您对钻杆钻头的历史一无所知！

2019-11-28 14:55:06

中华民族每一次前进的脚步，都凝聚着无数科技工作者不懈的努力。石油工业亦是如此，从1959年松基三井喜喷工业原油，宣告发现大庆油田开始，到在中国南海顺利完成西江24-3-A14高难度井（水平位移达到8063米），几十年间油气勘探开发技术能力已经实现了长足的进步。

钻杆钻出的油田

△1959年大庆油田

△大位移水平井工欲善其事、必先利其器，行业综合能力的提升离不开装备及工具技术的发展，本期内容我们将重点向大家介绍你有所知却也有所不知的“石油钻具”。一、引言不得不说中国是全球地质条件最复杂的国家（如果叫第二，没人敢称第一(⊙o⊙)…），随着能源需求的日趋紧迫，深井、超深井、水平井作业数量逐年增加，这些作业对钻具能力及稳定性的要求是非常苛刻的。一旦钻井过程中钻具发生断裂等事故，那损失可就异常的惨重辣（甲方此刻泪汪汪）二、背景知识Ⓠ 什么是钻井？钻井就是打通地面和油气层通道的过程。包括三个过程：破碎岩石；取出岩屑保护井壁；固井和完井、形成油气通道。△推动钻头的管子就是钻杆Ⓠ 钻杆是干什么的？有句俗话话：钻头不到，油气不冒。钻杆就是为钻头传递扭矩（就是传递动力）、输送泥浆、并不断推动钻头钻进的管柱。Ⓠ 钻杆长什么样子？钻杆包括管体和接头，是由“三部分”组成：一根两端加厚的无缝管材，与一个带外螺纹的公接头和一个带内螺纹母接头。三者通过摩擦焊接组合在一起。（为什么不是一次性铸造的呢？因为锻造成本太高啦~）。钻杆的长度和直径习惯上用英制来表示（这是历史遗留问题，因为最初大部分钻井装备都是引进英美国家的），国内常用的钻杆长度为31英尺（9.1-9.9米）；常见钻杆的直径为2-3/8、2-7/8、3-1/2、4 \"、4-1/25 \"、5-1/2。△钻杆结构示意图Ⓠ 钻杆有多长？实际上钻杆有三种标准尺寸：第一级6.4米-7.5米；第二级9.1-9.9米；第三级11.5米-14米。那为什么国内通常都采用第二级？为了提高工作效率，通常会将3根钻杆连接起来，形成一柱钻杆。而国内井架二层平台高度通常为27m左右，第二级尺寸的钻杆一柱的长度刚刚好！△三根一柱提高效率第一级、第三级怎么用？短钻杆通常用来“凑数”，例如打一口95米的井，10根9米的长钻杆和1根5米的短钻杆就刚刚好。加长钻杆在俄罗斯，加拿大等地比较受欢迎。因为当地温度低、条件恶劣，加长钻杆可以减少起下钻的次数、提高效率。△高寒地区钻井现场三、钻杆是怎样炼成的？易开采的油气资源不断消耗，环境恶劣、地质条件苛刻的油气井数量逐年增加。钻杆在井下需要承受高温高压、化学腐蚀、高强度拉力和扭矩的考验；管体内钻井液、环空反排泥浆混合着砂石在大排量、高压力下不断冲击、磨损着钻杆。我想问：“钻杆君，你是如何承受的？”△生命不能承受之重练就一份好身板要从原材料开始：大部分钻杆厂商都不自己炼钢，往往向钢铁厂订购原材料（钢管和接头）。钻杆厂商在拿到订单后，根据设计要求来选定钢材的配比方案。常用的是“铬钼钢”，为了达到特定要求，还会添加镍、硅、钒等元素。钢铁厂会根据配比方案向钻杆厂生产、供货。△这就是原材料钻杆和接头哦●● ●补充 | 知识钻杆执行API 5DP（American Petroleum Institute，美国石油学会）标准，标准中将钢材根据强度划分为E75、X95、G105、S135，有的甚至用到V150。钢材的等级越高，强度越大。在钢材中添加不同的元素，来调整钢材的各种性能。碳C：可以提高钢材强度。铬Cr：可提高钢的强度和硬度，还可以提升高温机械性能，使其具有良好的抗氧化性和抗腐蚀性。锰Mn：是良好的脱氧剂和脱硫剂，提升钢的热加工性能和耐磨性。钼Mo：炭化钼可以防止钢材太脆，使其在高温下保持更好的强度。镍Ni：可以增加强度、抗腐蚀和增加韧性。钨W：可以提高耐磨损性。钒V：是钢的优良脱氧剂。提高钢材强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。……The more,the better?答案是补药虽好、万万不可多吃！钻具钢级的选择需要“因地制宜”。钢级越高，机械强度越大，包括抗拉、抗扭、抗挤压强度等性能均会提高。但与此同时，因为碳元素含量的增加，也会带来不好的影响，一方面钢抗腐蚀能力就差，所以对于一些含硫化氢、二氧化硫和二氧化碳较高的井则无法使用，另一方面钻具的塑性及韧性就会变差，当遭遇水平井钻井“狗腿”处大角度弯曲的考验时，就容易发生断裂，因为太脆啦！△二氧化碳腐蚀导致的凹坑，专业称为“点蚀”△坑蚀部位所以在元素配比时，要综合考虑钢材的强度、韧性和塑性，根据施工要求“因地制宜”。原材料进厂，开始加工啦！钻杆的加工包括三大部分，管体加工，接头加工，摩擦焊接加工。具体工艺详见以下流程图:

△钻杆生产工艺流程总体而言有三方面因素决定了钻杆品质的优劣：一、原材料的配方；二、关键生产工艺技术的差别；三、质检环节的控制。“原材料的配方”已经无需多言，我们重点聊一聊“生产工艺技术”和“质检控制”。1.管体加厚工艺为了保证钻杆的整体强度，需要在焊接前，增加该处的壁厚，有三种方式内加厚、外加厚和内外加厚。2. 接头加工包括热处理和螺纹加工（钻杆关键工艺）2.1热处理工艺：包括淬火、回火工艺。先将接头加热到900度（不同厂家温度有所不同），保持一段时间，然后快速冷却（钢材组织结构由“奥氏体”转变为“马氏体”太学术啦，喜欢刨根问底的找小编）。之后再次加热到600度左右并冷却（钢材组织结构由“马氏体”转变为“回火索氏体）。热处理的目的就是为了提高管材的硬度、强度、耐磨性及韧性等。为了保证钢材不发生氧化、脱碳和渗碳，渤海能克还采用了特殊的控制工艺，在炉内通入还原性气体（氢气、一氧化碳气体等）以进一步保证品质。2.2 螺纹加工工艺热处理后需要检验接头的各项机械性，符合要求的接头才能进行螺纹加工。加工出的螺纹起到连接作用，台肩面旋紧可以起到密封作用。

△螺纹加工机床为了保证钻杆之间实现精确对接，需要对加工好的接头逐一检查（螺纹的紧密距、螺距、锥度、牙高）。在实际使用过程中螺纹容易出现粘扣（卡死、拧不开）现象，所以最后要对螺纹进行镀铜、磷化、上卸扣等处理。

△螺纹镀铜处理管体的外径尺寸不同，对应接头的螺纹扣型也会不同。目前2”到5”的钻杆接头普遍采用数字型螺纹，5-1/2到6-5/8钻杆接头采用贯眼型螺纹。其它形式的螺纹基本都OUT了。●● ●补充 | 知识焊接耐磨带工艺由于钻杆接头比管体粗，所以在钻井过程中接头更容易磨损，为了延长使用寿命，常常会在接头处焊接耐磨带。PS耐磨带可以反复修补~

3. 最最关键的工艺——摩擦焊接管体和接头吻合后，将接头高速转动并施加压力，剧烈摩擦产生高热量，实现接头和管体的紧密融合，当然收尾还需把焊接毛刺（多出来的熔融金属）去除。

△摩擦焊接工艺利用电磁感应对焊缝进行中频加热，线圈处是电磁感应最集中的地方，加热到960度只需要30多秒。钢材导热速度没这么快所以接头处形成了灼烧火红色区域。这个过程可以提高接头处钢材的机械性能。

