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的腳步,，都凝聚著無數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（水平位移達到8063米），幾十年間油氣勘探開發(fā)技術能力已經實現了長足的進步,。

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的發(fā)展,，本期內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條件最復雜的國家（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?？量痰摹Ｒ坏┿@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英美國家的），國內常用的鉆桿長度為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@桿結構示意圖? 鉆桿有多長？實際上鉆桿有三種標準尺寸：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”,，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。因為當地溫度低,、條件惡劣,，加長鉆桿可以減少起下鉆的次數、提高效率,?！鞲吆貐^(qū)鉆井現場三、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、地質條件苛刻的油氣井數量逐年增加,。鉆桿在井下需要承受高溫高壓,、化學腐蝕、高強度拉力和扭矩的考驗,；管體內鉆井液,、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,，根據設計要求來選定鋼材的配比方案,。常用的是“鉻鉬鋼”，為了達到特定要求,，還會添加鎳,、硅、釩等元素,。鋼鐵廠會根據配比方案向鉆桿廠生產,、供貨?！鬟@就是原材料鉆桿和接頭哦●● ●補充 | 知識鉆桿執(zhí)行API 5DP（American Petroleum Institute,，美國石油學會）標準,，標準中將鋼材根據強度劃分為E75、X95,、G105,、S135，有的甚至用到V150,。鋼材的等級越高,，強度越大。在鋼材中添加不同的元素,，來調整鋼材的各種性能,。碳C：可以提高鋼材強度。鉻Cr：可提高鋼的強度和硬度,，還可以提升高溫機械性能,，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度,。鎳Ni：可以增加強度,、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,。……The more,the better?答案是補藥雖好,、萬萬不可多吃,！鉆具鋼級的選擇需要“因地制宜”,。鋼級越高,，機械強度越大，包括抗拉,、抗扭,、抗擠壓強度等性能均會提高。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度、韌性和塑性,，根據施工要求“因地制宜”,。原材料進廠，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:

△鉆桿生產工藝流程總體而言有三方面因素決定了鉆桿品質的優(yōu)劣：一、原材料的配方,；二,、關鍵生產工藝技術的差別；三,、質檢環(huán)節(jié)的控制,。“原材料的配方”已經無需多言,，我們重點聊一聊“生產工藝技術”和“質檢控制”,。1.管體加厚工藝為了保證鉆桿的整體強度，需要在焊接前,，增加該處的壁厚,，有三種方式內加厚、外加厚和內外加厚,。2. 接頭加工包括熱處理和螺紋加工（鉆桿關鍵工藝）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（鋼材組織結構由“奧氏體”轉變?yōu)椤榜R氏體”太學術啦，喜歡刨根問底的找小編）,。之后再次加熱到600度左右并冷卻（鋼材組織結構由“馬氏體”轉變?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,，在爐內通入還原性氣體（氫氣,、一氧化碳氣體等）以進一步保證品質。2.2 螺紋加工工藝熱處理后需要檢驗接頭的各項機械性,，符合要求的接頭才能進行螺紋加工,。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,。

△螺紋加工機床為了保證鉆桿之間實現精確對接,，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粘扣（卡死,、擰不開）現象,，所以最后要對螺紋進行鍍銅、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,?！瘛?●補充 | 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耐磨帶可以反復修補~

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

△摩擦焊接工藝利用電磁感應對焊縫進行中頻加熱,，線圈處是電磁感應最集中的地方,，加熱到960度只需要30多秒。鋼材導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械性能,。

△中頻熱處理4. 質檢環(huán)節(jié)的控制質檢工作其實是伴隨著鉆桿生產的各個環(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行厚度,，加厚過渡帶的質檢,；接頭完成熱處理后，要質檢,；車完螺紋也要質檢……不合格的就會成為廢品,，這也是高質量鉆桿廠商成本高的原因之一。

