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      特深孔地質(zhì)巖心鉆探鉆孔口徑及管柱規(guī)格研究

      2019-09-21 02:50:50孫建華王志喬蔡紀(jì)雄李鑫淼
      鉆探工程 2019年8期
      關(guān)鍵詞:繩索口徑鉆桿

      梁 健, 尹 浩, 孫建華, 王志喬, 蔡紀(jì)雄, 李鑫淼

      (1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所, 河北 廊坊 065000; 2.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院, 北京 100083;3.無錫鉆探工具廠有限公司, 江蘇 無錫 214147)

      0 引言

      深地探測是地球科學(xué)的最前沿,被看成是解決人類面臨能源資源和生存空間基本問題的必由之路,深地開拓科技問題已提升到戰(zhàn)略高度[1-2]。深部鉆探作為必要的技術(shù)手段之一,目前我國尚缺失5000 m以深地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)與裝備,而油氣鉆井與地質(zhì)巖心鉆探差異大,無法直接應(yīng)用[3]。為響應(yīng)黨中央“向地球深部進(jìn)軍”的號召,全面實(shí)施深地探測、深海探測、深空對地觀測和土地工程科技“四位一體”的科技創(chuàng)新戰(zhàn)略,亟需開展大深度智能地質(zhì)鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研發(fā),包括開展復(fù)雜地層鉆進(jìn)智能控制、地質(zhì)巖心鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制、大深度高性能薄壁繩索取心鉆桿研制、小口徑高效系列鉆具研究、環(huán)保沖洗液體系與廢漿處理技術(shù)等,突破智能控制、高效鉆進(jìn)、輕量化與模塊化等關(guān)鍵技術(shù),為探索地球深部奧秘、勘探深部資源等提供有力的技術(shù)裝備支撐。

      近年來,多個(gè)部門先后設(shè)計(jì)和施工了3000 m以深的地質(zhì)巖心鉆孔,其中山東萊州“中國巖金第一鉆”于2013年5月29日終孔,終孔深度4006.17 m,創(chuàng)我國地質(zhì)巖心鉆探深度紀(jì)錄[4]。深孔地質(zhì)巖心鉆探“滿眼”鉆進(jìn)的服役工況更加復(fù)雜,其將遇到的困難與挑戰(zhàn)可概括為“地層多變性、連續(xù)取心難、環(huán)空間隙小、孔壁摩阻大、地表驅(qū)動(dòng)難、送鉆精度低、鉆孔口徑小、鉆具輸出弱”。隨著鉆孔深度的不斷增加、工作難度的持續(xù)增大,深孔施工過程中鉆孔事故率大幅度增大,其中不同程度地存在著鉆桿柱極限承載力低、韌性不足致使鉆桿斷裂、螺紋拉脫,以及口徑系列不匹配致使沖洗液環(huán)空壓力降偏大,易發(fā)生鉆孔漏失和孔壁不穩(wěn)定等技術(shù)問題[5-10],采用常規(guī)工藝技術(shù)難以滿足鉆探要求。

      因此,針對5000 m特深孔地質(zhì)巖心鉆探基礎(chǔ)準(zhǔn)則與依據(jù)缺失,制定鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆具級配、裝備配置等規(guī)范,構(gòu)建以繩索取心為主的特深孔多工藝地質(zhì)鉆探技術(shù)體系是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[11]。本文參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并綜合其他工程實(shí)踐作為參考,開展5000 m地質(zhì)鉆探鉆孔口徑、管柱規(guī)格等設(shè)計(jì)與計(jì)算,方案兼顧推廣應(yīng)用現(xiàn)實(shí)需求,優(yōu)化和加強(qiáng)以H、P作為深部固體礦產(chǎn)鉆探主要口徑,做好152 mm以上口徑產(chǎn)品研制工作,并完成了現(xiàn)行方案與國內(nèi)外深部鉆探案例對比分析。

