一種新型高強度鉆桿的研制

王慧嶺，滿國祥

（石家莊探礦機械廠，河北 石家莊050081）

1 概述

隨著全世界資源危機的出現(xiàn)，深部探礦工程迅速發(fā)展，對鉆具的質(zhì)量也提出了更高要求。在深部探礦鉆具中，鉆桿是必不可少的鉆具之一，是鉆柱的主要組成部分，也是地面旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)與鉆鋌、鉆頭連接的主要部件，通過它們達到轉(zhuǎn)盤帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，大鉤帶動鉆頭升降，泥漿送到井底形成循環(huán)，從而實現(xiàn)鉆頭破碎巖層并連續(xù)鉆進。鉆桿能否正常、安全地工作，是鉆探工程能否正常進行的關(guān)鍵之一，在鉆探工程中具有至關(guān)重要的地位。正常鉆進時，鉆桿在井下要承受拉伸、壓縮、扭曲等復(fù)雜交變應(yīng)力和泥漿酸化的影響，工作條件極為惡劣。隨著工作頻率的增大，使用時間過長，將形成疲勞裂紋，嚴(yán)重腐蝕坑等。因此，提高鉆桿抗交變應(yīng)力能力，對深部探礦施工，提高鉆桿使用效率，減少事故發(fā)生，從而提高探礦施工整體經(jīng)濟效益具有十分積極的意義。

2 鉆桿主要失效形式及部位

目前國內(nèi)外深部探礦鉆井施工中所用的高強度鉆桿都是利用摩擦焊接技術(shù)將接頭和桿體焊接成一體。鉆桿的質(zhì)量取決于鉆桿管體、接頭及焊接區(qū)域。鉆桿的失效形式主要是疲勞斷裂、腐蝕疲勞和超載；失效部位主要在鉆桿管體加厚過渡區(qū)、鉆桿接頭螺紋和焊縫區(qū)三個部位。因此，研究和改進鉆桿生產(chǎn)工藝技術(shù)，提高鉆桿抗交變應(yīng)力的能力也應(yīng)從這三個部位著手。

3 鉆桿管體加厚過渡區(qū)的研究

3．1 鉆桿管體材料的選擇

目前，市場廣泛使用的是R780鉆桿。我們選擇的是API標(biāo)準(zhǔn)中的G105鋼級鉆桿，兩種鋼級鉆桿性能參數(shù)見表1?？梢钥闯觯cR780鉆桿相比，G105鋼級鉆桿抗拉強度提高了1．7%（13MPa），屈服強度提高了39．2%（204MPa）。

3．2 鉆桿管體內(nèi)加厚過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鉆桿加厚過渡帶內(nèi)錐面在墩粗過程中容易出現(xiàn)褶皺、微裂紋等表面缺陷。鉆桿在使用過程中，加厚過渡帶容易形成應(yīng)力集中，尤其在狗腿井段部位所受的反復(fù)載荷作用下，表面容易形成疲勞裂紋源，導(dǎo)致刺漏甚至斷裂事故發(fā)生。

經(jīng)過分析研究，我們修改了鉆桿墩粗模具的結(jié)構(gòu)尺寸，將內(nèi)加厚過渡帶消失點提高至外加厚區(qū)域內(nèi)，見圖1，這樣應(yīng)力集中就不會出現(xiàn)在此位置，該處就不易形成疲勞裂紋源，可有效地保護鉆桿不從內(nèi)壁開裂。

圖1

4 接頭及螺紋的研究

4．1 接頭材料選擇

通過比較國內(nèi)各鋼廠鉆桿接頭用鋼的冶金質(zhì)量、熱處理要求，我們選擇的是江陰興澄特鋼有限公司生產(chǎn)的4137H鋼種，主要化學(xué)成分見表2。

