随着施工水平的不断发展，对地质钻探高强度铝合金钻杆研制及其应用的要求也越来越高，这就要求施工单位必须加强对地质钻探高强度铝合金钻杆的研讨，并努力提高施工技能水平，运用铝合金钻杆，为工程质量供给完善的保障。

 

　　二、工程钻探的概述

 

　　工程勘察的目的是深入了解工程施工地点的岩土水源情况的分布等信息，保对其施工地点的地质的属性进行分析试验，判断其是否符合工程施工建设的需求。在对工程施工地进行选定和勘察之后，需对勘察地岩土水源属性进行综合分析，根据分析结果制定施工方案，针对其施工地点的岩土水源等分布进行方案的选择和实施。在工程勘察中，钻探技术是最常用的也是最主要的手段之一，它是提取岩土，分析其内部结构的重要技术，是工程勘察中不可缺少的技术手段。钻探技术可以保证地质勘察中的勘查结果的准确性和快速性，尤其是对复杂地形的勘探，钻探技术可以深入岩石的内部，以保证深入分析岩层的整体构造，对工程施工的设计有非常重要的意义。

 

　　工程的地质钻探技术是工程建筑物设计更好实施的保证，和工程施工顺利进行的保证。所以，工程建设施工中对工程地质钻探技术的要求非常高，尤其是钻探技术对岩石内部采取程度的要求较高。总的来说，在工程地质勘察中，对工程地质钻探究技术对岩石内部的采取率不可以小于百分之八十，对岩层的软弱与断裂夹层的提取率也不可以小于百分之六十。所以，为了使工程地质钻探技术对岩石内部开采率有较高的提升，我们要对症下药，对不同岩土性质的不同对象采取不同钻探技术，以确保对岩心采取率的提高。例如，在对待软弱与断裂夹层时，应使用低钻速的方法钻进，并缩短其钻探钻程，选择钻探工具时，要选择干钻，以应对软弱与断裂夹层的特殊性质。为了保证准确地测定地下水位和水文地质试验工作的正常运行，必须按含水层的位置和试验工作的要求，确定孔身结构及钻进方法。对不同的含水层要换径并分层止水，加以隔离。含水层愈多，换径和分层止水的次数就愈多。一般钻孔要直，不能发生弯曲，孔壁要求光滑规则，同一孔径段应大小一致。这些要求在钻探操作工艺上给予满足。

 

　　三、工程地质钻探常用的钻探方法和设备

 

　　自然地质条件是复杂的，各种钻探方法和设备都有一定的使用条件，选择钻探方法和设备时，应视钻探的目的和地质条件而定。钻探方法可分为冲击钻探、回转钻探、冲击回转钻探和振动钻探等4种。在工程地质勘探中主要采用冲击钻探和回转钻探：按动力来源又可将它们分为人力的和机械的2种。机械回转钻探钻进效率高，孔深大，又能采取岩心，所以在工程地质勘探中使用最为广泛。

 

　　目前，国内外正在大力革新钻探技术，逐步朝着全液压驱动、仪表控制、勘探与测试相结合的方向发展。为了研究工程土体的物理力学性质，在工程地质勘察中，应结合勘探工作采取原状土样。但是在钻孔中采取原状土样时受到很多因素影响，其中主要的是取土器的结构和取土实用。取土器主要有限制球阀式取土器、上提橡皮垫活阀式取土器、回转压入式取土器和水压活塞式取土器4种，这4种取土器适用于采取粘性土的原状土样。采取砂类土和饱水软粘土就比较困难了，需要使用特制的取土器。如采用厚壁管靴长筒上提活阀式取土器，反旋活阀分节取土器和真空活塞取砂器等，采取地下水位以下的原状砂类土和软粘土样，效果较好。

 

　　1、击入法

 

　　适用于较硬的土层中取样，又可分为孔外及孔内的轻锤多击法和重锤少击法。实践证明，孔内的重锤少击法取样效果好，效率高而且土样扰动小。

 

　　2、压入法

 

　　适用于较软的土层中取样，又可分为连续压入和断续压入法。连续压入法是借助活塞油压筒或钢绳滑轮组合装置，将取土器一次快速均匀地压入土中，土样的扰动较小，当采用连续压入法无法将取土器压入土层时，则可采用断续压入法。

 

　　3、振动法

 

　　当振动钻进时，可利用振动器的振动作用将取土器压入土中。这种方法对土样的边缘部分扰动较大。易受振动液化的土层不适用。为了保证土样的质量，除了对取土器和取土方法进行选择外，还应注意钻探方法、钻孔结构、清除孔内残土、操作方法和土样封存及运输等各顶问题。

