深孔繩索取心鉆探技術現狀及研發工作思路

孫建華,張永勤,梁健,劉秀美,王漢寶

(中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊065000)

1 國外繩索取心鉆探技術發展概況

繩索取心鉆進技術起源于石油鉆井。1947年,美國長年 (Longyear)公司成功地將繩索取心鉆進技術引入到地質巖心鉆探領域。后經不斷改進完善,到上世紀末成功開發了適合不同地層需要的系列化繩索鉆桿、鉆具。這些產品覆蓋了3000m以淺固體礦產勘探的需要。上世紀70～90年代,美國、加拿大和澳大利亞等國的金剛石巖心鉆探中,繩索取心鉆探工作量占到85～90%。世界繩索取心鉆孔深度紀錄為5423m(1988年),鉆孔位于南非某金礦,施工采用了鋁合金繩索取心鉆柱。

進入21世紀,伴隨數控精密加工、合金鋼冶煉、熱處理及有限元分析、計算機輔助設計等領域科學技術的進步,西方工業國家的繩索鉆桿、鉆具制造工藝和優化研究工作取得了較大進展,一批新技術成果陸續出現。如德法合資的瓦盧瑞克-曼內斯曼鋼管公司的Drilma×850等高性能、高幾何精度繩索鉆桿管材;寶長年公司的RQ負角防脫扣螺紋繩索鉆桿、V-WALL系列高強度薄壁繩索鉆桿和超高胎體長壽命金剛石繩索取心鉆頭;法國Technidrill DGA公司的3000m加重摩擦焊繩索鉆桿以及新結構繩索取心鉆具、輔助工具等產品。

同時,寶長年公司設在加拿大北灣市的制造工廠在直聯Q系列繩索鉆桿的制造方面基本實現了自動化,鉆桿制造精度和效率大幅提高,成本顯著降低,產品更具競爭力。

2 寶長年公司繩索鉆桿分析

多年來,寶長年公司的繩索取心技術和產品一直處于國際領先地位,引領了國外繩索取心產品發展趨勢,其規格系列得到較多國家的認可。

寶長年公司繩索鉆桿以直聯式為主,這與西方發達國家勞動力成本高,專業分工明確,鉆桿生產自動化程度較高有關。同時,該公司放棄了影響較大的CHD系列的加強型繩索鉆桿的制造和銷售。目前,寶長年公司繩索鉆桿螺紋型式主要有:

(1)Q(r)螺紋,齒形半角為15°的普通梯形螺紋,螺紋副錐度半角為1°,螺距為每英寸3扣。擰卸方便,價格較低,使用普遍。

(2)RQ(r)螺紋,負角防脫扣螺紋,強度大大增加,有效減少了繩索鉆桿螺紋副拉脫概率,鉆進深度能力明顯提高。

(3)HD螺紋,不對稱梯形螺紋,承載面角度變小,旋合面角度增大。主要用于大直徑加強型繩索鉆桿。該型式的繩索鉆桿螺紋開發應用晚于國內。

寶長年公司還新推出了V-WALL鉆桿,為該公司CQ系列的升級產品。V-WALL繩索鉆桿的含義為不等壁厚 (內加厚)繩索鉆桿,其特點如下:

(1)采用了高精度幾何尺寸及耐腐蝕性好的管材;

(2)端部為內部加厚;

(3)桿體內徑增大 2mm,重量下降 22%(NQ),鉆機鉆深能力可增加30%;

(4)鉆桿的柔韌性更好;

