特深井钻杆柱材料的研究现状与关键技术

刘长硕; 王瑜; 李立鑫; 覃泳杰; 王显林; 王翠竹; LIU Changshuo; WANG Yu; LI Lixin; QIN Yongjie; WANG Xianlin; WANG Cuizhu

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1. 中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083； 2. 中国地质科学院，北京100037； 3. 中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津300457

中图分类号： P634.4； TE951

最近更新：2024-11-08

DOI：10.12143/j.ztgc.2024.S1.001

摘要

特深钻探是获取深部实物资料、建立深入地球内部通道的唯一方法，在石油、天然气等能源资源勘探中发挥着愈发重要的作用。钻杆柱材料的选择和优化，是制约特深钻探发展最为关键的核心技术之一，直接影响着特深钻探的钻深极限、钻进效率和经济成本。本文从特深钻探钻杆复杂载荷工况出发，分析了钻杆柱材料面临的难题，结合钢钻杆和轻质钻杆的性能特点，针对性的梳理了国内外深井钻杆柱解决方案，并综述了钢钻杆强韧化调控、钻杆耐腐蚀性处理和应力集中处理三个关键技术，为特深井钻杆柱发展研究提供了参考依据。

关键词

特深钻探; 钻杆柱; 钢钻杆; 轻质钻杆; 关键技术

0 引言

特深科学钻探工程作为地质勘探领域一种重要的技术手段，已上升为国家战略科技问题，其安全、高效的实施具有重大的科学意义^［

1］。钻杆柱在特深钻探中作为连接钻头和钻机的关键部件，有着传递扭矩和推进钻头的功能，直接影响钻井的效率和安全性。为满足不同钻井环境的需要，业界广泛开展了针对钻杆柱材料选择优化的持续研究与创新。

成本极高、风险极大、技术极复杂是我国特深钻探工程的三大特点，与此同时，特深钻探还面临着高温、高压和高地应力三个关键问题。复杂载荷工况下，仅仅依靠单一规格钻杆组合的钻柱，已不能满足特深钻探的需要。与单一规格钻杆组合的钻柱相比，复合钻柱减轻了钻柱重力、满足了强度要求、提高了钻进效率，在相同钻机负荷能力下可钻达更深地层^［

2］。

本文结合钻杆在特深环境下的复杂载荷工况，综述钢钻杆和轻质钻杆的性能特点，从满足特深钻探钻柱的强度要求和提高钻柱的极限下深能力等需求出发，对比分析单一钻杆和复合钻杆超万米特深井钻管柱技术方案。通过对钢钻杆强韧化调控、钻杆耐腐蚀性处理和应力集中处理的钻杆关键技术进行分析总结，为特深井钻杆柱的发展提供参考。

1 特深井钻杆柱

近年来，由于我国深部油气资源勘查增多，对钻杆产品的技术和质量要求不断提高，且部分国内钻具制造企业已向自动化加工方向发展；同时，施工单位从提高深孔钻探效率与钻孔安全考虑，亦对钻探施工关键技术产品——钻杆管材的质量提出了严格、具体、全面的要求^［

3］。

1.1 钻杆载荷分析

钻杆在充满钻井液的狭长井眼中运动，不仅承受着轴向力和扭矩等多种载荷的影响，而且受到与井壁不规律碰撞产生的接触力，受力情况十分复杂^［

4］，见图1。通过对特深钻探管材在井下的载荷分析，可以有效地评估其在作业过程中的承载能力和安全性，从而进行后续合理的结构设计。

图1 钻杆受力示意

管柱系统动力学模型中的广义非有势力主要包括：管柱重力、旋转惯性力、钻井液阻尼管柱接触力^［

5］。其中，管柱重力、旋转惯性力公式如下：

［F $_{g r a v}$ ］= $\begin{matrix} [\frac{- w_{z} l}{2} & \frac{- w_{y} l}{2} & 0 & \frac{- w_{y} l^{2}}{12} & 0 & 0 & \frac{- w_{z} l}{2} & \frac{- w_{y} l}{2} & 0 & \frac{- w_{y} l^{2}}{12} & 0 & 0 \end{matrix}]$

