铝合金钻探管的特点及其应用与发展

2011-12-10刘静安

有色金属加工 2011年6期

刘静安

(西南铝业(集团)有限责任公司，重庆401326)

资源、能源、安全、环保与人类生存和发展息息相关，特别是资源和能源大多数是不可以再生的，用一点就少一点，人类正面临资源枯竭、能源短缺的危险局面。世界历史上曾出现过几次石油危机，目前的石油价格也节节攀升，影响全球的经济发展。铁、铝、铜等金属矿产也发出了“紧缺”的信号。为了缓解这种被动的局面，人类正在另辟蹊径。除了研发新型的能源外，发出了向向海底、向地壳深层进军索取资源和能源的口号，这大大刺激了地质勘探业的发展。

1 油、气工业和地质钻探业高速发展对钻杆提出了新的要求

随着石油和天然气工业及地质勘探业的急剧发展，对钻井和开采业提出了越来越高的技术要求。不仅是钻探数量的增加，而且由于地壳浅表面资源和能源的“枯竭”，而使普查和钻探的深度成倍增加。这样使钻探条件日趋复杂和恶劣，还必须全面强化钻井的建设规模和过程，并日益增多在边远地区和海底的钻探量。

随着钻井深度的增加，在一个钻探周期中直接加深井底所用的时间比率在减少，而用于更换被破碎岩石磨损工具的升降作业时间比率大大增加。同时，排除钻井故障和发生事故时进行处理的难度也在增加。在钻深井时，钻探的工艺难题更加复杂化。

为了勘探和开采位于海洋大陆架区的油田和气田，布井时会产生一系列有待解决的重要问题。当钻探点距岸边不太远时(2-3公里)采用从岸上斜向钻井的方法更为有效，而建造和使用漂浮钻探设备成本高，技术很复杂。斜向钻井的方法广泛用于开采老油气区埋藏很深的矿层。在大陆架区开展钻探工作，提出了制作能适应漂浮平台海洋钻探工作的钻探管的课题。

在工作面温度高和在腐蚀介质环境下钻井也会带来一些麻烦。在寒冷地区建设矿井，在深的工作面处温度较高，大气的温度较低甚至还有多年冻结的岩石。

为了解决上述课题，不仅要全面改进钻探设备和破岩石的工具，而且要提高钻杆(把地面的荷载传递到工作面的工具)的工作性能。

大量的研究和试验表明，普通结构和强度级别的钢钻探管不能解决新遇到的难题，必须采取新的技术措施和选用新型的材料。

2 铝合金钻探管的特点及其经济社会效益评估

前苏联油、气工业及地质钻探企业广泛采用铝合金钻探管始于1962年，到1978年采用铝合金钻探管的钻探总量已达40万米，占全国总掘进数的25%。迄今，铝合金钻探管在各种地质-技术条件下，用作钻井导管已超过100多个钻探区，几乎遍及所有的油、天然气工业部门及其他有关部门。经过多年的生产和应用获得了巨大的经济社会效益，同时对铝合金钻探管的使用进行了综合的技术-经济分析与评估。

对铝合金钻探管进行技术-经济分析的目的在于：确定最佳领域和采用先进工艺方法，评价各种地质-技术条件下采用铝合金钻探管的总的经济效益，根据用户分布确定项目的生产量。

尽管分析经济效益的钻探条件和研究方法有差异，但工作基本上得出了以下结论：

① 采用铝合金钻探管能获得相当高的技术-经济效益，尽管其回收期比较长，但在一定的地质-技术条件下钻探，仍比钢钻探管有竞争力；

②采用铝合金钻探管时可以缩短钻井时间，能减少对钻机的要求，利用一些厂家的生产能力生产一些新技术产品，不需要增加资金；

③ 铝合金钻探管主要用来钻探深度大于2000米的井，当折旧的管材(材料)增加时，可由升降操作节约的时间来补偿，同时其机械钻探的指数增加，液压阻力减少，节约了电能和滑车绳等；

④铝合金钻探管工作时可以完全不用笨重的设备，钻探同样深度的井可采用更轻的装置。因此可大大节约材料和运输费用，减少了钻塔的维修和生产成本折旧；

⑤ 铝合金钻探管造价的降低，结构和操作工序的规范化，大大增加了钻探管的使用期，提高了经济效益。

铝合金钻探管还广泛应用在国民经济的其它部门，如用来寻找固体物中有用的矿石等。石油、天然气工业及地质部门采用铝合金钻探管的项目按年计划所达到的经济效益是十分可观的。

