張麗君，彭 莉，呂紅軍

(1.地質(zhì)礦產(chǎn)部無錫鉆探工具廠，江蘇 無錫214174;2.寧廈地礦物資裝備管理中心，寧廈 銀川750021)

0 引言

鉆桿是向井底鉆頭傳遞破巖所需壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩的工具，是輸送沖洗介質(zhì)的通道。鉆桿在鉆進過程中的工作條件十分復(fù)雜，往往是整個鉆探設(shè)備與工具組合中比較薄弱的環(huán)節(jié)，鉆桿能否正常、可靠地工作，是鉆探施工能否正常進行的關(guān)鍵，是深孔鉆探必須解決的問題之一。目前鉆桿之間的連接方式普遍采用螺紋連接，作為一根細長壁薄的鋼管桿體，在正常鉆進施工中，鉆桿承受著壓、拉、扭、彎復(fù)雜的交變應(yīng)力，工況極其復(fù)雜。超過一定孔深之后，鉆桿柱會因為超過其承載極限而發(fā)生破壞，當(dāng)鉆桿頻繁折斷，無法正常鉆進時，通常以此孔深作為鉆桿極限鉆進深度。近年來深孔(深度＞2000 m)鉆探工作量不斷增加，部分鉆孔深度＞2500 m甚至3000 m。國產(chǎn)繩索取心鉆桿因受原材料鋼級、螺紋連接強度以及加工質(zhì)量精度的限制，鉆進深度往往不能滿足深孔施工的要求，施工單位只能依靠進口國外繩索取心鉆具，這不僅消耗大量外匯，增加施工成本，有時會因供貨周期影響施工進度。

為發(fā)展國內(nèi)鉆探事業(yè)，提高國產(chǎn)鉆探裝備水平，相關(guān)科研單位、鉆具生產(chǎn)廠家都已經(jīng)積極開展了超深孔繩索取心鉆具的研究和試制，目前已取得重大進展，如安徽省地礦局313地質(zhì)隊2010年使用國產(chǎn)的CNH(T)鉆桿創(chuàng)造2706.68 m小口徑繩索鉆探孔深紀(jì)錄，由山東省地礦局第三地質(zhì)大隊承擔(dān)的小口徑繩索科學(xué)鉆探施工項目的鉆進深度已達到3265 m(截止2012年6月8日)，截止到發(fā)稿該孔仍在施工中。

1 影響鉆桿使用強度的因素

繩索取心施工中影響鉆進深度的主要因素有鉆孔級配、施工工藝的規(guī)劃、鉆桿鉆具的使用壽命。其中，鉆桿使用強度是決定鉆孔深度的關(guān)鍵因素之一。影響鉆桿使用強度的因素主要包括:鉆桿結(jié)構(gòu)、螺紋參數(shù)、鉆桿體材料、熱處理工藝的控制、機加工精度控制等。

1.1 深孔繩索鉆桿結(jié)構(gòu)、連接螺紋參數(shù)選擇

1.1.1 繩索鉆桿結(jié)構(gòu)方式的選擇

目前繩索鉆桿結(jié)構(gòu)有3種形式:公母接頭螺紋連接式、公母接頭摩擦焊接式、整體直連式?？紤]到提高鉆桿使用壽命，降低鉆探成本，同時可以選用優(yōu)質(zhì)鋼材制作鉆桿接頭，因此公母接頭螺紋連接形式被廣泛生產(chǎn)使用。

整體直連式繩索鉆桿是在每根鉆桿的兩端分別加工公母螺紋，與接頭式鉆桿相比，一方面減少了桿體與公母接頭之間的螺紋連接，大大降低了因螺紋斷裂發(fā)生事故的概率，另一方面，也提高了鉆桿之間的同軸度。但由于鉆進和提鉆時，頻繁擰卸鉆桿，往往會由于螺紋損壞而致使整根鉆桿不能使用，使用成本相對于帶接頭的鉆桿要高，目前國產(chǎn)鉆桿采用這種連接方式結(jié)構(gòu)方式的不多。

