超深井用Φ149.2 mm 高抗扭鉆桿研制與應用

張 然，王顯林，王青林，李竹濱

（渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣 062658）

針對8 000 m 以上超深井，若使用常規Φ139.7 mm 規格S135 鋼級鉆桿主要面臨兩點問題：鉆桿抗拉載荷3 500 kN，8 000 m 鉆柱質量達到346 t，拉力余量只有108 kN，無法滿足鉆井的安全需求,鉆桿接頭水眼較小，若采用高泵壓，泥漿泵負載過大，影響鉆井效率，若采用Φ168.3 mm S135 鋼級鉆桿，接頭外徑已經達到215.9 mm，無法應用于Φ215.9 mm 井眼鉆進，并且Φ168.3 mm 鉆桿規格大，在鉆機上占據空間大，難操作，會大大提高鉆井的成本和對鉆井設備的要求［1-10］。

因此，需要設計出一種鉆桿，在保證拉力余量的同時，擁有比Φ139.7 mm S135 鋼級鉆桿更高的抗拉強度、更大的水眼以及更適合在Φ215.9 mm井眼內鉆進的接頭外徑，以滿足超深井的開采需要。S135 鋼級8 000 m 鉆柱懸重對比見表1。

1 研發過程

1.1 總體研發方案

首先，為提高鉆桿的抗拉強度，決定將管體鋼級從S135 提高到V150，管體外徑從139.7 mm 增大到149.2 mm；其次，為保證鉆具可在Φ215.9 mm 井眼以內進行作業，降低鉆井過程中鉆井液循環壓耗，同時還要具備高抗扭強度，以保證合理的接頭管體抗扭比，必須設計一種全新的小外徑、大水眼、高抗扭接頭型式。渤海能克鉆桿有限公司為此設計了“管體性能設計—管體鐓鍛工藝研究—特殊高抗扭接頭設計—現場應用”的研究方案，并按照預定的方案展開了系列工作。

表1 S135 鋼級8 000 m 鉆柱懸重對比

1.2 管體性能設計

1.2.1 管體化學成分研究

Φ149.2 mm 鉆桿V150 鋼級材料設計以常規S135 鉆桿管體材料成分為基礎，通過C-Mn-Mo-Ni-V 材料體系研究，降低C、Mn 含量，提升Mo含量，增加Ni、V 含量，搭配合適的熱處理工藝，以提高管體強度和沖擊韌性，保證鉆桿在出現刺漏后的鉆柱上提過程中不斷裂。通過多輪研制、試驗和驗證，最終確定了管體的化學成分（表2）。

表2 試制管體的主要化學成分（質量分數）%

1.2.2 管體熱處理工藝研究

管體采用“淬火+高溫回火”的調質工藝。淬火的目的是獲得淬火馬氏體，再通過回火工藝獲得回火索氏體以調節管體性能。因此，熱處理工藝研究重點主要放在回火工藝上。

采用不同的回火加熱溫度，獲得不同的材料性能，材質熱處理試驗數據如圖1 所示。

圖1 材質熱處理試驗數據

由圖1 可以看出，回火溫度在到達635～650 ℃時可以達到理想的屈服強度（要求屈服強度1 034～1 184 MPa，抗拉強度≥1 103 MPa），但由于管體內部應力過大，導致材料韌性不足沒有達到理想的沖擊功（要求沖擊功≥100 MPa）。而當回火溫度到達645～660 ℃，隨著溫度的上升，較小的滲碳體顆粒溶于基體，將碳輸送給較大的顆粒，隨著不穩定的馬氏體組織以及殘留的奧氏體向更加穩定的索氏體進行轉變，最終在犧牲少量強度的條件下，大大提高了材料的沖擊功，滿足了材料的性能要求。

回火溫度高于640～660 ℃時，雖然管體韌性有所提高，但是由于回火溫度的提高，導致材料屈服強度已經低于管體要求的最低限。因此最終將管體的回火溫度設定為640～660 ℃。

對金相試樣縱向、橫向截面進行初步打磨，精磨，再經金剛石粉拋光，采用Axio Scope A1 研究級正置式金相顯微鏡對金相試樣組織、非金屬夾雜物進行觀察，結果為：縱向截面中非金屬夾雜物為環狀氧化物類夾雜，等級為粗系D1.0；橫向截面中非金屬夾雜物為環狀氧化物類夾雜，等級為粗系D0.5。非金屬夾雜物如圖2 所示。

圖2 非金屬夾雜物示意

再用5%硝酸酒精溶液進行腐蝕，觀察其晶粒度和金相組織情況?？v、橫截面的金相組織測得結果均為回火索氏體，縱向截面與橫向截面的晶粒度等級均為8.5 級?；鼗鹚魇象w如圖3 所示。

