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2016.11.11涨知识|钻探“小能手”铝合金在海上钻井平台上的应用

  随着石油钻探技术的提高,人类获取石油的方式早已不再局限于陆地上,占全球面积71%面积的海洋已经成为了人类获取石油的新来源。以中国为例,在东海和南海就已经探明了大量石油资源。而要在海上钻探石油,就要劳驾海上钻井平台了。

  海上钻井平台主要用于钻探井的海上结构物。上装钻井、动力、通讯、导航等设备,以及安全救生和人员生活设施。海上油气勘探开发不可缺少的手段。主要有自升式和半潜式钻井平台。

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  目前大多数的海上钻井平台都是由钢材制造而成。钢材强度高,维护成本低等是它的优势所在。但是随着钢材的应用,锈蚀,使用期限短和维护成本高等问题也渐渐浮出水面。因此,寻找一种与钢材强度接近、耐用性好、效果美观好的新型材料,对海洋工程设备的发展具长远的意义,而铝型材的重量轻、强度高、耐腐蚀性、低维护费以及可回收再利用等许多优点可以满足发展的需要。

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  铝型材的具体优点如下:

  1)轻重量。采用重量轻、牢固的铝合金型材,铝合金型材重量轻,便于安装、运输和存放。铝合金型材重量只是钢结构材料的1/3

  2)适用性强。能适应于各种复杂恶劣的环境和气候。

  3)组合多样,外型美观。铝合金型材由于铝合金可塑性强的特性,可以制作出各种美观的结构,外形更加时尚,美观。

  4)耐腐蚀、低维护。所有型材均经过防氧化处理,铝型材使用寿命长达30年以上。

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  随着铝合金越来越受海洋工业的重视,不少铝业巨头也进入了研发钻井平台用铝合金部件的研发当中,美铝就研发出了一种高性能铝合金钻杆。

  目前,普遍使用的钢制钻杆在水平井、高腐蚀介质井、超深井等施工中经常遇到钻杆摩擦热裂、氢脆、应力腐蚀断裂、钻井速度和效率降低、大钩负载过大等问题。上述问题均是由合金钢材料本身的理化特性所决定,如要从根本上提高钻杆的性能,就必须改进钻杆管体的原材料。

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  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1.52.0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

  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H2SCO2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H2SCO2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

  分析结果表明:在相同钻井工况下实施大位移钻井作业时,采用钢钻杆时钻柱所受的扭矩过大,扭矩已经超过了钻杆的使用极限,而采用铝合金钻杆时钻柱所受扭矩明显下降。钢钻杆的钻柱悬重均超过了上部钻杆使用极限,存在过载拉伸断裂问题,而采用铝合金钻杆的钻柱悬重明显下降,上部钻杆所受的拉伸载荷仍然处在安全使用的范围。

  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,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。

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  美国铝业(ALCOA)FarReach钻杆特点介绍:

  1、使用铝合金钻杆后,可使钻机效率提高50%~100%,同时减少了起下钻时间,降低了装配和运输成本。

  2、钻探深度超过钢铁钻杆的36%,且可以较少30%的表面转矩。

  3、管的内表面上涂有一层非常耐腐蚀的涂层,这是一种纳米涂层(nano-coating),是美铝技术中心(AlcoaTechnicalCentre)研发的,可在极端恶劣的钻探腐蚀条件下工作,使用寿命比没有涂层钻探铝合金管的长30%40%

  4、使用了FarReach合金产品,每口井成本可以节约15万美元。

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