      1 國內(nèi)外深孔巖心鉆探口徑系列及管柱規(guī)格

      1.1 德國GewerkschaftWaler AG公司

      以繩索取心鉆探工藝為基礎(chǔ),發(fā)展了H/P/S三種鉆孔口徑和管柱規(guī)格,可解決最大深度分別為4500和4000 m的鉆孔(見表1)。當(dāng)鉆桿柱被迫留在孔內(nèi)時(shí)可當(dāng)套管使用,用次一級較小鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn),即下一開次鉆頭直徑小于本開次鉆桿最小內(nèi)徑。鉆桿加大了管體壁厚,增加了鉆桿柱的剛度和耐腐蝕能力,減小了巖心直徑;同時(shí),改進(jìn)鉆桿的尺寸公差(壁厚、同軸度、直線度等),顯著減少鉆桿柱的振動(dòng);接頭與桿體摩擦焊接,螺紋為改進(jìn)的API螺紋,多次擰卸磨損較小。以上措施使鉆桿柱的安全性和可靠性大幅增加,其平均壽命達(dá)到12000 m。

      1.2 德國大陸深鉆計(jì)劃(KTB)先導(dǎo)孔

      舉世矚目的位于普法爾茨的聯(lián)邦德國大陸深鉆計(jì)劃(KTB)先導(dǎo)孔經(jīng)歷560d的鉆探施工,于1989年4月4日,以4000.1 m的深度達(dá)到其科學(xué)目的。從480~3893 m的孔段,采用了繩索取心鉆探工藝,總進(jìn)尺3142.6 m,取得巖心3074.66 m,巖心采取率97.84%。先導(dǎo)孔鉆孔設(shè)計(jì)四開完鉆,其中三開技術(shù)套管為活動(dòng)套管,可實(shí)現(xiàn)超前裸眼鉆進(jìn),以解決地層復(fù)雜致使鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開次不足的問題。KTB先導(dǎo)孔的鉆孔及套管程序見圖1。

      表1 GW-深孔鉆探繩索取心系統(tǒng)

      注:杜祥麟(翻譯);劉廣志(校核). Modern exploration by deep slim hole drilling and wire line coring. (內(nèi)部資料)

      圖1 KTB先導(dǎo)孔的鉆孔及套管程序

      KTB先導(dǎo)孔工程研究結(jié)果表明:重新設(shè)計(jì)包括鉆桿在內(nèi)的繩索取心鉆進(jìn)系統(tǒng),除了設(shè)計(jì)鉆桿外,還要設(shè)計(jì)專用的鉆鋌(見表2);鉆桿的抗拉強(qiáng)度構(gòu)成了最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;鉆頭及巖心管的尺寸要依據(jù)鉆桿的設(shè)計(jì)而定;鉆桿長度9 m,結(jié)構(gòu)為外平內(nèi)加厚形式;采用屈服強(qiáng)度為965MPa的優(yōu)質(zhì)合金鋼制作接頭,采用屈服強(qiáng)度725 MPa的合金鋼作為鉆桿體;鉆桿體兩端鐓粗,以摩擦焊接方法與接頭連接在一起;鉆桿外平減少了卡鉆的危險(xiǎn),另外減小了小環(huán)空高轉(zhuǎn)速情況下的鉆桿柱摩擦。

      表2 KTB先導(dǎo)孔繩索取心鉆桿柱的技術(shù)參數(shù)

      注:楊志豪, 張偉(翻譯);王達(dá)(校對). 聯(lián)邦德國大陸深鉆計(jì)劃-鉆探技術(shù)報(bào)告. (KTB-Report95-3內(nèi)部資料)

      1.3 夏威夷科鉆

      夏威夷科學(xué)鉆孔設(shè)計(jì)孔深為4500 m,終孔深度4419.6 m,全孔連續(xù)取心,采用了“復(fù)合式”鉆桿柱設(shè)計(jì),即由上部?88.9 mm高強(qiáng)度的Hydril 501油管柱(套管內(nèi))和下部常規(guī)HMCQ繩索取心鉆桿(裸眼內(nèi))組合而成[12-13],見表3。施工采用了超前裸眼鉆進(jìn),全孔的取心鉆進(jìn)孔徑統(tǒng)一為?98.4 mm,遇復(fù)雜地層無法鉆進(jìn)時(shí),通過擴(kuò)孔來加大孔徑并下套管。