參照GB/T 4337—2015《金屬材料疲勞試驗 旋轉彎曲方法》進行V150 鉆桿的疲勞試驗。按照最大應力約為σ1＝0.5σs計算彎曲應力，根據屈服強度計算得σ1＝550 MPa。旋轉彎曲疲勞性能測試的原始數據見表3。

圖3 回火索氏體示意

表3 V150 鉆桿疲勞試驗明細數據

開展彎曲應力為550 MPa 的疲勞性能測試，按107次循環失效情況統計，測試結果顯示3 個試樣均通過了107次循環周次的測試。試樣未發生斷裂，也未見可見裂紋。

1.3 管體鐓鍛工藝研究

管體內過渡帶消失處是鉆桿的應力集中點，在超深井施工過程中，由于鉆桿長期承受拉-彎-扭復合載荷應力，會大大提高鉆桿在過渡帶刺漏的風險。API Spec 5DP—2009《鉆桿規范》要求內過渡帶長度≥76.2 mm，Φ149.2 mm 鉆桿通過鐓鍛工藝優化，將原本的二次成型設計為三次鐓鍛成型，將管體的內過渡帶長度提高到≥120 mm，以提高加厚過渡帶部位的質量可靠性。

管端鐓鍛共有3 個變量會影響成型情況，其中加熱長度會影響鐓鍛的阻力，以及管體的縮量，最終影響到內過渡帶長度；均熱溫度是影響金屬流動性的重要參數，也是影響最終成型效果的重要參數；均熱時間是影響過渡區溫度梯度的重要參數，而溫度梯度直接決定了內過渡區的平緩程度。

根據上述影響因素，首先通過模擬鐓鍛，設計出4 組鐓鍛方案，再通過實際試鐓進行驗證，Φ149.2 mm 鉆桿管體鐓鍛參數見表4。鍛件模擬結果如圖4 所示。

模擬鍛件采用標準壁厚進行鐓鍛模擬，方案1的鐓鍛效果比較理想。但在實際軋管過程中，鋼管廠為防止壁厚低于下限，通常實際壁厚會大于標準壁厚，這導致了在方案1 的鐓鍛過程中出現了加熱不充分所導致的管端缺肉；對于方案2，因為加熱長度、溫度和時間的增加，使得管體加熱得更加充分，得到了較好的鐓鍛效果；方案3 由于加熱長度的增加，導致管體縮量過大，最終多余的縮量全部堆積在過渡帶上，形成了過陡的過渡帶；方案4 由于加熱時間過長，導致管端的流動性過大，大量金屬向后流動，最終在過渡帶上出現了一個環狀突起，影響了過渡帶的質量。方案1～4 的鐓鍛效果如圖5 所示。

表4 Φ149.2 mm 鉆桿管體鐓鍛參數

圖4 鍛件模擬結果

方案2 通過手電筒照射觀察，內過渡帶未出現陰影，內過渡帶平緩且無任何凸起，鐓鍛成型情況比較理想，因此按照方案2 的參數進行了連續生產條件下的試鐓，冷卻后，鐓鍛成型工藝尺寸見表5。

1.4 螺紋接頭結構研究

1.4.1 雙臺肩接頭的結構參數

目前國際各個鉆桿公司均采用雙臺肩的結構來提高接頭抗扭強度，這也是目前所證實的比較可靠的螺紋形式。但是由于Φ149.2 mm 鉆桿的管體抗扭能力達到165.5 kN·m，使得普通的雙臺肩接頭也無法滿足管體對接頭的需求，因此必須對雙臺肩接頭結構進行進一步優化。

圖5 方案1～4 的鐓鍛效果

表5 鐓鍛成型工藝尺寸 mm

1.4.2 螺紋接頭結構優化

螺紋牙型結構的優化設計從降低應力集中和提高抗扭強度兩方面進行。

首先是降低應力集中，鉆桿螺紋接頭結構犬齒交錯，在其截面突變部位必定存在應力集中現象。根據材料力學，螺距越大、牙側角越大、截底高越大，螺紋接頭截面形狀變化越平緩，應力集中因數越低；理論牙高越大，螺紋接頭截面形狀變化越急劇，應力集中因數越高。

其次是提高抗扭強度，可通過增大主臺肩外徑、副臺肩外徑和螺紋中徑以及減小錐度、外螺紋長度、鏜孔直徑和內徑的方法來提高雙臺肩接頭的抗扭強度。

1.4.3 螺紋正交試驗設計

為了盡可能地減小螺紋的應力集中，重新設計了螺紋的牙型結構，以采用非對稱牙型設計將應力由牙底轉移到牙側提高螺紋的安全性。螺紋牙型尺寸見表6。

表6 螺紋牙型尺寸

考慮到適合在Φ215.9 mm 井眼內鉆進，將接頭外徑定在177.8 mm 以盡可能地增加環空間隙；將接頭內徑提高到104.8 mm，以更好地減小鉆井液循環壓耗；主臺肩起到密封作用，受此限制螺紋中徑如果太大就會影響密封效果，因此只能將螺紋中徑增加到144.78 mm，以最大限度地提高螺紋抗扭性能；而考慮到有效扣數是保證螺紋不脫扣的重要參數，受其限制將螺紋長度定為158.2 mm。最終，通過調整螺紋錐度方式使其抗扭強度與管體達到了最佳平衡。正交優化因素見表7。

