郭 青，蘆 葦，肖麗輝

(1．晉城煤業(yè)集團寺河礦，山西晉城048205;2．中煤科工集團重慶研究院，重慶400039;3．瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400039)

0 引言

鑒于近水平定向鉆進技術(shù)在國外的成功應(yīng)用，自20世紀(jì)90年代中期，我國很多煤礦陸續(xù)從美國、澳大利亞引進了定向鉆進裝備近30套，分別在松藻、鐵法、淮南、撫順、平頂山、晉城等礦區(qū)試用［1］。中煤科工集團西安研究院和中煤科工集團重慶研究院也相繼開發(fā)了用于水平定向鉆進的鉆探機具及其配套工藝，使我國煤礦坑道水平鉆孔的鉆探能力很快達到了1000 m。在煤礦開采領(lǐng)域，利用定向技術(shù)施工瓦斯抽放孔，可以在煤炭開采前對煤層進行瓦斯抽采，同時該技術(shù)還可用于探測巖漿侵入和瓦斯突出，可減少煤礦嚴(yán)重事故的發(fā)生。

在定向鉆進系統(tǒng)中，為保證測量系統(tǒng)的測量效果及定位精度，需將測斜儀器放置于一定長度的無磁鉆桿內(nèi)［2］，并需在其前后端連接上、下無磁鉆桿，為測量系統(tǒng)創(chuàng)造無磁環(huán)境。目前，國內(nèi)外煤礦坑道水平定向鉆探用無磁鉆桿均選用鈹銅QBe2(C17200)，其具有良好的無磁性，該合金時效處理后強度較高，但斷裂延伸率低，即合金的斷裂韌性差，造成了實際鉆孔過程中鈹銅無磁鉆桿斷裂事故［3］。在晉城煤業(yè)集團寺莊礦和成莊礦進行水平定向鉆孔施工過程中，由澳大利亞VLD公司和中煤科工集團西安研究院生產(chǎn)的鈹銅無磁鉆桿均發(fā)生過多次斷裂事故，使得螺桿鉆具和測斜儀器掉落孔底，造成巨大的經(jīng)濟損失。針對該問題，需尋求一種更優(yōu)良的無磁材料，研制出煤礦坑道水平定向鉆探用高強度無磁鉆桿，以減少無磁鉆桿斷裂事故。

1 無磁鉆桿材料的選擇

在煤礦坑道水平定向鉆進中，無磁鉆桿一方面作為測量系統(tǒng)的載體，另一方面，無磁鉆桿與定向鉆桿一樣，在鉆進的過程中需承受著孔內(nèi)復(fù)雜的受力，其性能直接決定了施工的安全性。為此，應(yīng)對煤礦坑道定向鉆進用無磁鉆桿材料提出以下要求。

(1)為避免磁場干擾，確保測量效果及定位精度，鉆桿用無磁材料需具有良好的無磁性。

(2)由于煤礦坑道水平定向鉆進的工況復(fù)雜，無磁鉆桿在孔內(nèi)受到拉、壓、彎、扭等多種作用，還會受到振動及沖擊載荷的影響，要求鉆桿用無磁材料需有較高的強度及較好的綜合機械性能。

(3)為保證煤礦生產(chǎn)安全，根據(jù)《煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗方法和判定規(guī)則》(GB 13813－2008)的規(guī)定，用于無磁鉆桿的材料需具備碰擊時不產(chǎn)生火花的性能。

(4)無磁鉆桿應(yīng)具有極好的耐腐蝕性。

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，是力學(xué)、物理、化學(xué)綜合性能良好的一種合金，其密度、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間，且比強度、韌性優(yōu)于鈹銅，并具有優(yōu)異的抗腐蝕性能及無磁性。鈹銅和鈦合金兩類無磁材料基本參數(shù)的對比見表1。

表1 無磁材料性能參數(shù)表

與鈹銅無磁材料相比，鈦合金無磁材料具有密度低、屈服強度高、沖擊韌性好及更耐腐蝕和磨蝕等特性。由表1可知，鈦合金無磁材料的韌性為鈹銅的1.15倍，強度質(zhì)量比為鈹銅的1.8倍，延伸率為鈹銅的4倍多，延伸率能達到120鋼級的水平。目前，用于超短半徑鉆井的鈦合金鉆桿已經(jīng)研制成功，可用于曲率半徑＜18.3 m的老井側(cè)鉆作業(yè)的需要，在使用過程中表現(xiàn)出可靠性好、使用壽命長等特性［4］。因此，選用鈦合金代替鈹銅加工無磁鉆桿，可極大地提高無磁鉆桿的綜合機械性能，降低無磁鉆桿斷裂的可能性，減少煤礦坑道水平定向鉆孔孔內(nèi)事故的發(fā)生。

