直徑60 mm高強度整體鉆桿的研制

2021-06-23 01:20:50楊宏偉王洪煒解少朋

地質裝備 2021年3期

王浩，楊宏偉，王洪煒，解少朋

(河北省地礦局國土資源勘查中心石家莊探礦機械廠，石家莊 050081)

1 概述

近些年來，隨著市場對高強度整體鉆桿的使用需求擴大，本文結合了美國石油學會API 5DP標準和地質鉆桿鎖接頭標準，研發出一種直徑60 mm的高強度整體鉆桿。該套鉆桿不僅管體強度高，而且由于螺紋部分采用非標粗牙螺紋、雙臺肩結構設計，其抗扭強度比原先產品提高了30%。

該鉆桿主要用于為井深3000 m的鉆孔輸送液體和洗井。由于受使用外徑限制(不大于61 mm)，同時對工作中螺紋所承受的回轉扭矩又有嚴格要求，因此在對該鉆桿的研究設計過程中，無論是管體性能，還是螺紋強度都完全符合有關標準和規范。下文主要對該鉆桿的設計、制造和試驗等進行詳細的介紹。

因實際工程施工對鉆桿外徑有嚴格限制條件(外徑≤61 mm)，所以我們選擇直徑60 mm的整體式鉆桿。

鉆桿的結構如圖1所示，鉆桿的加厚形式為內加厚型(IU)。

圖1 鉆桿結構Fig.1 Structure of integral drill pipe

鉆桿選用S135鋼級材質，首先對管體端部進行鐓粗加厚，然后進行整體調質處理。

由于井深設計3000 m，對鉆桿的抗拉強度和抗扭強度都有嚴格的要求。本文選用錐度1∶8，每英寸6牙的粗牙螺紋進行連接。同時，對鉆桿螺紋部分進行優化設計，采用了雙臺肩結構，以提高鉆桿的抗扭強度。最后對螺紋及密封面進行磷化處理，可有效地防止粘扣。

鉆桿的制造流程為：下料→鐓粗加厚→熱處理→探傷→車螺紋(緊密距全檢)→螺紋熱磷化處理→佩戴護套→噴漆、噴標→包裝。

由于管體外徑和內孔的限制，管體的壁厚不滿足螺紋加工需要。因此，需要對管體進行端部加厚處理。

我廠是鉆桿的專業廠家，能夠對直徑42～168 mm的常規地質鉆桿、石油鉆桿和特殊直徑186 mm的內加厚管材進行鐓粗處理，完全具備該鉆桿管端加厚的能力。在鐓粗過程中，本文設計了合理的鐓粗模具及沖頭，選擇了合理的加熱溫度和壓縮量，順利地完成了管端的加厚任務，一次鐓粗成型，見圖2。

圖2 管端加厚示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipe end thickening

我們采用整體熱處理(調質)設備對鉆桿進行整體調質處理，調質處理后對所有管子逐根進行了整體的熱校直和漏磁探傷測試，結果均符合API 5DP 鉆桿規范的要求。

力學性能是鉆桿的生命線，能否達標關系到后續施工的成敗。根據API 5DP標準的要求，我們對熱處理后的管子進行了破壞性試驗，包括管體和加厚端的屈服強度、抗拉強度、沖擊功等試驗，試樣及測試結果見圖3。

圖3 力學性能試樣Fig.3 Samples for mechanical property test

試驗數據見表1，管體和加厚端硬度檢驗在HB290～341范圍之內，試驗結果完全符合S135鋼級的要求。

表1 鉆桿力學性能檢測結果

螺紋的壽命決定了鉆桿的使用周期及施工中的安全性。因此，我們參照標準對螺紋進行了優化設計和結構選擇。除了對錐度、螺距和牙型的合理選擇外，我們還采用了雙臺肩結構設計，大大提升了螺紋部分的抗扭強度，與普通結構相比，性能大約提高30%。

在加工過程中，我們對螺紋的參數進行了嚴格控制，采用單線測量儀等儀器對錐度、螺距和緊密距進行了逐項檢驗和測量。螺紋加工完成后，對螺紋及密封面進行了磷化處理，有效地防止了粘扣現象。

上述螺紋加工完成后，我們抽取試驗樣件，采用液壓大鉗對其進行抗扭強度試驗。試驗分三處進行，上扣扭矩分別為2500 N·m、2800 N·m和4680 N·m，均滿足規定要求。試驗后對螺紋進行檢測，肉眼觀看螺紋表面無損壞，磁粉探傷檢測無裂紋，產品制造符合規定的強度要求。成品鉆桿見圖4。

圖4 成品鉆桿Fig.4 Finished drill pipe

本文除了對鉆桿結構和參數進行設計外，在螺紋優化方面進行了大量的研究與試驗，主要由于螺紋的性能直接影響鉆桿的使用壽命和施工安全性。為了保證鉆桿的質量，在鉆桿的加工制造過程中應做好以下幾方面工作。

(1) 鉆桿鐓粗后進行整體調質處理，嚴格控制其力學性能和工藝參數，把隱患消除在萌芽狀態。

(2) 加工螺紋時，螺紋表面的粗糙度要低，在加工過程中應做好防護，避免磕碰鉆桿螺紋和密封面。

(3) 嚴格控制螺紋參數，包括錐度、螺距和緊密距等，檢驗合格后進行磷化處理。

(4) 在管體端部加厚時，嚴格控制加厚的長度和過渡帶的加工質量。加厚段長度過短會影響后續的第二次螺紋修復；過渡帶不光滑、有凹坑，容易引起刺漏現象，影響鉆桿壽命甚至引起施工中的鉆具事故。

(5) 對操作人員做好難點的技術交底工作，提前做好操作人員的培訓。