一种石油钻杆用铝基烯合金管体及制备方法与流程

本发明涉及钻井领域，进一步地说，是涉及一种石油钻杆用铝基烯合金管体及制备方法。

背景技术：

陆地深层与深水区域蕴藏着丰富的石油资源，随着深层超深层钻探与海洋石油钻探需求的不断增加，超深井与大位移井等复杂结构井所占比重将不断增加。在超深井钻井过程中，随着钻探深度的增加，钻杆长度和钻杆重量不断增加，这不仅要求钻杆，尤其是井口处的钻杆，具有更高的抗拉强度，而且对钻机设备的提升能力也提出了更高的要求。在大位移井钻井过程中，随着水平位移的不断延伸，钻柱重量产生的摩擦力不断增加，导致井口轴向载荷与扭矩传递效率的降低，钻井效率不断降低。因此，无论是超深井还是大位移井都存在一个极限井深，如何提高极限井深是钻井工作者必要面对的一个问题。

钻杆是制约极限井深的最主要因素之一，目前钢制钻杆是最常使用的一种钻杆，由于钢的密度较大，钢制钻杆的强度与质量之比低，这会限制极限井深的增加，而且地层流体中往往含有硫化氢、二氧化碳等腐蚀性介质，这会限制钻杆钢级的提高，从而进一步降低极限井深的增加。因此，钻探领域对具有重量轻、强度高、耐腐蚀性强等特征的钻杆有十分旺盛的需求。

铝合金钻杆等非钢制钻杆应运而生，相同尺寸的铝合金钻杆的质量约为钢制钻杆的1/3，铝合金钻杆的强度与质量之比是钢制钻杆的1.5-2倍，而且铝合金钻杆具有较强的耐腐蚀性，可有效防止h2s和co2的腐蚀；因此在同等钻机能力下使用铝合金钻杆可钻成更深、更长的井，还可以节省起下钻时间；铝合金钻杆的弹性模量小、钻杆刚度低，具有较小的弯曲应力，更适合曲率大的定向井、水平井和大位移井；尽管在相同载荷下铝合金钻杆比钢制钻杆容易磨损，但铝合金钻杆质量轻，可降低钻杆与井壁的接触力，而且壁厚大，因此在实际应用中铝合金钻杆反而降低了钻杆的磨损，同时还可以大幅降低套管磨损的风险。铝合金钻杆具有很高的吸收和分散弹性振动能量的能力，减震能力较钢制钻杆提高了约50％，这有利于改善钻头与钻杆的运动状态，可以提高钻头的机械钻速和寿命、降低钻柱失效的风险。因此，铝合金钻杆适合超深井和大位移井的钻井需要，具有很好的应用前景。

尽管铝合金钻杆在超深井、大位移井等复杂结构井中具有很好的应用前景，但是由于铝合金钻杆的屈服强度较低，尤其在高温下屈服强度将急剧下降，而且大壁厚钻杆会造成钻井液循环压耗的增加，因此强度低是铝合金钻杆的最主要劣势，也是限制铝合金钻杆推广应用的主要原因。

目前制造铝合金钻杆的材料主要包括al-cu-mg系、al-zn-mg-cu系和al-cu-mg-fe-ni系三种铝合金。其中al-cu-mg系为常用铝合金钻杆材料，钻杆最小抗拉强度为460mpa、最高使用温度为160℃；al-zn-mg-cu系钻杆为高强度铝合金钻杆，钻杆最小抗拉强度为530mpa、但最高使用温度仅为120℃；al-cu-mg-fe-ni系钻杆为耐热铝合金钻杆，钻杆最小抗拉强度为410mpa、最高使用温度为220℃。

由于大位移井的垂深相对较浅，地层温度相对较低，目前al-cu-mg系常用铝合金钻杆和al-zn-mg-cu系高强度铝合金钻杆基本可以满足大位移井的钻井需要；但是超深井(垂深6000-9000m)、特超深井(垂深>9000m)对钻杆的抗拉强度和耐温性能都提出了更高的要求，研制高强度的耐高温铝合金钻杆是提高超深井、特超深井钻井技术水平的关键技术之一。