2 鈦合金無磁鉆桿的研制

2．1 鈦合金無磁鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計

礦用鈦合金無磁鉆桿與常規(guī)鋼鉆桿相同，由3個基本要素組成:鉆桿本體、鉆桿公接頭、鉆桿母接頭(見圖1)。

圖1 鈦合金無磁鉆桿示意圖

2．2 鈦合金無磁鉆桿的螺紋設(shè)計

為配合我院定向鉆桿，首次設(shè)計的鈦合金鉆桿的螺紋形式為定向鉆桿的螺紋。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該種螺紋結(jié)構(gòu)強度低，螺紋牙頂和牙底圓弧半徑過小，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成鉆桿斷裂。為使鈦合金鉆桿更好地應(yīng)用于定向鉆進中，對鈦合金鉆桿的螺紋結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。一是增加了螺紋牙頂和牙底圓弧半徑，減少應(yīng)力集中;二是增加了螺紋的有效長度和公接頭基面尺寸，因螺紋斷裂多發(fā)生在公扣上，因此，增加公接頭基面尺寸可提高螺紋的抗扭、抗彎強度。

3 鈦合金摩擦火花試驗研究

3．1 試驗方法

根據(jù)鈦合金無磁鉆桿的應(yīng)用工況，并結(jié)合GB 13813－2008的規(guī)定，對摩擦火花安全性試驗采取自由落錘試驗方法。

3．2 試驗樣品

試樣分機械加工后經(jīng)表面氧化處理和未經(jīng)表面氧化處理兩種狀態(tài)，兩種試樣數(shù)量各為8件，試件如圖2、圖3所示。

圖2 試樣結(jié)構(gòu)尺寸

3．3 試驗設(shè)計

按鈦合金無磁鉆桿長度為3 m計算，鈦合金鉆桿整體質(zhì)量為20.5 kg，根據(jù)GB 13813－2008規(guī)定，對經(jīng)氧化表面處理試樣采用60 kg重錘試驗，未經(jīng)表面氧化處理試樣采用40 kg重錘試驗。重錘下落高度為2 m，并連續(xù)進行32次有效試驗。

圖3 摩擦火花試樣

3．4 試驗結(jié)果

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，表面氧化處理的鈦合金摩擦火花試樣在經(jīng)60 kg自由落錘沖擊生銹Q235鋼板的32次有效試驗中，未引燃試驗氣體。未表面氧化處理的鈦合金摩擦火花試樣在經(jīng)40 kg自由落錘沖擊生銹Q235鋼板的32次有效試驗中，也未引燃試驗氣體。表明鈦合金無磁材料摩擦火花安全性合格。

4 加厚試驗研究

鉆桿本體兩端采用鐓粗的加工工藝，鈦合金加厚鉆桿端部厚壁的錐度過渡，可明顯降低鉆桿接頭與鉆桿本體配合處的彎曲應(yīng)力，并使鉆桿接頭承受的彎曲應(yīng)力沿軸線均勻分布，從而大幅度提高鈦合金鉆桿的抗疲勞性能［5］。

4．1 試驗材料

4．2 試驗設(shè)備及工裝

4．3 試驗過程

第一步，將鈦合金管料距離管端350 mm的范圍內(nèi)，加熱至約150℃，保溫1.5 min，從感應(yīng)加熱爐中退出管料，用刷子均勻涂抹玻璃潤滑劑于管料外表面，用纏繞于鋼筋上的干凈抹布涂抹玻璃潤滑劑于內(nèi)表面，內(nèi)外涂抹長度均約350 mm，依次涂抹完三支管料六個端。

第三步，預(yù)熱后對鈦合金管材進行一道加厚和二道加厚，加熱節(jié)拍45 s，一道加厚主缸壓力20 MPa，側(cè)缸壓力13 MPa，二道加厚主缸壓力20 MPa，側(cè)缸壓力14 MPa。試塊加厚參數(shù)見表2。

表2 加厚端參數(shù)

此次工藝試制中，由于管料長度短，造成加熱、送料障礙，使入模溫度低;且由于管料少，不能連續(xù)加厚，模具溫度達不到工藝要求，批生產(chǎn)時，實際加熱溫度約下降50～80℃。

4．4 試驗分析

為了分析鈦合金管材端部加厚效果，對加厚的鈦合金管材分別做了力學(xué)性能測試、金相組織分析、超聲波探傷等試驗。

4．4．1 力學(xué)性能分析

對加厚試樣進行了抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度等測試，圖4為加厚塊試樣的抗拉強度、屈服強度、伸長率、沖擊吸收能量及硬度測試數(shù)據(jù)。