公母接頭摩擦焊接式鉆桿，由于摩焊鉆桿的同軸度不高，再加上繩索鉆桿管壁比較薄，焊接面積較少，很難保證摩擦焊焊縫的整體強度，所以該種連接方式的繩索鉆桿只在國內(nèi)東北地區(qū)的少數(shù)1000 m以淺的鉆進施工中使用。

由于繩索鉆桿桿體壁厚比較薄，在鉆桿體上直接加工螺紋，螺紋強度比較低，無法滿足深孔施工的強度要求，因此，深孔繩索鉆桿大都采用桿體端部加厚、接頭外徑增大方式來提高鉆桿強度，設(shè)計時依據(jù)等強度理論及鉆具結(jié)構(gòu)來確定鉆桿端部加厚尺寸。

1.1.2 螺紋參數(shù)的選擇

鉆桿連接螺紋參數(shù)也是影響鉆桿強度的主要因素，為了在現(xiàn)有管材壁厚的基礎(chǔ)上最大限度的提高螺紋承載強度，設(shè)計時通過計算機輔助計算、有限元分析，確定螺紋參數(shù)(螺紋錐度、牙高、牙形角、旋合長度、手?jǐn)Q緊密距)。同時，經(jīng)過螺紋小樣接頭的試制，經(jīng)拉伸、扭轉(zhuǎn)和沖擊等機械強度測試，進行對比分析后才確定了適合深孔鉆進的螺紋參數(shù)。其中，螺紋牙深、螺紋長度較普通鉆桿都有所加深，螺紋錐度充分考慮危險斷面的承載強度、螺紋端面楔角密封還考慮了螺紋子口的臺階密封性，大大增強了鉆桿的動態(tài)受力密封性能。

以CNH(T)鉆桿螺紋為例，CNHT鉆桿采用加強型螺紋;CNH(T)鉆桿采用不對稱負角度螺紋，可以有效防止鉆桿螺紋之間脫扣。CNH(T)鉆桿螺紋參數(shù):

(2)螺紋牙高:1.2 mm;

(3)螺距:8 mm;

(4)螺紋長度:50 mm，螺紋錐度1∶22;

(5)密封楔角:15°。

1.2 鉆桿體材料

國內(nèi)繩索取心鉆桿一般選用45MnMoB、30CrMnSiA等合金鋼無縫鋼管制造，45MnMoB為非調(diào)質(zhì)鋼管作為鉆桿體，一般與調(diào)質(zhì)后的30CrMnSiA接頭配套使用。該類鉆桿適用于鉆進800～1200 m的孔深。

近年來國內(nèi)隨著冶煉技術(shù)的不斷進步，適合作為繩索鉆桿的薄壁高鋼級無縫鋼管相繼開發(fā)，為生產(chǎn)深孔繩索鉆桿邁出了關(guān)鍵的一步;另外鉆桿體整體調(diào)質(zhì)工藝日趨成熟，鉆桿體經(jīng)過調(diào)質(zhì)后，提高了鉆桿的綜合機械性能，從而大大提高了鉆桿抗扭強度和抗彎疲勞強度、抗拉強度和耐磨性。目前，國內(nèi)已經(jīng)研制出綜合性能更好的ZT850高鋼級精密無縫管材。表1列出了嘉興新紀(jì)元鋼管制造有限公司生產(chǎn)的XJY850(相當(dāng)于42CrMoA)與30CrMnSiA部分機械性能的比較。

表1 常用繩索取心鉆桿管材性能

從表1可以看出，30CrMnSiA與XJY850在強度方面相接近，但是XJY850延伸率及沖擊功均優(yōu)于30CrMnSiA，該材料的韌性較好，更適用于深孔繩索取心鉆桿施工工況。

