反井鉆桿的研發(fā)與應(yīng)用

楊宏偉，李艷麗，滿國(guó)祥，朱立強(qiáng)，閆路，張慧杰，張麗敏，王洪煒

(石家莊探礦機(jī)械廠, 石家莊 050081)

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反井鉆桿的研發(fā)與應(yīng)用

楊宏偉，李艷麗，滿國(guó)祥，朱立強(qiáng)，閆路，張慧杰，張麗敏，王洪煒

(石家莊探礦機(jī)械廠, 石家莊 050081)

作者根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際過(guò)程對(duì)反井鉆桿的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，并成功地在反井施工中得到應(yīng)用，最后提出一些建議，旨在拓寬相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域。

反井;鉆桿；研發(fā)；應(yīng)用

0 引言

反井鉆桿是反井施工中的重要組成部分，也是施工成敗的關(guān)鍵部件。如果反井鉆桿的質(zhì)量不過(guò)關(guān)，將會(huì)導(dǎo)致工程的失敗并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文論述該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造中的要點(diǎn)及應(yīng)注意的事項(xiàng)，希望對(duì)選用和生產(chǎn)該產(chǎn)品有一定的參考價(jià)值。

1 反井鉆桿的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于反井鉆桿在施工過(guò)程中承受著拉、壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變應(yīng)力的作用，因此反井鉆桿必須具有較高的疲勞強(qiáng)度和剛度。螺紋部分的斷裂和磨損失效是反井鉆桿最常見的失效形式，對(duì)螺紋形式選擇、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、螺紋部分的強(qiáng)化處理是十分有必要的。

1.2 反井鉆桿結(jié)構(gòu)

外形尺寸：外徑214 mm，內(nèi)徑122 mm，長(zhǎng)度1 140 mm。結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 反井鉆桿結(jié)構(gòu)圖

1.3 材料的選擇及性能要求

反井鉆桿材料的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樗壬婕暗街圃斐杀居稚婕暗綗崽幚砗蟮牧W(xué)性能。如果只考慮成本而選用普通材料，那么力學(xué)性能就會(huì)達(dá)不到規(guī)定的要求，反井鉆桿在施工過(guò)程中容易出問(wèn)題。相反，如果盲目追求過(guò)高的力學(xué)性能就會(huì)造成成本的浪費(fèi)。因此我們要結(jié)合實(shí)際來(lái)考慮，在滿足強(qiáng)度要求的前提下選擇合適的材料。這里選擇AISI 4145H合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過(guò)整體調(diào)質(zhì)處理后達(dá)到表1的力學(xué)性能。

表1 力學(xué)性能要求

1.4 螺紋的優(yōu)化選擇和強(qiáng)化處理

螺紋部分的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)高度重視。地質(zhì)用細(xì)牙鉆桿、石油摩擦焊接鉆桿、鉆鋌等所有鉆具在使用過(guò)程中螺紋部分都是比較薄弱的環(huán)節(jié)，例如：螺紋的嚴(yán)重的磨損、粘扣、外螺紋根部的斷裂等。這些問(wèn)題都會(huì)給施工帶來(lái)不便，甚至整個(gè)鉆具掉入井內(nèi)，卻打撈不上來(lái)，造成更大經(jīng)濟(jì)上的損失。在這里我們對(duì)螺紋部分進(jìn)行了優(yōu)化選擇和強(qiáng)化處理。

(1)參照API標(biāo)準(zhǔn)選用螺紋錐度1∶6，每英寸4牙的粗牙螺紋；

(2)對(duì)螺紋部分采用數(shù)控機(jī)床精加工后，對(duì)其先進(jìn)行表面硬化處理，然后進(jìn)行磷化處理；

(3)考慮到使用過(guò)程中螺紋部分受到各種交變應(yīng)力的組合作用非常大，現(xiàn)對(duì)外螺紋和內(nèi)螺紋設(shè)計(jì)應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)，見圖1外螺紋的根部和內(nèi)螺紋終止處；

(4)由于使用過(guò)程中反井鉆桿的扭矩較大，現(xiàn)對(duì)螺紋部分采用雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)來(lái)提高抗扭強(qiáng)度。

2 制造的工藝流程及注意問(wèn)題

原材料選用直徑220 mm的圓鋼—打孔—整體調(diào)質(zhì)處理—無(wú)損檢測(cè)—力學(xué)性能檢測(cè)—截取長(zhǎng)度下料—機(jī)加工—螺紋硬化處理—磷化處理—噴漆等。在該制造過(guò)程中，必須注意要嚴(yán)格控制各個(gè)工序的精度和公差要求，包括以下幾個(gè)方面：