      表3 夏威夷深孔繩索取心系統(tǒng)

      1.4 中國大陸科鉆CCSD-1井繩索取心鉆進(jìn)預(yù)案

      中國大陸科鉆CCSD-1井井身結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)原則為“少下套管,裸眼終孔”,加之地質(zhì)情況不明,設(shè)計(jì)方案有兩個(gè)體系,即繩索取心體系和提鉆取心體系[14]。繩索取心體系井身結(jié)構(gòu)見圖2;鉆具組合參數(shù)見表4。CCSD-1井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案僅給出了套管程序徑向級配尺寸,套管的下入深度還需根據(jù)具體地層信息確定。A設(shè)計(jì)使用長年CHD134和CHD101兩套鉆具,鉆桿可做套管使用;如遇復(fù)雜情況,CHD76或NBQ鉆具可做儲(chǔ)備口徑。B設(shè)計(jì)第二層為146 mm口徑,下?127 mm套管,然后換95 mm口徑,用?91 mm加重繩索取心鉆具鉆至終孔;如遇復(fù)雜情況,?71 mm加重繩索取心鉆具做為儲(chǔ)備口徑。

      圖2 CCSD-1井繩索取心鉆進(jìn)預(yù)案

      表4 長年CHD-深孔繩索取心系統(tǒng)

      1.5 中國巖金勘查第一深鉆

      山東萊州西嶺金礦區(qū)ZK96-5鉆孔被譽(yù)為“中國巖金第一深鉆”,五開完鉆、終孔口徑75 mm、孔深4006.17 m,最終鉆孔結(jié)構(gòu)見圖3。其中,在五開鉆進(jìn)至3300~4006.17 m時(shí),由于N規(guī)格繩索取心鉆桿能力的不足,使用了復(fù)合鉆桿柱技術(shù),即下部配2800 m的常規(guī)N規(guī)格(?71 mm)繩索取心鉆桿,上部采用?60 mm特制外絲鉆桿[4]。在取心作業(yè)時(shí),先提出上部?60 mm特制外絲鉆桿后,再下入打撈器打撈巖心。復(fù)合鉆桿柱技術(shù)解決了S75繩索鉆桿能力不足的缺陷,增加了輔助時(shí)間。我國常規(guī)繩索取心鉆桿常用規(guī)格系列見表5。

      表5 我國常規(guī)繩索取心鉆桿規(guī)格系列

      圖3“中國巖金第一深鉆”ZK96-5孔孔身結(jié)構(gòu)

      Fig.3Borehole structure of ZK96-5

      綜上所述,在采用繩索取心鉆進(jìn)工藝為主體的前提下,德國GewerkschaftWaler AG公司和中國大陸科鉆CCSD-1井預(yù)案采用了重型繩索取心鉆具體系設(shè)計(jì)思路,2~3開次完鉆;夏威夷科鉆和巖金勘查第一深鉆為復(fù)合鉆桿柱的設(shè)計(jì)思路;同時(shí),德國大陸科鉆KTB與夏威夷科鉆采用超前裸眼鉆進(jìn)。

      2 環(huán)空水力學(xué)計(jì)算

      2.1 泥漿壓力損耗理論

      特深孔地質(zhì)巖心鉆探循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗問題相對復(fù)雜,由于循環(huán)系統(tǒng)管路不規(guī)則,加之泥漿的流變特性變化較大,為此在工程上要進(jìn)行簡化計(jì)算,即將泥漿看作賓漢流體、鉆頭外徑與裸眼直徑相等。根據(jù)水力學(xué)伯努利方程,可推導(dǎo)出計(jì)算壓耗的基本公式[15]。

