特深鉆探鉆柱組合優化設計研究

尹 浩，梁 健，孫建華

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

鉆桿柱作為地球深部探測、深地與深水鉆探技術的核心與關鍵，其用以遞送扭矩和鉆壓、輸送沖洗液和提取巖心、更換鉆頭及處理事故，鉆柱結構組合設計的合理性與可靠性是確保工程優質、高效、安全實施的重要條件，直接關系著鉆探工程的成敗，是鉆探工程的重要研究內容之一。由于鉆柱材料強度的限制和重力的存在，單一規格常規鋼制鉆柱許用深度有限，難以滿足大陸萬米特深孔科學鉆探及大洋深水深孔鉆探工程的設計要求[1-5]。

為使鉆柱具有更大的許下深度，在滿足孔身結構和鉆機提升能力的前提下，可采取復合鉆柱的設計方法，即減輕下部鉆柱重力或提高上部鉆柱強度[6]。在前蘇聯科拉科學超深井與聯邦德國大陸深鉆的實施中，均對復合鉆柱進行了研究與應用，完井深度分別達到了12262 m與9101 m[7]。特深孔復合鉆柱一般是由不同外徑(上粗下細)、同種外徑不同壁厚(上厚下薄)、同種壁厚不同鋼級(上高下低)或不同材質(上鋼下鋁或其他輕合金)的鉆桿組成。與單一規格鉆桿組合的鉆柱來講，復合鉆柱減輕了鉆柱重力、滿足了強度要求、提高了鉆進效率，在相同鉆機負荷能力下可鉆達更深地層[8]。鉆柱的運動形式和受力十分復雜，主要包括：自轉、公轉(渦動)、縱向振動、扭轉振動、橫向振動等，并且隨著鉆進方法、鉆進工序的不同而異。雖然在不同的工作狀態下，鉆柱受力情況有所差異，但其中經常作用且數值較大的力為拉力，尤其在以科學鉆探為目的的特深垂直孔鉆探中[9-11]。綜上，本文在組合鉆柱設計中，以拉伸計算為主[12]，通過考慮一定的設計安全系數和拉伸余量來滿足起下鉆時的動載荷以及其他復雜情況對鉆柱強度的需求，開展了鉆柱組合優化設計的研究，并開發了鉆柱組合設計與安全系數計算軟件，可實現不同孔深設計和鉆桿結構要求下的鉆柱組合設計與安全系數計算，可提高科研人員的工作效率和準確度。

1 復合鉆柱組合設計理論

由于鉆柱材料使用強度的限制和重力的存在，致使鉆柱在鉆達一定深度后，僅自重的作用即可使鉆柱拉斷失效，因此鉆柱的使用存在極限深度。為了增加鉆柱的使用深度，需要進行合理的鉆柱組合設計，以保證鉆柱整體的可靠性與安全性。

由于越靠近孔口的鉆柱承受自身浮重(浮力與重力的合力)越大，加之鉆柱中和點需作用在鉆鋌上，故從鉆鋌往上逐級增徑設計鉆柱規格[13]。同時，鉆柱設計過程中，既要考慮一定的設計安全系數，又要滿足一定的拉力余量。其中，設計安全系數用于確定屈服極限抗拉載荷較大的鉆柱設計，拉力余量用于確定屈服極限抗拉載荷較小的鉆柱設計。最后，根據設計安全系數與拉力余量確定的最大許用靜拉載荷計算各級鉆柱的最大使用長度等參數。

1.1 最大許用靜拉載荷的確定

鉆桿的最大許用靜拉載荷是由鉆桿截面以下鉆柱浮重產生的允許鉆桿承受的最大載荷。同時，考慮到起下鉆時的動載及摩阻、卡瓦擠壓、解卡拉力余量等因素，鉆柱管體任意截面上的最大許用靜拉載荷應同時滿足以下3個條件：

(1)

式中：F許——鉆桿的最大許用靜拉載荷，kN；F最大許用拉伸載荷——鉆桿的最大許用拉伸力，kN；N——鉆柱設計的安全系數；F屈服極限抗拉載荷——鉆桿達到屈服極限的拉伸力，kN；σs——鉆桿材料的屈服強度，MPa；σG——鉆桿自重作用下產生的拉伸應力，MPa；F拉力余量——處理卡鉆等孔內事故預留的拉力余量，一般取200～800 kN。

根據理論計算可知：

(2)