4．2 熱處理工藝

我們選用鍛造接頭，對接頭材料進行反復(fù)鍛造，可消除或削弱材料中的帶狀組織。然后對接頭的熱處理進行了試驗研究，確定出調(diào)質(zhì)處理工藝為860℃×1．5h油冷＋600℃×2．5h水冷。處理后的接頭逐個進行表面硬度自動檢測和磁粉探傷，并根據(jù)爐號取樣進行破壞性試驗，試樣機械性能參數(shù)見表3。我國常用的鉆桿接頭技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對主要機械性能指標(biāo)的要求見表4。通過對比可以看出，接頭經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的機械性能遠遠高于API標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以滿足深井鉆探要求，同時可以滿足石油鉆桿接頭補充技術(shù)要求對低溫和橫向沖擊功的要求。

4．3 接頭螺紋的加工

（1）為保證螺紋精度和互換性，采用高精度數(shù)控機床和專門的成型刀具加工螺紋，盡量提高螺紋表面的光潔度。

（2）嚴(yán)格控制接頭螺紋的緊密距在合理的范圍之內(nèi)，公母螺紋之間最大正緊密距0．254mm，最大負緊密距0．381mm，保證螺紋嚙合良好。

（3）對螺紋進行磷化處理，防止粘扣。

4．4 無損檢測

加工后接頭全部進行熒光磁粉探傷檢測。

表1 兩種鋼級鉆桿機械性能對比

表2 4137H鋼化學(xué)成分

表3 調(diào)質(zhì)處理試樣機械性能

表4 鉆桿接頭技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)據(jù)

5 摩擦焊區(qū)的研究

目前國內(nèi)外深部探礦鉆井施工中所用的高強度鉆桿都是利用摩擦焊接技術(shù)將接頭和桿體焊接成一體。焊接質(zhì)量與轉(zhuǎn)速、摩擦?xí)r間、摩擦壓力、頂鍛壓力和工件頂鍛變形量有關(guān)。為了得到優(yōu)良的綜合機械性能，還需要對焊區(qū)進行退火和調(diào)質(zhì)處理（即淬火加高溫回火），最終得到的金相組織為回火索氏體。API標(biāo)準(zhǔn)中對鉆桿摩擦焊區(qū)機械性能要求見表5。

表5

5．1 焊接及熱處理設(shè)備

（1）摩擦焊接采用長春焊機廠生產(chǎn)的 C－132－J摩擦焊機。

（2）焊縫熱處理采用焊縫中頻調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線。

5．2 摩擦焊接工藝參數(shù)設(shè)計

摩擦焊接工藝輸入?yún)?shù)：主軸轉(zhuǎn)速，一級摩擦壓力、時間，二級摩擦壓力、時間，頂鍛壓力、時間。摩擦焊接工藝輸出參數(shù)：焊接壓縮量。其中，焊接壓縮量的控制是最為關(guān)鍵的，它是輸入?yún)?shù)的綜合體現(xiàn)。

摩擦焊接參數(shù)選擇遵循的原則：盡可能選擇大壓力、短時間，這樣既可以提高工作效率又可以減小熱影響區(qū)；焊前的焊接面要進行充分的預(yù)處理，這是焊縫純凈、焊接質(zhì)量穩(wěn)定的重要條件；焊機的參數(shù)監(jiān)控與反饋系統(tǒng)，確保焊接工藝。

式中：F為單位摩擦面積壓強，其中一級摩擦壓強選擇F1＝20MPa；二級摩擦壓強選擇F2＝50MPa；單位頂鍛壓強選擇F3＝120MPa；S為焊接端部面積，φ73摩擦焊鉆桿焊接處摩擦面積為S＝3773mm2；74800為焊機油缸面積，單位為mm2。

將以上各數(shù)值代入式中，計算得出：

一級摩擦壓力P1＝1．2 MPa；二級摩擦壓力P2＝2．7 MPa；三級摩擦壓力P3＝6．3 MPa

為了選擇更合適的參數(shù)組合，在理論計算焊接工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，對參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整，得到三組不同的摩擦焊接工藝參數(shù)并進行試驗，見表6。