 

　　四、铝合金钻杆对钻机钻进能力的影响

 

　　降低钻杆金属的密度，对于钻探设备的钻进能力及其升降作业有着良好的影响。不同材质钻杆对于同一种钻机，当使用同一规格的钻杆或铝合金钻杆外径略大于钢钻杆时，铝合金钻杆钻进的深度都大于钢钻杆。在相同转速条件下不同材质钻杆的最大钻进深度表。在钻具转速一定的条件下，铝合金钻杆钻进深度是钢钻杆的2倍。在相同孔段用不同材质钻杆钻进的技术经济指标。对于使用不同材质钻杆钻进相同钻深时，铝合金钻杆在升降作业时用时较短，且钻进过程中机械转速较高，台月效率高于钢钻杆。综上所述，铝合金钻杆因其具有密度小、重量轻、比强度高、且弹性变形大，所需回转扭矩较小，在实施钻探工程作业中，可增加现有钻探设备钻深能力，减少钻机动力消耗，降低了钻探施工的难度，提高了钻探效率。

 

　　五、地质钻探高强度铝合金钻杆研制

 

　　铝合金钻杆的制造技术属于高新技术范畴，目前世界上只有俄罗斯、美国、日本及法国等少数国家能够批量生产。我国石油铝合金钻杆的研究应用属于起步阶段，地质钻探用铝合金钻杆尚属空白。因此，铝合金钻杆的研制工作难度较大。囿于国内地质钻探装备制造企业条件和野外钻探施工单位承受力，目前地质钻探用铝合金钻杆应从普通钻杆起步，逐步完成。铝合金钻杆制造工艺与钢钻杆区别很大，国外有许多独特工艺方法，如非等截面铝合金钻杆杆体生产工艺、铝合金管材专用热处理生产线(铝合金无磁性，现有的钢钻杆电感应淬火生产线不能使用)、铝合金杆体热处理后拉伸矫直工艺(钢钻杆一般采用轧辊矫直法、非外平钻杆采用静压矫直法)、铝合金螺纹车削工艺(光洁度加工、煤油切削液配制等)、锥配合+管螺纹+热过盈嵌装铝合金钻杆接头拧固装置等。针对上述情况，应重点突破和解决以下关键技术，即高强度铝合金材料(尤其是异形截面管)的研制、铝合金材料的固溶及时效处理(包括热处理后矫直)、钻杆杆体与接头间螺纹副热过盈连接工艺是地质钻探铝合金钻杆制造的三个关键技术。

 

　　1、提高钻深能力

 

　　铝合金钻杆的密度大约是钢质钻杆的１／３，铝合金钻杆强度与质量之比是钢质钻杆的１．５～２．０倍，在钻机能力一定的情况下，应用铝合金钻杆能够达到钢质钻杆无法达到的井深。

 

　　2、耐腐蚀性好

 

　　常用铝合金钻杆所用材料为Ｄ１６Т、１９５３Т１，在ｐＨ＝２．５的酸性溶液中，Ｄ１６Т、１９５３Т１的腐蚀速率分别为０．１６ｍｍ／ａ和０．１３ｍｍ／ａ。在５％ＮａＣｌ、ｐＨ＝７的中性溶液中，２种材料腐蚀速率很低，而且在Ｈ２Ｓ饱和溶液中几乎不发生腐蚀。

 

　　铝及其合金元素化学特性比较活跃，

 

　　当其与氧反应后会在表面形成稳定的氧化膜，阻止其与周围环境进一步反应。铝合金钻杆在饱和ＣＯ２溶液里长期寝泡也不腐蚀。经过实际使用，铝合金钻杆在任何温度下都可有效防止Ｈ２Ｓ和ＣＯ２腐蚀。

 

　　铝合金钻杆分为钢接头和铝合金接头２种。虽然铝合金钻杆钢接头不具有抗Ｈ２Ｓ和ＣＯ２的能力，但钻杆的薄弱环节在管体，接头一般不容易发生Ｈ２Ｓ应力腐蚀断裂。另外，钢接头与铝合金管体接触，后者对它会起到阴极保护的作用，因此，铝合金钻杆钢接头的腐蚀速率低。

 

　　3、适合于大曲率定向井和水平井

 

　　铝合金钻杆弹性模量小，在曲率大的定向井和水平井中使用铝合金钻杆时，钻柱与裸眼井段和套管井段的摩擦力减小。铝合金钻杆具有良好的抗弯曲载荷性能，更适合曲率大的定向井和水平井。ＡＱＵＡＴＩＣ公司利用３ＤＤＴ软件分别对Ｓ１３５钢钻杆、ＶＭ－１６５钢钻杆和铝合金钻杆的钻柱在如图２所示的井眼钻井作业时所受扭矩和悬重进行了分析，分析时的设定钻井参数为ＤＣ钻头，钻压１５０ｋＮ、钻进速度９ｍ／ｈ、钻井泥浆密度１．３ｇ／ｃｍ３、流速２５Ｌ／ｓ。

