白皓亮，劉寶昌*，王如生，彭 莉，蔡繼雄

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026； 2.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130026；3.中地裝（無錫）鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214100）

0 引言

南極大陸常年被巨厚的冰層覆蓋，人類對(duì)冰下地質(zhì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)十分有限。排除南極地區(qū)上覆粒雪層、冰層、冰巖夾層干擾，直接獲取冰下基巖樣品，對(duì)了解全球氣候變化的規(guī)律和機(jī)制，研究地層演變規(guī)律、地震活動(dòng)與板塊活動(dòng)歷史，揭露地球早期生命特征和生活環(huán)境等具有重要意義［1-6］。

南極冰層力學(xué)性質(zhì)差異大，常規(guī)鉆進(jìn)時(shí)孔壁穩(wěn)定性差、冰屑返排困難、鉆具易卡堵、鉆進(jìn)效率低［7-9］。設(shè)計(jì)極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿，采用空氣反循環(huán)與水力反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)來開展南極復(fù)雜冰層的鉆進(jìn)工作，可以大幅度降低井下復(fù)雜事故發(fā)生率，減少非鉆進(jìn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜冰層安全高效鉆進(jìn)。

當(dāng)遇可鉆性較高粒雪層、冰層等地層，需要以較高的機(jī)械鉆速鉆進(jìn)時(shí)，可以利用極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿實(shí)現(xiàn)空氣反循環(huán)鉆進(jìn)；當(dāng)遇可鉆性較低的深層冰、冰巖夾層和冰下基巖等地層，需要利用低溫鉆井液冷卻和潤滑孔內(nèi)鉆具、高效排出孔底冰巖碎屑時(shí)，可以利用極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿實(shí)現(xiàn)水力反循環(huán)鉆進(jìn)；當(dāng)遇到需要提取巖心的冰巖夾層和冰下基巖地層時(shí)，也可以將極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿的內(nèi)管拆出，將外管單獨(dú)作為繩索取心鉆桿使用，在其中下入繩索取心鉆具，便可以快速地直接獲取巖心，既可以減少起下鉆的輔助時(shí)間、提高鉆進(jìn)效率、降低鉆進(jìn)成本，又能提高巖心采取率、保證巖心質(zhì)量［10-11］。

目前，利用雙壁鉆桿進(jìn)行反循環(huán)鉆進(jìn)的技術(shù)多用于地礦系統(tǒng)、水文水井鉆探、工程勘察、基礎(chǔ)工程施工、油氣鉆井工程等領(lǐng)域［12］，而用于極地鉆探工程的雙壁鉆桿尚處于研究與試驗(yàn)階段［13-14］。為使雙壁鉆桿可以滿足極地上覆粒雪層、冰層、冰巖夾層和冰下基巖等不同地層的空氣反循環(huán)、水力反循環(huán)、與繩索取心鉆進(jìn)相配合等鉆進(jìn)需求，需要對(duì)雙壁鉆桿內(nèi)、外管材料進(jìn)行甄選，以滿足極地低溫適應(yīng)性的技術(shù)需求。

使用鋁合金作為鉆桿管體材料，可有效降低地上鉆機(jī)的負(fù)荷，減少運(yùn)輸鉆桿所帶來的能源損耗；鋁合金還是良好的低溫材料，相比于鋼材明顯的低溫脆性，鋁合金在低溫環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和材料韌性等物理力學(xué)性能均有不同程度的提高，使其可以更好的服役于極地鉆探工作；同時(shí)，由于鋁合金暴露在空氣中會(huì)迅速與氧氣反應(yīng)形成致密的氧化層，可使鋁合金鉆桿更好地抵御酸性氣體的侵蝕［15-19］。

1 鋁合金雙壁鉆桿材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 材料選擇

為了實(shí)現(xiàn)極地鉆具的輕量化，保證鉆具的安全和壽命，選定7075 鋁合金為雙壁鉆桿內(nèi)、外管材料、40CrMn 合金結(jié)構(gòu)鋼為雙壁鉆桿鋼接頭材料。利用LE5105 型萬能試驗(yàn)機(jī)配合ETE-GDW-20L 型高低溫環(huán)境箱進(jìn)行鋁合金材料低溫拉伸試驗(yàn)，分別測量7075 鋁合金在25、0、-25、-50 ℃下的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度，試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與斷后伸長率等數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 7075 鋁合金材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 1 7075 aluminum alloy material tensile test results

