從上海交通大學(xué)獲悉，上海交大與寶鋼科技人員經(jīng)過(guò)十多年聯(lián)合攻關(guān)研發(fā)的鉆桿達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，成功鉆成數(shù)百口中國(guó)乃至世界鉆井難度最高、深度達(dá)6000米以上的山前超深井，打破了發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的壟斷，成為名副其實(shí)的“金鋼鉆”。

    可鉆12座上海環(huán)球金融中心高度的超深井

    鉆桿是一種空心的鋼管，長(zhǎng)度10米左右，包括本體及工具接頭兩部分。本體是軋制的無(wú)縫鋼管；而工具接頭則加工有特殊螺紋，能將鉆桿一根根聯(lián)接起來(lái)。隨著井深的增加，需要不斷將新的鉆桿連接在鉆具的尾部，增加鉆桿總長(zhǎng)度，從而加深鉆井深度。

    上海交通大學(xué)與寶鋼科技人員研究開(kāi)發(fā)出“鉆桿兩端直度自動(dòng)檢測(cè)與矯直一體化裝備”、“套管直度圓度集成自動(dòng)化檢測(cè)裝備”、“鉆桿兩端加厚過(guò)渡帶自動(dòng)成型裝備”、“鉆桿兩端焊縫自動(dòng)化淬火裝備”等多項(xiàng)技術(shù)裝備，為此已申請(qǐng)32項(xiàng)專利、已獲授權(quán)發(fā)明專利和軟件著作權(quán)17項(xiàng)，實(shí)用新型專利7項(xiàng)。

    人們不免要問(wèn)，有數(shù)十項(xiàng)專利技術(shù)武裝的鉆桿能鉆多深的油氣井？上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院胡德金教授打了一個(gè)比方，高492米的上海環(huán)球金融中心，是上海第一高樓。通過(guò)上海交通大學(xué)與寶鋼合作團(tuán)隊(duì)研發(fā)技術(shù)制造的高性能鉆桿，可鉆6000—8000米的超深井，相當(dāng)于12座上海環(huán)球金融中心的高度。“這大約需要600-800根鉆桿首尾相連，通過(guò)鉆桿帶動(dòng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)并傳遞動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)超深井的鉆探”，胡德金教授介紹說(shuō)。

    使上億元的油氣井免遭“夭折”

    鉆井是石油工業(yè)中耗資巨大、技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)性高的系統(tǒng)技術(shù)工程。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就像用鉆頭鉆孔一樣，只不過(guò)鉆頭更大，鉆柄更長(zhǎng)，動(dòng)力更強(qiáng)。鉆井時(shí)，地面上的動(dòng)力帶動(dòng)長(zhǎng)長(zhǎng)的鉆桿，最終帶動(dòng)最底部的鉆頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而破碎巖層，形成鉆井。

    以前鉆油氣井大部分是在平原地區(qū)，地質(zhì)條件不復(fù)雜。然而現(xiàn)實(shí)情況是，東部老區(qū)作為國(guó)內(nèi)石油資源主力產(chǎn)區(qū)，以井深小于2000米的淺井和井深小于4500米的中深井為主；中部地區(qū)是天然氣富集區(qū)，有超過(guò)一半的天然氣資源在6000米左右的深部地層；西部地區(qū)近70%油氣資源埋藏在6000米左右深部地層。雖然隨著探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，探明的油氣儲(chǔ)量不斷增加，但多處于地質(zhì)條件復(fù)雜、深度6000-8000米的地下。

    “地質(zhì)條件越復(fù)雜，對(duì)鉆桿的要求就越高”，胡德金教授說(shuō)，劣質(zhì)鉆桿會(huì)在鉆探過(guò)程中折斷而造成價(jià)值上千萬(wàn)、上億元的油井報(bào)廢。進(jìn)行6000米以上超深井的鉆探開(kāi)采，對(duì)鉆桿的性能質(zhì)量提出了相當(dāng)高的要求。

    “一是鉆桿要相當(dāng)直，另一個(gè)則是鉆桿要相當(dāng)強(qiáng)。”胡德金教授進(jìn)一步解釋，如果鉆桿不直，不但會(huì)影響鉆桿的后續(xù)加工質(zhì)量，還會(huì)影響鉆桿在鉆探過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能，可以想象，幾百根鉆桿連接之后，無(wú)法保證鉆桿的姿態(tài)。如果鉆桿不夠強(qiáng)，那么當(dāng)井深變深，巖層變硬時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂。一旦發(fā)生井下鉆桿斷裂，那么價(jià)值上千萬(wàn)元、甚至上億元的油氣井就報(bào)廢了。

    圍繞提高油氣井鉆桿、套管性能、質(zhì)量等關(guān)鍵制造工藝、制造技術(shù)及制造裝備問(wèn)題，上海交通大學(xué)與寶鋼科技人員研究開(kāi)發(fā)的專利技術(shù)成功解決了上述難題。

    “聰明”的制造裝備使鉆桿直度變得更直

    針對(duì)鉆桿直度自動(dòng)化檢測(cè)與矯直一體化問(wèn)題，胡德金教授等科技人員發(fā)明了一套多傳感器集成的自動(dòng)檢測(cè)方法，解決了人工操作困難的技術(shù)難題。并進(jìn)一步研發(fā)出一種具有自學(xué)習(xí)功能、智能化的全自動(dòng)壓力矯直方法，自動(dòng)計(jì)算出鉆桿兩端鐓粗部分的跳動(dòng)量、矯直盲區(qū)彎曲量，實(shí)現(xiàn)了不同品種、不同管徑、不同鋼級(jí)的24種規(guī)格鉆桿的自動(dòng)矯直，使鉆桿與直度相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)API標(biāo)準(zhǔn)。

