國產繩索取心鉆桿設計制造技術的分析

陳 妍 ，張 巖

（1西安石油大學 陜西 西安 710065）

（2山西風雷鉆具有限公司 山西 侯馬 043013）

1 引言

繩索取心鉆桿是一種不提鉆而能取得巖心所使用的鉆桿，其特點是“三高、一低”，即鉆速高、金剛石鉆頭壽命長、時間利用率高，工人勞動強度低，因此被廣泛應用于地質找礦、煤田勘探等領域。而整套鉆具中，最為重要、價值最高的則是鉆桿，鉆桿質量的好壞直接關系到繩索取心鉆探優勢的發揮，對于地質資料的準確獲取、鉆探成本的控制也至關重要。

繩索取心鉆桿的設計和制造工序十分的復雜，在具體的設計制造過程中，其所涉及到的工序比較多，下面，筆者將從繩索取心鉆桿的結構和選材兩個方面著手對其進行詳細的分析和探討。

2 繩索取心鉆桿的結構分析

目前，在市面上應用比較廣泛的幾種繩索取心鉆桿分別是直連式繩索取心鉆桿、摩擦焊接式繩索取心鉆桿和螺紋連接公母接頭式繩索取心鉆桿。它們在應用過程中，各有其優點也存在有較為明顯的缺點。

（1）直連式繩索取心鉆桿

這種鉆桿的結構特點是每根鉆桿都加工有兩個螺紋端，與常見的螺紋連接公母接頭式鉆桿相比，其大大減少了螺紋端的個數。因為螺紋連接式鉆桿每根需要加工六個螺紋端（鉆桿2個、每個接頭各2個）。螺紋端的加工數量減少，其生產速度也就相應的提升了。但是，在繩索取心鉆桿中螺紋端的數量多，其質量更有保障，使用壽命也能有所增加，直連式繩索取心鉆桿的加工生產速度雖然有所提升，但是其使用壽命相對于其他幾種形式的取心鉆桿來說不具備優勢。

（2）摩擦焊接式繩索取心鉆桿

這種結構的鉆桿與其他鉆桿相比最大的不同就在于，其是由管體和兩端的接頭摩擦焊接而形成的。因此在制造過程中管體和接頭可以根據實際生產和應用需要選擇不同的材料進行搭配，這樣其熱處理工藝也會有所差異。如有的工業生產中對接頭的要求比較高，那么在焊接過程中，可以根據實際需要，選擇材質比較好的接頭；而有的工業生產中要求管體材質堅硬，則需要花費更多的精力選擇合適的管體。通過這種多變的搭配式，能夠節省生產成本，而且能夠更好的迎合市場要求。但是，該工藝中的接頭與管體焊接工作開展難度比較大，對于工作人員的綜合素質要求比較高。

（3）螺紋連接公母接頭式繩索取心鉆桿

接頭與管體采用螺紋連接時，接頭更換起來比較方便快捷，而且，這種結構的取心鉆桿可以通過接頭材質選用更加優質的管材進行調質處理，提高了其強度和耐磨性。因此，該結構的繩索取心鉆桿是最為常用的一種鉆桿，目前，其在市場上生產主要有兩種，即普通型和加厚型。普通型的繩索取心鉆桿加工完螺紋之后強度非常的薄弱，容易發生折斷，而加厚型螺紋，則能夠有效的規避該問題，延長繩索取心鉆桿的使用壽命。但是，在具體的生產制造中，該工序比較復雜，所需要投入的成本比較多，而且在生產過程中需要專用模具和熱處理設備，對其進行加工處理，要求比較高。

3 繩索取心鉆桿的材質性能對比與選材方案

3.1 各種材質的性能對比分析

繩索取心鉆桿的設計制造工藝比較復雜，成本也比較高，因此在具體的設計過程中，對材質的要求也比較高，而鉆桿一般是有接頭和管材兩部分組成的，相較于管材來說，接頭具有連接的作用，需要頻繁拆卸，如果質量不高，可能會折損設備的壽命，因此，以國際最高標準選擇最好的。因為，在工業生產中繩索取心鉆桿使用過程中接頭螺紋的連接和拆卸頻率相較于管體材料來說，要高上許多。筆者在調查研究中通過收集國內外鉆桿生產廠家所使用的材質數據表，并結合實際應用情況對管材性能進行分析，發現在當前的繩索取心鉆桿生產中比較常用的是45MnMoB、30CrMoA的幾種材質進行制造，而接頭材質一般采用的是調質后的30CrMnSiA進行設計制造。在生產繩索取心鉆桿的時候，對于性能要求更高的繩索取心鉆桿則可以采用高強度地質管材XJY850。如浙江嘉興新紀元鋼管有限公司與中國地質科學院合作研發的一項繩索取心鉆桿，其詳細的地質管材性能對比表如表一所示。

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3.2 繩索取心鉆桿的選材方案

通過相關的數據研究，對比了管材性能之后，筆者認為在具體的工作中，其可以采用以下幾種選材方案，以滿足生產需求。

（1）普通型鉆桿，螺紋連接公母接頭式。材質：45MnMoB，熱處理狀態：正火。特點：該鉆桿的各方面性能相較于國外管材來說，質量都比較差，當前該設備主要用于淺孔鉆進，在該領域的優勢比較明顯。

（2）加厚型鉆桿，螺紋連接公母接頭式。材質：45MnMoB，熱處理狀態：正火。特點：是解決普通鉆桿容易從公螺紋大端斷裂的改進型鉆桿，該類型的鉆桿相較于普通型鉆桿來說，有了較大的改進，是當前應用比較廣泛的一種鉆桿。

（3）調質鉆桿，螺紋連接公母接頭式。材質：30CrMnSiA/XJY850，熱處理狀態：調質。特點：如果不考慮成本方面的因素影響，XJY850是在進行繩索取心鉆桿設計與制造時最優的選擇，兩種材料的強度相當，但是剛性上30CrMnSiA要稍微遜色一點。

總之，繩索取心鉆桿在工業生產中有著極為重要的作用。在繩索取心鉆桿設計和生產的過程中，要想做好相關的設計和制造工作，任何一個環節都不能馬虎，要根據實際需要實事求是的進行設計和生產，滿足工業發展需要，使我國繩索取心鉆桿設計和研發工作朝著更好的方向發展。

[1] 周云,張紹和.淺孔復雜地層Φ110型繩索取心鉆具的研制與應用[J].煤田地質與勘探.2017(04).

[2] 田志超,宋世杰,劉振新,付相友,于孟亮.三山島北部海域ZK3210鉆孔事故處理工藝[J].地質裝備.2017(04).