技术实现要素：

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种石油钻杆用铝基烯合金管体及制备方法。本发明在目前铝合金钻杆的基础上，进一步对化学成分进行优化，尤其是添加了石墨烯纳米材料。通过在铝合金基体中添加一定质量分数且均匀分布的石墨烯纳米片，制成高强度的耐高温铝基烯合金钻杆管体。

本发明的目的之一是提供一种石油钻杆用铝基烯合金管体。

包括按重量百分比计的以下组份：

mg、cu、zn、mn、cr、ti、fe、si、ni、zr中的两种或多种，含量在5-10％之间；

石墨烯0.3-1％；

其余为al。

优选：

所述管体包括按重量百分比计的以下组份：

mg：1.0-1.80％，cu：1.90-2.70％，zn：0.1-0.3％，mn：0.05-0.2％，cr：0.02-0.30％，ti：0.02-0.10％，fe：0.80-1.40％，si：0.30-0.35％，ni：0.80-1.40％，zr：0.01-0.2％；

石墨烯0.3-1％；

其余为al。

本发明的目的之二是提供一种石油钻杆用铝基烯合金管体的制备方法。

包括：

(1)将除石墨烯之外的金属组份按所述用量制得铝合金颗粒；

(2)铝合金颗粒与石墨烯纳米微片形成均匀分散的石墨烯/铝合金复合粉末；

(3)上述复合粉末放入模具中制造出石墨烯/铝合金颗粒块体；并对块体进行均匀化处理；

(4)经均匀化处理的块体制造成不同截面组合的铝基烯合金钻杆管体坯料；

(5)坯料加工成铝基烯合金钻杆管体。

其中，优选：

步骤(1)，铝合金颗粒的粒径范围为100-500目。

步骤(2)，石墨烯的纯度>99.0％；1-15层的石墨烯纳米微片；

通过球墨的方法形成均匀分散的石墨烯/铝合金复合粉末。

步骤(3)，上述复合粉末放入模具中在温度400-600℃、压力100-500mpa，经40-120min，制造出石墨烯/铝合金颗粒块体。

步骤(4)，温度为300-500℃；挤压比为10-25。

制造工艺如下：

按照如下所示的化学成分或质量分数制造铝合金颗粒。mg：1.0-1.80％，cu：1.90-2.70％，zn：0.1-0.3％，mn：0.05-0.2％，cr：0.02-0.30％，ti：0.02-0.10％，fe：0.80-1.40％，si：0.30-0.35％，ni：0.80-1.40％，zr：0.01-0.2％，其余为al。

将上述铝合金颗粒制成100-500目的金属粉末，并按照一定的颗粒级配与1-15层的石墨烯纳米微片(石墨烯的纯度>99.0％)，通过球磨等方法形成均匀分散的石墨烯/铝合金复合粉末，其中石墨烯的质量分数为0.3-1％。

将上述复合粉末放入模具中通过热等静压等粉末冶金方法在一定温度(400-600℃)、压力(100-500mpa)和时间(40-120min)下制造出石墨烯/铝合金颗粒块体。

对上述块体进行均匀化处理。

在一定温度(300-500℃)和挤压比(10-25)下通过热挤压或烧结等方法将上述均匀化处理的块体制造成不同截面组合的铝基烯合金钻杆管体坯料。

通过铣削等加工方法将上述坯料加工成铝基烯合金钻杆管体。

石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中，与基体形成良好的结合界面，且石墨烯纳米片与铝合金基体未发生化学反应，并保留了原始的纳米片结构；石墨烯纳米片具有很高的比表面积，可有效阻止热处理过程中铝合金晶粒的长大，同时石墨烯纳米片/铝合金结合界面可以有效阻止材料变形过程中的位错移动和裂纹扩展。铝合金晶粒之间的间距非常小，而厚度只有几个纳米的石墨烯更有利于将外力和热量从铝合金基体转移到石墨烯纳米片上，因此石墨烯纳米片的超高强度和导热性能可以被直接利用。此外石墨烯纳米片大的比表面积，易与铝合金基体形成大的结合性能优良的结合界面，及石墨烯纳米片特有的褶皱结构，使得铝基烯合金在受力过程中，石墨烯纳米片存在一个褶皱展平再断裂的过程，加之石墨烯纳米片本身具有良好的塑性，因此，能够实现铝基烯合金材料的高强度、良好的热强性和塑性。利用铝基烯合金材料制造高强度的耐高温铝合金钻杆可以解决目前铝合金钻杆应用过程中存在的强度低、热强性差等难题。

