梁 健， 尹 浩， 孫建華， 王志喬， 蔡紀(jì)雄， 李鑫淼

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所, 河北 廊坊 065000； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院, 北京 100083；3.無(wú)錫鉆探工具廠有限公司, 江蘇 無(wú)錫 214147)

0 引言

深地探測(cè)是地球科學(xué)的最前沿，被看成是解決人類面臨能源資源和生存空間基本問(wèn)題的必由之路，深地開(kāi)拓科技問(wèn)題已提升到戰(zhàn)略高度[1-2]。深部鉆探作為必要的技術(shù)手段之一，目前我國(guó)尚缺失5000 m以深地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)與裝備，而油氣鉆井與地質(zhì)巖心鉆探差異大，無(wú)法直接應(yīng)用[3]。為響應(yīng)黨中央“向地球深部進(jìn)軍”的號(hào)召，全面實(shí)施深地探測(cè)、深海探測(cè)、深空對(duì)地觀測(cè)和土地工程科技“四位一體”的科技創(chuàng)新戰(zhàn)略，亟需開(kāi)展大深度智能地質(zhì)鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研發(fā)，包括開(kāi)展復(fù)雜地層鉆進(jìn)智能控制、地質(zhì)巖心鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制、大深度高性能薄壁繩索取心鉆桿研制、小口徑高效系列鉆具研究、環(huán)保沖洗液體系與廢漿處理技術(shù)等，突破智能控制、高效鉆進(jìn)、輕量化與模塊化等關(guān)鍵技術(shù)，為探索地球深部奧秘、勘探深部資源等提供有力的技術(shù)裝備支撐。

近年來(lái)，多個(gè)部門先后設(shè)計(jì)和施工了3000 m以深的地質(zhì)巖心鉆孔，其中山東萊州“中國(guó)巖金第一鉆”于2013年5月29日終孔，終孔深度4006.17 m，創(chuàng)我國(guó)地質(zhì)巖心鉆探深度紀(jì)錄[4]。深孔地質(zhì)巖心鉆探“滿眼”鉆進(jìn)的服役工況更加復(fù)雜，其將遇到的困難與挑戰(zhàn)可概括為“地層多變性、連續(xù)取心難、環(huán)空間隙小、孔壁摩阻大、地表驅(qū)動(dòng)難、送鉆精度低、鉆孔口徑小、鉆具輸出弱”。隨著鉆孔深度的不斷增加、工作難度的持續(xù)增大，深孔施工過(guò)程中鉆孔事故率大幅度增大，其中不同程度地存在著鉆桿柱極限承載力低、韌性不足致使鉆桿斷裂、螺紋拉脫，以及口徑系列不匹配致使沖洗液環(huán)空壓力降偏大，易發(fā)生鉆孔漏失和孔壁不穩(wěn)定等技術(shù)問(wèn)題[5-10]，采用常規(guī)工藝技術(shù)難以滿足鉆探要求。

因此，針對(duì)5000 m特深孔地質(zhì)巖心鉆探基礎(chǔ)準(zhǔn)則與依據(jù)缺失，制定鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆具級(jí)配、裝備配置等規(guī)范，構(gòu)建以繩索取心為主的特深孔多工藝地質(zhì)鉆探技術(shù)體系是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[11]。本文參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并綜合其他工程實(shí)踐作為參考，開(kāi)展5000 m地質(zhì)鉆探鉆孔口徑、管柱規(guī)格等設(shè)計(jì)與計(jì)算，方案兼顧推廣應(yīng)用現(xiàn)實(shí)需求，優(yōu)化和加強(qiáng)以H、P作為深部固體礦產(chǎn)鉆探主要口徑，做好152 mm以上口徑產(chǎn)品研制工作，并完成了現(xiàn)行方案與國(guó)內(nèi)外深部鉆探案例對(duì)比分析。