同时，多年来的钻探实践表明，采用铝合金钻探管解决了一些钢钻探管无法解决的问题。如果在设备选择、矿井布线的设计上充分发挥铝合金钻探管的物理-机械特性和结构能力所具有的技术-工艺性，那么钻探部门采用铝合金钻探管所得的技术-经济效益或许会更好一些。

采用铝合金钻探管经济效益的计算方法还不完善，只计算钻探指数直接反映的经济效益显然是不够的，还应考虑到一些无法计算的，但也是非常重要的因素——改善组织管理、工作制度、工艺技术队伍建设等对效益的增加还有很大的潜力可挖。

3 世界各国铝合金钻探管的生产应用及发展趋势

几十年来，世界各国特别是美国、俄罗斯、日本、法国等工业发达国家，组织了大专院校、研究院所和大型企业，由政府出面，动员了大批人力、物力和财力，对生产和应用铝合金钻探管进行了大量的科学研究和开发工作，获得了非常重要的发展，取得了很多成果并推广应用。在俄罗斯采用铝合金钻探管的项目逐年增加，目前已达到总掘进数的50%以上，在美国更达到了60%以上。在各种地质技术条件下，在涡轮法和转子法中采用铝合金钻探管钻探，钻井的技术-经济指标是相当可观的。

石油和天然气工业的发展使难钻区、海洋暗礁区增加了很多钻探项目。目前，勘探和钻探的平均深度和绝对深度都在增加，为研究地壳织构而钻超深井的数量也在增加。

因此，进一步完善工艺、设备和生产技术，增加产品品种和规格，提高产品质量和生产效率，降低成本，增加效益，将是铝合金钻探管的发展方向。

要钻探从岸边到海底的井，以及在漂浮介质和复杂环境中钻井，采用铝合金钻探管是很有前途的。这是由于：首先铝合金弹性模量小，能够大大降低钻杆弯管处的应力以及钻探船上垂直和横向位移吊钩处的应力。其次，铝合金钻探管很轻，很大程度上降低了船舶设备的荷载，增强了可动钻探装置航海的续航力。日本出现了在大陆架暗礁上采用铝合金钻探管钻探的工程。

随着北极地区钻探工作的增加，对钻探管也提出了新的要求。因为管子需要在低温条件下保持自己的工作能力，而铝合金钻探管在低温下能够完全保持其全部操作特征。在开发这些地区时，要保证钻探工作顺利进行，运输就成了突出问题。而采用铝合金钻探管能够大大减小开发难钻区所必需的钻探装置的载重量，而且能够增大运输能力和安装能力，能大大降低钻探管运输的时间和材料耗费。

这些理由强化了在西伯利亚、北极地区以及沼泽地、浅海大陆架等地区中石油、天然气工程采用铝合金钻探管的观点。当沿倾斜方向钻井，套筒垂直落下，复合钻探以及沿矿层横向钻探时，广泛采用了铝合金钻探管，目前，这种钻井方法分布很广，充分发挥了铝合金钻探管潜在的物理-机械特性，也获得了相当好的技术-经济效益。在各种类型钻探管材料中，应用铝合金管材是非常有前途的，值得加大研究开发，使之成为这方面材料的主力。

铝合金钻探管在超深井钻井时起着特殊作用，据预测铝合金钻探管可钻10000米以上的深井。采用铝合金钻探管钻超深井不仅能改善操作工艺，而且能改善钻井指数，具有经济意义和战略意义。采用铝合金钻探管最需要解决的问题是进一步完善钻探管的结构和改善其操作特性，也希望扩大解决与该问题有关的科研课题。

4 我国铝合金钻探的发展前景及建议

与钢钻探管相比，铝合金钻探管具有重量轻、抗疲劳、柔性大、耐蚀、耐寒、临界速度高等优点。目前已有20多个国家开始了铝合金钻探管的开发和应用。我国是海洋石油资源丰富的国家，近年来海上石油钻探发展迅速，因此，在国内开发铝合金钻探管是很有前途的。特别是我国东海、黄海、南海等广大海域的深海和大陆架的油气十分丰富，采用铝合金钻探管很有必要。