    “聰明”的制造裝備使鉆桿使用壽命變得更長(zhǎng)

    研究表明：鉆桿端部加厚過(guò)渡帶是影響鉆桿使用壽命的關(guān)鍵部位，加厚過(guò)渡帶越長(zhǎng)受交變應(yīng)力影響越小。由于鉆桿端部?jī)?nèi)壁加厚過(guò)渡帶是管口小內(nèi)腔大的一端圓弧過(guò)渡帶，制造非常困難，趙鵬高級(jí)工程師等科技人員發(fā)明了一種三次加溫、三次加厚的成型方法，通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)、沖頭壓力、金屬變形量的優(yōu)化控制，使鉆桿端部?jī)?nèi)壁加厚過(guò)渡帶長(zhǎng)度達(dá)到140mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)API標(biāo)準(zhǔn)的76mm。

    “聰明”的制造裝備使鉆桿抗沖擊韌性變得更強(qiáng)

    鉆桿在數(shù)千米深的油氣井中高速旋轉(zhuǎn)、上下不停沖擊運(yùn)動(dòng)，承受著巨大的扭轉(zhuǎn)、彎曲和沖擊，鉆桿端部接頭、鉆桿焊縫的壁厚是管體壁厚的2-3倍，要保持鉆桿端部接頭、鉆桿焊縫處與管體的抗沖擊韌性一致性是保障鉆桿在油氣井中工作性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵問(wèn)題。朱世忠高級(jí)工程師等科技人員發(fā)明了一種鉆桿內(nèi)外壁雙介質(zhì)冷卻可控的、溫度場(chǎng)優(yōu)化控制的鉆桿熱處理淬火方法，使鉆桿整體抗沖擊韌性達(dá)到111焦耳，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)API標(biāo)準(zhǔn)的54焦耳。

    產(chǎn)學(xué)研合作結(jié)碩果

    本項(xiàng)目已申請(qǐng)相關(guān)專利32項(xiàng)，已獲授權(quán)發(fā)明專利和軟件著作權(quán)17項(xiàng)、實(shí)用新型專利7項(xiàng)，其中，“一種超長(zhǎng)內(nèi)加厚鉆桿的制造方法”獲2011年全國(guó)發(fā)明展覽會(huì)金獎(jiǎng)，“油井鉆桿直度檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法”獲2011年中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)，“非等直徑油井鉆桿直度多參數(shù)全自動(dòng)檢測(cè)與矯直關(guān)鍵技術(shù)及成套裝備”獲2009年教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。經(jīng)專家鑒定相關(guān)技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

    按所完成的關(guān)鍵技術(shù)與自動(dòng)化裝備在寶鋼整個(gè)鉆桿、套管工藝中所做出貢獻(xiàn)率計(jì)算，2009-2011年新增銷售收入25.95億元，新增利潤(rùn)2.4549億元，新增稅收8182萬(wàn)元。

    為我國(guó)能源安全做新貢獻(xiàn)

    隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)石油的依賴程度越來(lái)越高。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，中國(guó)將繼美國(guó)之后成為世界上第二大石油消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)。2012年我國(guó)石油需求量將達(dá)到5億噸，石油和原油對(duì)外依存度超過(guò)55%，天然氣的需求量達(dá)到1500億立方米，對(duì)外依存度快速上升至25%。

    “進(jìn)口這么多石油天然氣，不僅需要消耗大量的外匯，而且還使我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)國(guó)外的依賴性提高”，胡德金教授說(shuō)，一旦進(jìn)口石油天然氣因不可預(yù)料的戰(zhàn)爭(zhēng)或突發(fā)事件而被迫暫時(shí)中斷，或者一旦國(guó)際油價(jià)劇烈波動(dòng)，都將給我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行帶來(lái)重大影響。

    我國(guó)石油天然氣為什么還需要從國(guó)外大量進(jìn)口？胡德金教授認(rèn)為，關(guān)鍵原因在于我國(guó)石油天然氣的鉆探開(kāi)采能力還跟不上快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)。

    上世紀(jì)九十年代末年開(kāi)始，上海交通大學(xué)與寶鋼集團(tuán)圍繞提高鉆桿、套管性能和質(zhì)量的關(guān)鍵制造工藝，展開(kāi)了系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與技術(shù)裝備的研制。經(jīng)過(guò)近十年的努力，多項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，使寶鋼制造的鉆桿技術(shù)水平整體達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

    目前，“寶鋼金剛鉆”在國(guó)內(nèi)幾乎所有油田廣泛應(yīng)用，連續(xù)在塔里木油田鉆成數(shù)百口中國(guó)乃至世界鉆井難度最高、深度達(dá)6000米及以上的山前井，同時(shí)大量出口至北美、中東等地區(qū)，得到了國(guó)際市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。即使在美國(guó)惡劣的反傾銷背景下，寶鋼也是我國(guó)唯一一家能出口鉆桿到美國(guó)去的企業(yè)，為民族工業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

    胡德金教授表示，上海交通大學(xué)將積極參與企業(yè)的科技合作，將進(jìn)一步探索提高鉆桿的性能和質(zhì)量，向地質(zhì)條件更復(fù)雜的高山、深海鉆探石油和天然氣，為我國(guó)能源安全做出新的貢獻(xiàn)