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溫度的降低，7075 鋁合金材料在-50 ℃環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度較25 ℃環(huán)境下提升4.3%，屈服強(qiáng)度提升5.3%。從材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的角度出發(fā)，7075 鋁合金可以適應(yīng)極地鉆探低溫環(huán)境，可以作為極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿內(nèi)、外管材料使用。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)在鉆進(jìn)粒雪層、冰層、冰巖夾層與冰下基巖等不同地層時(shí)，對(duì)雙壁鉆桿的尺寸與性能要求，以及鉆進(jìn)深度為1000 m、取心直徑為38 mm 的項(xiàng)目要求，確定雙壁鉆桿外管、內(nèi)管及其連接形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示，鉆桿單根有效長度為3 m，雙壁鉆桿外管規(guī)格為?102 mm×11 mm，與其相適配的內(nèi)管規(guī)格為?50 mm×6 mm。

圖1 雙壁鉆桿結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of the double?wall drill pipe

雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭之間采用圓錐螺紋連接，并使用螺紋膠輔助粘接，以保證螺紋連接的可靠性，連接方式如圖2 所示。

圖2 雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭間的連接Fig.2 The connection between the outer pipe of the double?wall drill pipe with the male and female joints of the outer pipe

雙壁鉆桿內(nèi)管與內(nèi)管公、母接頭之間采用圓柱螺紋連接，連接方式如圖3 所示。

圖3 雙壁鉆桿內(nèi)管與內(nèi)管公、母接頭間的連接Fig.3 The connection between the inner pipe of the double?wall drill pipe with the male and female joints of the inner pipe

連接同一根雙壁鉆桿的內(nèi)、外管時(shí)，將內(nèi)管公接頭導(dǎo)正鍵推至外管母接頭凸臺(tái)處，再利用彈性擋圈限位，便可以阻止內(nèi)、外管間的相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)，連接方式如圖4 所示。

圖4 同一根雙壁鉆桿內(nèi)、外管間的連接Fig.4 The connection between the inner and outer pipes of the same double?walled drill pipe

連接兩根獨(dú)立的雙壁鉆桿總成時(shí)，兩根獨(dú)立外管之間依靠圓錐螺紋連接在一起；兩根獨(dú)立內(nèi)管之間則依靠插接的方式進(jìn)行連接，二者之間的密封圈可以防止鉆井液在內(nèi)、外管之間滲漏，連接方式如圖5 所示。

圖5 兩根獨(dú)立的雙壁鉆桿總成間的連接Fig.5 The connection between two independent double?wall drill pipe assemblies

2 鋁合金雙壁鉆桿不同鉆進(jìn)工況靜力學(xué)計(jì)算

在提鉆過程當(dāng)中，極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿孔口斷面所承受的拉力最大；而在正常鉆進(jìn)過程當(dāng)中，雙壁鉆桿孔口斷面同時(shí)受到拉力和扭矩的作用，隨著鉆進(jìn)深度的增加，孔口斷面處所承受的拉力和扭矩也不斷增大。針對(duì)雙壁鉆桿孔口斷面拉伸工況、拉扭組合工況兩種極限工況，開展靜力學(xué)計(jì)算與有限元分析工作，探究極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿設(shè)計(jì)方案是否滿足極地冰下基巖鉆進(jìn)使用要求。

由鋁合金雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭組成的鋁合金雙壁鉆桿外管總成是承受高強(qiáng)度拉力、壓力、扭矩和彎矩的主要部分，故對(duì)不同鉆進(jìn)工況下鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析也主要針對(duì)外管總成展開。

2.1 極限拉伸工況

在提鉆過程中，鉆桿孔口斷面所受到的拉力最大，引起拉應(yīng)力的主要載荷是鉆桿的重力。當(dāng)鉆進(jìn)深度為1000 m 時(shí)，考慮到摩擦力影響的最大拉力值由下式確定［20-21］：