［F $_{i m b}$ ］= $\begin{matrix} [0 & \frac{f_{x} l}{2} & \frac{f_{y} l}{2} & 0 & \frac{- f_{y} l^{2}}{12} & \frac{- f_{x} l^{2}}{12} & 0 & \frac{f_{x} l}{2} & \frac{f_{y} l}{2} & 0 & \frac{- f_{y} l^{2}}{12} & \frac{- f_{x} l^{2}}{12} \end{matrix}]$

式中：F_grav——管柱重力，N；F_imb——管柱旋转惯性力，N；w_z和w_y——管柱在z轴和y轴重力分量，N；f_x和f_y——管柱在x轴和y轴离心力分量，N^［

5］。

由上式可知，钻杆柱在特深工况下服役时，所受轴向力主要来自于钻杆的自重产生的拉力，由于钻杆长度较长，自重较大，钻杆所受轴向力也较大，如果超过材料的极限，还可能引起永久变形或断裂^［

6］。扭矩是钻头旋转时施加在钻杆上的力矩，在扭矩的影响下，钻杆的各个横截面上会受到切应力的作用，这些切应力可能会导致钻杆的弯曲变形，或者在钻杆表面产生裂纹或疲劳损伤等问题^{［参考文献 7

百度学术}7］。接触力是井壁对钻杆产生的作用力，是造成套管产生磨损的关键因素，钻杆的轴向力、曲率大小和井眼轨迹等影响钻杆与井壁之间的接触力大小^{［参考文献 8

百度学术}8］。轴向力、扭矩、接触力等多种载荷的耦合作用，对钻杆在特深钻探下的抗拉强度、抗扭强度和冲击韧性等提出了更高的要求。

1.2 典型深井案例

目前，全球已累计完成万米深井近70口，深地钻井技术正处于快速发展阶段，不断有新技术、新装备被研发和应用，以适应日益复杂的钻探需求。其中，美国已在墨西哥湾深水海域发现万米深层的十亿吨级大油田；中国已实现8000 m以上超深井的勘探开发，正在迈向万米深层的勘探，如塔里木、川渝、新疆南缘等地区深层超深油气资源勘探开发^［

9］。

（1）松科二井是中国黑龙江省安达市的一个重要科学钻探工程，于2014年4月开钻，并于2018年5月完钻，井深达到7018 m，成为亚洲国家实施的最深大陆科学钻井，同时也是国际大陆科学钻探计划（ICDP）成立22年来实施的最深钻井^［

10］。松科二井各井段应用的钻具组合见图2，其中在上部井段（一开至四开）正常钻进过程中均采用单一直径的钻杆柱设计，在深井井段（进入五开后）采用S135钢级

Ø

88.9 mm DP+

Ø

139.7 mm DP的复合钻柱组合方案，可满足最大近万米的钻孔下深需求^{［参考文献 11

百度学术}11］。

图2 松科二井各井段钻具组合应用情况^[

11]

（2）2023年5月30日，我国首口万米科探井——中国石油深地塔科一井设计井深11100 m，在新疆塔克拉玛干沙漠鸣笛开钻。截至2024年3月4日，塔科一井的钻探深度突破10000 m，刷新了亚洲最深直井纪录，标志着我国万米钻探系列技术步入世界前列。塔科一井一开钻进采用的是“渤海能克”57/8 in （1 in=25.4 mm，下同）V150钢级钻杆，该钻杆具备高抗拉、高抗扭、高韧性的特点，与常规钻杆相比，其抗拉强度与冲击韧性分别提升了11%和85%。8月9日，该井正式开始下套管作业，将空重7520 kN、浮重6250 kN，直径“365.12 mm+374.65 mm”复合大尺寸大吨位套管下入设计井深。

（3）美国墨西哥湾是世界范围内超深特深井数量最多的地区，截至2023年12月末，美国墨西哥湾已完钻超过5.5万口油气井，其中井深（含水深）超过10000 m的有66口（风险探井64口，开发井2口）。墨西哥湾万米级特深井在钻杆选型上，上部井段主要采用 $Ø$ 168.3 mm S135钢级钻杆钻进，8000~10000 m以深井段先后采用 $Ø$ 168.3 mm+ $Ø$ 149.2 mm和 $Ø$ 168.3 mm+ $Ø$ 149.2 mm+139.7 mm S135钢级钻杆^［

12］。

2 钢钻杆的研究进展

2.1 S135钢

钻杆的钢级是指钻杆所用钢材的等级，它由钢材的最小屈服强度确定。世界上大多数国家都采用API Spec 5DP《钻杆规范》生产石油钻杆，该标准涵盖D级、E级、95（X）级、105（G）级和135（S）级5个级别的钢制钻杆^［