      (1)地表管匯壓力損耗。

      +L3/d34.8+L4/d44.8)

      (1)

      (2)鉆桿柱內(nèi)壓力損耗。

      對于層流:

      (2)

      對于紊流:

      (3)

      (3)鉆頭水口壓力損耗。

      (4)

      (4)環(huán)空壓力損耗。

      對于層流:

      (5)

      對于紊流:

      (6)

      2.2 鉆孔口徑優(yōu)化與套管程序選擇

      通過計(jì)算各開次裸眼鉆進(jìn)時(shí)的理論壓耗、泵功率及碎巖面積等,確定合理鉆頭直徑,以選用最優(yōu)套管規(guī)格,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化現(xiàn)有鉆孔口徑系列和套管程序等。同時(shí),由于無具體地層信息,套管的下入深度無法確定,但當(dāng)某一開次無論套管下深多少,由式(6)可知,在保證裸眼流速及塑性粘度一致的前提下,如有套管且間隙合理,其泵功率、循環(huán)壓降相對基于下一開次裸眼口徑計(jì)算的結(jié)果一定降低,碎巖面積不變,也就是說基于裸眼計(jì)算具有其合理性,計(jì)算出的泵功率及循環(huán)壓降為最大值。因此,本文計(jì)算是基于裸眼鉆進(jìn)開展的,低(或無)固相泥漿密度1.05 g/cm3,塑性粘度0.001 Pa·s,裸眼環(huán)空流速1.5 m/s;一開設(shè)計(jì)孔深4500 m,二開孔深5000 m,三開孔深5500 m;從鉆桿柱剛度、抗腐蝕能力、標(biāo)準(zhǔn)管體規(guī)格等方面考慮,鉆桿體分別選為:一開?139.7/125.36/7.17 mm、二開?114.3/100.54/6.88 mm、三開?88.9/77.9/5.50 mm(外徑OD/內(nèi)徑ID/壁厚S)。

      圖4~6是不同開次裸眼鉆進(jìn)理論壓耗、泵功率、碎巖面積等隨鉆孔直徑變化的趨勢圖。從圖中可知,隨著鉆孔口徑的增大,泥漿循環(huán)壓降降低、碎巖面積增加,一開鉆進(jìn)的泵功率降低、二開和三開的泵功率先降后升;其中三個(gè)開次的泵功率變化在1.5~4.0 kW,影響不大,因此循環(huán)壓降和碎巖面積成為優(yōu)選鉆孔口徑的最重要因素;綜合得出一開最優(yōu)口徑為155~156 mm,二開最優(yōu)口徑為126~128 mm,三開最優(yōu)口徑為101 mm;同時(shí),從現(xiàn)行國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的套管規(guī)格來看,一開套管規(guī)格選用分界口徑為154 mm,二開套管規(guī)格選用分界口徑為124 mm,三開套管規(guī)格選用分界口徑為101 mm。

      圖4一開裸眼鉆進(jìn)理論壓耗、泵功率等變化趨勢

      Fig.4Variation trends of theoretical pressure loss and pump power in first open-hole section drilling

      圖5 二開裸眼鉆進(jìn)理論壓耗、泵功率等變化趨勢

      圖7是一開裸眼鉆進(jìn)孔內(nèi)壓耗分布圖。從圖中可知,泥漿壓力損耗主要集中在外環(huán)空的壓力損耗,占總壓力損耗的93.3%;地表管線壓力損耗可忽略不計(jì);由于碎巖后巖粉和孔壁造漿作用,鉆孔外環(huán)空與內(nèi)環(huán)空液柱壓差占總壓力損耗的0.2%。

      圖8是一開裸眼鉆進(jìn)?152 mm(現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)口徑)與?156 mm(本文一開優(yōu)選口徑)鉆孔直徑的碎巖面積、壓力損失等參數(shù)變化比率圖。從圖中可知,鉆孔直徑增加后,156 mm鉆孔口徑的泵功率升高2.4%,環(huán)空壓耗下降33.7%,碎巖面積增加12%。