2 深孔繩索取心鉆桿質(zhì)量控制

鉆井施工深度的不斷加深是通過鉆桿不斷連接而成的，因此要求每根鉆桿都要達到設(shè)計使用要求，必須保證批量鉆桿質(zhì)量穩(wěn)定，才能達到鉆進深孔的目的。鉆桿原材料成分組織、形位公差、熱處理結(jié)果及機加工精度等任何一個環(huán)節(jié)都對最終的質(zhì)量合格與否起到重要作用，要對鉆桿質(zhì)量加以控制，要求生產(chǎn)企業(yè)必須編制完善的加工工藝流程，確定有效的檢測方法和檢測手段，配置相應(yīng)的測量器具，才能有效控制鉆桿質(zhì)量。

2.1 原材料控制

原材料質(zhì)量是影響鉆桿質(zhì)量關(guān)鍵因素之一，對原材料的檢測主要包括金屬材料化學(xué)成分、組織級別、冶煉、軋制缺陷、尺寸偏差等。

2.1.1 金屬材料化學(xué)成分及組織檢測

即使同一牌號的鋼材，不同冶煉廠、不同爐號所生產(chǎn)的鋼材其化學(xué)成分及微觀組織都有所差別。工藝控制比較嚴(yán)格的鋼廠，產(chǎn)出的鋼材質(zhì)量比較穩(wěn)定。為保證采購到質(zhì)量穩(wěn)定的原材料，必須通過對鋼廠進行綜合調(diào)研，對原材料和熱處理后的機械性能進行對比，最終確定原材料的供應(yīng)商。

對采購進廠的鋼管每批次都進行抽樣化學(xué)成份分析，要求其化學(xué)成分含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》(GB/T 222－2006)，同時要求鋼管每爐的化學(xué)成份分散性要小，這樣有利于調(diào)質(zhì)處理后產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。抽樣檢驗主要包括:鋼管成品橫截面在酸浸低倍試片上不得有白點、縮孔殘余、分層、裂紋、翻皮、氣泡、偏析及金屬夾雜物。非金屬夾雜物不得大于三級，鐵素體帶狀在100倍下不得大于三級。

2.1.2 管材尺寸偏差及形位公差的檢測

繩索取心鉆桿用的鋼管應(yīng)滿足《鉆探用無縫鋼管》(GB/T 9808－2008)的標(biāo)準(zhǔn)要求，其尺寸偏差值可以通過常規(guī)量具檢測。對繩索取心鉆桿質(zhì)量影響比較大的是管材的形位公差，主要為管材的直線度、圓度、內(nèi)外圓同軸度(壁厚均勻度)、通徑要求等。

管材的直線度反映鉆桿彎曲程度，直線度不好不僅造成鉆桿偏磨，同時影響鉆桿螺紋加工質(zhì)量，一般要求優(yōu)質(zhì)繩索取心鉆桿彎曲度≯0.7 mm/m。鋼廠采用新型的多輥(11輥)高強度矯直機矯直，切除預(yù)留的頭尾，可以達到出廠鋼管的直線度要求。

為了保證深孔用高強度繩索取心鉆桿體強度，鉆桿體需要整體調(diào)質(zhì)處理，無加厚鉆桿直接采用在線中頻調(diào)質(zhì)工藝，調(diào)質(zhì)后采用多輥矯直機矯直。對于端部加厚鉆桿，常采用井式爐懸掛式整體熱處理，熱處理時要注意管體裝爐方式，切忌平放。熱處理后的管體用液壓機矯直進行點校直，保證直線度滿足設(shè)計要求。直線度一般采用V形塊檢測法測量，也可以用平直尺及塞規(guī)檢測。

由于繩索取心鉆桿內(nèi)孔要通過內(nèi)管總成，因此要對鉆桿全長進行通徑檢驗。通棒直徑為鉆桿最小公稱內(nèi)徑減1.0 mm，長度300 mm，通棒應(yīng)能自由通過鋼管內(nèi)徑。