1 國(guó)內(nèi)外深孔巖心鉆探口徑系列及管柱規(guī)格

1.1 德國(guó)GewerkschaftWaler AG公司

以繩索取心鉆探工藝為基礎(chǔ)，發(fā)展了H/P/S三種鉆孔口徑和管柱規(guī)格，可解決最大深度分別為4500和4000 m的鉆孔(見(jiàn)表1)。當(dāng)鉆桿柱被迫留在孔內(nèi)時(shí)可當(dāng)套管使用，用次一級(jí)較小鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn)，即下一開(kāi)次鉆頭直徑小于本開(kāi)次鉆桿最小內(nèi)徑。鉆桿加大了管體壁厚，增加了鉆桿柱的剛度和耐腐蝕能力，減小了巖心直徑；同時(shí)，改進(jìn)鉆桿的尺寸公差(壁厚、同軸度、直線度等)，顯著減少鉆桿柱的振動(dòng)；接頭與桿體摩擦焊接，螺紋為改進(jìn)的API螺紋，多次擰卸磨損較小。以上措施使鉆桿柱的安全性和可靠性大幅增加，其平均壽命達(dá)到12000 m。

1.2 德國(guó)大陸深鉆計(jì)劃(KTB)先導(dǎo)孔

舉世矚目的位于普法爾茨的聯(lián)邦德國(guó)大陸深鉆計(jì)劃(KTB)先導(dǎo)孔經(jīng)歷560d的鉆探施工，于1989年4月4日，以4000.1 m的深度達(dá)到其科學(xué)目的。從480～3893 m的孔段，采用了繩索取心鉆探工藝，總進(jìn)尺3142.6 m，取得巖心3074.66 m，巖心采取率97.84%。先導(dǎo)孔鉆孔設(shè)計(jì)四開(kāi)完鉆，其中三開(kāi)技術(shù)套管為活動(dòng)套管，可實(shí)現(xiàn)超前裸眼鉆進(jìn)，以解決地層復(fù)雜致使鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)次不足的問(wèn)題。KTB先導(dǎo)孔的鉆孔及套管程序見(jiàn)圖1。

表1 GW-深孔鉆探繩索取心系統(tǒng)

注：杜祥麟(翻譯);劉廣志(校核). Modern exploration by deep slim hole drilling and wire line coring. (內(nèi)部資料)

圖1 KTB先導(dǎo)孔的鉆孔及套管程序

KTB先導(dǎo)孔工程研究結(jié)果表明：重新設(shè)計(jì)包括鉆桿在內(nèi)的繩索取心鉆進(jìn)系統(tǒng)，除了設(shè)計(jì)鉆桿外，還要設(shè)計(jì)專用的鉆鋌(見(jiàn)表2)；鉆桿的抗拉強(qiáng)度構(gòu)成了最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；鉆頭及巖心管的尺寸要依據(jù)鉆桿的設(shè)計(jì)而定；鉆桿長(zhǎng)度9 m，結(jié)構(gòu)為外平內(nèi)加厚形式；采用屈服強(qiáng)度為965MPa的優(yōu)質(zhì)合金鋼制作接頭，采用屈服強(qiáng)度725 MPa的合金鋼作為鉆桿體；鉆桿體兩端鐓粗，以摩擦焊接方法與接頭連接在一起；鉆桿外平減少了卡鉆的危險(xiǎn)，另外減小了小環(huán)空高轉(zhuǎn)速情況下的鉆桿柱摩擦。

表2 KTB先導(dǎo)孔繩索取心鉆桿柱的技術(shù)參數(shù)

注：楊志豪, 張偉(翻譯);王達(dá)(校對(duì)). 聯(lián)邦德國(guó)大陸深鉆計(jì)劃-鉆探技術(shù)報(bào)告. (KTB-Report95-3內(nèi)部資料)

1.3 夏威夷科鉆

夏威夷科學(xué)鉆孔設(shè)計(jì)孔深為4500 m，終孔深度4419.6 m，全孔連續(xù)取心，采用了“復(fù)合式”鉆桿柱設(shè)計(jì)，即由上部?88.9 mm高強(qiáng)度的Hydril 501油管柱(套管內(nèi))和下部常規(guī)HMCQ繩索取心鉆桿(裸眼內(nèi))組合而成[12-13]，見(jiàn)表3。施工采用了超前裸眼鉆進(jìn)，全孔的取心鉆進(jìn)孔徑統(tǒng)一為?98.4 mm，遇復(fù)雜地層無(wú)法鉆進(jìn)時(shí)，通過(guò)擴(kuò)孔來(lái)加大孔徑并下套管。

表3 夏威夷深孔繩索取心系統(tǒng)

