您對鉆桿鉆頭的歷史一無所知,！

2019-11-28 14:55:06

中華民族每一次前進(jìn)的腳步,，都凝聚著無數(shù)科技工作者不懈的努力。石油工業(yè)亦是如此,，從1959年松基三井喜噴工業(yè)原油,，宣告發(fā)現(xiàn)大慶油田開始，到在中國南海順利完成西江24-3-A14高難度井（水平位移達(dá)到8063米）,，幾十年間油氣勘探開發(fā)技術(shù)能力已經(jīng)實現(xiàn)了長足的進(jìn)步,。

鉆桿鉆出的油田

△1959年大慶油田

△大位移水平井工欲善其事,、必先利其器,，行業(yè)綜合能力的提升離不開裝備及工具技術(shù)的發(fā)展，本期內(nèi)容我們將重點向大家介紹你有所知卻也有所不知的“石油鉆具”,。一,、引言不得不說中國是全球地質(zhì)條件最復(fù)雜的國家（如果叫第二，沒人敢稱第一(⊙o⊙)…）,，隨著能源需求的日趨緊迫,，深井、超深井,、水平井作業(yè)數(shù)量逐年增加,，這些作業(yè)對鉆具能力及穩(wěn)定性的要求是非常苛刻的,。一旦鉆井過程中鉆具發(fā)生斷裂等事故,，那損失可就異常的慘重辣（甲方此刻淚汪汪）二、背景知識? 什么是鉆井,？鉆井就是打通地面和油氣層通道的過程,。包括三個過程：破碎巖石；取出巖屑保護(hù)井壁,；固井和完井,、形成油氣通道?！魍苿鱼@頭的管子就是鉆桿? 鉆桿是干什么的,？有句俗話話：鉆頭不到,，油氣不冒。鉆桿就是為鉆頭傳遞扭矩（就是傳遞動力）,、輸送泥漿,、并不斷推動鉆頭鉆進(jìn)的管柱。? 鉆桿長什么樣子,？鉆桿包括管體和接頭,，是由“三部分”組成：一根兩端加厚的無縫管材，與一個帶外螺紋的公接頭和一個帶內(nèi)螺紋母接頭,。三者通過摩擦焊接組合在一起,。（為什么不是一次性鑄造的呢？因為鍛造成本太高啦~）,。鉆桿的長度和直徑習(xí)慣上用英制來表示（這是歷史遺留問題,，因為最初大部分鉆井裝備都是引進(jìn)英美國家的），國內(nèi)常用的鉆桿長度為31英尺（9.1-9.9米）,；常見鉆桿的直徑為2-3/8,、2-7/8、3-1/2,、4 \",、4-1/25 \"、5-1/2,?！縻@桿結(jié)構(gòu)示意圖? 鉆桿有多長？實際上鉆桿有三種標(biāo)準(zhǔn)尺寸：第一級6.4米-7.5米,；第二級9.1-9.9米,；第三級11.5米-14米。那為什么國內(nèi)通常都采用第二級,？為了提高工作效率,，通常會將3根鉆桿連接起來，形成一柱鉆桿,。而國內(nèi)井架二層平臺高度通常為27m左右,，第二級尺寸的鉆桿一柱的長度剛剛好！△三根一柱提高效率第一級,、第三級怎么用,？短鉆桿通常用來“湊數(shù)”，例如打一口95米的井,，10根9米的長鉆桿和1根5米的短鉆桿就剛剛好。加長鉆桿在俄羅斯,，加拿大等地比較受歡迎,。因為當(dāng)?shù)販囟鹊?、條件惡劣，加長鉆桿可以減少起下鉆的次數(shù),、提高效率,。△高寒地區(qū)鉆井現(xiàn)場三,、鉆桿是怎樣煉成的,？易開采的油氣資源不斷消耗，環(huán)境惡劣,、地質(zhì)條件苛刻的油氣井?dāng)?shù)量逐年增加,。鉆桿在井下需要承受高溫高壓、化學(xué)腐蝕,、高強(qiáng)度拉力和扭矩的考驗,；管體內(nèi)鉆井液、環(huán)空反排泥漿混合著砂石在大排量,、高壓力下不斷沖擊,、磨損著鉆桿。我想問：“鉆桿君,，你是如何承受的,？”△生命不能承受之重練就一份好身板要從原材料開始：大部分鉆桿廠商都不自己煉鋼，往往向鋼鐵廠訂購原材料（鋼管和接頭）,。鉆桿廠商在拿到訂單后,，根據(jù)設(shè)計要求來選定鋼材的配比方案。常用的是“鉻鉬鋼”,，為了達(dá)到特定要求,，還會添加鎳、硅,、釩等元素,。鋼鐵廠會根據(jù)配比方案向鉆桿廠生產(chǎn)、供貨,?！鬟@就是原材料鉆桿和接頭哦●● ●補(bǔ)充 | 知識鉆桿執(zhí)行API 5DP（American Petroleum Institute，美國石油學(xué)會）標(biāo)準(zhǔn),，標(biāo)準(zhǔn)中將鋼材根據(jù)強(qiáng)度劃分為E75,、X95、G105,、S135,，有的甚至用到V150。鋼材的等級越高,，強(qiáng)度越大,。在鋼材中添加不同的元素,，來調(diào)整鋼材的各種性能。碳C：可以提高鋼材強(qiáng)度,。鉻Cr：可提高鋼的強(qiáng)度和硬度,，還可以提升高溫機(jī)械性能，使其具有良好的抗氧化性和抗腐蝕性,。錳Mn：是良好的脫氧劑和脫硫劑,，提升鋼的熱加工性能和耐磨性。鉬Mo：炭化鉬可以防止鋼材太脆,，使其在高溫下保持更好的強(qiáng)度,。鎳Ni：可以增加強(qiáng)度、抗腐蝕和增加韌性,。鎢W：可以提高耐磨損性,。釩V：是鋼的優(yōu)良脫氧劑。提高鋼材強(qiáng)度和韌性,。釩與碳形成的碳化物,，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力?！璗he more,the better?答案是補(bǔ)藥雖好,、萬萬不可多吃！鉆具鋼級的選擇需要“因地制宜”,。鋼級越高,，機(jī)械強(qiáng)度越大，包括抗拉,、抗扭,、抗擠壓強(qiáng)度等性能均會提高。但與此同時,，因為碳元素含量的增加,，也會帶來不好的影響，一方面鋼抗腐蝕能力就差,，所以對于一些含硫化氫,、二氧化硫和二氧化碳較高的井則無法使用，另一方面鉆具的塑性及韌性就會變差,，當(dāng)遭遇水平井鉆井“狗腿”處大角度彎曲的考驗時,，就容易發(fā)生斷裂，因為太脆啦,！△二氧化碳腐蝕導(dǎo)致的凹坑,，專業(yè)稱為“點蝕”△坑蝕部位所以在元素配比時，要綜合考慮鋼材的強(qiáng)度、韌性和塑性,，根據(jù)施工要求“因地制宜”,。原材料進(jìn)廠,，開始加工啦,！鉆桿的加工包括三大部分，管體加工,，接頭加工,，摩擦焊接加工。具體工藝詳見以下流程圖:

△鉆桿生產(chǎn)工藝流程總體而言有三方面因素決定了鉆桿品質(zhì)的優(yōu)劣：一,、原材料的配方,；二、關(guān)鍵生產(chǎn)工藝技術(shù)的差別,；三,、質(zhì)檢環(huán)節(jié)的控制?！霸牧系呐浞健币呀?jīng)無需多言,，我們重點聊一聊“生產(chǎn)工藝技術(shù)”和“質(zhì)檢控制”。1.管體加厚工藝為了保證鉆桿的整體強(qiáng)度,，需要在焊接前,，增加該處的壁厚，有三種方式內(nèi)加厚,、外加厚和內(nèi)外加厚,。2. 接頭加工包括熱處理和螺紋加工（鉆桿關(guān)鍵工藝）2.1熱處理工藝：包括淬火、回火工藝,。先將接頭加熱到900度（不同廠家溫度有所不同）,，保持一段時間，然后快速冷卻（鋼材組織結(jié)構(gòu)由“奧氏體”轉(zhuǎn)變?yōu)椤榜R氏體”太學(xué)術(shù)啦,，喜歡刨根問底的找小編）,。之后再次加熱到600度左右并冷卻（鋼材組織結(jié)構(gòu)由“馬氏體”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎鼗鹚魇象w）。熱處理的目的就是為了提高管材的硬度,、強(qiáng)度,、耐磨性及韌性等。為了保證鋼材不發(fā)生氧化,、脫碳和滲碳,，渤海能克還采用了特殊的控制工藝，在爐內(nèi)通入還原性氣體（氫氣,、一氧化碳?xì)怏w等）以進(jìn)一步保證品質(zhì),。2.2 螺紋加工工藝熱處理后需要檢驗接頭的各項機(jī)械性，符合要求的接頭才能進(jìn)行螺紋加工。加工出的螺紋起到連接作用,，臺肩面旋緊可以起到密封作用,。