△中频热处理4. 质检环节的控制质检工作其实是伴随着钻杆生产的各个环节的。例如：在完成管端加厚工艺时，需要对加厚的管端进行厚度，加厚过渡带的质检；接头完成热处理后，要质检；车完螺纹也要质检……不合格的就会成为废品，这也是高质量钻杆厂商成本高的原因之一。

△超声波探伤仪

△没能通过质检的伙伴儿们四、钻杆的使用钻杆毕竟是干苦活儿、脏活儿、累活儿的，即使钢材品质高、加工工艺强、质检严格也难免出现钻杆管体断裂和刺漏（钻杆被泥浆刺破）、钻杆螺纹失效等状况。具体原因可以归纳为：首先是钻杆的金属疲劳，也就是钻杆到达使用年限或者超过了其最大使用强度。其次钻井现场地质条件复杂，当出现各种意外事故时（如井下落鱼、工作人员操作失误等情况），也有可能导致钻杆弯曲变形或断裂。如何避免钻杆“英年早逝”？石油课堂温馨提示：钻具在使用中整套钻具组合的最下部分承受的交变应力及扭矩是最大的，特殊井中处于“狗腿处”的钻具也极容易损坏，这些都会造成同批钻具的损耗程度不同。参考木桶理论，整套钻具的稳定性不是由最强的决定，而是由最薄弱的那一根决定。所以在实际工作中需要根据钻井的难度和使用频率合理的使用同批次钻杆，这样可以延长钻具使用寿命。在钻进过程中应时刻注意钻机和钻杆的状况。一旦如出现卡钻、暴死等现象，应立即停钻或回钻后缓慢钻进，防止钻杆弯曲变形。完成作业后，应及时清洗钻杆上的污泥，尤其是在酸碱地区，应重视防腐工作。出现严重问题应回厂返修或及时报废。此外制定钻具保养周期，定期对其进行防锈防尘处理，可延长钻杆的使用寿命。△及时清理泥浆五、新型钻具近年来水平井、深井和超深井、大位移井及特殊井逐年增长，传统意义上的钻杆已不能完全满足使用要求。对具备高强度、高韧性、智能化、数字化、防腐蚀、高温、高扭度、高灵敏度钻杆的需求日益旺盛。因此，研发并推广新型钻杆更符合产业未来发展的趋势。双台肩高抗扭钻杆这种钻杆主要两大优点，第一抗扭强度比API标准接头提高30%到50%，第二水眼增大，5\"S135钻杆接头水眼可以由2-3/4\"增大到3-1/4\"。因此这种钻具满足大排量，高泵压，高扭矩钻井作业，适用于钻探深井，超深井，大斜度井和水平井。智能钻杆由美国格兰特（Grant）公司首先研制，在钻杆接头部植入芯片，钻井过程中实时传递井下信息，地面上的仪器同步分析，效率高。铝合金钻杆主要优点是重量轻，在强度相同的情况下，重量仅为钢钻杆的一半，因而在设备、动力、运输等方面都有优势，而且钻杆壁厚增加了，增强了耐磨性，寿命是普通薄壁钢钻杆的2倍多。复合材料钻杆复合钻杆在卷筒上缠绕碳纤维后，由一种环氧基复合材料覆盖并密封而成。具有高强度质量比，超高的抗腐蚀能力和抗疲劳能力等。缺点是壁厚大，而且目前生产成本还比较高。六、产业现状Ⓠ 有哪些钻杆生产商？世界上著名的钻杆生产厂有美国格兰特钻具公司和法德合资的瓦姆公司。国内具有代表性的钻杆生产企业有渤海能克，格兰特、宝钢、华实海隆等。前几年随着油气上游产业的投资热情高涨，也发展起来一大批民营企业，目前国内具备钻杆加工生产能力的企业达到了近百家，基本都是外购管体加工钻杆。其产量除可以满足国内常规钻杆需要外，还有部分出口。Ⓠ 目前国内钻具产业的状态？随着油价寒冬的到来，上游投资锐减，钻具产业产能过剩的局面凸显。现在国内钻具企业面临一场前所未有的行业洗牌期，产业利润率已经低于整体机械加工行业的平均利润率，一些国有企业甚至在赔钱生产。Ⓠ 造成这种状态的原因是什么？主要原因有两点：1.钻具产业供大于求、出口受阻①油价低，钻井数量少，对钻杆的需求减少②国内生产钻杆的中小企业大都是出口型企业，订单需求集中在北美，中东，东欧等地区，但自2011年2月开始，美国对从中国出口到美国的石油钻杆和钻铤征收最高约达430%的反倾销关税和18.18%的反补贴关税。大量的中小企业丧失了价格优势，只能由出口转为内销，进一步加剧了国能钻杆市场产能过剩的局面。2.市场未完全开放国内主要需求还是来自于“三桶油”，但在实际的生产中，各企业会优先选择自己内部单位的产品，而在“低油价”时期内部钻具生产厂家首先选择以价换量“抱团取暖”，大量的民营企业地位就更加尴尬了。△抱团取暖综合以上原因国内钻杆市场已经由之前的卖方市场变成了当前的买方市场，钻杆行业的利润在不良竞争下已经被严重掠夺。如果你的朋友在石油钻杆行业，今年利润大幅缩水，吃饭还是个问题，吃饭聚餐就不要和他AA制了，你请他吧。有时间多陪陪他，约他聊天，他郁闷时你来买买单都是不错的选择。理解他、包容他，千万不要当着他的面提生意、利润，旅游等等敏感词语。若最近他想去楼顶、河边、大桥上、站台等地方，请紧密陪伴。因为生命来之不易，生活需要互相扶持前行。△原谅我这一生不羁放纵爱自由七、“最低价中标”之弊端身处国有企业的朋友们应该明白，国有企业领导干部在一个工作岗位上一般不会超过3年，每年实行明确的KPI（绩效考核），考核的主要是利润及产值。考核的结果一定程度上影响领导干部的发展，所以企业全年的工作基本都是围绕当年KPI展开的。这和钻具有什么关系呢？试想一批高质量的钻具使用寿命往往超过五年，虽然价格稍高，但是成本分摊后投资回报率要远远高于廉价但是品质不高的钻具。但正所谓前人栽树、后人乘凉，当短期的利润考核压力挡在面前时，谁还能考虑这么长远呢？