1.4 中國(guó)大陸科鉆CCSD-1井繩索取心鉆進(jìn)預(yù)案

中國(guó)大陸科鉆CCSD-1井井身結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)原則為“少下套管，裸眼終孔”，加之地質(zhì)情況不明，設(shè)計(jì)方案有兩個(gè)體系，即繩索取心體系和提鉆取心體系[14]。繩索取心體系井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2；鉆具組合參數(shù)見(jiàn)表4。CCSD-1井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案僅給出了套管程序徑向級(jí)配尺寸，套管的下入深度還需根據(jù)具體地層信息確定。A設(shè)計(jì)使用長(zhǎng)年CHD134和CHD101兩套鉆具，鉆桿可做套管使用；如遇復(fù)雜情況，CHD76或NBQ鉆具可做儲(chǔ)備口徑。B設(shè)計(jì)第二層為146 mm口徑，下?127 mm套管，然后換95 mm口徑，用?91 mm加重繩索取心鉆具鉆至終孔；如遇復(fù)雜情況，?71 mm加重繩索取心鉆具做為儲(chǔ)備口徑。

圖2 CCSD-1井繩索取心鉆進(jìn)預(yù)案

表4 長(zhǎng)年CHD-深孔繩索取心系統(tǒng)

1.5 中國(guó)巖金勘查第一深鉆

山東萊州西嶺金礦區(qū)ZK96-5鉆孔被譽(yù)為“中國(guó)巖金第一深鉆”，五開(kāi)完鉆、終孔口徑75 mm、孔深4006.17 m，最終鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。其中，在五開(kāi)鉆進(jìn)至3300～4006.17 m時(shí)，由于N規(guī)格繩索取心鉆桿能力的不足，使用了復(fù)合鉆桿柱技術(shù)，即下部配2800 m的常規(guī)N規(guī)格(?71 mm)繩索取心鉆桿，上部采用?60 mm特制外絲鉆桿[4]。在取心作業(yè)時(shí)，先提出上部?60 mm特制外絲鉆桿后，再下入打撈器打撈巖心。復(fù)合鉆桿柱技術(shù)解決了S75繩索鉆桿能力不足的缺陷，增加了輔助時(shí)間。我國(guó)常規(guī)繩索取心鉆桿常用規(guī)格系列見(jiàn)表5。

表5 我國(guó)常規(guī)繩索取心鉆桿規(guī)格系列

圖3“中國(guó)巖金第一深鉆”ZK96-5孔孔身結(jié)構(gòu)

Fig.3Borehole structure of ZK96-5

綜上所述，在采用繩索取心鉆進(jìn)工藝為主體的前提下，德國(guó)GewerkschaftWaler AG公司和中國(guó)大陸科鉆CCSD-1井預(yù)案采用了重型繩索取心鉆具體系設(shè)計(jì)思路，2～3開(kāi)次完鉆；夏威夷科鉆和巖金勘查第一深鉆為復(fù)合鉆桿柱的設(shè)計(jì)思路；同時(shí)，德國(guó)大陸科鉆KTB與夏威夷科鉆采用超前裸眼鉆進(jìn)。

2 環(huán)空水力學(xué)計(jì)算

2.1 泥漿壓力損耗理論

特深孔地質(zhì)巖心鉆探循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗問(wèn)題相對(duì)復(fù)雜，由于循環(huán)系統(tǒng)管路不規(guī)則，加之泥漿的流變特性變化較大，為此在工程上要進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，即將泥漿看作賓漢流體、鉆頭外徑與裸眼直徑相等。根據(jù)水力學(xué)伯努利方程，可推導(dǎo)出計(jì)算壓耗的基本公式[15]。

(1)地表管匯壓力損耗。

+L3/d34.8+L4/d44.8)

(1)

(2)鉆桿柱內(nèi)壓力損耗。

對(duì)于層流：

(2)

對(duì)于紊流：

(3)

(3)鉆頭水口壓力損耗。

(4)

(4)環(huán)空壓力損耗。

對(duì)于層流：

(5)

對(duì)于紊流：

(6)