△螺紋加工機(jī)床為了保證鉆桿之間實現(xiàn)精確對接，需要對加工好的接頭逐一檢查（螺紋的緊密距,、螺距,、錐度、牙高）,。在實際使用過程中螺紋容易出現(xiàn)粘扣（卡死,、擰不開）現(xiàn)象，所以最后要對螺紋進(jìn)行鍍銅,、磷化,、上卸扣等處理。

△螺紋鍍銅處理管體的外徑尺寸不同,，對應(yīng)接頭的螺紋扣型也會不同,。目前2”到5”的鉆桿接頭普遍采用數(shù)字型螺紋，5-1/2到6-5/8鉆桿接頭采用貫眼型螺紋,。其它形式的螺紋基本都OUT了,。●● ●補(bǔ)充 | 知識焊接耐磨帶工藝由于鉆桿接頭比管體粗,，所以在鉆井過程中接頭更容易磨損,，為了延長使用壽命，常常會在接頭處焊接耐磨帶,。PS耐磨帶可以反復(fù)修補(bǔ)~

3. 最最關(guān)鍵的工藝——摩擦焊接管體和接頭吻合后,，將接頭高速轉(zhuǎn)動并施加壓力，劇烈摩擦產(chǎn)生高熱量,，實現(xiàn)接頭和管體的緊密融合,，當(dāng)然收尾還需把焊接毛刺（多出來的熔融金屬）去除。

△摩擦焊接工藝?yán)秒姶鸥袘?yīng)對焊縫進(jìn)行中頻加熱,，線圈處是電磁感應(yīng)最集中的地方,，加熱到960度只需要30多秒。鋼材導(dǎo)熱速度沒這么快所以接頭處形成了灼燒火紅色區(qū)域,。這個過程可以提高接頭處鋼材的機(jī)械性能,。

△中頻熱處理4. 質(zhì)檢環(huán)節(jié)的控制質(zhì)檢工作其實是伴隨著鉆桿生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)的。例如：在完成管端加厚工藝時,，需要對加厚的管端進(jìn)行厚度,，加厚過渡帶的質(zhì)檢；接頭完成熱處理后,，要質(zhì)檢,；車完螺紋也要質(zhì)檢……不合格的就會成為廢品,，這也是高質(zhì)量鉆桿廠商成本高的原因之一。