(5)鉆桿內徑增大,同時配置專用的繩索取心內管總成,投放打撈速度可提高50%左右。

寶長年公司制造的繩索鉆桿規格和主要參數見表1～4。

表1 寶長年公司繩索取心鉆桿部分參數

表2 UPSET RQHP繩索取心鉆桿部分參數

表3 寶長年公司繩索取心鉆桿鉆深能力和最低上扣扭矩要求

表4 V-WALL繩索取心鉆桿部分參數

3 國內繩索取心鉆探技術發展概況

國內金剛石繩索取心技術的研究試驗工作始于上世紀70年代。1974年,由勘探技術研究所設計,無錫鉆探工具廠等工廠試制的S56繩索取心鉆具,在北京市101地質隊、102地質隊和河南省第九地質隊進行了試驗,取得了明顯的效果。1976年初,S56繩索取心技術通過鑒定驗收。到80年代中期,我國繩索取心鉆具初步形成系列,同時小口徑金剛石高轉速鉆機、繩索取心打撈絞車等裝備配套基本完成。繩索取心鉆進技術得到大范圍推廣應用,取得了鉆探成本下降,鉆進效率提高,鉆探質量改善,勞動強度降低等突出的技術經濟效果。截至上世紀90年代,我國繩索取心鉆探工作量累計完成數千萬米,繩索取心鉆進技術在地質巖心鉆探中逐步占據主導地位。

但是,受當時無縫鋼管性能、質量和鉆桿尺寸系列的限制,國產常規繩索鉆桿在孔深超過1500m時,常常發生斷鉆桿、脫扣,母螺紋變形成“喇叭口”狀以及沖洗液循環阻力大、泵壓偏高等問題。為了解決上述問題,我國技術人員曾做了大量的試驗研究工作,取得了一定的進展。2001年,在中國地質調查局的支持下,勘探技術研究所開展了中深孔復雜地層繩索取心鉆探技術的研究工作。在SQ77繩索鉆桿的設計中,大膽采用了更適合我國國情的鉆桿鐓粗工藝。試制中研究了以往普通鉆桿鐓粗工藝特點,使鉆桿鐓粗技術首次成功應用到小直徑繩索鉆桿制造中。目前,鐓粗加強型繩索鉆桿已經取代等厚壁加強型繩索鉆桿。地質巖心鉆孔施工深度可超過2500m。

2008年7月,依托國家863重點項目《2000m地質巖心鉆探關鍵技術與裝備》的支持,勘探技術研究所與新紀元鋼管公司合作研制出了綜合性能更佳的XJY 850高鋼級精密無縫管材 (42CrMoA)。該管材坯料采用專供出口的高品質石油鉆桿接頭用鋼,由江陰興澄特種鋼鐵有限公司煉制。鋼坯采用連鑄連軋工藝生產,鋼潔凈度高;同時,鋼中硫、磷有害元素和A s、Sn、Sb、Pb、Bi五害元素的含量控制嚴格,其中S含量低于0.007%,P含量低于0.013%;鋼中氣體含量也達到很好的控制水平,氧含量小于12ppm,氫含量小于1.2ppm,氮含量小于60ppm。該鋼種較大幅度的提高了鉆桿螺紋副的疲勞壽命。鋼管采用多次精密冷拔工藝制造,外形尺寸、形位公差精度高于國內同類產品。

與此同時,勘探技術研究所還與無錫鉆探工具廠合作進行了深孔高強度鉆桿螺紋優化分析、高壓水密拉伸試驗、鉆桿破壞性試驗、表面磨損對比試驗、螺紋副不同幾何尺寸 (齒高、圓角等)強度對比試驗等工作,取得了寶貴的技術數據。研究設計了高強度雙密封不對稱梯形扣繩索鉆桿,完成了高強度繩索鉆桿材料熱處理優化試驗,確定了鉆桿量產制造工藝流程和技術參數。研制的新型高強度H、N規格繩索鉆桿在乳山金青頂礦區與進口鉆桿混合使用,H規格繩索鉆桿創造國內同規格繩索鉆桿應用孔深記錄 (1461.90m),N規格繩索鉆桿應用孔深達到2212.80m。試驗證明,研制的繩索鉆桿強度高、耐磨性好、卸扣扭矩低、密封性明顯改善,價格僅為進口產品的50%左右。

此后 (2009年),無錫鉆探工具廠經過不斷探索,在國內率先突破了繩索鉆桿負角梯形扣加工和仿形梳刀制造技術。研制的負角梯形扣繩索鉆桿在安徽霍邱進行了試驗,終孔深度達到2706.68m(N級口徑),創目前國內小口徑金剛石 (繩索取心)鉆探深度紀錄。