2.2 熱處理要求及檢測

管材經(jīng)過熱處理可以提高綜合性能，滿足鉆桿特殊性能要求。深孔用高強度鉆桿體和接頭都必須進行調(diào)質(zhì)處理。

理論研究中，將管材在不同溫度下進行正火處理，得到不同晶粒尺寸的顯微組織，然后進行調(diào)質(zhì)處理后，晶粒細化，再取樣進行室溫沖擊試驗，利用掃描電鏡對沖擊試樣斷口形貌進行觀察，研究夾雜物和晶粒尺寸對管材沖擊韌性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小部分試樣以夾雜物起裂，大多數(shù)沖擊試樣斷口起裂源處未發(fā)現(xiàn)有夾雜物，其主要原因是室溫下試樣沖擊斷裂的臨界事件是微裂紋穿過晶界擴展引發(fā)解理斷裂，因此晶粒尺寸是決定調(diào)質(zhì)鉆桿沖擊韌性的主要因素。沖擊韌性反映了材料在高速沖擊載荷作用下抵抗斷裂的能力，是材料重要的力學(xué)性能之一，因此沖擊韌性也是評價鉆桿性能的重要指標(biāo)之一。影響材料沖擊韌性的因素很多，主要有晶粒尺寸，夾雜物以及熱處理狀態(tài)等。調(diào)質(zhì)鉆桿通過對金相組織及有害物質(zhì)(雜質(zhì))的控制來保證鉆桿的沖擊韌性。調(diào)質(zhì)過后的鉆桿，對于其金相組織檢驗要求回火索氏體含量≥85%，晶粒度≥7級，以此確保獲得較高的綜合機械性能。

硬度是衡量材料軟硬的一個指標(biāo)，硬度值是金屬材料局部體積內(nèi)抵抗塑性變形的能力。一般來說，硬度高的材料耐磨性好，強度也比較高，但過高的硬度也會影響到材料的韌性。實踐證明鉆桿及鉆桿接頭調(diào)質(zhì)后的硬度控制在HRC28～32比較合適。

管材調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)過程中，回火工藝確定取決于淬火件硬度及設(shè)計要求，因此淬火及回火后的材料都要取樣檢測硬度，以便保證調(diào)質(zhì)后的產(chǎn)品合格率。為保證調(diào)質(zhì)處理質(zhì)量，淬火時裝爐量要保證工件整體受熱均勻，不能裝得太多，回火時溫度要恒定，裝爐件數(shù)較淬火時可以多裝一些。

管材調(diào)質(zhì)處理后理想的金相組織是回火索氏體含量≥95%，晶粒度8～9級。

30CrMnSiA檢測結(jié)果如圖1、圖2所示。XJY850檢測結(jié)果如圖3、圖4所示。

2.3 螺紋加工與檢測

圖1 30CrMnSiA熱處理前

圖2 30CrMnSiA熱處理后

圖3 XJY850材料熱處理前

圖4 XJY850材料熱處理后

目前鉆桿螺紋大都由數(shù)控車床加工，加工時使用的刀具有2種:一種是成型刀;另一種是使用角度成型車刀，加工時由程序進行中徑補償?，F(xiàn)在的螺紋成型刀具已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，刀具可以集中生產(chǎn)。采用鍍鈦硬質(zhì)合金刀具提高切削速度可以提高螺紋粗糙度，刀具壽命長，提高生產(chǎn)效率。

為了保證螺紋機加工精度和互換性，鉆桿螺紋必須逐個經(jīng)過螺紋量規(guī)檢驗。每種螺紋檢測需有八件螺紋量規(guī):四件環(huán)規(guī)，四件塞規(guī)，分別用于檢驗公母螺紋的大徑、小徑、牙形齒寬(通、止)。