2.2 鉆孔口徑優(yōu)化與套管程序選擇

通過(guò)計(jì)算各開(kāi)次裸眼鉆進(jìn)時(shí)的理論壓耗、泵功率及碎巖面積等，確定合理鉆頭直徑，以選用最優(yōu)套管規(guī)格，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化現(xiàn)有鉆孔口徑系列和套管程序等。同時(shí)，由于無(wú)具體地層信息，套管的下入深度無(wú)法確定，但當(dāng)某一開(kāi)次無(wú)論套管下深多少，由式(6)可知，在保證裸眼流速及塑性粘度一致的前提下，如有套管且間隙合理，其泵功率、循環(huán)壓降相對(duì)基于下一開(kāi)次裸眼口徑計(jì)算的結(jié)果一定降低，碎巖面積不變，也就是說(shuō)基于裸眼計(jì)算具有其合理性，計(jì)算出的泵功率及循環(huán)壓降為最大值。因此，本文計(jì)算是基于裸眼鉆進(jìn)開(kāi)展的，低(或無(wú))固相泥漿密度1.05 g/cm3，塑性粘度0.001 Pa·s，裸眼環(huán)空流速1.5 m/s；一開(kāi)設(shè)計(jì)孔深4500 m，二開(kāi)孔深5000 m，三開(kāi)孔深5500 m；從鉆桿柱剛度、抗腐蝕能力、標(biāo)準(zhǔn)管體規(guī)格等方面考慮，鉆桿體分別選為：一開(kāi)?139.7/125.36/7.17 mm、二開(kāi)?114.3/100.54/6.88 mm、三開(kāi)?88.9/77.9/5.50 mm(外徑OD/內(nèi)徑ID/壁厚S)。

圖4～6是不同開(kāi)次裸眼鉆進(jìn)理論壓耗、泵功率、碎巖面積等隨鉆孔直徑變化的趨勢(shì)圖。從圖中可知，隨著鉆孔口徑的增大，泥漿循環(huán)壓降降低、碎巖面積增加，一開(kāi)鉆進(jìn)的泵功率降低、二開(kāi)和三開(kāi)的泵功率先降后升；其中三個(gè)開(kāi)次的泵功率變化在1.5～4.0 kW，影響不大，因此循環(huán)壓降和碎巖面積成為優(yōu)選鉆孔口徑的最重要因素；綜合得出一開(kāi)最優(yōu)口徑為155～156 mm，二開(kāi)最優(yōu)口徑為126～128 mm，三開(kāi)最優(yōu)口徑為101 mm；同時(shí)，從現(xiàn)行國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的套管規(guī)格來(lái)看，一開(kāi)套管規(guī)格選用分界口徑為154 mm，二開(kāi)套管規(guī)格選用分界口徑為124 mm，三開(kāi)套管規(guī)格選用分界口徑為101 mm。

圖4一開(kāi)裸眼鉆進(jìn)理論壓耗、泵功率等變化趨勢(shì)

Fig.4Variation trends of theoretical pressure loss and pump power in first open-hole section drilling

圖5 二開(kāi)裸眼鉆進(jìn)理論壓耗、泵功率等變化趨勢(shì)

圖7是一開(kāi)裸眼鉆進(jìn)孔內(nèi)壓耗分布圖。從圖中可知，泥漿壓力損耗主要集中在外環(huán)空的壓力損耗，占總壓力損耗的93.3%；地表管線壓力損耗可忽略不計(jì)；由于碎巖后巖粉和孔壁造漿作用，鉆孔外環(huán)空與內(nèi)環(huán)空液柱壓差占總壓力損耗的0.2%。

圖8是一開(kāi)裸眼鉆進(jìn)?152 mm(現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)口徑)與?156 mm(本文一開(kāi)優(yōu)選口徑)鉆孔直徑的碎巖面積、壓力損失等參數(shù)變化比率圖。從圖中可知，鉆孔直徑增加后，156 mm鉆孔口徑的泵功率升高2.4%，環(huán)空壓耗下降33.7%，碎巖面積增加12%。

綜合以上計(jì)算與分析，給出了優(yōu)化后的口徑系列和套管程序見(jiàn)表6。

圖6三開(kāi)裸眼鉆進(jìn)理論壓耗、泵功率等變化趨勢(shì)

Fig.6Variation trends of theoretical pressure loss and pump power in third open-hole section drilling