综上所述，由于石墨烯纳米片的结构及其优点可以在铝合金钻杆的管体中得以保留，因此可以提高铝合金钻杆的屈服强度和抗拉强度。而且在较高温度下，石墨烯纳米材料一方面可以发挥超高强度的优势，另一方面可以发挥超高热传导的优势，有利于降低钻杆的循环温度和提高钻杆的热强性。因此采用本发明提供的铝基烯合金钻杆管体(或新型铝合金钻杆管体)制造的钻杆可以在应用在更深、温度更高的环境中。

附图说明

图1铝基烯合金管体制备流程示意图

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例中所用原料均为市售。

实施例1：

(1)按照mg：1.3％，cu：2.6％，zn：0.1％，mn：0.15％，cr：0.03％，ti：0.04％，fe：1％，si：0.3％，ni：1.2％，al：93.28％的质量分数制成铝合金颗粒。

(2)将步骤(1)制成的铝合金颗粒制成100-500目的金属粉末，并与1-15层的石墨烯纳米微片(石墨烯的纯度为99.5％)混合。

(3)将步骤(2)得到的混合物采用球磨的方法制成均匀分散的石墨烯/铝合金复合粉末，其中石墨烯的质量分数为0.5％。

(4)将步骤(3)制成的复合粉末放入模具中，通过热压烧结的方法在600℃温度和150mpa压力的条件下作用100min，制成石墨烯/铝合金颗粒块体。

(5)对步骤(4)制成的石墨烯/铝合金块体进行均匀化处理，将石墨烯/铝合金块体加热至400℃保持10h，再加热至450℃保持20h，随炉冷却至室温。

(6)将步骤(5)得到的块体在300℃温度下采用12的挤压比，通过热挤压的方法制造成内径、外径尺寸的铝基烯合金钻杆管体坯料。

(7)将步骤(6)制成的钻杆管体胚料进行铣削加工，制成铝基烯合金钻杆管体。

实施例2：

(1)按照mg：1.8％，cu：2.0％，zn：0.2％，mn：0.05％，cr：0.1％，ti：0.09％，fe：1.40％，ni：0.80％，zr：0.1％，al：93.16％的质量分数制成铝合金颗粒。

(2)将步骤(1)制成的铝合金颗粒制成100-400目的金属粉末，并与1-15层的石墨烯纳米微片(石墨烯的纯度为99.9％)混合。

(3)将步骤(2)得到的混合物采用球磨的方法制成均匀分散的石墨烯/铝合金复合粉末，其中石墨烯的质量分数为0.8％。

(4)将步骤(3)制成的复合粉末放入模具中，通过热等静压的方法在450℃温度和300mpa压力的条件下作用120min，制成石墨烯/铝合金颗粒块体。

(5)对步骤(4)制成的石墨烯/铝合金块体进行均匀化处理，将石墨烯/铝合金块体通过微波加热至350℃保持10h，再加热至450℃保持15h，再加热至500℃保持20h，自然冷却至室温。

(6)将步骤(5)得到的块体在450℃温度下采用20的挤压比，通过热挤压的方法制造成内径、外径尺寸的铝基烯合金钻杆管体坯料。

(7)将步骤(6)制成的钻杆管体胚料进行铣削加工，制成铝基烯合金钻杆管体。

在本发明的其他实施例中，不限于上述实施例步骤(1)中所述的铝合金颗粒中的成分及比例，不限于步骤(2)中所述的铝合金颗粒目数、石墨烯纳米微片的层数及石墨烯纯度，不限于步骤(3)中所述的均匀分散粉末制备方法及石墨烯质量分数，不限于步骤(4)中所述的粉末冶金方法及参数，不限于步骤(6)所述的钻杆管体胚料制备方法及参数，不限于步骤(7)所述的钻杆管体加工方法。