從圖4(a)可以看出加厚試樣的抗拉強度為958～1024 MPa，屈服強度為878～950 MPa，均超過了美國API鉆桿標(biāo)準(zhǔn)中的鋼質(zhì)鉆桿G105鋼級標(biāo)準(zhǔn)，同時達到了120鋼級的性能要求。從圖4(b)可以看出加厚試樣的延伸率為13.6% ～17.7%，符合鈦合金的材料特點;加厚試樣的硬度值為HRC35.2～36.2，變化比較均勻。

4．4．2 金相組織分析

采用幾種工藝試制試樣的金相組織是比較正常的，低倍沒有發(fā)現(xiàn)異常，基本為模糊晶，只有T2試樣局部存在少量半清晰晶，也屬于正常的低倍組織;高倍組織呈現(xiàn)了不同的顯微組織，有等軸組織、網(wǎng)籃組織和并列組織，基本為正常組織。且在加厚鍛造過程中產(chǎn)生的α脆化層比較小，涂了玻璃潤滑劑的管體表面基本上沒有形成α脆化層，最大的僅有0.062 mm厚。由于鈦合金管體最終要進行機械加工及接頭的裝配，因此α脆化層對鈦合金鉆桿不會帶來影響。

圖4 試樣力學(xué)性能測試

4．4．3 超聲波探傷分析

首先對TC4管體進行超聲波探傷，超聲波顯示沒有異常，內(nèi)部組織比較均勻。在對加厚試樣進行超聲探傷時發(fā)現(xiàn)各試樣的加厚端均有超標(biāo)異常信號反射。為此，對最為嚴(yán)重的T1試樣進行了解剖取樣和金相分析，分析結(jié)果顯示該試樣的顯微組織為等軸或網(wǎng)籃組織，未發(fā)現(xiàn)任何異常的夾雜、異物或裂紋，組織異常等現(xiàn)象。初步判斷可能為加厚過程中溫度不均勻或變形不均勻引起顯微組織不均勻，從而導(dǎo)致出現(xiàn)超標(biāo)異常信號反射。

通過對幾種工藝的試樣進行對比分析發(fā)現(xiàn)，4號、5號、6號工藝更優(yōu)異，與前3個試驗相比，其試樣獲得了更好的力學(xué)性能參數(shù)及金相組織。

5 現(xiàn)場試驗

2011年7～11月，應(yīng)用試制的高強度鈦合金無磁鉆桿在晉煤集團寺河礦進行井下工業(yè)性試驗(圖5)。試驗地點開采煤層為3號煤層，該煤層平均厚度6.13 m，煤層傾角2°～6°。煤質(zhì)特點為黑色，亮煤為主，具金屬—玻璃光澤，質(zhì)硬，水平紋理，發(fā)育有近于垂直煤層的內(nèi)生、外生裂隙，普遍含兩層夾矸。

圖5 鈦合金鉆桿

試驗鉆機為重慶煤科院研發(fā)的ZYWL－6000D型千米定向鉆機，配備73 mm×3000 mm通纜定向鉆桿和96 mm PDC復(fù)合片鉆頭。本次試驗共施工定向鉆孔主孔10個，分支孔52個，鉆孔最深為1017 m，總進尺10000余米。

在試驗過程中，高強度鈦合金鉆桿表現(xiàn)良好，未發(fā)生螺紋咬扣或鉆桿斷裂現(xiàn)象，即使遭遇壓桿事故，鉆機采用強力提拔時，鉆桿也未發(fā)生過任何故障，獲得了良好的使用效果。

6 結(jié)論

(1)煤礦井下鉆探一直用鈹銅無磁鉆桿，一是其防爆性能好，二是價格相對較低，能夠被廣大客戶接受，但其存在的缺點是斷裂延伸率低，容易發(fā)生斷裂。

(2)高強度鈦合金無磁鉆桿強度高，韌性好，其強度可達到120鋼級鋼質(zhì)鉆桿強度。其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，極大地降低了鉆桿斷裂的可能性，可最大限度地避免孔內(nèi)事故的發(fā)生。

［1］ 田東莊，石智軍，龔城，等．煤礦井下近水平定向鉆進配套鉆桿的研制［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(3):24 －27．

［2］ 史海岐．煤礦井下定向鉆進測量探管［J］．煤礦安全，2013，44(3):106－108．

［3］ 陳樂平，周全．鈹銅合金的研究進展及應(yīng)用［J］．熱加工工藝，2009，38(22):14 －18．

［4］ 趙金，陳紹安，劉永剛，等．高性能鉆桿研究進展［J］．石油礦場機械，2011，40(5):96 －99．

［5］ 袁文義，張泉海．國外鈦合金鉆桿的研究進展［J］．新疆石油科技，2006，3(16):13 －15．