      綜合以上計(jì)算與分析,給出了優(yōu)化后的口徑系列和套管程序見表6。

      圖6三開裸眼鉆進(jìn)理論壓耗、泵功率等變化趨勢

      Fig.6Variation trends of theoretical pressure loss and pump power in third open-hole section drilling

      圖7 一開裸眼鉆進(jìn)孔內(nèi)壓耗分布圖

      圖8 一開裸眼鉆進(jìn)?152 mm與156 mm口徑參數(shù)變化比率

      表6 水力學(xué)優(yōu)化后的鉆孔口徑和套管程序

      3 鉆桿等強(qiáng)度設(shè)計(jì)

      本文的鉆桿設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下:

      (1)鉆桿等強(qiáng)度設(shè)計(jì),即接頭螺紋根部截面屈服強(qiáng)度不小于桿體強(qiáng)度、內(nèi)外螺紋強(qiáng)度基本一致。

      (2)鉆桿端部加厚形式包括外平內(nèi)加厚、內(nèi)平外加厚及內(nèi)外加厚形式,加厚形式應(yīng)綜合考慮應(yīng)用孔深、鉆進(jìn)工藝、內(nèi)管投放、事故處理、起下鉆坐卡及其自動(dòng)化操作等。

      (3)接頭與桿體連接形式(螺紋連接、加厚直聯(lián)、摩擦焊直聯(lián))、加厚端尺寸、螺紋等應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)制造中設(shè)備生產(chǎn)參數(shù)綜合考慮。

      鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算思路框架見圖9。

      3.1 鉆桿結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系

      根據(jù)圖10的鉆桿結(jié)構(gòu)關(guān)系與等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,建立了母接頭壁厚≥公接頭壁厚、接頭壁厚≥桿體壁厚、螺紋小徑+2倍牙高=螺紋大徑、臺肩+螺紋縱向尺寸=接頭壁厚的尺寸關(guān)系計(jì)算模型:

      圖9 鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算思路

      (7)

      式中:S母端——母接頭近端部橫截面積,mm;S公根——公接頭根部橫截面積,mm;Do——接頭外徑,mm;Di——接頭內(nèi)徑,mm;do——鉆桿體外徑,mm;di——鉆桿體內(nèi)徑,mm;x1——公螺紋臺肩徑向?qū)挾?,mm;x2——母螺紋根部臺肩徑向?qū)挾?,mm;d根大——公接頭螺紋大端大徑,mm;d端大——公接頭螺紋小端大徑,mm;d根小——公接頭螺紋大端小徑,mm;d端小——公接頭螺紋小端小徑,mm;L——螺紋長度,mm;P——螺距,mm;Cone——螺紋錐度。

      圖10 接頭及桿體結(jié)構(gòu)示意圖

      鉆桿接頭螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖11、圖12所示。圖12中:d為螺紋有效平均最大直徑,mm;d1為螺紋有效平均最小直徑,mm;d2為螺紋有效平均直徑,mm。

      3.2 鉆桿的受力分析

      鉆進(jìn)過程中,鉆桿柱運(yùn)動(dòng)及受力極其復(fù)雜,包括自轉(zhuǎn)、渦動(dòng)、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向振動(dòng)等[16-20]。以靜力學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ),鉆桿的抗拉強(qiáng)度構(gòu)成了其最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在不考慮動(dòng)載荷的影響下,鉆桿體部分受到自重拉伸與工作扭矩扭轉(zhuǎn)的作用;除此之外,鉆桿接頭還受到上扣扭矩的影響,同時(shí)接頭處還存在螺紋連接結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行螺紋末端軸向力的確定時(shí),除考慮自重產(chǎn)生的Fa,還需要考慮上扣扭矩Tu與工作扭矩對螺紋所受軸向力的影響(如圖13所示)。

      圖11 螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

      圖12 螺紋徑向參數(shù)示意圖

      圖13 鉆桿接頭螺紋面及端部受力示意圖

      (1)鉆桿自重產(chǎn)生軸向力為:

      Fa=G桿Ka=ρglπ(do2-di2)Ka·106/4

      (8)

      式中:Fa——自重產(chǎn)生的軸向力,kN;ρ——合金鋼密度,g/cm3;l——鉆桿柱長度,m;K——浮力系數(shù);a——接頭增重系數(shù)。

      (2)由上扣扭矩Tu產(chǎn)生的接頭所受軸向力Fu為[21]:

      (9)

      其中,預(yù)緊應(yīng)力與破壞應(yīng)力之比為:

      σu/σs=0.35(1+1/Q)

      (10)

      式中:Fu——上扣扭矩Tu產(chǎn)生的接頭所受軸向力,kN;Tu——上扣扭矩,N·m;ψ——螺紋螺旋升角,(°);ρ′——當(dāng)量摩擦角,ρ′=arctan{μ/cos〔arctan(tanβtanψ)〕},(°);μ——有潤滑脂作用下的螺紋動(dòng)摩擦系數(shù),取值0.1;β——牙型半角,(°);Q——預(yù)緊系數(shù),考慮到接頭為沖擊或動(dòng)力擰緊,Q取值為2。

      綜上所述,推導(dǎo)得出由于預(yù)緊產(chǎn)生的公螺紋軸向拉力為:

      Fu=0.131πσs(d12-Di2)

      (11)

      式中:Fu——上扣扭矩Tu產(chǎn)生的接頭所受軸向力,kN;σs——上鉆桿接頭材料屈服強(qiáng)度,GPa;

      (3)鉆進(jìn)過程中,鉆桿接頭承受鉆頭與地層間以及鉆桿與井壁(套管)間碎巖、摩擦的反扭T而產(chǎn)生的軸向力為Fb,其中T井壁與T鉆頭根據(jù)鉆井實(shí)測數(shù)據(jù)歸納的公式計(jì)算。

      T=T井壁+T鉆頭

      (12)

      T井壁=πdoε1l/1000

      (13)

      T鉆頭=πdo2ε2

      (14)

      由此可推導(dǎo)出反扭T而產(chǎn)生的軸向力為Fb,公式如下:

      (15)

      式中:T——工作扭矩,N·m;T井壁——井壁對鉆桿產(chǎn)生的反扭矩,N·m;T鉆頭——地層對鉆頭產(chǎn)生的反扭矩,N·m;Fb——工作扭矩T產(chǎn)生的接頭所受軸向力,kN;l——鉆孔深度,m;do——鉆桿桿體外徑,mm;ε1=2.65,ε2=0.011。

      3.3 鉆桿的強(qiáng)度要求

      隨著孔深的不斷增加,孔口處鉆桿所受軸向拉力逐漸增加,得益于上扣扭矩的預(yù)緊作用,螺紋牙上的接觸壓力基本保持不變,扭矩產(chǎn)生的臺肩面之間的擠壓力逐漸減小[22],當(dāng)上扣扭矩產(chǎn)生的臺肩擠壓力為零時(shí),鉆桿柱長度達(dá)到設(shè)計(jì)的使用長度,即上扣扭矩產(chǎn)生的螺紋軸向力不小于設(shè)計(jì)鉆桿柱總重力Fa。因此,鉆桿接頭承受總的軸向力F取Fa與Fb之和。

      3.3.1 接頭的拉伸與扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

      接頭除去螺紋部分占用空間外的有效抗拉強(qiáng)度校核公式如下:

      (16)

      式中:σ拉——鉆桿接頭螺紋大端根部橫截面受到的軸向拉應(yīng)力,GPa;F——接頭所承受的總的軸向拉力,kN;S公根——公接頭根部危險(xiǎn)斷面面積,mm2;[σs]——接頭材料的許用拉應(yīng)力,取0.9σs,GPa。

      接頭除去螺紋部分占用空間外的有效扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核公式如下:

      (17)

