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石油钻具技术的研究与发展

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：李涛

[导读] 摘要：石油天然气钻井是一项地下隐蔽性工程。

        中石化中原石油工程公司管具公司河南濮阳 457331
        摘要：石油天然气钻井是一项地下隐蔽性工程。随着陆上、海上复杂油气田和难采难动用储量开发的需求日益增长，复杂地质条件下钻复杂结构井、超深井、超大位移井、特殊工艺井和超极限井时，存在着大量非均质性、不确定性、非结构性、非数值化的难题，要解决这些工程难题迫切需要石油钻具的更新换代。为此，笔者探讨了国内外新型石油钻具技术的研究与应用情况，并分析了石油钻具的发展趋势，期望能指引新型石油钻具的研究设计，推动石油钻具装备的更新换代。
        关键词：石油钻具;智能化;信息化管理;高强度;轻型化
        引言
        近年来，我国的市场经济得到了快速发展，现代科技也得到了日新月异的发展，这一切都离不开石油产业的鼎力支持。同时，经济的快速增长与科技的进步也刺激了现代石油行业的科技进步。面对越来越大的石油需求量，石油勘探开发也面临着新挑战。目前，随着现代科技的不断发展，自动化技术已经应用到各行各业，取得了显著成效。对于石油钻井行业来说，钻井自动化是非常不错的发展方向。石油钻井自动化技术可以帮助石油钻井企业摆脱传统老旧的石油钻井技术，开创科学的石油钻井模式，提高原油产量，降低企业投资成本，为社会带来更大的经济效益。
        1目前我国石油资源开采现状
        我国是一个世界上石油第五大石油出口国，同时也是世界第二大的使用进口国。我国资源能源丰富，但是随着国家发展建设的脚步不断加快，使得我国的石油使用资源使用消耗非常的快，同时这种经济发展模式也给我国石油资源带来了巨大资源压力。目前我国大型的石油开采企业非常的繁多，其发展也具有了一定的规模，但是在我国绝大部分石油开采企业仍然采用着较为传统的石油开采技术，这种开采技术使得原油质量大大降低，从而影响了石油的质量造成巨大的资源浪费。因此，针对我国目前的石油开采现状进行技术改革是十分有必要的，这不仅仅关系到国家的经济发展建设，同时也是对自然资源合理利用的关键。
        2石油钻具技术的研究与发展
        2.1高强度钻杆热处理
        使用材料为35MnMoVTi钢。采用正火处理，加热860—900℃，空冷，组织为贝氏体。最后进行600—650℃回火。6.取心器外管热处理取心器外管用40Mn2MoVNb钢制造，要求两端200mm范围内调质，硬度为260—300HBS。调质可采用感应加热，在卧式淬火机床上用多圈感应器将取心器外管两端200mm范围内加热至870-C，立即进入的喷油器，使取心器外管内外壁同时受到喷油的冷却，硬度达50HRC以上，然后放人电炉中回火。温度670℃一690℃，时间4h，回火后空冷。高频感应淬火的电参数为：屏压11kV，槽压10kV，屏流8A，栅流2A。操作要点：采用间断加热(中间断电两次)，总加热时间约70s。工件转速为80一150r／min，加热温度控制在860—900~C。
        2.2自动调控技术的应用
        自动调控技术是石油钻井自动化技术的核心技术，可以说没有自动调控技术的石油钻井自动化技术根本称不上自动化技术。自动调控技术对石油的钻井工作效率起着重大作用，例如自动调控技术中的自动操作技术，这种自动操作技术已经广泛应用在我国的石油钻井当中，它通过使用无线电通信技术对远程的对石油钻井构一个自动化调控平台，改善传统的石油钻井技术，通过信息化技术去实现自动化调控。自动调控技术中的信息传递技术也非常关键，若是无法实现系统之间良好的信息化传递有良好的自动化操作系统也是徒劳的。所以在石油钻井自动化系统中，信息化传递技术的应用给技术，即便自动化系统有效工作提供了良好的保障。