13］。S135钢的主要化学成分见表1。

表1 S135钢的化学成分

主要元素	Fe	Cr	Mn	Mo	Si	C	Cu	V	Ni	Nb	其它
质量分数/%	96.15	1.102	1.03	0.417	0.366	0.237	0.076	0.053	0.035	0.013	<0.01

S135钢作为API系列中最高强度级别的钢，是一种低碳马氏体高强不锈钢材料，具有优异的耐腐蚀性、耐高温性和耐磨损性，能够在恶劣的工作环境下承受高压和高温，被广泛应用于石油和天然气行业的钻井工具制造^［

14］。S135钢的硬度为HB250，密度为0.781 g/cm³，其部分规格的钻杆抗扭、抗拉性能见表2。

表2 常用规格钻杆性能比较

规格/mm	钢级	刚体扭矩/（kN·m）	管体抗拉/（kN·m）	接头扭矩/（kN·m）	上卸扣扭矩/（kN·m）
127×9.19	S135	100.5	3168.1	80.4	48.2
127×12.7	S135	127.5	4245.7	102	61.2
139.7×9.17	S135	123.8	3500.7	99	59.4
139.7×10.54	S135	138.1	3982	110.5	66.3
168.3×9.19	S135	186.2	4278.2	149	89.4

2.2 V150钢

针对8000 m以上的超深井，若使用常规 $Ø$ 139.7 mm规格的S135钢级钻杆将面临两个主要问题：钻杆抗拉载荷3500 kN，无法满足钻井的安全需求，钻杆接头水眼较小，若采用高泵压，泥浆泵负载过大，影响钻井效率，若采用 $Ø$ 168.3 mm规格的S135钢级钻杆，接头外径已经达到215.9 mm，无法应用于 $Ø$ 215.9 mm井眼钻进，并且 $Ø$ 168.3 mm钻杆规格大，在钻机上占据空间大，难操作，会大大提高钻井的成本和对钻井设备的要求^［

15］。

因此，为了提高钻杆的抗拉和抗扭强度，更好的满足8000 m以上超深井安全高效钻探的需求，国内外钻杆生产厂家陆续研发生产了V150超高强度级别的钢钻杆^［

16］。V150钢的主要化学成分见表3，标准规格的V150钻杆与S135钻杆的参数对比数据见表4。

表3 V150钢的化学成分

主要元素	Fe	Cr	Mo	Ni	Mn	Si	C	V	Cu	Nb	其它
质量分数/%	96.2	1.092	0.818	0.549	0.511	0.286	0.251	0.11	0.04	0.021	<0.01

表4 V150钻杆与S135钻杆对比数据

钢级	外径/mm	壁厚/mm	抗拉应力/kN	抗扭/（kN·m）	内容积/L	压耗/MPa
V150	149.2	9.65	4375	165.5	123.7	2.67
S135	139.7	9.17	3500	123.8	106.6	3.71
对比结果	+6.8%	+5.2%	+25%	+33.7%	+16%	-28%

相比于API最高钢级的S135钻杆，较大尺寸的V150高强度钻杆不仅有助于提高钻柱的钻深能力，而且也在一定程度上增大了钻柱水眼尺寸，提高了钻井排量，降低了循环压耗，使钻井效率提高30%以上，对超深井钻井具有重要意义^［

17］。合肥庐北至池州高压天然气管线工程，管道局选用“渤海能克”品牌V150钢级65/8 in高强度钻杆进行该段长江定向钻穿越工程施工作业。

2.3 U165钢

近年来，随着石油勘探钻井技术的迅速发展，特深井数量在逐步增多，这对钻杆的强度提出了更高的要求，为了满足严苛条件下的服役需求，学者们研发了U165超高强度钢级钻杆。U165钢的主要化学成分见表5，其中U165钢的Mo和V元素含量相对较高，强韧性更为优异。

表5 U165钢的化学成分

主要元素	Fe	Cr	Mo	Ni	Mn	Si	C	V	Cu	Nb
质量分数/%	95.90	1.347	0.689	0.657	0.452	0.400	0.281	0.091	0.033	0.017