圖7 一開(kāi)裸眼鉆進(jìn)孔內(nèi)壓耗分布圖

圖8 一開(kāi)裸眼鉆進(jìn)?152 mm與156 mm口徑參數(shù)變化比率

表6 水力學(xué)優(yōu)化后的鉆孔口徑和套管程序

3 鉆桿等強(qiáng)度設(shè)計(jì)

本文的鉆桿設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

(1)鉆桿等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，即接頭螺紋根部截面屈服強(qiáng)度不小于桿體強(qiáng)度、內(nèi)外螺紋強(qiáng)度基本一致。

(2)鉆桿端部加厚形式包括外平內(nèi)加厚、內(nèi)平外加厚及內(nèi)外加厚形式，加厚形式應(yīng)綜合考慮應(yīng)用孔深、鉆進(jìn)工藝、內(nèi)管投放、事故處理、起下鉆坐卡及其自動(dòng)化操作等。

(3)接頭與桿體連接形式(螺紋連接、加厚直聯(lián)、摩擦焊直聯(lián))、加厚端尺寸、螺紋等應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)制造中設(shè)備生產(chǎn)參數(shù)綜合考慮。

鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算思路框架見(jiàn)圖9。

3.1 鉆桿結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系

根據(jù)圖10的鉆桿結(jié)構(gòu)關(guān)系與等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，建立了母接頭壁厚≥公接頭壁厚、接頭壁厚≥桿體壁厚、螺紋小徑+2倍牙高=螺紋大徑、臺(tái)肩+螺紋縱向尺寸=接頭壁厚的尺寸關(guān)系計(jì)算模型：

圖9 鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算思路

(7)

式中：S母端——母接頭近端部橫截面積，mm；S公根——公接頭根部橫截面積，mm；Do——接頭外徑，mm；Di——接頭內(nèi)徑，mm；do——鉆桿體外徑，mm；di——鉆桿體內(nèi)徑，mm；x1——公螺紋臺(tái)肩徑向?qū)挾龋琺m；x2——母螺紋根部臺(tái)肩徑向?qū)挾?，mm；d根大——公接頭螺紋大端大徑，mm；d端大——公接頭螺紋小端大徑，mm；d根小——公接頭螺紋大端小徑，mm；d端小——公接頭螺紋小端小徑，mm；L——螺紋長(zhǎng)度，mm；P——螺距，mm；Cone——螺紋錐度。

圖10 接頭及桿體結(jié)構(gòu)示意圖

鉆桿接頭螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖11、圖12所示。圖12中：d為螺紋有效平均最大直徑，mm；d1為螺紋有效平均最小直徑，mm；d2為螺紋有效平均直徑，mm。

3.2 鉆桿的受力分析

鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿柱運(yùn)動(dòng)及受力極其復(fù)雜，包括自轉(zhuǎn)、渦動(dòng)、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向振動(dòng)等[16-20]。以靜力學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)，鉆桿的抗拉強(qiáng)度構(gòu)成了其最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在不考慮動(dòng)載荷的影響下，鉆桿體部分受到自重拉伸與工作扭矩扭轉(zhuǎn)的作用；除此之外，鉆桿接頭還受到上扣扭矩的影響，同時(shí)接頭處還存在螺紋連接結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行螺紋末端軸向力的確定時(shí)，除考慮自重產(chǎn)生的Fa，還需要考慮上扣扭矩Tu與工作扭矩對(duì)螺紋所受軸向力的影響(如圖13所示)。

圖11 螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖12 螺紋徑向參數(shù)示意圖

圖13 鉆桿接頭螺紋面及端部受力示意圖

(1)鉆桿自重產(chǎn)生軸向力為：

Fa=G桿Ka=ρglπ(do2-di2)Ka·106/4

(8)

式中：Fa——自重產(chǎn)生的軸向力，kN；ρ——合金鋼密度，g/cm3；l——鉆桿柱長(zhǎng)度，m；K——浮力系數(shù)；a——接頭增重系數(shù)。

(2)由上扣扭矩Tu產(chǎn)生的接頭所受軸向力Fu為[21]：

(9)

其中，預(yù)緊應(yīng)力與破壞應(yīng)力之比為：

σu/σs=0.35(1+1/Q)

(10)