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        2.3自动化钻井通讯网络的应用
        自动化钻井通讯网络指的是数据信息能够通过共享与调控技术实现双向传输的钻井体系。这个技术可以从根本上为石油钻井提供超大数据量的信息共享。在石油钻井过程中，高效、安全的数据传输系统能够为钻井工作人员提供真实可靠的参考数据，从而对钻井设计，生产开发等决策提供科学支持。同时，自动化的钻井技术能够实现数据的及时传达、整理、检测等多项任务，为井下信息的及时反馈与井上指令的下达传送提供了有效的技术手段。
        2.4碳纤维钻具
        碳纤维因具有轴向强度和模量高、密度低、无蠕变、耐超高温和疲劳等诸多特点受到广泛关注。美国能源部于1999年就开始研究采用碳纤维复合材料制造石油钻具。碳纤维复合钻具是通过在卷筒上缠绕碳纤维，然后应用一种环氧基复合材料覆盖并密封而成。碳纤维复合钻具是一种力学性能优异的新型钻具，重量轻，具有高强度重量比、超高的抗腐蚀能力和较强的抗疲劳能力。它的比重不到钢的1/4，碳纤维复合材料理论抗拉强度高达180GPa，一般都在3500MPa以上，是钢的6～9倍，弹性模量为230～430GPa，也高于钢，比强度(即材料的强度与其密度之比)可达到2kg/cm2以上，其比模量也比钢高。碳纤维复合材料的比强度愈高，构件自重愈小，比模量愈高，构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维复合钻杆的广阔应用前景。碳纤维复合钻具非常适合于超深井、老井侧钻、钻水平井钻进、更长位移的大位移井钻井。由于碳纤维复合钻杆具有更好的柔韧性，所以能够更好地承受在钻短曲率水平井时所经常遇到的应力和疲劳损伤。2003年中期，美国能源部在O-klahoma一口水平气井422.15m深的高研磨性地层中对碳纤维复合钻杆进行了现场试验，并获得了成功。2004年，美国能源部在下一代碳纤维复合钻杆的研制中在177.8mm钻杆中嵌入一条数据传输线，实现井下数据的实时传送，从而形成智能钻井系统。碳纤维复合钻具虽然优点显著，但受碳纤维复合材料高价格的制约，碳纤维复合钻具不能广泛进入应用市场。近年来随着碳纤维大丝束的发展，碳纤维的成本从20世纪80年代每千克350美元降低到了目前的每千克20美元左右。今后随着大丝束的深入开发、大批量生产、大范围的应用，碳纤维成本有望进一步快速降低，碳纤维复合钻具将会逐渐进入石油钻具应用领域。
        2.5自动化监督控制系统的应用
        石油钻井自动化的技术基础是智能化与信息化技术。现代石油钻井技术更多的是借助先进的钻井设备，运用智能化的计算机控制系统，高效完成钻井数据的收集、分析、传达指令等一系列工作步骤。与此同时，智能化计算机系统还可以借助庞大的信息资料库，对钻井工程进行随钻分析，及时准确地了解并掌握钻井动态，评估作业质量，为钻井操作人员提供参考依据，为下一步工作提供完善的资料分析。甚至可以建立钻井项目管理体系，对钻井生产进行虚拟化模拟，从而制定出最佳开采方案，为钻井工程提供更好的服务。
        结语
        智能化钻具将解决智能钻井技术发展的致命“瓶颈”问题。具备物联网管理并适用各种井况环境的能够双向传输信息和控制的智能化钻具、井下工具及旋转导向等将是实现智能化钻井的技术装备保证。对各种装备的物联网管理将是实现智能钻井的必须手段。未来的石油钻具技术装备将逐渐向高强度、轻型化、信息化管理、智能化方向发展，未来钻具技术装备的发展与石油钻井技术的结合将最终形成智能化钻井系统。
        参考文献
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        [2]赵小甫,逯志坚,胡泽洪.有关石油钻井自动化技术的探讨[J].中国石油和化工标准与质量,2013,33(13):224.
        [3]郑斌.石油钻井自动化技术应用分析[J].中国石油和化工标准与质量,2013,33(11):118.
        [4]肖晓悦.石油钻井自动化技术探索[J].中国新技术新产品,2012(07):124.