随着温度的降低，U165钢的屈服强度和抗拉强度均有所升高，然而当温度降低到某一临界值，裂纹扩展阻力急剧下降，在小裂纹扩展阻力下，裂纹扩展的位移比例也随温度降低而增加，导致U165钻杆钢的冲击韧性急剧减小^［

18］。U165钻杆钢的显微组织形貌为等轴状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织，是回火索氏体的典型特征，该组织强度较高，韧性较好，综合力学性能良好^{［参考文献 19

百度学术}19］。

综上，钢钻杆具有优异的屈服强度和耐腐蚀性，是石油地质勘探等众多行业的首选，但因其质量大和抗疲劳特性不够高等问题，增加了钻机井架的负荷与钻机动力端的负荷，大大限制了钻井的深度。高强度钢在低温下具有脆性且很难在抗冲击韧性和抗拉强度间达到平衡，极端环境下的应用较差。

3 轻质钻杆的研究进展

为了在不改变井架承载能力的情况下增加钻井深度，提高抗疲劳特性和抗腐蚀性能，延长使用寿命，提高超深井和水平井的钻井能力，国内外学者从降低钻柱质量、扭矩和拖曳阻力等方面出发，采用新研制的高强度材料低碳锰-硅空冷贝氏体/马氏体复相钢制造了轻质钻杆，在保持强度的同时减小钻具的重量约20%~25%^［

20］。

3.1 铝合金管材

相比于传统的钢钻杆，铝合金因其在重量、比强度、弹性和耐腐蚀性等方面具有显著的优势而逐步赢得业内人士的青睐，并在一些发达国家形成了一系列产品，被广泛应用于大位移井、超深井等钻井工程中^［

21］。铝合金除含有Zn、Mg、Cu等主合金元素外，还有微量Mn、Cr、Zr、Ti等合金元素，这些合金元素不仅可以和主合金元素形成新的强化相以增加合金强度，而且还对合金的热强性能和腐蚀性能有所改善^{［参考文献 22

百度学术}22］，常用铝合金钻杆化学成分见表6。

表6 常用铝合金钻杆化学成分（质量分数，％）

系列	牌号	Mg	Zn	Cu	Mn	Cr	Ti	Fe	Si
Al-Cu-Mg	D16T	1.5	<0.2	3.9	0.8	—	—	≤0.5	≤0.5
Al-Cu-Mg	AA2014	0.5	<0.25	4.45	0.8	<0.1	<0.15	<0.7	0.85
Al-Cu-Mg-Si-Fe	AK4-1T1	1.5	<0.3	2.3	<0.2	<0.1	<0.1	1.1	0.35
Al-Zn-Mg	1953T1	2.7	5.75	0.6	0.2	0.15	<0.1	<0.2	<0.2
Al-Zn-Mg	AA7075	2.5	5.6	1.6	<0.3	0.25	<0.2	<0.5	<0.4

目前，我国已经在铝合金钻杆的制造工艺方面取得了一系列研究成果，成功研制了Ø52~147 mm系列化的耐热高强度铝合金钻杆，并先后在淮北煤田勘探、若尔盖铀矿整装勘查、吐哈盆地水文环境监测、松辽盆地科学深部钻探及湿地难进入地区物探震源爆破孔中推广应用10余口井，应用效果良好^［

23］。

在使用相同钻机的条件下，使用铝合金钻杆可以达到钢钻杆无法达到的钻探深度，可以改善钻机负荷、提高钻井深度，并在含硫化氢介质的油井中具备良好的耐腐蚀性。然而，铝合金钻杆的材料硬度较低，在钻进过程中容易受到磨损，产生划痕和压痕，从而降低承载能力，加大井内事故隐患^［

24］。铝合金钻杆热稳定性差，在高温条件下力学性能衰减；铝合金表面形成的自然氧化膜多孔、不均匀，难以抵挡恶劣环境下的腐蚀，无法适应复杂的井下环境。

3.2 钛合金管材

钛合金钻杆密度低、强度高、抗腐蚀和耐疲劳性能好，在应用于小半径井和水平井时，可以大幅降低地面设备载荷，减少接头的水力损失；在应用于短半径井时，可以显著提高钻柱寿命。钛合金具有优异的耐腐蚀性能，其表面与氧接触时发生反应形成一层致密而稳定的氧化钛薄膜，抑制钛合金的腐蚀。在服役温度未超过315 ℃时，钛合金表面氧化膜具有一定的自我修复能力，在遭到破坏时能够迅速修复。因此，在大多数含硫化物原油介质下钛合金表现出极低的腐蚀速率，在一些腐蚀介质中具有较低的腐蚀速率^［

