綜述了國內(nèi)外主要的石油鉆桿用鋁合金的化學(xué)成分、物相組成及性能特點; 介紹了鋁合金鉆桿的生產(chǎn)工藝，重點闡述了其獨特的擠壓成形、淬火、矯直及裝配工藝，探討了不同使用工況下鋁合金鉆桿的磨損機(jī)理。最后，指出鋁合金鉆桿研發(fā)是一個涉及材料、裝備、工藝的系統(tǒng)工程，我國開發(fā)石油鉆桿用鋁合金材料應(yīng)以Al-Zn-Mg 系鋁合金為基礎(chǔ)，著力解決其熱強(qiáng)性差、擠壓成形后橫向性能差等關(guān)鍵問題，并根據(jù)使用工況有針對性的設(shè)計其耐磨性能。

石油鉆桿是用于傳遞動力、輸送泥漿的主要工具，在整個鉆柱中鉆桿用量約占85% 以上，是鉆井中的主要工具。隨著鉆井進(jìn)行，井深不斷加深，鉆桿一根接一根不斷加長鉆柱，其自重不斷增加，對鉆機(jī)能力的要求也不斷增加，僅靠增加鉆機(jī)能力來完成深井、超深井的鉆進(jìn)十分困難。鋁合金鉆桿密度小、自重輕，彎曲應(yīng)力小，耐H2S 腐蝕，在深井、超深井、定向井及酸性氣井的鉆探中有得天獨厚的優(yōu)勢。

目前，世界上只有俄羅斯、美國、日本及法國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握了該技術(shù)并能批量生產(chǎn)鋁合金鉆桿。我國石油勘探用鋁合金鉆桿的研發(fā)還處于起步階段，地質(zhì)鉆探用高強(qiáng)度鋁合金鉆桿的研制尚屬空白。本文圍繞石油鉆桿用鋁合金材料、生產(chǎn)工藝特點及磨損三個方面，綜述近年來鋁合金鉆桿研發(fā)及生產(chǎn)中取得的重要成果，在此基礎(chǔ)上，提出我國發(fā)展鋁合金鉆桿必須解決的幾個關(guān)鍵技術(shù)。

1、石油鉆桿用鋁合金材料

最早的鋁合金鉆桿于20 世紀(jì)60 年代分別由瑞典的克芮留斯公司及前蘇聯(lián)冶金機(jī)械科學(xué)研究所研制成功。俄羅斯( 前蘇聯(lián)) 作為最早研制和使用鋁合金鉆桿的國家之一，對石油鉆桿用鋁合金材料也進(jìn)行了深入研究，其鉆桿用鋁合金材料分為常用鋁合金(D16T) ( 相當(dāng)于美國的AA2024，我國的2A12)、高強(qiáng)度、耐腐蝕合金(1953T1) (相當(dāng)于美國的AA7014，我國無相應(yīng)牌號) 、特殊耐熱合金( AK 4-1T1) ( 相當(dāng)于美國的AA2618，相當(dāng)于我國的2A70) 三大材料體系。美國是較早研究鋁合金鉆桿的國家之一，“雷諾金屬”公司常選用AA2014T6 和AA2024T6 合金生產(chǎn)鋁合金鉆桿，該兩種合金分別相當(dāng)于我國的2A14T6 和2A12T6。

