張喜超

(連云港黃海機械股份有限公司，江蘇連云港222062)

1 國內(nèi)外鋁合金鉆桿研制現(xiàn)狀

鋁合金鉆桿的制造對于鉆探裝備制造行業(yè)尚屬高新技術(shù)范疇，目前世界上只有俄羅斯、美國、日本及法國等少數(shù)發(fā)達國家能夠批量生產(chǎn)。開展地質(zhì)鉆探用高強度鋁合金鉆桿的研究，對提高我國西部難進入地區(qū)地質(zhì)調(diào)查鉆探效率、推動地質(zhì)鉆探科學技術(shù)進步以及節(jié)能降耗工作具有重大現(xiàn)實意義［1］。有專家呼吁，“十二五”期間我國應(yīng)在現(xiàn)有2000 m全液壓巖心鉆機成果的基礎(chǔ)上，逐步形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的3000、4000 m全液壓主導機型，強調(diào)了研制深孔鉆機及配套設(shè)備的重要性。但國外的經(jīng)驗證明，深部鉆探不能僅著眼于大型深孔設(shè)備，還應(yīng)在鉆桿柱的材質(zhì)上想辦法，在不更換大噸位鉆機的前提下使鉆孔鉆得更深，展現(xiàn)了用現(xiàn)有小噸位鉆機鉆進更深孔，用現(xiàn)有大噸位鉆機鉆進超深孔的良好前景［2］。鋁合金鉆桿與鋼鉆桿相比，在鉆探中具有低重度，在各種惡劣環(huán)境下具有的耐腐蝕性、無磁性以及穩(wěn)定的力學性能，還具有鉆進能耗低、易搬運等優(yōu)點［1－3］。結(jié)合我公司現(xiàn)有的巖心鉆機產(chǎn)品，XY－44型鉆機立軸最大扭矩3200 N·m，最大起重力120 kN，用71 mm×5 mm繩索取心鉆桿最大鉆深能達到1000 m，若用相近規(guī)格的繩索取心鋁合金鉆桿最大鉆深能達到2000 m;XY－6型鉆機立軸最大扭矩7800 N·m，最大起重力200 kN，用73 mm×5 mm高強度繩索取心鉆桿最大鉆深能達到1750 m，若用相近規(guī)格的繩索取心鋁合金鉆桿最大鉆深能到3300 m。隨著國家標準《石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿》(GB/T 20659—2006/ISO 15546:2002)的正式發(fā)布及地質(zhì)工作向深部發(fā)展，鋁合金鉆桿的研究引起了國內(nèi)同行的關(guān)注［4］。以《石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿》為依托，地質(zhì)鉆探用鋁合金鉆桿可分為2種，一種是用于全孔取心的薄壁繩索取心鋁合金鉆桿;另一種是點取心或不取心的厚壁普通鋁合金鉆桿。而受到孔徑及鉆進方式的限制，繩索取心鋁合金鉆桿的制造要求要高于普通鋁合金鉆桿，繩索取心鋁合金鉆桿適用于水文水井鉆進、煤田鉆探、4000 m以上高原或邊遠難進入地區(qū)地勘工程［1］。

2 繩索取心鋁合金鉆桿優(yōu)勢［2，7－8］

(1)與傳統(tǒng)鉆桿材料鋼相比，鋁合金具有寶貴的物理力學性能。鋁合金的密度和彈性模量幾乎是鋼的1/3，而比強度(斷裂強度極限與密度之比)卻是鋼的1.5～2倍;

(2)鋁合金鉆桿質(zhì)量輕，在鉆機能力一定的條件下，用鋁合金鉆桿能鉆達鋼鉆桿無法達到的深度，并可減輕工人的勞動強度;

(3)鋁合金在腐蝕環(huán)境中的穩(wěn)定性非常好，它表面覆蓋一層穩(wěn)定的氧化膜阻止與環(huán)境的進一步反應(yīng)，可用于任何濃度的硫化氫和二氧化碳環(huán)境，而且其抗腐蝕能力與溫度無關(guān)，特別是對天然氣和煤層氣開發(fā)(尤其在鋼鉆桿易發(fā)生“氫脆”的工程)具有重要意義;

(4)鋁合金鉆桿與井壁的磨阻小，可減輕起下鉆的阻卡。鋁鉆桿的浮力系數(shù)比鋼小得多，可節(jié)省20% ～25%的起下鉆時間，并節(jié)省燃料。

3．1 基本結(jié)構(gòu)