4 國內繩索取心鉆探技術研究應用思路

目前,繩索取心鉆進已經成為地質巖心鉆探的主流技術方法。除部分煤田和沉積巖復雜地層外,繩索取心鉆探技術已經在深孔固體礦產資源勘查施工中得到普及。國內有關研究機構、鉆探用戶及生產企業一直在積極關注深孔、特深孔繩索取心鉆探技術的優化和完善工作,開發新產品,研究深孔鉆探工藝。為此,針對目前深孔、特深孔繩索取心鉆探技術研究工作,提出以下工作思路或建議:

(1)繩索鉆桿的優化研究應成為長期和重要的技術工作方向

繩索鉆桿承受著地面鉆機傳遞的回轉扭矩和自身重量產生的拉力,同時是輸送高壓沖洗介質、撈取巖礦心和投放內管總成的通道,具有薄壁和基本內平的特點。在地質鉆探設備和器具中,回轉的繩索鉆桿的受力情況和工作條件最為復雜和惡劣。繩索鉆桿的優化研究應作為最重要的技術工作長期堅持下去。應選用高強度優質合金管材,優化設計螺紋類型,重視鉆桿和接頭螺紋副的加工、熱處理和表面處理工藝。

(2)應使繩索鉆桿鉆具的研發與標準化工作適當銜接,相互聯動

目前,國內繩索鉆桿螺紋型式不一,不具互換性。同時,不同廠家的產品現場使用后肉眼和卡尺測量無法區別,甚至是不擰到最后一扣不能確定是否是一套圖紙加工的,給鉆探施工帶來極大隱患,施工單位意見極大。國內繩索鉆桿主要生產企業應聯合統一制定不對稱梯形、負角梯形螺紋加強型繩索鉆桿產品標準,并盡快面向行業發布實施。

特深孔金剛石巖心鉆探用管材、鉆桿、鉆具應有更嚴格的技術要求,規格尺寸亦與常規產品有所不同,應重視特深孔鉆具標準的研究制定。目前,多個部門和單位已經開展了特深孔鉆桿、鉆具的研究開發工作。鉆探技術標準工作應主動與科研項目銜接,開展國內外調研和前期基礎性研究,為產品開發提供咨詢服務。同時,應創新科研工作機制,使特深孔鉆具開發與鉆探標準化工作聯動起來。

可喜的是,由勘探技術研究所主持的《金剛石巖心鉆探鉆具》標準制定工作已經于2010年5月率先啟動。該標準是對 GB/T16950-1997和 GB/T16951-1997標準的修訂,是繩索取心和金剛石鉆探技術標準中的“基礎性”標準之一。在新鉆具標準制修訂中,無錫鉆探工具廠等單位以社會責任和用戶利益為重,從大局出發,主動公開技術數據,為制定高水平、統一互換的鉆桿技術標準做出了積極努力。其他專業生產企業亦表示鼎力支持繩索鉆桿制定統一的可互換的產品標準。

(3)開發高性能繩索鉆桿用管材,重視材料的測試比對研究

在成功開發2000m以上大深度鉆孔用高強度繩索鉆桿用管材XJY850的基礎上,對鉆桿管材的化學成分、制造工藝、熱處理方式、鉆桿加工和鉆探施工要求等方面進行全面分析和總結,嘗試開發XJY950冷拔合金無縫鋼管。應進一步提高繩索取心管材材料的綜合機械性能,從強調“高強度”為主,向“高強度、高性能”方向發展。

應有序淘汰成分組配不合理、有害元素較高、熱加工性能較差的部分地質管材,逐步向與高性能石油鉆井管材 (材質)靠攏。同時,改進提高管材的淬透性,增強管材彈性 (韌性)、抗疲勞性、抗磨蝕性和抗沖擊性能,改善金相組織結構,使研發的新型管材基本達到3500～4500m特深孔繩索取心鉆探施工要求。目前,勘探技術研究所與有關單位合作,對新舊鋼種的冷拔無縫鋼管最佳熱處理條件下的常溫沖擊韌性、低溫沖擊韌性、空氣中高頻應力疲勞特性及疲勞壽命進行了測試比對,取得了大量有價值的試驗數據。