式中：GΠ——提升鉆桿的重力，N；KΠp——考慮提升時(shí)附加阻力的系數(shù)，與鉆孔彎曲率和鉆進(jìn)地質(zhì)技術(shù)條件有關(guān)；G——鉆桿重力，N；θcp——頂角平均值，（°）；f——摩擦系數(shù)。

式中：α——考慮連接件后鉆桿質(zhì)量增加的系數(shù)；L——鉆桿長度，m；g——重力加速度，m/s2；q——鉆桿每米加權(quán)平均質(zhì)量，kg/m。

當(dāng)考慮連接件后鉆桿質(zhì)量增加的系數(shù)α取1.05、鉆桿長度L取1000 m、鉆桿每米加權(quán)平均質(zhì)量q為13.64 kg/m、重力加速度g取9.83 m/s2時(shí)，將數(shù)據(jù)代入式（2）可得鉆桿重力G=140813.90 N。

當(dāng)考慮提升時(shí)附加阻力的系數(shù)KΠp取1.2、頂角平均值θcp取3°、摩擦系數(shù)f取0.3 時(shí)，將鉆桿重力計(jì)算結(jié)果代入式（1）可得考慮到摩擦力影響的鉆桿拉力值GΠ=171398.17 N。

2.2 極限拉扭組合工況

2.2.1 拉力

在正常鉆進(jìn)過程當(dāng)中，鉆桿孔口斷面所受最大拉力可由下式確定：

式中：GΙ——鉆桿孔口斷面所受拉力，N；G——鉆桿重力，N；θcp——頂角平均值，（°）；f——摩擦系數(shù)；PΠ——鉆壓，N。

當(dāng)鉆壓PΠ取5000 N 時(shí)，將數(shù)據(jù)代入式（2）、（3）可得鉆桿孔口斷面所受拉力GΙ=137831.80 N。

2.2.2 扭矩

在正常鉆進(jìn)過程當(dāng)中，鉆桿孔口斷面所受最大扭矩可由下式確定：

式中：N——消耗的總功率，W；ω——鉆桿回轉(zhuǎn)的角速度，s-1。

式中：Nx?B——鉆桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)功率，W；Nεαδ——鉆頭鉆進(jìn)時(shí)破碎孔底巖石時(shí)所消耗的功率，W；NΗoΠ——附加功率，W。

鉆桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)功率可由下式確定：

式中：Nx?B——鉆桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)功率，W；n——鉆桿轉(zhuǎn)速，r/s；L——鉆桿長度，m。

當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速n取500 r/min、鉆桿長度L取1000 m 時(shí)，將數(shù)據(jù)代入式（6）可得鉆桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)功率Nx?B=90100.90 W。

硬質(zhì)合金和金剛石取心鉆頭鉆進(jìn)時(shí)破碎孔底巖石時(shí)所消耗的功率可由下式確定：

式中：Nεαδ——硬質(zhì)合金和金剛石取心鉆頭破碎孔底巖石時(shí)所消耗的功率，W；Ny——鉆頭鉆進(jìn)時(shí)單位面積消耗的功率，W/m2；F3——孔底面積，m2。

當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)時(shí)單位面積消耗的功率Ny取150×104W/m2、孔底面積F3取8.37×10-3m2時(shí)，將數(shù)據(jù)代入式（7）可得合金和金剛石取心鉆頭破碎孔底巖石時(shí)所消耗的功率Nεαδ=12555.00 W。

附加功率所消耗的功率可由下式確定：

式中：NΗoΠ——附加功率，W；a——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于實(shí)際鉆進(jìn)工況中近似于垂直且直徑＞93 mm 的鉆孔，a=4.56×10-2；PΠ——鉆壓，N。

當(dāng)鉆壓PΠ取5000 N 時(shí)，將數(shù)據(jù)代入式（8）可得附加功率NΗoΠ=1900.00 W。

將所有計(jì)算結(jié)果重新代入式（5）可得，鉆進(jìn)過程中消耗的最大總功率為104555.9 W，繼續(xù)代入式（4）可得，正常鉆進(jìn)過程中鉆桿所受的最大扭矩為1990.56 N·m。