(1)內(nèi)孔的加工必須控制其偏心程度，一般可控制在中心的偏心度不能超過(guò)6.35 mm/m;

(2)每根原材料經(jīng)過(guò)整體調(diào)質(zhì)處理后必須進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)合格對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，符合表1的要求后，方可進(jìn)行機(jī)加工等后續(xù)工序；

(3)螺紋部分是反井鉆桿的薄弱環(huán)節(jié)，機(jī)加工必須控制其尺寸、加工精度和形位公差等內(nèi)容，并經(jīng)過(guò)螺紋試規(guī)的檢驗(yàn)。如果螺紋加工不符合上述要求，使用過(guò)程中容易造成螺紋損壞、粘扣等現(xiàn)象，造成不必要的麻煩；

(4)螺紋部分的硬化處理和磷化處理是防止粘扣的有效措施，在制造過(guò)程中是不容忽視的。

3 機(jī)械性能控制及試驗(yàn)

為了保證反井鉆桿在各種交變負(fù)荷下能夠保持良好的工作狀態(tài)，必須使反井鉆桿具備良好的機(jī)械性能。拉伸試樣在距離外表面25 mm位置，且距離端部0.9 m內(nèi)縱向切取，見圖2。按規(guī)定的0.2%殘余應(yīng)變的方法，采用圓柱試樣進(jìn)行試驗(yàn)。沖擊試樣取三個(gè)作為一組進(jìn)行試驗(yàn)，試樣如圖3。

圖2 拉伸試樣

圖3 沖擊試樣

通過(guò)試驗(yàn)得出力學(xué)性能數(shù)據(jù)如下：

屈服強(qiáng)度860 MPa，抗拉強(qiáng)度1 040 MPa，沖擊功88 J，伸長(zhǎng)率19%，硬度檢驗(yàn)HB 310，試驗(yàn)結(jié)果完全符合表1規(guī)定的要求。

4 反井鉆桿實(shí)物及使用效果

反井鉆桿經(jīng)過(guò)認(rèn)真設(shè)計(jì)后，根據(jù)客戶的要求進(jìn)行了批量生產(chǎn)并應(yīng)用到施工過(guò)程中，取得良好的效果。圖4為反井鉆桿的實(shí)例。

圖4 反井鉆桿實(shí)例

使用后我們對(duì)反井鉆桿進(jìn)行了檢測(cè)和記錄，具體情況如下：外徑比使用前磨損1 mm左右，在使用過(guò)程中沒有出現(xiàn)粘扣、斷扣現(xiàn)象，螺紋部分強(qiáng)度滿足要求；螺紋部分有輕微的磨損，螺紋密封端面密封可靠，經(jīng)檢測(cè)仍符合使用要求，總的來(lái)說(shuō)滿足客戶要求，得到了用戶的認(rèn)可。

5 反井鉆桿使用防護(hù)建議

(1)下井前做好反井鉆桿的檢驗(yàn)工作，不能讓“帶病”的鉆桿進(jìn)入孔內(nèi)。

(2)反井鉆桿在使用過(guò)程中，必須做好螺紋的防護(hù)工作，避免磕碰引起粘扣。

(3)單根鉆桿連接時(shí)，螺紋表面的臟污須清理干凈，并涂抹螺紋脂，防止螺紋過(guò)早損壞。

(4)反井施工過(guò)程中不能新舊鉆桿混合連接，并且連接過(guò)程中注意所連接2個(gè)鉆桿的同軸度，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不要強(qiáng)行上扣。

(5)搬運(yùn)過(guò)程或倉(cāng)庫(kù)存放時(shí)，必須戴好護(hù)帽。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的反井鉆桿結(jié)構(gòu)合理，性能等均達(dá)到指標(biāo)要求，并成功地應(yīng)用到實(shí)際之中，可以得到廣泛推廣。希望大家能夠從該產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程中獲益。

[1] ANSI/API Spec 7—1, 旋轉(zhuǎn)鉆柱構(gòu)件規(guī)范[S].

[2] 趙小軍, 趙鈞羨, 陳錫慶,等. 一種大直徑反井鉆桿接頭螺紋參數(shù)的優(yōu)化研究[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2014(10):67-71.

[3] 劉志強(qiáng). 大直徑反井鉆機(jī)及反井鉆進(jìn)技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2008(11).

2016-10-14

楊宏偉(1981-)，男，機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，高級(jí)工程師，從事鉆井設(shè)備、地質(zhì)鉆具的研發(fā)工作,石家莊市鹿泉區(qū)昌盛大街69號(hào)，Tel：13933089572，E-mail：1216516102@qq.com。

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