式中：Fu——上扣扭矩Tu產(chǎn)生的接頭所受軸向力，kN；Tu——上扣扭矩，N·m；ψ——螺紋螺旋升角，(°)；ρ′——當(dāng)量摩擦角，ρ′=arctan{μ/cos〔arctan(tanβtanψ)〕}，(°)；μ——有潤(rùn)滑脂作用下的螺紋動(dòng)摩擦系數(shù)，取值0.1；β——牙型半角，(°)；Q——預(yù)緊系數(shù)，考慮到接頭為沖擊或動(dòng)力擰緊，Q取值為2。

綜上所述，推導(dǎo)得出由于預(yù)緊產(chǎn)生的公螺紋軸向拉力為：

Fu=0.131πσs(d12-Di2)

(11)

式中：Fu——上扣扭矩Tu產(chǎn)生的接頭所受軸向力，kN；σs——上鉆桿接頭材料屈服強(qiáng)度，GPa；

(3)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿接頭承受鉆頭與地層間以及鉆桿與井壁(套管)間碎巖、摩擦的反扭T而產(chǎn)生的軸向力為Fb，其中T井壁與T鉆頭根據(jù)鉆井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)歸納的公式計(jì)算。

T=T井壁+T鉆頭

(12)

T井壁=πdoε1l/1000

(13)

T鉆頭=πdo2ε2

(14)

由此可推導(dǎo)出反扭T而產(chǎn)生的軸向力為Fb，公式如下：

(15)

式中：T——工作扭矩，N·m；T井壁——井壁對(duì)鉆桿產(chǎn)生的反扭矩，N·m；T鉆頭——地層對(duì)鉆頭產(chǎn)生的反扭矩，N·m；Fb——工作扭矩T產(chǎn)生的接頭所受軸向力，kN；l——鉆孔深度，m；do——鉆桿桿體外徑，mm；ε1=2.65，ε2=0.011。

3.3 鉆桿的強(qiáng)度要求

隨著孔深的不斷增加，孔口處鉆桿所受軸向拉力逐漸增加，得益于上扣扭矩的預(yù)緊作用，螺紋牙上的接觸壓力基本保持不變，扭矩產(chǎn)生的臺(tái)肩面之間的擠壓力逐漸減小[22]，當(dāng)上扣扭矩產(chǎn)生的臺(tái)肩擠壓力為零時(shí)，鉆桿柱長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)的使用長(zhǎng)度，即上扣扭矩產(chǎn)生的螺紋軸向力不小于設(shè)計(jì)鉆桿柱總重力Fa。因此，鉆桿接頭承受總的軸向力F取Fa與Fb之和。

3.3.1 接頭的拉伸與扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

接頭除去螺紋部分占用空間外的有效抗拉強(qiáng)度校核公式如下：

(16)

式中：σ拉——鉆桿接頭螺紋大端根部橫截面受到的軸向拉應(yīng)力，GPa；F——接頭所承受的總的軸向拉力，kN；S公根——公接頭根部危險(xiǎn)斷面面積，mm2；[σs]——接頭材料的許用拉應(yīng)力，取0.9σs，GPa。

接頭除去螺紋部分占用空間外的有效扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核公式如下：

(17)

式中：τ扭——鉆桿接頭受到的切應(yīng)力，GPa；Wp——扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，mm3。

3.3.2 螺紋的剪切強(qiáng)度

假設(shè)剪應(yīng)力平均分布在牙根端面上，由螺紋沿周向懸臂梁根部斷面剪切，其剪切強(qiáng)度條件為：

(18)

簡(jiǎn)化后為：

(19)

式中：Fs——接頭螺紋所承受的剪切力，取F，kN；Sr——齒根面積，mm2；ρ——摩擦角，ρ=arctanμ；z——螺紋有效作用牙數(shù)，z=L/P-2；b——螺紋牙底寬，mm；[τ]——接頭材料的許用剪應(yīng)力，取0.65σb，GPa。

3.3.3 螺紋的彎曲強(qiáng)度

將螺紋牙展開(kāi)，在螺紋齒高中點(diǎn)處受到平均分布力FM/z作用下的懸臂梁，其最大彎曲應(yīng)力為[23]：

(20)

式中：FM——螺紋側(cè)面受到的分布載荷沿軸向的合力，取F，kN；h——螺紋齒高，mm；[σw]——許用彎曲正應(yīng)力，取σs，GPa。

3.3.4 螺紋的擠壓強(qiáng)度

(21)