式中：D——鉆桿外徑，mm；K——卡瓦橫向負荷系數；α——卡瓦錐角，取9°27′45″；φ——摩擦角，摩擦系數μ=tanφ=0.08；Ls——卡瓦長度，取400 mm。

考慮鉆桿拉伸載荷達到屈服極限時材料將產生輕微永久變形，取屈服極限的90%作為鉆桿最大許用拉伸力，即：

F最大許用拉伸力=0.9F屈服極限抗拉載荷=9×10-4σsA

(3)

式中：σs——鉆桿屈服強度，MPa；A——鉆桿橫截面積，mm2。

綜上所述，得到同時滿足以上條件的最大許用靜拉載荷，進而確定各級鉆桿的尺寸規格、許用長度、鋼級。

1.2 鉆柱長度及安全系數確定

1.2.1 一徑到底

一種尺寸規格和鋼級的鉆柱可滿足設計要求的情況下，鉆柱許用長度La和使用長度Lb分別應滿足以下條件：

(4)

安全系數N為：

(5)

式中：L孔——設計孔深，m；La——鉆柱許用長度，m；Lb——鉆柱實際使用長度，m；Lc——鉆鋌或加重鉆桿長度，滿足Lc=1.2F鉆壓/qc，m；q1——第一級鉆桿每米重，kN；qc——鉆鋌每米重，kN；K浮——鉆柱在孔內泥漿中的浮力系數，K浮=1-ρ泥漿/ρ鉆柱。

1.2.2 塔式結構

一種尺寸規格和鋼級的鉆柱不能滿足設計要求的情況下，可選擇厚壁、大尺寸規格或更高鋼級的鉆桿，從下而上逐級進行鉆柱許用長度確定，直到滿足設計孔深要求。

假設自下而上每級鉆柱許用長度為：L1、L2、…、Li、…、Ln，最后一級的使用長度為Lb，則存在以下關系：

(6)

式中：F許1、F許2、…、F許i——各級鉆桿最大許用靜拉載荷，kN；q1、q2、…、qi——各級鉆桿的質量，kg[13-15]。

結合式(1)～(6)，可求得各級鉆桿許用長度和各級鉆桿的安全系數。如有特殊要求，可通過改變各級鉆桿尺寸規格和鉆桿材料，對各級鉆桿的使用長度和安全系數進行一定范圍修改。

2 設計理論程序化

根據上述超深孔用鉆柱結構組合設計理論，結合面向對象的編程語言，通過控件布局、變量設置、回調函數編寫，其中使用數組結構表示多級鉆柱組合的各級參數，實現極限鉆柱結構設計軟件和鉆柱結構安全系數計算軟件的開發。本文中鉆柱安全系數是假定鉆桿接頭、螺紋尺寸與鉆桿體等強度設計前提下得到的；如考慮鉆桿整體外平度、鉆桿鐓粗限制、泥漿環空壓耗等因素而需要對鉆桿接頭尺寸有所限制，需另外確定鉆桿接頭處的安全系數。

2.1 極限鉆柱結構設計軟件

2.1.1 輸入參數確定

計算過程中涉及到的輸入參數包括設計孔深、泥漿密度、鉆鋌材料密度、鉆壓、工作安全系數、拉力余量、接頭加重系數、鉆桿外徑、鉆桿壁厚、鉆桿屈服強度、鉆桿材料密度、鉆鋌外徑、鉆鋌內徑、卡瓦長度。本設計通過10個元素數組設置，最多支持十級鉆桿塔式結構設計。

2.1.2 輸出參數確定

計算過程中涉及到的輸出參數包括每級鉆桿橫截面積、承載極限、最大允許靜拉負荷、鉆桿長度、鉆桿重力、安全系數、鉆鋌長度、鉆鋌重力。

2.1.3 界面實現

設計軟件界面包括輸入參數、輸出參數、鉆柱結構圖繪制3部分(如圖1所示)。

圖1極限鉆柱結構設計軟件用戶界面
Fig.1Software user interface for the ultimate drill string structure design

2.2 鉆柱結構安全系數計算軟件

2.2.1 輸入參數確定

計算過程中涉及到的輸入參數包括設計孔深、泥漿密度、鋼密度、鉆壓、最低安全系數、拉力余量、鉆桿級數或開數、卡瓦長度、加重鉆桿接頭加重系數、加重鉆桿外徑、加重鉆桿內徑、接頭加重系數、鉆桿外徑、鉆桿內徑、鉆桿屈服強度、鉆桿密度、每級鉆桿設計長度。本設計通過10個元素數組設置，最多支持10級(塔式結構)或10開(一徑到底)鉆桿結構設計。