△超聲波探傷儀

△沒能通過質檢的伙伴兒們四,、鉆桿的使用鉆桿畢竟是干苦活兒,、臟活兒、累活兒的,，即使鋼材品質高,、加工工藝強、質檢嚴格也難免出現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，也就是鉆桿到達使用年限或者超過了其最大使用強度,。其次鉆井現場地質條件復雜,，當出現各種意外事故時（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,。在鉆進過程中應時刻注意鉆機和鉆桿的狀況。一旦如出現卡鉆,、暴死等現象,，應立即停鉆或回鉆后緩慢鉆進，防止鉆桿彎曲變形,。完成作業(yè)后,，應及時清洗鉆桿上的污泥，尤其是在酸堿地區(qū),，應重視防腐工作,。出現嚴重問題應回廠返修或及時報廢,。此外制定鉆具保養(yǎng)周期，定期對其進行防銹防塵處理,，可延長鉆桿的使用壽命,。△及時清理泥漿五,、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,。對具備高強度、高韌性,、智能化,、數字化、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,，第一抗扭強度比API標準接頭提高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,，在強度相同的情況下,，重量僅為鋼鉆桿的一半，因而在設備、動力,、運輸等方面都有優(yōu)勢，而且鉆桿壁厚增加了,，增強了耐磨性,，壽命是普通薄壁鋼鉆桿的2倍多。復合材料鉆桿復合鉆桿在卷筒上纏繞碳纖維后,，由一種環(huán)氧基復合材料覆蓋并密封而成,。具有高強度質量比，超高的抗腐蝕能力和抗疲勞能力等,。缺點是壁厚大,，而且目前生產成本還比較高。六,、產業(yè)現狀? 有哪些鉆桿生產商,？世界上著名的鉆桿生產廠有美國格蘭特鉆具公司和法德合資的瓦姆公司。國內具有代表性的鉆桿生產企業(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)，目前國內具備鉆桿加工生產能力的企業(yè)達到了近百家,，基本都是外購管體加工鉆桿,。其產量除可以滿足國內常規(guī)鉆桿需要外，還有部分出口,。? 目前國內鉆具產業(yè)的狀態(tài),？隨著油價寒冬的到來，上游投資銳減,，鉆具產業(yè)產能過剩的局面凸顯?，F在國內鉆具企業(yè)面臨一場前所未有的行業(yè)洗牌期，產業(yè)利潤率已經低于整體機械加工行業(yè)的平均利潤率,，一些國有企業(yè)甚至在賠錢生產,。? 造成這種狀態(tài)的原因是什么？主要原因有兩點：1.鉆具產業(yè)供大于求,、出口受阻①油價低,，鉆井數量少，對鉆桿的需求減少②國內生產鉆桿的中小企業(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430%的反傾銷關稅和18.18%的反補貼關稅,。大量的中小企業(yè)喪失了價格優(yōu)勢，只能由出口轉為內銷,，進一步加劇了國能鉆桿市場產能過剩的局面,。2.市場未完全開放國內主要需求還是來自于“三桶油”，但在實際的生產中,，各企業(yè)會優(yōu)先選擇自己內部單位的產品,，而在“低油價”時期內部鉆具生產廠家首先選擇以價換量“抱團取暖”，大量的民營企業(yè)地位就更加尷尬了,?！鞅F取暖綜合以上原因國內鉆桿市場已經由之前的賣方市場變成了當前的買方市場，鉆桿行業(yè)的利潤在不良競爭下已經被嚴重掠奪,。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”之弊端身處國有企業(yè)的朋友們應該明白，國有企業(yè)領導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值。考核的結果一定程度上影響領導干部的發(fā)展,，所以企業(yè)全年的工作基本都是圍繞當年KPI展開的,。這和鉆具有什么關系呢？試想一批高質量的鉆具使用壽命往往超過五年,，雖然價格稍高,，但是成本分攤后投資回報率要遠遠高于廉價但是品質不高的鉆具。但正所謂前人栽樹,、后人乘涼,，當短期的利潤考核壓力擋在面前時,，誰還能考慮這么長遠呢,？

此外自2014年至今國內石油行業(yè)掀起了一股前所未有的反腐風暴，領導干部成塌方式淪陷,。在政治形勢的重壓下,，大部分人不愿意去承擔額外的風險、甚至出現了大批領導干部“不作為”現象,。直接體現在投資,、采辦工作中的就是大家默認施行的“最低價中標”。

“最低價中標”,，注重技術,、以品質取勝的廠家往往優(yōu)勢不再，因為技術和品質往往需要通過“高成本”來承載,，在“生死面前”鉆具產業(yè)燃起了兇猛的價格戰(zhàn),，甚至出現鉆具價格低于原材料價格的狀況出現，國內的鉆具企業(yè)大都為了短期的生存放棄了品質,、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……習大大在中央財經領導小組會議上提出“推動能源技術革命,，分類推動技術創(chuàng)新,、產業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新,，并同其他領域高新技術緊密結合,，把能源技術及其關聯產業(yè)培育成帶動我國產業(yè)升級的新增長點?！庇纱宋覀兛梢月撓氲街袊彤a業(yè)及關聯的裝備,、工具制造產業(yè)技術升級已迫在眉睫。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”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)亟需要產業(yè)升級,，這意味著我們需要從重資產向輕資產轉型，從低附加值向高附加值轉型,，因為只有高端高效高附加值才能去產能化,，才能帶給民族工業(yè)更長久的未來。石油工業(yè)進入“冰河期”,，這不單純是石油鉆具產業(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,?；蛟S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行業(yè)轉型發(fā)展、實現技術升級,，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！