中按 IRPI 标准生 产的抗硫钻杆主要用于含硫化氢的苛刻酸性井，按 IRP6 生产的抗硫钻杆主要用 于苛刻酸性井的欠平衡钻井施工。由于 NACE 0177标准中A溶液与B溶液pH 值相差较大，往往在 A 溶液中抗硫试验无法通过，但在 B 溶液中却轻松通过。 因此， IRP 标准明确规定抗硫试验必须在 A 溶液中进行。

满足IRPl标准的SS系列抗硫钻杆有75、95、105三个钢级。其管体必须通 过按NACE0177标准A方法进行的门槛值为85%SMYS的抗硫试验，接头必须通 过门槛值为

65%SMYS 的抗硫试验，加厚端与焊缝不进行抗硫试验。

满足IRP6标准的SU系列抗硫钻杆仅有75、95两个钢级（标准制定者认为 该标准过于严格， 按目前的技术水平， 无法生产出满足该标准的 105 钢级抗硫钻 杆）。其管体必须通过按 NACE 0177标准 A 方法进行的门槛值为 95%SMYS 的抗 硫试验，接头、加厚端与焊缝必须通过门槛值为 80%SMYS 的抗硫试验。

为了解决钢制钻杆在短半径水平井钻井时出现早期疲劳缩短使用寿命和降 低可靠性的问题，格兰特 -普莱迪科公司与美国另外一家能源系统公司联合研制 了钛合金钻杆。 这种钻杆具有很高的强度、 挠性和耐用性， 而且质量轻、 耐腐蚀。

钛合金钻杆与钢制钻杆相比有如下特点 :比重低 （钢的 56%）；高屈服强度 （最

小827MPa）,强度质量比为钢的1.54倍；低弹性模量（两倍钢的挠性），钛的弹性 模量为1.17x105MPa,而钢为2.07x105MPa；疲劳寿命延长（疲劳寿命在钻井环境 中保持不变 ）；在钻井液与井下腐蚀性流体中显示出优异的抗腐蚀与抗冲刷特性。

钛合金钻杆管体采用低成本普通的钛合金 Ti-6%Al-4%V 制造，重量低，柔 性好，坚固耐用。钛合金钻杆的工具接头可以采用钢制的 XT、HT或API标准