圖1 71 mm×5.5 mm繩索取心鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)示意

3．2 材料選擇

鋁合金鉆桿體選擇《石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿》(GB/T 20659—2006/ISO 15546:2002)中列舉的第Ⅱ組Al－Zn－Mg－Cu合金系材料，型號為7505，主要成分:1.2 ～2.0Cu、0.30Mn、2.1 ～2.9Mg、0.18～0.28Cr、5.1 ～ 6.1Zn、0.20Ti、余量 Al。規(guī)格選擇71 mm×5.5 mm，主要性能參數(shù):抗拉強度＞530 MPa，屈服強度 ＞480 MPa，延伸率 ＞7%，最高操作溫度120℃［4］，經(jīng)固溶強化 +人工時效處理;鋼接頭選擇30CrMnSiA無縫管74 mm×7.5 mm。

3．3 鋁合金鉆桿體與鋼接頭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計繩索取心鋁合金鉆桿的關(guān)鍵問題在于鋁合金鉆桿體與鋼接頭如何連接更加可靠，通過參照《石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿》(GB/T 20659—2006/ISO 15546:2002)和傳統(tǒng)繩索取心鉆桿兩者結(jié)構(gòu)特征，針對繩索取心鋁合金鉆桿體與鋼接頭壁厚均較薄，在使用過程中鋁合金鉆桿在受力較大時公扣容易鉆入鋼接頭里，并在公扣端部易發(fā)生縮徑現(xiàn)象，直接采用《石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿》(GB/T 20659—2006/ISO 15546:2002)或傳統(tǒng)繩索取心鉆桿兩種結(jié)構(gòu)形式均不可取。因此，筆者結(jié)合上述兩種繩索取心鉆桿各自優(yōu)點設(shè)計了適合繩索取心鋁合金鉆桿體與鋼接頭的連接結(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示。鋁合金鉆桿體端部由外錐密封臺、外配合錐面、外錐扣、外平端面內(nèi)坡口、端面處外錐面和外平端面組成;鋼接頭端部由內(nèi)錐密封臺、內(nèi)配合錐面、內(nèi)錐扣、內(nèi)平端面和內(nèi)平端面內(nèi)坡口組成，主要參數(shù)見表1。

圖2 鋁合金鉆桿體結(jié)構(gòu)示意

圖3 鋼接頭結(jié)構(gòu)示意

鋁合金鉆桿體端部的外錐密封臺與鋼接頭端部的內(nèi)錐密封臺相配合、鋁合金鉆桿體端部的外配合錐面與鋼接頭端部的內(nèi)配合錐面相配合、鋁合金鉆桿體端部的外錐扣與鋼接頭端部的內(nèi)錐扣相配合、鋁合金鉆桿體端部的外平端面與鋼接頭端部的內(nèi)平端面相配合，這4處配合有效地分擔了鋁合金鉆桿體與鋼接頭連接時的錐扣受力。繩索取心鋁合金鉆桿采用內(nèi)平的方式進行連接，并分別設(shè)置了外平端面內(nèi)坡口和內(nèi)平端面內(nèi)坡口，可防止鋁合金鉆桿體在受力較大時公扣端口發(fā)生縮徑(內(nèi)徑變小)而影響正常取心功能(發(fā)生縮徑到一定程度會將取心鉆具卡住)。鋁合金鉆桿體外徑D小于鋼接頭外徑D1，避免了鋁合金鉆桿體在使用過程中發(fā)生過度磨損(即鋼接頭正常磨損的同時鋁合金鉆桿體外表面發(fā)生嚴重磨損)和鋁合金鉆桿體公扣根部管體外徑發(fā)生外漲(外徑增加)而影響正常鉆進(若鋁合金鉆桿體外徑與鋼接頭外徑相同，鋁合金鉆桿體發(fā)生外漲到一定程度容易出現(xiàn)卡鉆事故);鋁合金鉆桿體與鋼接頭錐扣和錐配合面錐度均采用1∶K(K值一般取22～32)，筆者選擇1∶30，材料壁厚較厚時K取較小值，反之取較大值，K值減小可在一定程度上提高錐扣的抗扭強度。

表1 72 mm×6 mm繩索取心鋁合金鉆桿體與鋼接頭配合尺寸參數(shù) mm

表1 72 mm×6 mm繩索取心鋁合金鉆桿體與鋼接頭配合尺寸參數(shù) mm

名稱 參 數(shù)鉆桿體D D2 D3 D4 D5 d d1 L1 L2 L3 L4 71 64 65 68.5 69.5 60 60.8 5 47.5 57.5 10鋼接頭D1 d2 d3 d4 L5 L6 73 65.21 67.13 69.32 14 57.62