△超聲波探傷儀

△沒能通過質(zhì)檢的伙伴兒們四,、鉆桿的使用鉆桿畢竟是干苦活兒,、臟活兒、累活兒的,，即使鋼材品質(zhì)高,、加工工藝強(qiáng)、質(zhì)檢嚴(yán)格也難免出現(xiàn)鉆桿管體斷裂和刺漏（鉆桿被泥漿刺破）,、鉆桿螺紋失效等狀況,。具體原因可以歸納為：首先是鉆桿的金屬疲勞，也就是鉆桿到達(dá)使用年限或者超過了其最大使用強(qiáng)度,。其次鉆井現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)各種意外事故時（如井下落魚,、工作人員操作失誤等情況）,，也有可能導(dǎo)致鉆桿彎曲變形或斷裂。如何避免鉆桿“英年早逝”,？石油課堂溫馨提示：鉆具在使用中整套鉆具組合的最下部分承受的交變應(yīng)力及扭矩是最大的,，特殊井中處于“狗腿處”的鉆具也極容易損壞，這些都會造成同批鉆具的損耗程度不同,。參考木桶理論,，整套鉆具的穩(wěn)定性不是由最強(qiáng)的決定，而是由最薄弱的那一根決定,。所以在實際工作中需要根據(jù)鉆井的難度和使用頻率合理的使用同批次鉆桿,，這樣可以延長鉆具使用壽命。在鉆進(jìn)過程中應(yīng)時刻注意鉆機(jī)和鉆桿的狀況,。一旦如出現(xiàn)卡鉆,、暴死等現(xiàn)象，應(yīng)立即停鉆或回鉆后緩慢鉆進(jìn),，防止鉆桿彎曲變形,。完成作業(yè)后，應(yīng)及時清洗鉆桿上的污泥,，尤其是在酸堿地區(qū),，應(yīng)重視防腐工作。出現(xiàn)嚴(yán)重問題應(yīng)回廠返修或及時報廢,。此外制定鉆具保養(yǎng)周期,，定期對其進(jìn)行防銹防塵處理，可延長鉆桿的使用壽命,?！骷皶r清理泥漿五,、新型鉆具近年來水平井、深井和超深井,、大位移井及特殊井逐年增長,，傳統(tǒng)意義上的鉆桿已不能完全滿足使用要求。對具備高強(qiáng)度,、高韌性,、智能化、數(shù)字化,、防腐蝕,、高溫、高扭度,、高靈敏度鉆桿的需求日益旺盛,。因此，研發(fā)并推廣新型鉆桿更符合產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的趨勢,。雙臺肩高抗扭鉆桿這種鉆桿主要兩大優(yōu)點,，第一抗扭強(qiáng)度比API標(biāo)準(zhǔn)接頭提高30%到50%，第二水眼增大,，5\"S135鉆桿接頭水眼可以由2-3/4\"增大到3-1/4\",。因此這種鉆具滿足大排量，高泵壓,，高扭矩鉆井作業(yè),，適用于鉆探深井，超深井,，大斜度井和水平井,。智能鉆桿由美國格蘭特（Grant）公司首先研制，在鉆桿接頭部植入芯片,，鉆井過程中實時傳遞井下信息,，地面上的儀器同步分析，效率高,。鋁合金鉆桿主要優(yōu)點是重量輕,，在強(qiáng)度相同的情況下，重量僅為鋼鉆桿的一半,，因而在設(shè)備,、動力、運輸?shù)确矫娑加袃?yōu)勢,，而且鉆桿壁厚增加了,，增強(qiáng)了耐磨性，壽命是普通薄壁鋼鉆桿的2倍多,。復(fù)合材料鉆桿復(fù)合鉆桿在卷筒上纏繞碳纖維后,，由一種環(huán)氧基復(fù)合材料覆蓋并密封而成,。具有高強(qiáng)度質(zhì)量比，超高的抗腐蝕能力和抗疲勞能力等,。缺點是壁厚大,，而且目前生產(chǎn)成本還比較高。六,、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀? 有哪些鉆桿生產(chǎn)商,？世界上著名的鉆桿生產(chǎn)廠有美國格蘭特鉆具公司和法德合資的瓦姆公司。國內(nèi)具有代表性的鉆桿生產(chǎn)企業(yè)有渤海能克,，格蘭特,、寶鋼、華實海隆等,。前幾年隨著油氣上游產(chǎn)業(yè)的投資熱情高漲,，也發(fā)展起來一大批民營企業(yè)，目前國內(nèi)具備鉆桿加工生產(chǎn)能力的企業(yè)達(dá)到了近百家,，基本都是外購管體加工鉆桿,。其產(chǎn)量除可以滿足國內(nèi)常規(guī)鉆桿需要外，還有部分出口,。? 目前國內(nèi)鉆具產(chǎn)業(yè)的狀態(tài)？隨著油價寒冬的到來,，上游投資銳減,，鉆具產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩的局面凸顯。現(xiàn)在國內(nèi)鉆具企業(yè)面臨一場前所未有的行業(yè)洗牌期,，產(chǎn)業(yè)利潤率已經(jīng)低于整體機(jī)械加工行業(yè)的平均利潤率,，一些國有企業(yè)甚至在賠錢生產(chǎn)。? 造成這種狀態(tài)的原因是什么,？主要原因有兩點：1.鉆具產(chǎn)業(yè)供大于求,、出口受阻①油價低，鉆井?dāng)?shù)量少,，對鉆桿的需求減少②國內(nèi)生產(chǎn)鉆桿的中小企業(yè)大都是出口型企業(yè),，訂單需求集中在北美，中東,，東歐等地區(qū),，但自2011年2月開始，美國對從中國出口到美國的石油鉆桿和鉆鋌征收最高約達(dá)430%的反傾銷關(guān)稅和18.18%的反補(bǔ)貼關(guān)稅,。大量的中小企業(yè)喪失了價格優(yōu)勢,，只能由出口轉(zhuǎn)為內(nèi)銷，進(jìn)一步加劇了國能鉆桿市場產(chǎn)能過剩的局面,。2.市場未完全開放國內(nèi)主要需求還是來自于“三桶油”,，但在實際的生產(chǎn)中,，各企業(yè)會優(yōu)先選擇自己內(nèi)部單位的產(chǎn)品，而在“低油價”時期內(nèi)部鉆具生產(chǎn)廠家首先選擇以價換量“抱團(tuán)取暖”,，大量的民營企業(yè)地位就更加尷尬了,。△抱團(tuán)取暖綜合以上原因國內(nèi)鉆桿市場已經(jīng)由之前的賣方市場變成了當(dāng)前的買方市場,，鉆桿行業(yè)的利潤在不良競爭下已經(jīng)被嚴(yán)重掠奪,。如果你的朋友在石油鉆桿行業(yè)，今年利潤大幅縮水,，吃飯還是個問題,，吃飯聚餐就不要和他AA制了，你請他吧,。有時間多陪陪他,，約他聊天，他郁悶時你來買買單都是不錯的選擇,。理解他,、包容他，千萬不要當(dāng)著他的面提生意,、利潤,，旅游等等敏感詞語。若最近他想去樓頂,、河邊,、大橋上、站臺等地方,，請緊密陪伴,。因為生命來之不易，生活需要互相扶持前行,?！髟徫疫@一生不羈放縱愛自由七、“最低價中標(biāo)”之弊端身處國有企業(yè)的朋友們應(yīng)該明白,，國有企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)干部在一個工作崗位上一般不會超過3年,，每年實行明確的KPI（績效考核），考核的主要是利潤及產(chǎn)值,?？己说慕Y(jié)果一定程度上影響領(lǐng)導(dǎo)干部的發(fā)展，所以企業(yè)全年的工作基本都是圍繞當(dāng)年KPI展開的,。這和鉆具有什么關(guān)系呢,？試想一批高質(zhì)量的鉆具使用壽命往往超過五年，雖然價格稍高,，但是成本分?jǐn)偤笸顿Y回報率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于廉價但是品質(zhì)不高的鉆具,。但正所謂前人栽樹,、后人乘涼，當(dāng)短期的利潤考核壓力擋在面前時,，誰還能考慮這么長遠(yuǎn)呢,？