2.2.2 輸出參數確定

計算過程中涉及到的輸出參數包括每級鉆桿橫截面積、屈服承載極限、鉆桿浮重、鉆桿重力、鉆桿長度、加重鉆桿長度、安全系數。

2.2.3 界面實現

設計軟件界面包括輸入參數、輸出參數、鉆柱結構圖繪制3部分，如圖2所示。

圖2鉆柱結構安全系數計算軟件用戶界面
Fig.2Software user interface for the drill string structural safe factor design

上述2個軟件也可用于計算懸掛套管極限長度及給定長度套管的使用安全系數。

3 算例

3.1 10000 m繩索取心極限鉆柱組合設計

3.1.1 設計參數

10000 m繩索取心鉆柱極限孔身結構設計的設計參數包括：設計孔深10000 m、泥漿密度1.05～1.2 t/m3、鉆鋌材料密度7.85 t/m3、鉆壓100 kN、工作安全系數2.0、拉力余量800 kN、接頭加重系數1.05、卡瓦長度400 mm、鉆鋌外徑190.5 mm、鉆鋌內徑108.66 mm、鉆桿材料(S135或V150)與鉆柱參數(見表1)。其中，鉆桿參數中的數值均可在一定范圍內調整，從而獲得不同的鉆柱設計方案。

3.1.2 軟件計算

表1 10000 m鉆柱設計參數Table 1 Design parameters of the drill string for 10000m hole

將設計參數逐級輸入到設計軟件，如當前級數或鉆桿規格不能滿足設計孔深，系統將提示“當前級數或鉆桿規格不能滿足設計孔深，請增加鉆柱級數或調整鉆桿規格”，直到得到滿足設計孔深的方案。計算得到的鉆柱相關結構參數如圖3和表2所示。

3.2 5000 m繩索取心鉆柱安全系數計算

3.2.1 設計參數

圖3 10000 m孔深極限鉆柱結構設計界面Fig.3 Ultimate drill string structural design interface for 10000m hole

5000 m繩索取心鉆柱安全系數計算的設計參數包括：設計孔深5000 m、終孔孔徑96 mm、泥漿密度1.1 t/m3、鉆壓50 kN、工作安全系數2.0、拉力余量500 kN、卡瓦長度400 mm、加重鋼鉆桿與鉆桿參數(見表3，參考GB/T 16950-2014)[16]。其中鉆桿參數中的數值(包括尺寸規格和材料)均可在一定范圍內進行合理調整，從而獲得不同的鉆柱設計方案。

3.2.2 軟件計算

將設計參數逐一輸入到設計軟件中的文本框中(如圖4所示)，計算得到的鉆柱結構參數見表4。

表3 5000 m鉆桿設計參數Table 3 Design parameters of the drill string for 5000m hole

表4 5000 m鉆柱結構參數Table 4 Structural parameters of the drill string for 10000m hole

圖4 5000 m繩索取心鉆柱安全系數計算界面Fig.4 Drill string structural design interface for 5000m wire-line coring hole

4 結論

本文通過對鉆柱組合設計理論的研究，對特深鉆探鉆柱組合的設計過程進行了程序化編程，實現用于極限孔身結構與給定孔身結構兩種情況下鉆柱組合的設計，并得出如下結論：

(1)通過鉆柱組合設計的程序化設計，大大提高了設計效率，可以通過選用不同尺寸規格和材料的鉆桿組合，實時得到不同的鉆柱組合設計方案。

(2)通過軟件計算，給出了10000 m繩索取心極限孔身鉆柱組合方案與5000 m繩索取心鉆柱方案；通過軟件，可進一步研究各設計參數對鉆柱組合與安全系數的關系，對于特深鉆探研究具有一定的參考意義。

(3)本文鉆柱安全系數是假定鉆桿接頭與螺紋尺寸根據與鉆桿體等強度設計原則進行設計的前提下得到的，得到的鉆柱組合方案存在一定的局限性，下一步將考慮鉆桿外平度、鉆桿鐓粗限制、泥漿環空壓耗等因素對鉆桿接頭尺寸的限制，進而優化桿體尺寸、設計接頭結構和匹配環空間隙。

(4)隨著向地球更深部進軍，對鉆柱提出了新的要求，高強重比、高耐溫性、高韌性是鉆柱未來的發展方向。