全钛合金钻杆性能测试试验研究

杨晓勇,陈世春,冯 强,刘永峰,张 恒,张文华

(渤海钻探工程技术研究院 天津 300280)

0 引 言

钛合金因其具有比强度高、耐腐蚀性好、弹性模量小、无磁、耐热性好等优良性能，被广泛应用于航空、航天、航海等领域[1]。随着钛合金管材制造技术逐渐成熟，钛合金管具必将在石油化工行业发挥其巨大的应用潜力。

钛合金管材在20世纪90年代开始应用于石油天然气勘探开发领域，美国RMI公司研发了一种优质的α+β型钛合金,主要应用于钛合金油井管的制造[2]。美国雪佛龙公司于20世纪末开发出用在热采井上的钛合金套管，所用材料为Ti-6246(原用于航空工业耐热高强度钛合金)，2003年起在井深1 524 m，温度260～287 ℃的热采井中成功使用20多口井，取得良好的效果[3]。Weatherford公司的子公司Grant Prideco及RTI国际公司在Texas的子公司RTI能源系统公司于21世纪初研制出具有很高的强度、挠性和耐用性，而且质量轻的钛合金钻杆。此钛合金钻杆采用钛合金钻杆本体加钢制接头的结构，接头材料为SAE-AISI4135、4140或4145铬钼钢[4-5]。国内对钛合金钻杆的研究还处于起步阶段，只有少数几家研究院所和制造厂正在进行钛合金材料在石油天然气钻完井领域的先期研究[3,6]，尚无正式研究成果报道。

现阶段钛合金钻杆主要指的是钛合金管材本体加钢制接头形式组成的钻杆，该钻杆虽然具有较高的强度和挠性[7]，但同时存在着：1)钢制钻杆接头与本体钛合金管材间装配复杂，极易形成内应力影响钻杆整体疲劳寿命；2)钢制钻杆接头与本体钛合金管材间易形成电偶腐蚀，降低整体钻杆疲劳寿命；3)钢制钻杆接头抗腐蚀性能远比钛合金接头差，造成整体钻杆抗腐蚀性能差，降低整体钻杆抗腐蚀疲劳寿命。在中国塔里木、塔中等类似区块，需要完成6 000 m以上的超深井钻井业务，且伴随着高浓度的H2S等腐蚀性气体，常规钛合金钻杆还不能彻底解决在超深井钻井中降低钻机负荷、提高钻高耐腐蚀性能的需求，生产一种强度高、质量轻、韧性好、耐腐蚀性强的钻杆是解决高腐蚀环境下超深井钻井的有效办法。

基于国内塔里木、塔中等区块超深井钻井对轻质、耐腐蚀、长疲劳寿命钻杆的需求和中油油服统筹项目“提高钻机名义钻深的轻质钻具研制”研究成果，本文研制了一种全钛合金钻杆(接头、管体均为钛合金材质)，钻杆接头与管体采用摩擦焊接技术连接，全钛合金钻杆重量为同规格钢制钻杆的57%，钻杆抗拉、抗扭、抗内压性能达到API标准(API Spec 5DP—2009)中规定的同规格105(G)级钢制钻杆水平，满足超深井钻井对降低钻机负荷、提高钻杆耐腐蚀性能的需求。

1 试验设计及测试依据

1.1 全钛合金短钻杆设计

全钛合金钻杆材质为钛合金TC4，其名义组成为 Ti-6Al-4V，属于α+β型钛合金。基于试验设备对待检测钻杆长度限制的考虑，试验钻杆采用长度为3 800 mm 外径为73 mm的全钛合金短钻杆,短钻杆接头尺寸与成品钻杆相同，只将管体长度缩短，具体尺寸图如图1所示。全钛合金短钻杆制造工艺全部按照同规格成品钢制钻杆制造工艺实施，主要包括管体镦粗、接头螺纹加工、管体与接头摩擦焊接、热处理等工序，短钻杆实物如图2所示。

图1 试件尺寸图

图2 试件实物图

1.2 试验设备及测试依据

本文主要包括钻杆的抗拉强度测试、抗内压强度测试、抗扭强度测试3个试验，抗拉强度测试试验所用设备为D4590液压测试架，抗内压强度测试试验所用设备为3D-SY54/2000液压泵，抗扭强度测试试验所用设备为YC8-11液压拆装架。

本文研究全钛合金钻杆的目标是实现全钛合金钻杆抗拉、抗扭、抗内压性能达到API标准(API Spec 5DP—2009)中规定的同规格105(G)级钢制钻杆水平，实现对现有钻杆的替代，故本试验所有试验检测数据的选择均以API标准(API Spec 5DP—2009)中规定的同规格105(G)级钢制钻杆力学性能数据为依据，如表1所示。