      式中:τ扭——鉆桿接頭受到的切應(yīng)力,GPa;Wp——扭轉(zhuǎn)截面系數(shù),mm3。

      3.3.2 螺紋的剪切強(qiáng)度

      假設(shè)剪應(yīng)力平均分布在牙根端面上,由螺紋沿周向懸臂梁根部斷面剪切,其剪切強(qiáng)度條件為:

      (18)

      簡化后為:

      (19)

      式中:Fs——接頭螺紋所承受的剪切力,取F,kN;Sr——齒根面積,mm2;ρ——摩擦角,ρ=arctanμ;z——螺紋有效作用牙數(shù),z=L/P-2;b——螺紋牙底寬,mm;[τ]——接頭材料的許用剪應(yīng)力,取0.65σb,GPa。

      3.3.3 螺紋的彎曲強(qiáng)度

      將螺紋牙展開,在螺紋齒高中點(diǎn)處受到平均分布力FM/z作用下的懸臂梁,其最大彎曲應(yīng)力為[23]:

      (20)

      式中:FM——螺紋側(cè)面受到的分布載荷沿軸向的合力,取F,kN;h——螺紋齒高,mm;[σw]——許用彎曲正應(yīng)力,取σs,GPa。

      3.3.4 螺紋的擠壓強(qiáng)度

      (21)

      式中:Fp——接頭螺紋所承受的擠壓力,取F,kN;[σp]——材料的許用擠壓應(yīng)力,取2σb,GPa;Sp——螺紋承受擠壓的面積,mm2。

      3.3.5 自鎖

      ψ=arctan(P/πd2)≤ψv=arctanρ′

      (22)

      3.4 螺紋參數(shù)強(qiáng)度校核

      3.4.1 公螺紋大端小徑d根小

      將式(16)和式(17)分別代入下式可計(jì)算出螺紋大端小徑d根小的最小值。

      (23)

      式中:n——設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

      3.4.2 螺紋長度L

      假設(shè)接頭根部被拉伸破壞時(shí),螺紋牙也被擠壓破壞,可進(jìn)行螺紋長最小值Lmin的計(jì)算。即,滿足S公根/Sp=[σp]/[σs],可推出:

      (24)

      式中:R1、R2——螺紋齒頂、齒根的圓角半徑,mm;scf——螺紋應(yīng)力集中因子,可取0.6。

      根據(jù)螺紋幾何關(guān)系,可推出:

      d+d1=2d根小-Cone(L-2P)+2h

      (25)

      將式(25)代入式(24),解關(guān)于Lmin的一元二次方程,可得到Lmin。

      3.4.3 螺紋牙高h(yuǎn)

      假設(shè)接頭根部被拉伸破壞時(shí),螺紋牙也被擠壓破壞,可進(jìn)行螺紋牙高最小值hmin的計(jì)算,即:

      (26)

      將式(25)代入式(26),解關(guān)于hmin的一元二次方程,可得到hmin。

      3.4.4 螺距P

      根據(jù)式(21)可推導(dǎo)出螺距最大值Pmax,即:

      (27)

      將式(25)代入式(27),解關(guān)于Pmax的一元二次方程,可得到Pmax。

      3.4.5 接頭外徑Do

      根據(jù)受力滿足第四強(qiáng)度理論及式(7),可計(jì)算出接頭外徑Do。

      3.5 鉆桿結(jié)構(gòu)及螺紋參數(shù)計(jì)算結(jié)果

      選用國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的鉆桿體規(guī)格,并由表6可知各開次設(shè)計(jì)深度,給定設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2.0、選擇API標(biāo)準(zhǔn)中S135鋼級強(qiáng)度;假定鉆桿定尺長度為9 m、接頭的增重系數(shù)為1.05、泥漿密度1.05 g/cm3,可計(jì)算出鉆桿柱的懸重及確定其上扣扭矩值。再結(jié)合式(7)、(16)~(21)及(23),并考慮鉆孔直徑與繩索取心工藝需求,可計(jì)算出接頭外徑Do與內(nèi)徑Di以及螺紋大端大徑d根大與螺紋小端大徑d端大;以及給定的牙型角、螺紋錐度、螺距、螺紋長度、牙高等,根據(jù)式(24)~(27)求出Lmin、hmin、Pmax,驗(yàn)證最初給定的L、h、P是否合理,不合理根據(jù)計(jì)算出的極值重新給定。