表6

5．3 焊縫熱處理參數(shù)確定

5．3．1 焊區(qū)性能分析

焊區(qū)冷卻后形成鐵素體、珠光體和上、下貝氏體組織混合組織。鐵素體和珠光體塑性、韌性好但強度、硬度低；上貝氏體是熱處理當(dāng)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)的組織，韌性極差；下貝氏體強度、硬度高，韌性好?？梢钥闯?，這種混合組織綜合機械性能不高。

由于不同的組織轉(zhuǎn)變交叉進行，不同相的比容不同，引起晶體體積膨脹的不均勻產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力。再由于焊區(qū)與熱影響區(qū)溫差、管體心部與表面冷卻速度的不同又產(chǎn)生了一部分的熱應(yīng)力。組織應(yīng)力與熱應(yīng)力的綜合作用極易使焊區(qū)產(chǎn)生變形甚至開裂，所以要求焊后盡快消除應(yīng)力。

5．3．2 去應(yīng)力退火

采用中頻快速加熱，加熱溫度650℃，保溫60s，空氣中冷卻。

650℃快速加熱一方面消除了焊接應(yīng)力，再一方面由于加熱快、溫度低，不至于擴大熱影響區(qū)。但是相變并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變，綜合機械性能的調(diào)整還需要進一步的熱處理才能達到。

5．3．3 焊縫調(diào)質(zhì)處理

為了提高焊區(qū)的機械性能，我們采用前面提到的熱處理生產(chǎn)線對焊縫進行調(diào)質(zhì)處理，在對生產(chǎn)線進行調(diào)試和試應(yīng)用過程中，采用正交實驗的組合排列進行了工藝參數(shù)的確定工作，選取了最佳的工藝參數(shù)進行處理并得到了很好的焊縫機械性能，工藝參數(shù)選擇見表7。

根據(jù)焊區(qū)的壁厚選擇電源的中頻頻率，目的是采用中頻的透入式加熱，使內(nèi)外溫度同時升高。焊區(qū)加熱到840℃，焊區(qū)混合組織發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，統(tǒng)一轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體并在保溫時間內(nèi)均勻組織，采用專用淬火劑以大于臨界冷卻速度Vk進行冷卻達到馬氏體。淬火后由于應(yīng)力大、硬度高沒有使用價值，需要進行高溫回火處理調(diào)整改善組織，加熱到660℃保溫8分鐘，淬火馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織，回火索氏體強度相對較高，韌性好，有良好的綜合機械性能。

5．4 試驗及試驗結(jié)果

（1）宏觀檢驗：焊區(qū)不存在焊接裂紋、未熔合等缺陷。

（2）硬度檢測：全部合格。

（3）無損檢測：磁粉探傷檢驗全部合格。

（4）機械性能試驗見表8。

表7

表8

結(jié)論：通過對比，第三組數(shù)據(jù)較好，鉆桿各項性能指標(biāo)均不同程度超過了API 5DP中G級鉆桿的要求，達到了我們的設(shè)計要求。

6 生產(chǎn)及應(yīng)用情況

鉆桿研發(fā)成功后，已經(jīng)先后投產(chǎn)20000多米，湖南某進出口公司2000余支，鉆探深度2000m。江蘇煤田局200余支，鉆探深度2300m，均已投入使用，并圓滿地完成了鉆探任務(wù)。其中湖南2000余支鉆桿使用時間已經(jīng)過了簽訂的質(zhì)量保證期，對方未提出任何質(zhì)量問題，證明所研制的鉆桿能夠滿足深部探礦施工的要求。

［1］馮少波等．一種新型鉆桿加厚過渡帶結(jié)構(gòu)及其力學(xué)分析［J］．石油管工程，2006，12（1）．

［2］譚淑梅．石油鉆桿接頭熱處理工藝［J］．油氣田地面工程，2007，26（1）．

［3］王振志，李艷麗等．旋轉(zhuǎn)臺肩式螺紋的粘扣問題分析［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（1）．

［4］王新虎等．近年來我國石油鉆具失效的類型與原因分析［J］．石油管工程，2007，13（2）．