用螺紋量規(guī)來檢驗螺紋時，要注意螺紋表面質(zhì)量，如:表面粗糙度＜3.2 μm、螺紋尖角符合要求、螺紋退刀長度、去除毛刺等，否則影響測量精度。測量時掌握螺紋量規(guī)旋緊力度。

設(shè)計螺紋量規(guī)時考慮鉆桿螺紋副手?jǐn)Q緊密距，一般要求手?jǐn)Q緊密距為0.5～1.5 mm。檢測時注意螺紋量規(guī)使用要求，掌握正確使用方法。

2.4 接頭螺紋的強化處理

接頭螺紋經(jīng)鎳磷化學(xué)鍍處理后可提高表面硬度，增強耐磨性，防止粘扣。鎳磷鍍層厚度0.02～0.04 mm，硬度HV850～950。對鎳磷化學(xué)鍍后的外觀、鍍層厚度、硬度及鍍層的結(jié)合力要進行相應(yīng)的檢測。

3 鉆桿性能綜合測試

鉆桿性能試驗主要測試鉆桿螺紋連接處的抗拉、抗扭、密封性能等，在改進設(shè)計、更換材料供應(yīng)商、改進加工工藝方法后，都必須做鉆桿性能綜合測試。鉆桿樣品必須嚴(yán)格根據(jù)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)，滿足設(shè)計要求，具有代表性。

3.1 抗拉試驗

CNH(T)鉆桿螺紋抗拉試驗在WA－1000C試驗機上進行。測試樣品為CNHT鉆桿接頭螺紋:

材質(zhì):XJY850;

試樣尺寸(外徑×厚度):74.00 mm×8.00 mm;

調(diào)質(zhì)處理狀態(tài):HRC28～32。

測試數(shù)據(jù)如下:

最大力:741.04 kN;

抗拉強度:1005 MPa;

伸長率:13.0%;

斷口位置:公扣大端受力的第一牙。

3.2 抗扭試驗

CNH(T)鉆桿螺紋抗扭試驗在扭力機上進行。樣品公母扣各1根，加絲扣油擰緊，連接后長度≮1 m。夾緊在扭力試驗機的兩端，測試時母扣端桿體用鏈板固定在V形槽中，液壓大鉗夾緊公扣的加厚段，大鉗用保險帶承受反扭矩，液壓系統(tǒng)與微機關(guān)聯(lián)，轉(zhuǎn)動傳感器與鉆桿上端關(guān)聯(lián)。緩慢加載，設(shè)定扭力測試點。經(jīng)試驗，CNH(T)鉆桿靜扭矩達到12000 N·m時，螺紋副完好無損。

3.3 密封性檢驗

深孔鉆進時，配置泥漿泵泵壓比較高，最高可達12 MPa，因此要提高鉆桿密封性要求。繩索鉆桿密封性檢驗在WA－1000C試驗機上進行，將鉆桿接頭夾持在試驗機上，接頭一端連接在試水壓裝置上。在無拉力狀態(tài)下的靜密封壓力可達20 MPa，保壓10 min螺紋無滲漏，當(dāng)加大拉力后4 MPa水壓下，鉆桿接頭螺紋可以承受590 kN的拉力，6 MPa水壓下，該鉆桿接頭螺紋可以承受430 kN的壓力。保壓5 min，螺紋連接部位無滲水現(xiàn)象。

4 結(jié)語

深孔繩索取心鉆進用鉆桿既要從鉆桿結(jié)構(gòu)、螺紋參數(shù)、材料選擇等方面進行研究，也要完善鉆桿加工工藝。無論是原材料進廠，還是在加工過程中，每道工序都要檢測(全檢或抽樣檢查)，只有加強事前、事中、事后全過程的質(zhì)量控制，才能保證最終生產(chǎn)出高品質(zhì)鉆桿。嚴(yán)格的質(zhì)量管理控制，才能保證產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定，防止不合格品流入下道工序，杜絕不合格品流入市場。

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