式中：Fp——接頭螺紋所承受的擠壓力，取F，kN；[σp]——材料的許用擠壓應(yīng)力，取2σb，GPa；Sp——螺紋承受擠壓的面積，mm2。

3.3.5 自鎖

ψ=arctan(P/πd2)≤ψv=arctanρ′

(22)

3.4 螺紋參數(shù)強(qiáng)度校核

3.4.1 公螺紋大端小徑d根小

將式(16)和式(17)分別代入下式可計(jì)算出螺紋大端小徑d根小的最小值。

(23)

式中：n——設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

3.4.2 螺紋長(zhǎng)度L

假設(shè)接頭根部被拉伸破壞時(shí)，螺紋牙也被擠壓破壞，可進(jìn)行螺紋長(zhǎng)最小值Lmin的計(jì)算。即，滿足S公根/Sp=[σp]/[σs]，可推出：

(24)

式中：R1、R2——螺紋齒頂、齒根的圓角半徑，mm；scf——螺紋應(yīng)力集中因子，可取0.6。

根據(jù)螺紋幾何關(guān)系，可推出：

d+d1=2d根小-Cone(L-2P)+2h

(25)

將式(25)代入式(24)，解關(guān)于Lmin的一元二次方程，可得到Lmin。

3.4.3 螺紋牙高h(yuǎn)

假設(shè)接頭根部被拉伸破壞時(shí)，螺紋牙也被擠壓破壞，可進(jìn)行螺紋牙高最小值hmin的計(jì)算，即：

(26)

將式(25)代入式(26)，解關(guān)于hmin的一元二次方程，可得到hmin。

3.4.4 螺距P

根據(jù)式(21)可推導(dǎo)出螺距最大值Pmax，即：

(27)

將式(25)代入式(27)，解關(guān)于Pmax的一元二次方程，可得到Pmax。

3.4.5 接頭外徑Do

根據(jù)受力滿足第四強(qiáng)度理論及式(7)，可計(jì)算出接頭外徑Do。

3.5 鉆桿結(jié)構(gòu)及螺紋參數(shù)計(jì)算結(jié)果

選用國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的鉆桿體規(guī)格，并由表6可知各開(kāi)次設(shè)計(jì)深度，給定設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2.0、選擇API標(biāo)準(zhǔn)中S135鋼級(jí)強(qiáng)度；假定鉆桿定尺長(zhǎng)度為9 m、接頭的增重系數(shù)為1.05、泥漿密度1.05 g/cm3，可計(jì)算出鉆桿柱的懸重及確定其上扣扭矩值。再結(jié)合式(7)、(16)～(21)及(23)，并考慮鉆孔直徑與繩索取心工藝需求，可計(jì)算出接頭外徑Do與內(nèi)徑Di以及螺紋大端大徑d根大與螺紋小端大徑d端大；以及給定的牙型角、螺紋錐度、螺距、螺紋長(zhǎng)度、牙高等，根據(jù)式(24)～(27)求出Lmin、hmin、Pmax，驗(yàn)證最初給定的L、h、P是否合理，不合理根據(jù)計(jì)算出的極值重新給定。

綜合以上計(jì)算，給出了鉆孔直徑、套管程序、鉆桿尺寸和螺紋參數(shù)計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表7)。從表7中可知，與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相比，各開(kāi)次鉆孔直徑加大，增加了鉆頭的碎巖面積，潛在的降低了機(jī)械鉆速，但環(huán)空壓耗的下降為孔底動(dòng)力鉆具使用留有壓降空間，還可抑制由于高泵壓帶來(lái)的鉆孔漏失和孔壁不穩(wěn)定等問(wèn)題，同時(shí)適當(dāng)加大的鉆桿柱外環(huán)空間隙降低了管柱與孔壁的碰撞概率和摩擦阻力；由于設(shè)計(jì)鉆深的加大，從鉆桿柱剛度、抗腐蝕能力等方面考慮，參考標(biāo)準(zhǔn)適量增加了桿體的壁厚；依據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，綜合考慮環(huán)空間隙、螺紋參數(shù)、內(nèi)管打撈投放以及孔口操作等事宜，鉆桿接頭結(jié)構(gòu)確定為內(nèi)外加厚形式，適度的外加厚(單邊3 mm左右)既有效滿足繩索取心鉆進(jìn)工藝需求，還可高效滿足起下鉆坐卡及其自動(dòng)化操作，同時(shí)在不過(guò)多“犧牲”巖心直徑的條件下，滿足了內(nèi)管總成的高效投放與打撈；加大了螺紋錐度可有效提高加接單根時(shí)螺紋的對(duì)中性；通過(guò)增加螺紋長(zhǎng)度和螺紋扣高，優(yōu)化設(shè)計(jì)接頭尺寸，使得整體管柱的結(jié)構(gòu)與環(huán)空尺寸合理化。

