铝合金钻杆与钢接头冷组装试验研究

发布时间：2017-10-11 21:38

  本文关键词：铝合金钻杆与钢接头冷组装试验研究

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【摘要】：随着石油和天然气工业及地质勘探业的急剧发展,钻探深度不断增加,对钻杆的性能也提出了更高的要求。传统的油气工业和地质钻探中普遍使用钢制钻杆,在一些特殊的钻井条件下,如在超深井、高腐蚀介质井中经常发生摩擦热裂、应力腐蚀断裂、氢脆等问题。相比于钢钻杆,铝合金钻杆材料本身特有的物理力学性能使其可以更好的替代钢制钻杆完成深井、超深井及水平井、大位移井的钻进工作。与钢钻杆相比,铝合金钻杆的优势主要体现在其良好的物理性能、质量轻、比强度高、耐酸性腐蚀、磨阻小以及无磁特性等几个方面。铝合金钻杆可以适用于恶劣的钻井环境并大幅度减轻大钩负载,使其在大直径油气井、超深井、超短半径水平定向井、大位移井等钻进作业中备受瞩目。但铝合金硬度较低、耐磨性差,难以频繁的拧卸钻杆,因此需要在铝合金钻杆的两端通过过盈配合连接钢接头,以减轻因频繁起下钻拧卸钻杆对铝合金钻杆的损伤,同时可以在一定程度上减轻铝合金钻杆与井壁的接触摩擦,从而提高铝合金钻杆的使用寿命和经济效益。为了保证铝合金钻杆与钢接头的可靠连接,需要通过过盈配合连接提供一定的相互压紧的压力,形成可靠牢固的静配合。传统的做法是采用“热组装”方法,即将钢接头加热至300-400℃,然后拧接到铝合金管体上,冷却后即可实现过盈配合连接。为减轻高温对铝合金性能的影响,需配备冷却系统,但增加了组装工艺及组装设备的复杂性。本文对铝合金钻杆与钢接头的“冷组装”工艺技术进行了研究。即利用液氮深冷处理铝合金管体螺纹段,然后快速拧接到处于室温状态的钢接头上,实现二者之间的过盈配合连接。为方便实现对组装件的力学性能检测,本文以直径为Ф50mm、壁厚为5mm的7xxx系铝合金钻杆及直径为Ф58mm的钢接头为研究对象。利用弹性力学理论计算出对上述尺寸的铝合金钻杆杆体和钢接头实现可靠连接的过盈量应为mm3214.0mm0960.0≤≤δ,并计算确定了为实现上述过盈量所需要的冷却温度和冷却时间。利用液氮汽化深冷处理箱作为铝合金钻杆冷却装置,采用手动拧接方式,对设计过盈量分别为0.1mm、0.15mm、0.2mm的Ф50mm铝合金钻杆和Ф58mm钢接头进行了冷组装试验,组装过程时间为15—20秒。为评价冷组装连接的效果,对组装件进行了拉伸和扭转试验,并对拉伸和扭转断口进行了分析。结果表明,过盈量为0.15mm的铝合金钻杆和钢接头组装件力学性能最为优秀,可承受最大拉伸力296.32KN,最大扭矩4162 N?m,断裂基本都发生在铝合金初始螺纹第一扣处,说明此处是钻杆与接头最为薄弱的环节。在对小直径铝合金钻杆与钢接头冷组装研究的基础上,对直径Ф147mm、长度9.1m的全尺寸铝合金钻杆进行了冷组装连接,并对其力学性能进行了检验和评价。在此基础上,进行了铝合金钻杆的实际钻进试验。在试验过程中,铝合金钻杆累计进尺765m,贯穿了试验井的直井段、造斜段、增斜段和稳斜段,成功适应了该定向井的复杂井身结构,连续使用38小时,并无任何安全事故发生,最终安全提钻,完全满足该井钻进需求。钻进效率20.1m/h。提钻后发现铝合金钻杆杆体和钢接头连接可靠,没有发生断裂现象。
【关键词】：铝合金钻杆 钢接头 过盈配合 冷组装
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P634.3
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 课题背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 铝合金钻杆国外研究现状13-15
• 1.2.2 铝合金钻杆国内研究现状15-18
• 1.3 本文主要研究内容18-19
• 第2章 铝合金钻杆及组装工艺介绍19-27
• 2.1 铝合金钻杆的主要特点19-20
• 2.1.1 铝合金钻杆材料要求19-20
• 2.1.2 铝合金钻杆的优点20
• 2.2 铝合金钻杆的生产流程20-21
• 2.3 铝合金钻杆杆体结构设计21-23
• 2.4 深冷处理技术简介23-24
• 2.5 铝合金钻杆与钢接头组装工艺介绍24-26
• 2.5.1 铝合金钻杆杆体与钢接头热组装法24-26
• 2.5.2 铝合金钻杆杆体与钢接头冷组装法26
• 2.6 本章小结26-27
• 第3章 铝合金钻杆与钢接头过盈配合理论计算27-34
• 3.1 过盈量的确定27-30
• 3.2 铝合金钻杆冷却温度及时间的确定30-33
• 3.2.1 铝合金钻杆冷却温度计算30-31
• 3.2.2 铝合金钻杆冷却时间计算31-33
• 3.3 本章小结33-34
• 第4章 铝合金钻杆冷组装室内试验研究34-51
• 4.1 铝合金钻杆冷组装试验主要设备34-37
• 4.2 Φ50mm铝合金钻杆冷组装实验37-40
• 4.3 Ф50mm铝合金钻杆拉伸试验40-46
• 4.3.1 拉伸试验设备41-42
• 4.3.2 抗拉试验42-44
• 4.3.3 拉伸断裂结果分析44-46
• 4.4 Ф50mm铝合金钻杆抗扭实验46-50
• 4.4.1 抗扭试验设备及试验材料46-48
• 4.4.2 抗扭试验48-50
• 4.5 本章小结50-51
• 第5章 Φ147mm铝合金钻杆冷组装及入井实钻试验51-66
• 5.1 Φ147mm铝合金钻杆的设计51-54
• 5.1.1 铝合金钻杆与钢接头的设计51-53
• 5.1.2 铝合金钻杆与钢接头性能参数53-54
• 5.2 Ф147mm铝合金钻杆全尺寸冷组装试验54-55
• 5.3 铝合金钻杆入井实钻55-65
• 5.3.1 试验设备的选择55-59
• 5.3.2 试验地层和油层59-60
• 5.3.3 钻井液设计及性能参数60-61
• 5.3.4 钻具组合设计61-62
• 5.3.5 钻进参数62-63
• 5.3.6 结果分析63-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第6章 结论与展望66-68
• 6.1 结论66-67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-73
• 作者简介及科研成果73-74
• 致谢74

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本文编号：1014907