(1)国内外生产现状及应用发展

随着铝加工技术，特别是挤压技术的发展，铝合金变断面管材的生产工艺于1960年开始研制，但真正大规模用于钻探工业，还是70年代的事。1958年前苏联冶金机械科学研究所开始对B95、д16铝合金钻探管进行试验，1963年研制出首批用于石油钻探的铝合金变断面管材，并于1970年在莫斯科全苏轻金属研究院古比雪夫冶金工厂和卡明斯克冶金工厂分别建成了几条专门生产铝合金钻探管的生产线，年产量达10万吨以上，仅卡明斯克冶金工厂就安装了6台60MN挤压机，年产铝合金钻探管30000吨。与此同时，美国雷诺公司、法国彼西涅公司以及德国和日本等国也开发了不同规格和用途的铝合金钻探管。目前世界上的铝探管生产工艺成熟、设备先进、技术水平相当高，生产效率和经济效益都很好，但由于技术复杂并需要大型挤压机，所以仅分布在俄、美、法、德、日等少数几个国家。

我国的石油工业和地质事业都是建国以后才开始发展起来的，历史不长，虽然开发了几个大油田，地质勘探事业也有了长足的进步，但钻探所用的钻杆几乎全部采用钢质钻杆，而且大部分是进口日本、德国等国的，铝合金钻杆目前仍是一片空白。为了填补这片空白，赶上世界先进水平，促使石油工业和地质事业上一个新台阶，石油部门和有色金属部门已组织一定的人力、物力和财力对铝钻杆开展研究和开发，可能在不久的将来能建成几条铝合金钻杆生产线，满足国内外的需要。

(2)国内外市场分析

目前，世界铝钻探管年生产量约为30万吨，供需基本平衡，但随着深井钻探、沙漠油田钻探、海底油田的开发和地质矿床的深层钻探以及发展中国家钻具以铝代钢的发展，铝钻探杆需求日趋增多。预计到2015年，世界铝钻杆的需求可达50万吨以上，市场较为广阔。

我国目前需要钢钻探杆10万吨左右，且大部分从日本、德国和美国进口，上海宝钢已开始研制，但尚未完全过关，数量也很少，石化和地质部门多次强调要国产化，并主张以铝代钢。据初步估算，如果实现全铝化，全国共需铝钻杆5万吨左右。此外，我国今后一段相当长的期间要大力发展石化天燃气工业、深层和海底地质勘查与钻探工作，如克拉玛依、柴达木盆地、吐鲁番、大庆油田以及渤海、东海、黄海、南海等海底油田的勘探与开发等，这些新开发项目，由于深度大、地质与地理条件复杂、技术难度大，都需要使用新型的铝合金杆钻具，这就为铝钻探管的发展铺平了道路。据初步统计，我国的石油天然气工业和地质勘探业等共需钢质钻探管10万吨左右，铝质钻探管10000吨左右，随着钻机的更新换代和铝挤压技术的发展，铝质钻探管的比例会不断上升，所以铝质钻探管在国内的市场宽广，推广应用的前景很大。

(3)建设我国的铝合金钻探管生产基地促进能源与矿业的发展

近年来，我国国民经济的高速发展对能源和资源的需求量日益扩大，大大刺激了石油天然气等能源工业和地质勘探与采矿业的发展，对钻杆的数量与材质提出了新的要求。然而遗憾的是，在铝合金生产工艺日趋成熟，世界各工业发达国家大量使用铝合金钻杆的今天，我国的铝合金钻探管生产与应用却是一片空白。这不仅制约了我国国民经济的持续发展，而且也削弱了我国到近海、远海、公海以及到海外勘探和开采石油天然气和矿产资源的机会。

我国是一个铝业大国，又是一个铝挤压大国，2010年电解铝产量达1800万吨/a以上，连续9年居世界第一；铝挤压材产量达900万吨/t，共有4000多台挤压机，其中40MN以上的超过50台。加之近年来，铝挤压生产技术获得了迅速发展，铝合金管材和变断面管材的生产技术有了新的提高，这些都为我国发展铝合金钻探管提供了有利的条件。为了加速我国石化、天然气等能源工业和地质勘探、采矿业的发展，赶上世界先进水平，满足市场需要，我国应组织人力、物力和财力，抓紧建设几条现代化的铝合金钻探管生产线，并组织在石化、天然气和地质勘探采矿部门应用。