此外自2014年至今國內(nèi)石油行業(yè)掀起了一股前所未有的反腐風(fēng)暴，領(lǐng)導(dǎo)干部成塌方式淪陷,。在政治形勢的重壓下,，大部分人不愿意去承擔(dān)額外的風(fēng)險、甚至出現(xiàn)了大批領(lǐng)導(dǎo)干部“不作為”現(xiàn)象,。直接體現(xiàn)在投資,、采辦工作中的就是大家默認(rèn)施行的“最低價中標(biāo)”。

“最低價中標(biāo)”,，注重技術(shù),、以品質(zhì)取勝的廠家往往優(yōu)勢不再，因為技術(shù)和品質(zhì)往往需要通過“高成本”來承載,，在“生死面前”鉆具產(chǎn)業(yè)燃起了兇猛的價格戰(zhàn),，甚至出現(xiàn)鉆具價格低于原材料價格的狀況出現(xiàn)，國內(nèi)的鉆具企業(yè)大都為了短期的生存放棄了品質(zhì),、放棄了品牌,、放棄了研發(fā)，行業(yè)的發(fā)展邁入了越陷越深的泥潭……習(xí)大大在中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組會議上提出“推動能源技術(shù)革命,，分類推動技術(shù)創(chuàng)新,、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新,，并同其他領(lǐng)域高新技術(shù)緊密結(jié)合，把能源技術(shù)及其關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)培育成帶動我國產(chǎn)業(yè)升級的新增長點,?！庇纱宋覀兛梢月?lián)想到中國石油產(chǎn)業(yè)及關(guān)聯(lián)的裝備、工具制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級已迫在眉睫,。但就在歐美國家以第三次能源革命為助力展開雙臂大膽擁抱工業(yè)4.0,、迎接DT時代的時候，我們的自主品牌卻逐漸在“最低價中標(biāo)”的迷霧中沉淪,，行業(yè)發(fā)展岌岌可危,。

中國的體制亟需要改革，中國的民族工業(yè)亟需要產(chǎn)業(yè)升級,，這意味著我們需要從重資產(chǎn)向輕資產(chǎn)轉(zhuǎn)型,，從低附加值向高附加值轉(zhuǎn)型，因為只有高端高效高附加值才能去產(chǎn)能化,，才能帶給民族工業(yè)更長久的未來,。石油工業(yè)進(jìn)入“冰河期”,，這不單純是石油鉆具產(chǎn)業(yè)面臨的，而是全石油行業(yè)同仁必須面對的,。親愛的朋友或許你身邊的很多朋友也同在石油行業(yè),，你大可不必馬上去請他吃飯，也不見得馬上去和他聊天見面,、安慰他,。或許你能將此文分享到朋友圈,，讓更多人看到我們必須與客觀存在的行業(yè)弊端斗爭到底,，我們必須痛下決心，克服困難以壯士斷腕的勇氣去推進(jìn)行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展,、實現(xiàn)技術(shù)升級,，只有這樣才能夠激發(fā)石油行業(yè)的潛在活力，迎來脫胎換骨后更廣闊的明天,！