“阿爾考”公司則常用選用AA7075T6合金(相當(dāng)于我國的7A09T6)制備鋁合金鉆桿。法國則采用與我國2A12 合金相當(dāng)?shù)腁-U4GS 合金制作鋁合金鉆探管。其它可用于制備石油鉆桿用的鋁合金還有1070A、3A21、包鋁的3A21、6061、6063，5083、5056、6070、6351 等合金。俄羅斯的D16 及美國的AA2014 均為Al-Cu-Mg系鋁合金，其主要合金元素為Cu、Mg、Mn，其組織為α(Al) 相、θ(Al2Cu) 及S 相組成的共晶體，由于θ相、S相均為高硬度相( 顯微硬度分別為5488 MPa、4400 MPa) ，故該系合金擠壓材經(jīng)時效后室溫抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)487 MPa，且在150 ℃下保溫200 h后抗拉強(qiáng)度仍達(dá)446MPa，故該合金可用于制造在150 ℃溫度下工作的鉆桿。俄羅斯的1953T1 與美國的AA7075均為Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，其主要合金元素為Zn、Mg、Cu，該系合金成分常處于α + T(AlZnMgCu) ，θ + T(AlZnMgCu) +S，α (Al)+η(MgZn2)+ T(AlZnMgCu)及α(Al)+η( MgZn2) + S+ T(AlZnMgCu) 四個相區(qū)的交界附近，合金凝固速度及合金成分的變化都會導(dǎo)致其組織的變化。該系合金的主要強(qiáng)化相是η (MgZn2) 相及T(Al2Mg3Zn3) 相，可通過調(diào)節(jié)Mg、Zn含量、Zn/Mg及添加少量細(xì)化晶粒的Ti、Zr元素，從而控制組織中強(qiáng)化相的含量，提高其強(qiáng)度。時效處理后，該系列合金擠壓材室溫下的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)538 MPa。

俄羅斯的AK 4-1為Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鎂合金，該系列合金除含Al、Cu、Mg元素外還添加含量約1%的Ni、Fe元素及微量的Ti。該系列合金主要耐熱相為S(CuMgAl2) 、FeNiAl9相，鐵和鎳加入量不當(dāng)，會減少合金中主要耐熱相S 的數(shù)量，降低合金的耐熱性，故通常采用鐵與鎳含量為1∶1的方式加入0.8%～1.4%含量的鐵和鎳，使合金主要位于α(Al)+FeNiAl9的兩相區(qū)，促進(jìn)鐵、鎳與鋁結(jié)合形成難溶的FeNiAl9相而不與銅發(fā)生反應(yīng)，從而保證合金中的銅能充分形成S 相。常用鋁合金石油鉆桿化學(xué)成分如表1所示，要求鋁合金中各單個雜質(zhì)元素含量小于0.05%，雜質(zhì)元素總量小于0.15%。

表1 常用鋁合金鉆桿化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

結(jié)語

鋁合金作為一種新型的鉆桿材料，具有質(zhì)量輕、柔性大、抗疲勞、耐蝕等優(yōu)點，在深井、超深井及酸性氣藏開采領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。迄今為止，我國鋁合金鉆桿生產(chǎn)還是一片空白，隨著我國深井、超深井及酸性氣藏開采技術(shù)的發(fā)展，自主研發(fā)石油鉆井用鋁合金鉆桿勢在必行。目前，石油鉆桿用Al-Cu-Mg系、Al-Zn-Mg-Cu 系及Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系三大鋁合金材料盡管在強(qiáng)度和塑性指標(biāo)上能滿足石油鉆井的需要，但是由于鋁合金硬度低，在服役時易出現(xiàn)磨損，降低鉆柱的可靠性，我國在研發(fā)石油鉆桿用鋁合金材料時，應(yīng)以該三大鋁合金材料體系為基礎(chǔ)，著重發(fā)展高熱強(qiáng)性的Al-Zn-Mg 系鋁合金，并區(qū)分鉆桿使用工況，有針對性的提高石油鉆桿用鋁合金的耐磨性能，開發(fā)高品質(zhì)的石油鉆桿用鋁合金材料。

鋁合金鉆桿具有不同于鋼鉆桿的連接結(jié)構(gòu)和特殊的生產(chǎn)工藝，由于滿足強(qiáng)度要求的鉆桿用鋁合金均屬于難擠壓合金，加之鋁合金在擠壓時具有很高的黏著性，惡化制品表面質(zhì)量，故擠壓工藝是鋁合金鉆桿成形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我國要自主開發(fā)鋁合金鉆桿，必須針對鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計并優(yōu)化鋁合金鉆桿擠壓磨具，開發(fā)并優(yōu)化鋁合金鉆桿擠壓工藝，提高鋁合金鉆桿的橫向性能。同時，鋁合金鉆桿開發(fā)是一個系統(tǒng)工程，要研發(fā)優(yōu)質(zhì)的石油鉆井用鋁合金鉆桿，我國還需研發(fā)相應(yīng)的熱處理設(shè)備、矯直設(shè)備，開發(fā)并優(yōu)化相應(yīng)的熱處理工藝、矯直工藝。