表1 全钛合金钻杆机械性能测试试验依据

1.3 试验设计

抗拉试验在液压测试架上进行，将2根全钛合金短钻杆连接放入拉力机中，初始加载拉力为200 kN,以每次200 kN的速度递增，每次拉力试验完成后采用液压泵打压10 MPa，稳压5 min,检测钻杆密封状态的完整性，直到钻杆拉断为止，测试出钻杆极限抗拉载荷。抗内压试验是采用液压泵3D-SY54/2000打压，将1根短钻杆两边接入试压接头，连接完成后打压，初始打压压力为20 MPa,以后以每次20 MPa的速度递增，直到压力升到100 MPa为止，检测钻杆试压过程中的完整性。抗内压试验目标试验值是160 MPa,但受试验设备所限及钻杆现场应用环境考虑，将最高压力值设定为100 MPa。抗扭试验是在YC8-11液压拆装架上进行，钻杆本体抗扭试验是将拆装架的2个钳口卡到短钻杆的2个接箍上，起始扭矩为16 kN·m,以2 kN·m的速度递增，直到扭矩值达到设计试验值为止。钻杆接头抗扭试验是将1对钛合金接头连接，拧扣机的2个钳口卡到2个接头上，起始扭矩为8 kN·m,以2 kN·m的速度递增，直到钻杆接头承受扭矩值达到设计试验值为止。

2 试验结果及分析

2.1 全钛合金钻杆抗拉试验

钻杆承受的最大拉力是全钛合金钻杆研究的重点，也是决定钻杆能否现场应用的关键参数。全钛合金钻杆抗拉试验如图3所示。

图3 全钛合金钻杆抗拉试验图

试验过程中拉力随时间变化的曲线如图4所示。

图4 全钛合金钻杆拉力随时间变化曲线图

在拉力达到1 200 kN时，拉力保持5 min无变化，钻杆状态完好，拉力测试完成后打压到10 MPa,稳压5 min压力无变化，受拉管串密封完好。当拉力上升到1 289 kN时，钻杆拉断，断裂位置在钻杆扣连接处,如图5所示。另外2处连接扣保持完好。通过测试，钻杆在拉力1 200 kN时保持完好，达到目标试验值要求。

图5 全钛合金钻杆抗拉试验图

2.2 全钛合金钻杆抗内压试验

全钛合金钻杆抗内压试验场景如图6所示。

图6 全钛合金钻杆抗内压试验图

钻杆抗内压试验结果如图7所示。

图7 100 MPa压力随时间变化曲线图

从图7中可以看到，当压力达到100 MPa时，整个试压系统稳压效果良好，未出现任何渗漏情况，钻杆状态保持完好。此试验很好地验证了全钛合金钻杆抗高压的能力，达到了目标试验值的要求。

2.3 全钛合金钻杆抗扭试验

钻杆抗扭矩的水平是决定钻杆能否现场应用的关键参数。室内测试试验如图8所示。

图8 全钛合金钻杆抗扭试验图

钻杆管体抗扭试验结果如图9所示，试验数据如表3所示。钻杆接头抗扭试验结果如图10所示，试验数据如表4所示。

图9 全钛合金钻杆管体抗扭试验数据图

序号扭矩/kN·m作用时间/min钻杆状态1165完好2185完好3205完好4225完好5245完好6265完好7285完好

图10 全钛合金钻杆接头抗扭试验数据图

序号扭矩/kN·m作用时间/min接头状态185完好2105完好3125完好4145完好5165完好6185完好7201断裂

从测试结果我们可以看到，全钛合金钻杆管体在扭矩为28 kN·m时钻杆状态保持完好，超过目标试验值22 kN·m的要求。全钛合金钻杆接头在扭矩为18 kN·m时钻杆接头状态保持完好，当扭矩增加到20 kN·m时，钻杆接头出现扭断现象(如图11)，钻杆接头的试验值同样超过了11.5 kN·m的要求。

图11 钻杆接头抗扭断裂图

3 结 论

试验表明，全钛合金钻杆抗拉强度达到了1 200 kN,管体抗扭强度达到了20 kN·m,接头抗扭强度达到了18 kN·m,整体抗内压强度达到了100 MPa,满足API标准(API Spec 5DP—2009)中同规格105(G)级钢制钻杆抗拉、抗扭、抗内压性能要求，全钛合金钻杆的性能参数已经达到现场应用标准。