25］。钛合金钻杆的主要化学成分见表7。

表7 钛合金钻杆的化学成分

主要

元素

质量分数/%

5.4

4.37

1.04

2.01

0.08

0.009

0.003

Bal

21世纪初美国的RTI能源系统公司研制出质量轻、强度高、挠性和耐用性好、耐腐蚀的钛合金钻杆，成功应用于美国科罗拉多州一口曲率半径为18 m的超短半径油井的钻井作业^［

26］。国内钛产业发展相对较晚，2020年6月研制出的高强度钛合金钻杆，在西北油田塔河油区TS3CX井完成首次入井现场试验^{［参考文献 27

百度学术}27］；2020年7月由中国石油集团石油管工程技术研究院牵头研制的国产105 ksi（724 MPa）级钛合金钻杆，在西部油田成功出井^{［参考文献 28

百度学术}28］；2023年8月底，直径分别为88.9 mm、101.6 mm的两种高韧性新型钛合金钻杆，分别在塔里木油田8296 m和8579 m两口超深井中，顺利完成了首次下井试验。

钛合金钻杆具有最优异的耐高温、抗疲劳和耐腐蚀性能，能够满足大多工况下的需求，但氢脆问题会减少钛合金的塑性、韧性，增加脆性，从而影响其在特定应用中的可靠性。同时，钛合金高昂的造价极大的限制了其大规模的产业化。

3.3 其它管材

铝合金钻杆和钛合金钻杆是地质勘探领域最常用的轻质钻杆，除此之外，轻质钻杆还包括碳纤维钻杆和复合材料钻杆。

（1）碳纤维钻杆利用了碳纤维高强度和轻质的特性，提供了比传统钢钻杆更优异的性能，适用于有轻量化和高强度要求的特殊深井钻探中。碳纤维钻杆具有超高的强度质量比、抗腐蚀能力及抗疲劳能力，目前已在美国俄克拉荷马州一口水平气井中成功进行现场钻进试验。碳纤维钻杆的壁厚一般能达到普通钢钻杆的2倍，降低了钻杆的内径，导致钻杆内压力下降，成为限制碳纤维复合材料钻杆在大位移井和超深井中应用的主要因素^［

29］。另外，由于这种钻杆大量使用连续碳纤维，其成本大约是常规钢钻杆成本的3倍^{［参考文献 30

百度学术}30］。

（2）复合材料钻杆是一种采用不同材料组合制造的钻探设备，由复合材料管和钢接头组成，旨在结合各种材料的优点，提高钻杆的整体性能^［

31］。金属基复合材料作为常用的复合材料，是一种以金属或合金为基体，通过将第二相增强材料分散在基体中制备而成^{［参考文献 32

百度学术}32］，见图3。增强材料的选择对金属基复合材料的性能和应用起着至关重要的作用，这种增强材料可以是无机非金属，如陶瓷、碳、石墨、硼等，也可以是金属丝。金属基复合材料具有高比强度、高比模量、导热性能、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐磨性强、高温性能良好等特点，在现代工程中被广泛应用。

图3 金属基复合材料的制备

4 超万米特深井钻管柱技术方案研究

在万米深钻工程应用中，不同材质的钻管柱具有不同的力学性能，见表8，然而仅仅依靠单一材质的钻管柱，无法完成在特深工况下的科学钻探，见图4。因此，为了解决在万米深钻下钻管柱技术面临的难题，国内外学者提出了复合钻柱的设计方法，实现各材质钻管柱的优势互补。

表8 不同材质钻杆的主要性能

钻杆材质类型	弹性模量/GPa	剪切模量/GPa	比热/[J·(kg·℃)^-1]	屈服强度/MPa	比强度/（N·m·kg^-1）
钢钻杆	210	79	500	517~931	65860~118600
铝合金钻杆	110	42	460	517~724	121366~159471
钛合金钻杆	71	27	840	325~550	116906~197842