(4)開展深孔、特深孔繩索取心鉆探工藝研究,發現和解決新問題

全面客觀分析繩索取心鉆探技術利弊,確定合理的應用條件,選擇適合的鉆探工藝參數,是提高深孔鉆探工藝水平,確保鉆探施工安全和效率的重要工作。應在開發新型鉆探裝備、研制高性能繩索鉆桿鉆具的同時,加強深孔繩索取心鉆探工藝技術的應用研究。

近幾年來,繩索鉆桿鉆具性能和質量不斷提高,深孔和特深孔中繩索鉆桿折斷、喇叭口及脫扣等問題逐漸減少,問題初步得到解決。但在某些礦區,繩索鉆桿螺紋副粘扣、咬扣,卸扣扭矩過大、擰卸困難,鉆桿桿體不耐磨等問題顯得較為突出。另外,深孔尤其是特深孔繩索取心鉆孔防斜控制技術要求亦越來越迫切。

因此,應從產品設計、制造工藝和現場使用等多方面入手,逐步減輕和解決出現的新問題。技術途徑包括螺紋參數細節優化、合理公差控制、螺紋表面硬化、仿形刀具的推廣以及新型絲扣油研制、研究鉆桿預扭矩和過載扭矩控制方法等。

(5)重視繩索鉆桿測試條件建設,改進試驗和數據采集方法

應重視鉆桿測試條件建設,試驗室室內測試和野外試驗工作相結合,開展繩索鉆桿抗扭、疲勞、腐蝕、磨損等試驗及磨損后性能測試試驗工作,收集重要的技術數據,如桿體及螺紋副磨損形態、磨損速率,孔深、鉆壓、轉速、鉆速等鉆進參數及鉆孔彎曲度對鉆桿磨損的影響,沖洗液性能對鉆桿磨損、內壁結垢的影響程度,鉆桿桿體鉆機夾持適應性,鉆桿螺紋副機械擰卸適應性,冬季低溫施工鉆桿特性變化,不同材質繩索鉆桿性能對比、使用壽命等。

(6)研究和儲備新型薄壁繩索鉆桿和鋁合金繩索鉆桿設計和制造技術

目前,國內還不具備新型薄壁繩索鉆桿和鋁合金繩索鉆桿制造條件,應用環境亦不成熟。在可能的情況下,應積極跟蹤和儲備相關技術,一旦研發條件具備和應用環境成熟,可迅速投入資源,加快技術開發步伐。新型薄壁繩索鉆桿研制重點為耐腐蝕、高強度和冷加工性好的無縫鋼管研制、桿體端部內孔冷縮徑技術等。鋁合金繩索鉆桿研究重點為鋁合金桿體耐磨損處理工藝、鋼接頭結構設計及組配工藝等。

(7)提高深孔繩索取心鉆具可靠性,開發派生產品和孔底組合動力鉆具

應設計合理的到位報信、堵塞報信機構和打撈投放裝置,提高深孔、特深孔鉆進或特殊鉆探施工用繩索取心鉆具可靠性。同時,為降低鉆進回轉扭矩,減輕繩索鉆桿高速回轉產生的磨損加劇和疲勞壽命下降等問題,應研究和開發繩索取心復合鉆具或孔底動力繩索取心鉆具,如液動沖擊回轉繩索取心鉆具、孔底馬達驅動繩索取心鉆具、納維鉆(Navi-D rill)驅動繩索取心鉆具、渦輪鉆驅動繩索取心鉆具、渦輪鉆驅動反循環繩索取心鉆具及螺桿鉆不提鉆換鉆頭繩索取心鉆具等。

借助繩索鉆桿、打撈器和輔助工具,可以較便利地實現不提鉆換鉆頭工藝。可在大直徑繩索取心鉆進和套管鉆進中,研究應用不提鉆換鉆頭鉆具。

(8)加強深孔繩索取心鉆探工藝技術培訓

繩索取心鉆探技術已經成為常規、成熟和主流的鉆探技術方法,但因技術、資金和其他因素,很多鉆探施工單位并未充分其優勢發揮。因此,加強深孔繩索取心鉆探工藝技術培訓仍具有重要的現實意義。

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