表7 正交優化因素

根據表7 抗扭參數對比發現，1 ∶8 錐度所得到的接頭抗扭強度偏低；采用1 ∶16 錐度時，接頭與管體的抗扭強度達到了相對平衡的0.8 左右；而采用1 ∶24 錐度會出現接頭抗扭強度過大，不利于接頭與管體強度的平衡，且如果需要修扣，就會損失大量的大鉗空間，不利于實際應用。BHDX57 最終接頭數據見表8。BHDX57 超高抗扭螺紋牙型如圖6 所示。

表8 BHDX57 最終接頭數據

圖6 BHDX57 超高抗扭螺紋牙型

1.4.4 有限元結果分析

API 5 1/2FH 螺紋接頭應力分布及其螺紋面上壓力分布如圖7 所示，在相同的邊界條件和相同的載荷作用下，API 5 1/2FH 螺紋接頭應力分布及其螺紋面上壓力分布如圖7（a）所示，API 5 1/2FH 螺紋最大應力分別發生在外螺紋大端第一扣根部和內螺紋大端第一扣根部，且最大值為961.7 MPa，而圖8 所示BHDX57 螺紋接頭螺紋的應力集中點從牙底轉移到螺紋承載面，且應力最大值為905.5 MPa。另外從圖7（b）中螺紋承載面上的接觸壓力來分析可知，API 5 1/2FH 螺紋小端第一牙承載面上的壓力最大，最大接觸壓力為1 827 MPa；而圖8 所示BHDX57 螺紋上的各個螺紋牙承載面壓力分布較均勻，且最大接觸壓力為1 198 MPa，API 5 1/2 FH 螺紋承載面上的最大接觸壓力為BHDX57螺紋的1.525 倍。可見BHDX57 螺紋結構能更好地改善接頭內的應力分布，有利于提高螺紋接頭的抗疲勞壽命。

最終證明，BHDX57 螺紋可以有效地提高接頭的抗扭強度，同時將牙底的應力轉化到了牙側，大幅度降低了接頭在牙底薄弱處出現斷裂的幾率，保證了鉆桿的管體接頭抗扭比，提高了整個鉆桿的安全性。

2 產品性能

Φ149.2 mm V150 鉆桿與 Φ139.7 mm S135 鉆桿的參數對比見表9（計算結果均采用最小屈服強度得到）。Φ149.2 mm V150 鉆桿理化性能見表10。

圖7 API 5 1/2FH 螺紋接頭應力分布及其螺紋面上壓力分布

圖8 BKDX57 應力分布及其螺紋面上壓力分布

表9 Φ149.2 mm V150 鉆桿與Φ139.7 mm S135 鉆桿對比數據

表10 Φ149.2 mm V150 鉆桿理化性能

由表10 可以看出，Φ149.2 mm V150 鉆桿與Φ139.7 mm S135 鉆桿相比，鉆桿抗拉強度提升25%，抗扭強度提升20.7%，鉆桿內容積提升16%，8 000 m 井深時鉆桿內壓耗降低28%，Φ149.2 mm V150 鉆桿能夠更好滿足8 000 m 以上超深井安全鉆探需求。

3 鉆桿應用

Φ149.2 mm V150 鉆桿其創新的管體外徑和高管體強度，使其解決了Φ139.7 mm S135 鉆桿抗拉強度過低以及Φ168.3 mm S135 鉆桿環空過小的問題。其特殊螺紋以及特有的內過渡帶設計大大提高了鉆井的安全性，尤其在超深井的開采過程中這一點就顯得尤為重要。由于井深的原因，超深井的起下鉆時間是普通井1～4 倍，鉆桿失效對超深井的影響更大，而Φ149.2 mm V150 鉆桿通過鉆桿結構的優化使鉆桿受力分布更加合理，大大降低了鉆桿失效的幾率。Φ149.2 mm V150 鉆桿研制成功后應用于中國石油天然氣集團公司高風險探井輪探1 井，在鉆進中表現優異，保證鉆井安全性的同時，大大提高了鉆井效率，該井成功鉆至8 882 m，創造了亞洲陸上第一深井勘探新紀錄。

4 結 語

通過開發高強度高韌性V150 鋼級管體，采用特有的管體鐓鍛工藝及超高抗扭螺紋BHDX，研制出了Φ149.2 mm V150 鉆桿，該鉆桿滿足了8 000 m 以上超深井安全鉆探和高效鉆探的需求，具有良好的經濟和社會效益。