图4 万米深钻钻柱技术面临的难题

万米深钻复合钻柱一般是由不同强度（上高下低）、不同直径（上大下小）以及不同材质（轻质合金+钢）的钻杆组成，见图5。与单一规格尺寸的钻柱相比，复合钻柱结构具有较多的优点，其既能满足强度要求，又能减轻整个钻柱的重力，也可在现有钻机负荷能力下达到更大的钻深^［

33］。

图5 复合钻柱组合形式

三种不同形式的钻柱组合方案见表9，其中方案1是两种不同直径的V150钢复合钻柱，方案2是钛合金和V150钢复合钻柱，方案3是铝合金和S135钢复合钻柱。三种方案的钻柱重量和安全比值随井底长度变化的曲线见图6。

表9 不同形式的钻柱组合方案^{[参考文献 11

百度学术}11]

方案

完钻井径/mm

钻柱组合（钢级）

极限下深/m

钻柱总

质量/t

216

Ø177.8 mm DC×10+Ø127 mm DP（V150）×846+Ø168.3 mm DP（V150）×6

8270.7

363.1

216

Ø177.8 mm DC×10+Ø127 mm DP（BHTG105）×1043+Ø127 mm DP（V150）×352

13483.5

360.5

216

Ø177.8 mm DC×10+Ø129 mm DP（DT II）×1632+Ø127 mm DP（S135）×315

18782.7

324.3

图6 距井底不同距离处不同复合钻柱重量和安全比值的变化^[

由图6可以看出，三种方案的钻柱重量随井底长度的增加而增加；安全比值随井底长度的增加而降低。钛合金-钢复合钻柱和铝合金-钢复合钻柱两种轻质合金与钢复合的钻柱安全比值较纯钢质钻柱更高，具有明显的可靠性优势，可提供更为有效的安全性保障，应用潜力巨大。

5 钻杆的关键技术

5.1 钢钻杆强韧化调控

随着地质勘探技术的不断发展，对钢钻杆的强度提出了更高的要求，然而提高强度将使钢材的韧性下降，韧性不足又会引发早期裂纹及断裂。因此，钢钻杆必须同时具备高强度和高韧性，才能抵御过载操作中的强拉、强扭、冲击振动以及各种交变载荷作用，并且能够适应各种特殊工作条件对钻杆的使用要求。钢强韧性提升主要来自于细晶强化作用，材料在外力作用下，其内部位错会发生滑移，晶粒越细，晶界越多，对位错运动的阻碍就越大，宏观力学表现就是材料强韧性的增加^［

34］。

热处理工艺中通过淬火、回火处理可以显著改善钢钻杆的力学性能。淬火温度降低，钢的强度和硬度随之降低，这是由于较低加热温度下铁素体未完全溶解为奥氏体；随着回火温度的升高，钢的强度会逐渐降低，而塑性和韧性则会逐渐增大^［

35］。机械制造、医疗器械和航空航天领域通过精确控制热处理过程，可以显著提升材料的综合性能。

5.2 钻杆耐腐蚀性处理

钻井过程中，所使用的低固相、无固相、水基和油基等不同的泥浆体系中含多种有机和无机添加剂，添加剂在井内高温高压的作用下具有较强的腐蚀性；同时钻柱还将承受自重带来的较大的拉伸应力，加之其与井壁的摩擦磨损，复杂的服役工况条件致使钻杆极易发生腐蚀失效^［

36］。

钛合金强度高、抗疲劳性能优异，在多种介质特别是NaCl、H₂S、CO₂等腐蚀性环境下表现出优异的耐腐蚀性。钛合金在腐蚀条件下能够维持良好的力学性能，即使在205 ℃的高温和上述腐蚀介质中，其拉伸性能、冲击性能以及硬度的下降也非常有限，适用于腐蚀性油气井钻杆，有助于避免或减轻钻杆的腐蚀失效。

涂层防护技术通过在基材表面施加一层或多层材料，有效改善钻杆表面的耐磨性与抗腐蚀性，减缓钻杆内、外表面损失，是钻杆制造过程中的关键一环^［

37］。常用或具有潜力的涂层技术包括隔离涂覆强化、渗碳或渗氮处理、表面阳极氧化、超声波冷锻、超音速火焰喷涂等，广泛应用于海洋工程、金属腐蚀防护、硬质涂层、电化学腐蚀防护、环氧防腐涂层等多个领域^{［参考文献 38