 

　　4、显著降低大钩负荷

 

　　铝合金钻杆的密度为３．２～３．６ｇ／ｃｍ３，钢钻杆的密度为７．８ｇ／ｃｍ３，铝合金钻杆在空气中的密度不到钢钻杆的１／２。在钻井时，铝合金钻杆显示出好的浮力特性，当钻井液密度为１．２ｇ／ｃｍ３时，?１４９．２２５ｍｍ（５??英寸）钢钻杆浮力系数为０．８５，比在空气环境下降低１５％，?１４７ｍｍ铝合金钻杆的浮力系数为０．６５，比在空气环境下降低３５％。因此，使用铝合金钻杆可显著降低大钩载荷，极大地提高了钻机和钢丝绳的使用寿命。

 

　　5、耐磨性

 

　　相对于钢钻杆而言，铝合金钻杆耐磨性较差，与涡轮钻具配套使用或在铝合金钻杆中间增加耐磨接头，就可以有效地防止铝合金钻杆磨损。

 

　　六、地质钻探高强度铝合金钻杆的应用

 

　　这几十年来，世界各国特别是美国、俄国、日本、法国等工业发达国家，均由政府出面组织大专院校、研究院所和大型企业，动员大批人力、物力和财力，对铝合金钻探管的生产和应用进行了大量的研究、开发工作，取得了很多成果并推广应用。俄国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；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，钻井的技术经济指标是相当可观的。

 

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

 

　　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必要的。这是由于铝合金弹性模量小，能够大大降低钻杆弯管处及钻探船吊钩处的应力；此外，铝合金钻探管较轻，很大程度上降低了船舶设备上的荷载，增强了可动钻探装置的续航力。在日本大陆架暗礁上采用铝合金钻探管钻探就显得更为必要和重要。

 

　　铝合金钻探管完全能够适应低温工作环境，而且可以大大减小钻探装置的运输量，因此可广泛用于西伯利亚、北极地区、浅海大陆架等寒冷地区的石油、天然气钻探。

 

　　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，也可采用铝合金钻探管。

 

　　1、铝合金钻杆在俄罗斯СГ23超深井中的应用

 

　　采用高可靠性铝合金钻杆是俄罗斯СГ23井创造世界超深井纪录的关键技术之一。该井自下而上采用的高可靠性铝合金钻杆为：第3组合金系列Φ147mm×11mm，1000m；第1组合金Φ147mm×11mm、13mm，8000m；第2组合金Φ147mm×11mm、13mm、15mm，3000m。现场400t能力的钻机额定最大井深为8000m，但用铝合金钻杆取代钢钻杆后钻成了世界最深的井(井深12262m)。统计该井195个井次中钻杆的磨损情况表明，最大磨损量发生在7000～8000m井段，其中钢接头最大磨损量6.8mm，由于钢接头的保护铝合金钻杆本体的最大磨损量仅为0192mm。

 

　　2、铝合金钻杆在中国塔里木勘探井中的应用

 

　　该井的基本钻井技术参数：钻压200kN，转速65r/min，泵量21L/s，钻井液密度2000kg/m3，钻进速度0.03m/min。井身结构及所采用的钢钻杆+高可靠性铝合金钻杆系列。其井深600多米，水平位移达1000m。钻进时与提升时使用不同钻杆的效果对比见表4。可见，使用铝合金钻杆+钢钻杆除了钻杆伸长量有所增加外，整个钻杆柱的重量、大钩载荷、总阻力、扭矩、水力损失等参数都明显下降。

 

　　3、铝合金钻杆在水平井中的应用

 

　　目前高可靠性铝合金钻杆已成功地用于定向斜井和水平井钻井。表5中给出了使用不同钻杆钻进设计井深6370m水平井的对比结果。与只用钢钻杆相比，采用高可靠性铝合金钻杆可减少35%的大钩载荷、约40%的转盘扭矩和泵压损失，同时钻杆的最小强度储备增长则超过17%。

 

　　七、结束语

 

　　综上所述，加强地质钻探高强度铝合金钻杆研制及其应用，能够工程施工进行把握，进而能够完善施工中存在的问题，如此方可在工程中对地质钻探高强度铝合金钻杆进行掌控，提高施工管理水平。

 

　　参考文献

 

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