此外自2014年至今国内石油行业掀起了一股前所未有的反腐风暴，领导干部成塌方式沦陷。在政治形势的重压下，大部分人不愿意去承担额外的风险、甚至出现了大批领导干部“不作为”现象。直接体现在投资、采办工作中的就是大家默认施行的“最低价中标”。

“最低价中标”，注重技术、以品质取胜的厂家往往优势不再，因为技术和品质往往需要通过“高成本”来承载，在“生死面前”钻具产业燃起了凶猛的价格战，甚至出现钻具价格低于原材料价格的状况出现，国内的钻具企业大都为了短期的生存放弃了品质、放弃了品牌、放弃了研发，行业的发展迈入了越陷越深的泥潭……习大大在中央财经领导小组会议上提出“推动能源技术革命，分类推动技术创新、产业创新、商业模式创新，并同其他领域高新技术紧密结合，把能源技术及其关联产业培育成带动我国产业升级的新增长点。”由此我们可以联想到中国石油产业及关联的装备、工具制造产业技术升级已迫在眉睫。但就在欧美国家以第三次能源革命为助力展开双臂大胆拥抱工业4.0、迎接DT时代的时候，我们的自主品牌却逐渐在“最低价中标”的迷雾中沉沦，行业发展岌岌可危。

中国的体制亟需要改革，中国的民族工业亟需要产业升级，这意味着我们需要从重资产向轻资产转型，从低附加值向高附加值转型，因为只有高端高效高附加值才能去产能化，才能带给民族工业更长久的未来。石油工业进入“冰河期”，这不单纯是石油钻具产业面临的，而是全石油行业同仁必须面对的。亲爱的朋友或许你身边的很多朋友也同在石油行业，你大可不必马上去请他吃饭，也不见得马上去和他聊天见面、安慰他。或许你能将此文分享到朋友圈，让更多人看到我们必须与客观存在的行业弊端斗争到底，我们必须痛下决心，克服困难以壮士断腕的勇气去推进行业转型发展、实现技术升级，只有这样才能够激发石油行业的潜在活力，迎来脱胎换骨后更广阔的明天！