綜上所述，在極限拉扭工況下鉆桿孔口斷面所受拉力GΙ為137831.80 N，扭矩M為1990.56 N·m。

以上兩種鉆進(jìn)工況下雙壁鉆桿靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 不同鉆進(jìn)工況下雙壁鉆桿靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果Table 2 Static calculation results of double?wall drill pipe under different drilling conditions

3 鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析

3.1 鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析過程

（1）創(chuàng)建模型。首先，采用SolidWorks 建立極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿外管總成的模型。同時(shí)，為了提高工作效率，對(duì)雙壁鉆桿外管總成中圓角、倒角與彈性擋圈槽等部位進(jìn)行了簡化。并將模型導(dǎo)入ABAQUS 當(dāng)中。

（2）定義材料屬性。分別為雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭定義材料屬性，鋁合金材料在室溫25 ℃下的彈性模量為70 GPa、泊松比為0.33、密度為2.85 g/cm3；鋼材彈性模量為200 GPa、泊松比為0.25、密度為7.85 g/ cm3。

（3）定義相互作用。將雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭間螺紋連接處的接觸定義為面-面接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.17。并在雙壁鉆桿外管公接頭端面新建參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與該端面耦合。

（4）劃分網(wǎng)格。所采用的網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，外管最小網(wǎng)格單元尺寸為4 mm，網(wǎng)格數(shù)量為841730 個(gè)；公接頭最小網(wǎng)格單元尺寸同樣為4 mm，網(wǎng)格數(shù)量為79086 個(gè)；母接頭最小網(wǎng)格單元尺寸為4 mm，網(wǎng)格數(shù)量為66520 個(gè)。

3.2 鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析結(jié)果

3.2.1 極限拉伸工況

將外管母接頭端面固定，在外管公接頭端面為鋁合金雙壁鉆桿外管總成設(shè)置極限拉伸工況下的荷載邊界條件：承受的拉力為171398.17 N。創(chuàng)建模擬作業(yè)并提交運(yùn)行。

該工況下的應(yīng)力云圖如圖6 所示。

圖6 極限拉伸工況下雙壁鉆桿外管總成應(yīng)力云圖Fig.6 Stress cloud diagram of double?wall drill pipe outer pipe assembly under extreme tensile conditions

最大應(yīng)力點(diǎn)位于鋁合金雙壁鉆桿外管與鋼接頭連接處螺紋根部，其值為183.8 MPa。

3.2.2 極限拉扭組合工況

將外管母接頭端面固定，在外管公接頭端面為鋁合金雙壁鉆桿外管總成設(shè)置彎扭組合工況下的荷載邊界條件：承受的拉力為137831.80 N，扭矩為1990.56 N·m。創(chuàng)建模擬作業(yè)并提交運(yùn)行。

該工況下的應(yīng)力云圖如圖7 所示。

圖7 拉扭組合工況下雙壁鉆桿外管總成應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of the outer pipe assembly of double?wall drill pipe under tensile?torsional combined working conditions

綜上所述，針對(duì)雙壁鉆桿外管總成在極限拉伸工況、拉扭組合工況下的有限元分析結(jié)果表明：鉆桿孔口斷面在提鉆時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為183.8 MPa、在正常鉆進(jìn)過程當(dāng)中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為161.9 MPa，均遠(yuǎn)小于鋁合金雙壁鉆桿外管材料的屈服強(qiáng)度489.99 MPa。故認(rèn)為，極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿設(shè)計(jì)方案滿足極地鉆探強(qiáng)度方面的使用要求。

4 鋁合金雙壁鉆桿與鋼接頭連接試樣強(qiáng)度試驗(yàn)

為了探究7075 鋁合金材料制得的鋁合金鉆桿與40CrMn 合金鋼材料制得的鋼接頭間的連接強(qiáng)度，制備了鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣，并利用WA-1000C 型萬能試驗(yàn)機(jī)完成鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣的拉伸試驗(yàn)、利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)完成鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)［16］。

鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣中包含雙壁鉆桿外管公、母接頭各1 支，以及鋁合金雙壁鉆桿外管截取段2 支。連接后的試樣總長為400 mm，如圖8 所示。

圖8 鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣Fig.8 Sample of aluminum alloy drill pipe connected with steel joint

4.1 鋁合金雙壁鉆桿與鋼接頭連接試樣拉伸試驗(yàn)

制得試樣后，利用WA-1000C 型萬能試驗(yàn)機(jī)完成鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣拉伸試驗(yàn)。圖9 展示的是斷裂后的鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣，圖10 展示的是鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣斷口。

圖9 斷裂的鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣Fig.9 Fractured sample connecting aluminum drill pipe to steel joints

圖10 鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣斷口Fig.10 Fracture of sample connecting aluminum drill pipe to steel joints

試樣斷裂位置為鋁合金鉆桿外管公螺紋根部第一、第二螺紋牙之間；試樣破壞時(shí)的極限可承載拉力為399.5 kN，根據(jù)斷裂位置的橫截面積計(jì)算試樣的極限抗拉強(qiáng)度為477.73 MPa，略小于材料抗拉強(qiáng)度。由式（1）的計(jì)算結(jié)果可知，提升1000 m 長度的鋁合金雙壁鉆桿所需的最大拉力為208.11 kN，遠(yuǎn)小于試驗(yàn)中試樣破壞時(shí)可承載的極限拉力，表明極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿的設(shè)計(jì)方案可以滿足正常的起下鉆工作需求，如遇卡鉆、埋鉆需要進(jìn)行強(qiáng)力起拔，則要控制起拔力不可超過399.5 kN。

4.2 鋁合金雙壁鉆桿與鋼接頭連接試樣扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

利用扭矩試驗(yàn)儀完成鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，從零開始逐漸增大施加在試樣上的扭矩值，直至試樣發(fā)生破壞。增大扭矩至8264.7 N·m 時(shí)，鉆桿公螺紋密封面部分脫落，如圖11 所示，此時(shí)認(rèn)為該狀態(tài)下鉆桿已發(fā)生破壞且無法正常完成鉆進(jìn)工作。

圖11 鉆桿公螺紋密封面部分脫落Fig.11 Drill pipe male thread sealing surface partially detached

由式（4）的計(jì)算結(jié)果可知，在正常鉆進(jìn)過程當(dāng)中鉆桿所承受的最大扭矩為1990.56 N·m，小于試驗(yàn)中試樣破壞時(shí)的極限扭矩值，同樣表明極地鉆探用雙壁鉆桿的設(shè)計(jì)方案可以滿足正常鉆進(jìn)過程當(dāng)中的扭矩使用需求。

5 結(jié)論

鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析結(jié)果表明：在極限拉伸工況下?102 mm 鋁合金雙壁鉆桿中的最大應(yīng)力為183.8 MPa、在拉扭組合工況下最大應(yīng)力為161.9 MPa，在以上兩種工況下鋁合金雙壁鉆桿中產(chǎn)生的最大應(yīng)力均小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度489.99 MPa。

鋁合金雙壁鉆桿外管與鋼接頭連接試樣拉伸試驗(yàn)與扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明：拉伸試樣破壞時(shí)的極限可承載拉力為399.5 kN，而提升1000 m 長度的鋁合金雙壁鉆桿所需的最大拉力為208.11 kN，遠(yuǎn)小于試驗(yàn)中試樣破壞時(shí)可承載的極限拉力；扭轉(zhuǎn)試樣破環(huán)時(shí)的極限可承載扭矩為8264.7 N·m，而鉆桿在正常鉆進(jìn)過程當(dāng)中所需承受的最大扭矩為1990.56 N·m，同樣小于試驗(yàn)中試樣破壞時(shí)的極限扭矩值。

上述鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析工作與雙壁鉆桿外管與鋼接頭連接試樣強(qiáng)度試驗(yàn)均表明，極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿設(shè)計(jì)方案可以滿足極地鉆探使用要求。