王 浩，楊宏偉，王洪煒，解少朋

(河北省地礦局國土資源勘查中心石家莊探礦機(jī)械廠，石家莊 050081)

1 概述

近些年來，隨著市場對(duì)高強(qiáng)度整體鉆桿的使用需求擴(kuò)大，本文結(jié)合了美國石油學(xué)會(huì)API 5DP標(biāo)準(zhǔn)和地質(zhì)鉆桿鎖接頭標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)出一種直徑60 mm的高強(qiáng)度整體鉆桿。該套鉆桿不僅管體強(qiáng)度高，而且由于螺紋部分采用非標(biāo)粗牙螺紋、雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其抗扭強(qiáng)度比原先產(chǎn)品提高了30%。

該鉆桿主要用于為井深3000 m的鉆孔輸送液體和洗井。由于受使用外徑限制(不大于61 mm)，同時(shí)對(duì)工作中螺紋所承受的回轉(zhuǎn)扭矩又有嚴(yán)格要求，因此在對(duì)該鉆桿的研究設(shè)計(jì)過程中，無論是管體性能，還是螺紋強(qiáng)度都完全符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。下文主要對(duì)該鉆桿的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)等進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2 直徑60 mm高強(qiáng)度整體鉆桿的基本方案

2.1 鉆桿結(jié)構(gòu)的選擇

因?qū)嶋H工程施工對(duì)鉆桿外徑有嚴(yán)格限制條件(外徑≤61 mm)，所以我們選擇直徑60 mm的整體式鉆桿。

鉆桿的結(jié)構(gòu)如圖1所示，鉆桿的加厚形式為內(nèi)加厚型(IU)。

圖1 鉆桿結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integral drill pipe

2.2 鉆桿材質(zhì)的選擇與熱處理工藝

鉆桿選用S135鋼級(jí)材質(zhì)，首先對(duì)管體端部進(jìn)行鐓粗加厚，然后進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理。

2.3 鉆桿的螺紋結(jié)構(gòu)

由于井深設(shè)計(jì)3000 m，對(duì)鉆桿的抗拉強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度都有嚴(yán)格的要求。本文選用錐度1∶8，每英寸6牙的粗牙螺紋進(jìn)行連接。同時(shí)，對(duì)鉆桿螺紋部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)，以提高鉆桿的抗扭強(qiáng)度。最后對(duì)螺紋及密封面進(jìn)行磷化處理，可有效地防止粘扣。

3 制造流程

鉆桿的制造流程為：下料→鐓粗加厚→熱處理→探傷→車螺紋(緊密距全檢)→螺紋熱磷化處理→佩戴護(hù)套→噴漆、噴標(biāo)→包裝。

4 管端鐓粗

由于管體外徑和內(nèi)孔的限制，管體的壁厚不滿足螺紋加工需要。因此，需要對(duì)管體進(jìn)行端部加厚處理。

我廠是鉆桿的專業(yè)廠家，能夠?qū)χ睆?2～168 mm的常規(guī)地質(zhì)鉆桿、石油鉆桿和特殊直徑186 mm的內(nèi)加厚管材進(jìn)行鐓粗處理，完全具備該鉆桿管端加厚的能力。在鐓粗過程中，本文設(shè)計(jì)了合理的鐓粗模具及沖頭，選擇了合理的加熱溫度和壓縮量，順利地完成了管端的加厚任務(wù)，一次鐓粗成型，見圖2。

圖2 管端加厚示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipe end thickening

5 熱處理及力學(xué)性能試驗(yàn)

我們采用整體熱處理(調(diào)質(zhì))設(shè)備對(duì)鉆桿進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理后對(duì)所有管子逐根進(jìn)行了整體的熱校直和漏磁探傷測(cè)試，結(jié)果均符合API 5DP 鉆桿規(guī)范的要求。

力學(xué)性能是鉆桿的生命線，能否達(dá)標(biāo)關(guān)系到后續(xù)施工的成敗。根據(jù)API 5DP標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們對(duì)熱處理后的管子進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)，包括管體和加厚端的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊功等試驗(yàn)，試樣及測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 力學(xué)性能試樣Fig.3 Samples for mechanical property test

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，管體和加厚端硬度檢驗(yàn)在HB290～341范圍之內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果完全符合S135鋼級(jí)的要求。

表1 鉆桿力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

6 螺紋的優(yōu)化設(shè)計(jì)及抗扭強(qiáng)度試驗(yàn)

螺紋的壽命決定了鉆桿的使用周期及施工中的安全性。因此，我們參照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺紋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選擇。除了對(duì)錐度、螺距和牙型的合理選擇外，我們還采用了雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大提升了螺紋部分的抗扭強(qiáng)度，與普通結(jié)構(gòu)相比，性能大約提高30%。

在加工過程中，我們對(duì)螺紋的參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格控制，采用單線測(cè)量儀等儀器對(duì)錐度、螺距和緊密距進(jìn)行了逐項(xiàng)檢驗(yàn)和測(cè)量。螺紋加工完成后，對(duì)螺紋及密封面進(jìn)行了磷化處理，有效地防止了粘扣現(xiàn)象。

上述螺紋加工完成后，我們抽取試驗(yàn)樣件，采用液壓大鉗對(duì)其進(jìn)行抗扭強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)分三處進(jìn)行，上扣扭矩分別為2500 N·m、2800 N·m和4680 N·m，均滿足規(guī)定要求。試驗(yàn)后對(duì)螺紋進(jìn)行檢測(cè)，肉眼觀看螺紋表面無損壞，磁粉探傷檢測(cè)無裂紋，產(chǎn)品制造符合規(guī)定的強(qiáng)度要求。成品鉆桿見圖4。

圖4 成品鉆桿Fig.4 Finished drill pipe

7 結(jié)論及建議

本文除了對(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)外，在螺紋優(yōu)化方面進(jìn)行了大量的研究與試驗(yàn)，主要由于螺紋的性能直接影響鉆桿的使用壽命和施工安全性。為了保證鉆桿的質(zhì)量，在鉆桿的加工制造過程中應(yīng)做好以下幾方面工作。

(1) 鉆桿鐓粗后進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理，嚴(yán)格控制其力學(xué)性能和工藝參數(shù)，把隱患消除在萌芽狀態(tài)。

(2) 加工螺紋時(shí)，螺紋表面的粗糙度要低，在加工過程中應(yīng)做好防護(hù)，避免磕碰鉆桿螺紋和密封面。

(3) 嚴(yán)格控制螺紋參數(shù)，包括錐度、螺距和緊密距等，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行磷化處理。

(4) 在管體端部加厚時(shí)，嚴(yán)格控制加厚的長度和過渡帶的加工質(zhì)量。加厚段長度過短會(huì)影響后續(xù)的第二次螺紋修復(fù)；過渡帶不光滑、有凹坑，容易引起刺漏現(xiàn)象，影響鉆桿壽命甚至引起施工中的鉆具事故。

(5) 對(duì)操作人員做好難點(diǎn)的技術(shù)交底工作，提前做好操作人員的培訓(xùn)。