3．4 牙型設(shè)計

圖4和圖5分別是鋁合金鉆桿體外螺紋和鋼接頭內(nèi)螺紋牙型的結(jié)構(gòu)示意圖。外螺紋牙型主要要素有牙底寬A、外螺紋牙頂寬B、外螺紋牙高h1、外螺紋錐度1∶K、螺距P;內(nèi)螺紋牙型主要要素有牙底寬A、內(nèi)螺紋牙頂寬C、內(nèi)螺紋牙高h2、內(nèi)螺紋錐度1∶K、螺距P，主要參數(shù)見表2。

圖4 外螺紋牙型示意

圖5 內(nèi)螺紋牙型示意

表2 外、內(nèi)螺紋牙型尺寸參數(shù) mm

內(nèi)、外螺紋牙型角采用傳統(tǒng)繩索取心鉆桿牙型角30°、螺距P值一般取4～6 mm、外螺紋牙底寬和內(nèi)螺紋牙底寬相同、外螺紋牙高h1(h1一般取0.8～1.2 mm)大于內(nèi)螺紋牙高h2(h1－h(huán)2一般取0.1～0.13 mm)、外螺紋牙頂寬B小于內(nèi)螺紋牙頂寬C(可通過計算確定)，這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外螺紋配合連接時，外螺紋的牙頂和一個側(cè)斜面與內(nèi)螺紋的牙底和一個側(cè)斜面始終保持接觸，鋁合金鉆桿體與鋼接頭在預(yù)緊過程中，外螺紋的另一個側(cè)斜面與內(nèi)螺紋的另一個側(cè)斜面接觸并承擔工作受力，而外螺紋的牙底與內(nèi)螺紋的牙頂始終存在一定間隙，這種結(jié)構(gòu)使錐扣的受力主要集中在連接扣的大徑和兩個側(cè)斜面處，與傳統(tǒng)繩索取心鉆桿牙型相比增加了螺紋的接觸面積，減少了公扣根部牙底出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使內(nèi)、外螺紋相配合時連接更加可靠。

圖6是內(nèi)、外螺紋牙型配合示意圖，在鋁合金鉆桿體旋入鋼接頭形成頂緊的過程中，外螺紋牙底與內(nèi)螺紋牙頂存在徑向間隙ΔX，外螺紋一側(cè)斜面與內(nèi)螺紋一側(cè)斜面存在間隙ΔZ，隨著預(yù)緊力增加到一定程度ΔZ隨即消失。一般繩索取心鉆桿正常工作時:當承受拉力時，

圖6 內(nèi)、外螺紋牙型配合示意

牙型一側(cè)面受力，公扣有縮孔趨勢，母扣有漲開趨勢;當承受扭矩時，公扣有縮孔趨勢，母扣有漲開的趨勢。公扣硬度較低，母扣硬度較高，公扣牙頂與母扣牙底始終接觸，公扣牙底與母扣牙頂始終保持間隙，這種結(jié)構(gòu)可在一定程度上減緩公扣縮孔、母扣漲開的趨勢，并在一定程度上能緩解公扣牙型根部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使螺扣連接更加可靠。

3．5 過盈量設(shè)計

圖7是鋁合金鉆桿體與鋼接頭連接示意圖，鉆桿體與鋼接頭采用熱裝方式進行組裝，預(yù)緊過程產(chǎn)生軸向過盈 ΔZ1、ΔZ2、徑向過盈 ΔX1和 ΔX2［5］，主要參數(shù)見表3。

圖7 鋁合金鉆桿體與鋼接頭連接示意

表3 過盈尺寸參數(shù)mm

鉆桿體與鋼接頭采用四處過盈的方式進行配合連接，即外錐密封臺與內(nèi)錐密封臺組成的軸向過盈ΔZ1、外配合錐面與內(nèi)配合錐面組成的徑向過盈ΔX1、外錐扣與內(nèi)錐扣組成的徑向過盈ΔX2、外平端面與內(nèi)平端面組成的軸向過盈ΔZ2，并通過優(yōu)化螺紋牙型結(jié)構(gòu)使鉆桿體與鋼接頭的連接更加可靠。

對鋁合金鉆桿體與鋼接頭連接產(chǎn)生4處過盈的先后順序進行了設(shè)計，徑向過盈ΔX1＞徑向過盈ΔX2＞軸向過盈 ΔZ1＞軸向過盈 ΔZ2。徑向過盈ΔX1的錐面配合使鋁合金鉆桿體與鋼接頭的連接得到精確定位，一定程度上在預(yù)緊和實際使用中保護和分擔了錐扣的接觸面和受力;徑向過盈ΔX2的錐扣配合在徑向過盈ΔX1的基礎(chǔ)上能夠均勻充分的發(fā)揮螺扣的性能，保證錐扣的連接更加穩(wěn)定;軸向過盈ΔZ1增加了錐扣連接的徑向表面積，使此處能分擔錐扣的扭力;軸向過盈ΔZ2進一步增加了錐扣連接的徑向表面積并且配合軸向過盈ΔZ1一起形成內(nèi)外雙頂結(jié)構(gòu)使錐扣能承受較大的扭力，同時也在一定程度上緩解了鋁合金鉆桿體公扣端部的縮徑問題。