表7 外徑/內(nèi)徑計(jì)算優(yōu)化的鉆桿結(jié)構(gòu)和套管程序

注：給定值為計(jì)算的前提條件值；計(jì)算值為按算法計(jì)算后的數(shù)值；選擇值是根據(jù)計(jì)算值和給定值查詢標(biāo)準(zhǔn)后選擇的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

綜上研究和分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)5000 m深孔繩索取心鉆進(jìn)應(yīng)以重型取心鉆具體系設(shè)計(jì)為主導(dǎo)思路，2～3開(kāi)次完鉆或采用超前裸眼鉆進(jìn)方法，必要時(shí)可考慮復(fù)合鉆桿柱組合設(shè)計(jì)。

(2)通過(guò)環(huán)空水力學(xué)計(jì)算，優(yōu)化了不同開(kāi)次的鉆孔直徑，結(jié)果顯示降低了環(huán)空壓耗，泵功率變化不大，碎巖面積增大，為孔底動(dòng)力鉆具使用留有壓降空間，初步形成了深孔巖心鉆探新的鉆孔口徑系列。

(3)以靜力學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)，鉆桿軸向力為主的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)構(gòu)成了最重要的基本準(zhǔn)則，在滿足繩索取心“滿眼”鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)的同時(shí)，為獲得盡量大的巖心及便于薄壁金剛石鉆頭的使用，鉆桿加厚形式為內(nèi)外鐓粗。

(4)適當(dāng)增加的鉆桿體壁厚，增加了鉆桿柱剛度、抗腐蝕能力，但減小了巖心直徑；需重新設(shè)計(jì)包括鉆桿在內(nèi)的繩索取心鉆進(jìn)系統(tǒng)。

(5)鉆頭、內(nèi)管總成及專用鉆鋌(或加重鉆桿)的尺寸要依據(jù)鉆桿的設(shè)計(jì)而定，等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法使鉆桿柱重力與接頭尺寸之間的關(guān)系達(dá)到最佳化。

(6)鉆桿采用直聯(lián)結(jié)構(gòu)，與摩擦焊相比，可保證鉆桿的尺寸公差(壁厚、同軸度、直線度)，會(huì)顯著減少鉆桿柱的振動(dòng)；與螺紋連接相比，減小了螺紋處薄弱點(diǎn)數(shù)量，增加了孔內(nèi)作業(yè)的安全性和可靠性，但鉆桿矯直需要增加工序。

(7)后續(xù)設(shè)計(jì)中還可增加螺紋防磨和密封及接頭耐磨帶技術(shù)，采用技術(shù)可靠并且經(jīng)濟(jì)的制造方法。

(8)計(jì)算中給出了不同開(kāi)次鉆進(jìn)時(shí)所需的泵量與泵壓，可為后續(xù)泥漿泵設(shè)計(jì)與優(yōu)選提供技術(shù)參考。

致謝：在特深孔地質(zhì)巖心鉆探鉆孔口徑及管柱規(guī)格的論證過(guò)程中，得到了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局王達(dá)教授級(jí)高工和張偉教授級(jí)高工、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所張金昌教授級(jí)高工和劉凡柏教授級(jí)高工、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局探礦工程研究所陶士先教授級(jí)高工、中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司石智軍研究員、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)劉寶林教授和王成彪教授、中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司劉躍進(jìn)教授級(jí)高工和朱江龍教授級(jí)高工、山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)大隊(duì)陳師遜教授級(jí)高工、無(wú)錫鉆探工具廠有限公司彭莉總工、金石鉆探(唐山)股份有限公司田波董事長(zhǎng)等專家和學(xué)者的幫助，在此表示衷心的感謝！