百度学术}38］。

5.3 钻杆应力集中处理

钻杆在石油钻探过程中承受着复杂的载荷，包括拉伸、扭转和弯曲等，这些载荷可能导致钻杆的应力集中^［

39］。应力集中是指在材料的某些局部区域，由于几何形状、载荷条件或者材料缺陷等原因，应力值显著高于周围区域的现象。应力集中现象主要出现在以下两个方面：

（1）镦粗过渡带。镦粗过渡带是指金属零件在锻造、轧制或其他塑性变形过程中，金属的截面尺寸从较细部分过渡到较粗部分的过渡区域^［

40］。在镦粗部分，零件的截面尺寸增大，其承载能力也会相应提高，过渡带的设计需要确保承载能力的平滑过渡，避免因突变引起的性能下降。在镦粗过渡带的设计和加工过程中，需要综合考虑多种因素，确保过渡带的质量和性能满足零件的使用要求^{［参考文献 41

百度学术}41］。过渡带应设计为平滑的曲线或渐变形状，避免出现锐角或突变；过渡带的尺寸应与零件的其他部分相匹配，确保在镦粗部分和非镦粗部分之间有一个合理的尺寸过渡；在设计过渡带时，需要考虑材料的塑性变形能力和强度特性，确保在加工过程中材料不会发生断裂或过度变形；根据零件的形状、尺寸和材料特性，选择合适的加工工艺，如锻造、轧制、挤压等，以实现高质量的镦粗过渡带。

（2）螺纹设计优化。钻杆在起下钻或接单根的过程中，由于频繁对扣及上卸扣导致接头螺纹牙侧面的磨损，并多发生在大端根部承受轴向载荷集中的螺纹段，见图7，从而加快了应力集中段的螺纹失效，如不及时修复将严重影响钻杆接头强度，影响钻井安全^［

42］。根据材料力学，螺距越大、牙侧角越大、截底高越大，螺纹接头截面形状变化越平缓，应力集中因数越低；理论牙高越大，螺纹接头截面形状变化越急剧，应力集中因数越高^{［参考文献 15

百度学术}15］。使用三台肩结构、三段式不等螺距螺纹结构、不等牙宽结构等控制内外螺纹牙进入工作承载的顺序，可为缓解应力集中提供另一种优化思路，推动万米深钻技术的发展。

图7 螺纹牙顶磨损变尖

6 发展与展望

特深井科学钻探是探索地球深部结构和物质组成的重要手段，钻杆作为连接地面设备与钻头的关键部件，其性能和可靠性直接影响到钻探的成败。在特深井科学钻探中，钻杆需要承受极端的高温、高压和复杂地层条件，同时还要保证足够的强度和刚度以实现长距离钻进。近年来随着科学技术的进步和对地球深部认知需求的增加，特深井科学钻探的深度不断突破极限，对钻杆关键技术提出了更高的要求。通过对钻杆关键技术的调研分析，得出如下结论。

（1）强韧化的钢材具有优异的抗拉强度和抗冲击性能，能够承受高强度的外部应力而不易发生断裂。利用马氏体、贝氏体、铁素体和残余奥氏体等多相复合组织的组合，使超高强度钢能够在减轻结构自重的同时，提高其承载能力，在航空和航天领域尤为重要。通过控制纳米析出相的尺寸、数量和空间分布，强韧化钢能够在保持高强度的同时，具有较高的断裂韧性，被广泛应用于石油天然气管线、压力容器、桥梁等多个领域。

（2）钛合金具有较高的强度重量比和良好的抗疲劳性能，能够承受长时间的循环应力而不发生断裂，满足了航空航天领域对轻质材料的需求。钛合金对海水、氯气和一些酸性环境具有良好的耐腐蚀性，使其成为海洋和化工设备的理想材料，但高成本一直是限制其广泛应用的主要障碍。通过使用廉价合金元素替代昂贵的合金元素，或者在熔炼过程中添加纯钛的残废料来降低原材料成本，充分利用钛合金优异的性能。

（3）应力集中现象会导致材料的疲劳裂纹萌生和扩展，从而影响结构的完整性，降低结构的疲劳寿命。在薄壁结构或壳体结构中，应力集中可能导致局部失稳，进而影响整个结构的稳定性，增加了维护成本和停机时间。采用先进的制造工艺，如热处理和表面强化技术，提高钻杆材料的均匀性和微观组织的优化，可以有效地降低应力集中的危害，提高结构的性能和寿命。

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