3．6 加工制造

(1)鋼接頭原材料經(jīng)入廠檢驗，下料，調(diào)質(zhì)，金相分析+機械性能測試，硬度檢測，半精車外圓，探傷檢測，精車挑扣，內(nèi)錐配合面和內(nèi)錐扣塞光規(guī)+塞規(guī)檢測，鍍鎳磷，回火，待組裝;

(2)鋁合金鉆桿體原材料經(jīng)入廠檢驗，下料，校直，精車挑扣，外錐配合面和外錐扣環(huán)光規(guī)+環(huán)規(guī)檢測，待組裝。

3．7 熱組裝

采用熱裝方式進行組裝，先對鋼接頭進行預(yù)加熱處理，保證溫度低于影響鋁合金鉆桿性能的臨界溫度，組裝的同時需對鉆桿體內(nèi)表面進行冷卻，組裝后立即對鉆桿體和鋼接頭進行冷卻［5］。4處過盈結(jié)構(gòu)在鋁合金鉆桿體與鋼接頭的熱裝連接時產(chǎn)生，并在粘結(jié)膠的作用下能將鋁合金鉆桿體和鋼接頭可靠地連接在一起。

4 靜拉力、扭矩試驗

4．1 試驗設(shè)備概況

試驗設(shè)備選擇FDP－32型非開挖導向鉆機。鉆機主要性能參數(shù):柴油機功率145 kW，柴油機轉(zhuǎn)速2400 r/min，額定回拖力330 kN，額定回轉(zhuǎn)扭矩12500 N·m。

4．2 拉力試驗

柴油機額定轉(zhuǎn)速運行，鉆機動力頭轉(zhuǎn)速48 r/min，通過動力頭逐步回拖加壓對試驗鉆桿進行拉力試驗，最后測得71 mm×5.5 mm繩索取心鋁合金鉆桿能承受的最大拉力是300 kN，在公扣根部第一扣位置斷裂，斷口平整。

4．3 扭矩試驗

柴油機額定轉(zhuǎn)速運行，鉆機動力頭轉(zhuǎn)速48 r/min，通過動力頭逐步加壓扭轉(zhuǎn)，對試驗鉆桿進行扭矩試驗，通過試驗測得71 mm×5.5 mm繩索取心鋁合金鉆桿能承受的最大扭矩是5700 N·m，在公扣根部第一扣位置斷裂，斷口平整。

4．4 主要技術(shù)參數(shù)確定

表4 鋁合金鉆桿與鋼質(zhì)鉆桿性能參數(shù)對比

5 結(jié)論

(1)小批量生產(chǎn)并已投入到實際應(yīng)用當中，應(yīng)用效果還需進一步實踐驗證。

(2)鋁合金鉆桿的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計、牙型設(shè)計以及過盈量設(shè)計和測試試驗為今后研制深孔繩索取心鋁合金鉆桿奠定了基礎(chǔ)。

(4)制造成本大致比較(含兩端接手):鋁合金鉆桿制造成本150元/m;鋼質(zhì)鉆桿制造成本130元/m。

［1］ 孫建華，梁健，張永勤，等．地質(zhì)鉆探高強度鋁合金鉆桿研制及其應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(7):5 －8．

［2］ 鄢泰寧，薛維，盧春華．鋁合金鉆桿的優(yōu)越性及其在地探深孔中的應(yīng)用前景［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(2):27－29．

［3］ 梁健，彭莉，孫建華，等．地質(zhì)鉆探鋁合金鉆桿材料研制及室內(nèi)試驗研究［J］．地質(zhì)與勘探，2011，47(2):304 －308．

［4］ GB/T 20659—2006/ISO 15546:2002，石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿［S］．

［5］ 毛建設(shè)，孫友宏，劉寶昌，等．鋁合金鉆桿與鋼接頭可靠連接過盈量的計算及組裝工藝［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(12):28－31．

［6］ 王達，何遠信，等．地質(zhì)鉆探手冊［M］．湖南長沙:中南大學出版社，2014．

［7］ 劉希圣，等．鉆井工藝原理［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1998．

［8］ 鄢泰寧，等．巖土鉆掘工程學［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學出版社，2001．