      綜合以上計(jì)算,給出了鉆孔直徑、套管程序、鉆桿尺寸和螺紋參數(shù)計(jì)算結(jié)果(見表7)。從表7中可知,與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相比,各開次鉆孔直徑加大,增加了鉆頭的碎巖面積,潛在的降低了機(jī)械鉆速,但環(huán)空壓耗的下降為孔底動(dòng)力鉆具使用留有壓降空間,還可抑制由于高泵壓帶來的鉆孔漏失和孔壁不穩(wěn)定等問題,同時(shí)適當(dāng)加大的鉆桿柱外環(huán)空間隙降低了管柱與孔壁的碰撞概率和摩擦阻力;由于設(shè)計(jì)鉆深的加大,從鉆桿柱剛度、抗腐蝕能力等方面考慮,參考標(biāo)準(zhǔn)適量增加了桿體的壁厚;依據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則,綜合考慮環(huán)空間隙、螺紋參數(shù)、內(nèi)管打撈投放以及孔口操作等事宜,鉆桿接頭結(jié)構(gòu)確定為內(nèi)外加厚形式,適度的外加厚(單邊3 mm左右)既有效滿足繩索取心鉆進(jìn)工藝需求,還可高效滿足起下鉆坐卡及其自動(dòng)化操作,同時(shí)在不過多“犧牲”巖心直徑的條件下,滿足了內(nèi)管總成的高效投放與打撈;加大了螺紋錐度可有效提高加接單根時(shí)螺紋的對中性;通過增加螺紋長度和螺紋扣高,優(yōu)化設(shè)計(jì)接頭尺寸,使得整體管柱的結(jié)構(gòu)與環(huán)空尺寸合理化。

      表7 外徑/內(nèi)徑計(jì)算優(yōu)化的鉆桿結(jié)構(gòu)和套管程序

      注:給定值為計(jì)算的前提條件值;計(jì)算值為按算法計(jì)算后的數(shù)值;選擇值是根據(jù)計(jì)算值和給定值查詢標(biāo)準(zhǔn)后選擇的數(shù)據(jù)。

      4 結(jié)論

      綜上研究和分析,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

      (1)5000 m深孔繩索取心鉆進(jìn)應(yīng)以重型取心鉆具體系設(shè)計(jì)為主導(dǎo)思路,2~3開次完鉆或采用超前裸眼鉆進(jìn)方法,必要時(shí)可考慮復(fù)合鉆桿柱組合設(shè)計(jì)。

      (2)通過環(huán)空水力學(xué)計(jì)算,優(yōu)化了不同開次的鉆孔直徑,結(jié)果顯示降低了環(huán)空壓耗,泵功率變化不大,碎巖面積增大,為孔底動(dòng)力鉆具使用留有壓降空間,初步形成了深孔巖心鉆探新的鉆孔口徑系列。

      (3)以靜力學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ),鉆桿軸向力為主的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)構(gòu)成了最重要的基本準(zhǔn)則,在滿足繩索取心“滿眼”鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)的同時(shí),為獲得盡量大的巖心及便于薄壁金剛石鉆頭的使用,鉆桿加厚形式為內(nèi)外鐓粗。

      (4)適當(dāng)增加的鉆桿體壁厚,增加了鉆桿柱剛度、抗腐蝕能力,但減小了巖心直徑;需重新設(shè)計(jì)包括鉆桿在內(nèi)的繩索取心鉆進(jìn)系統(tǒng)。

      (5)鉆頭、內(nèi)管總成及專用鉆鋌(或加重鉆桿)的尺寸要依據(jù)鉆桿的設(shè)計(jì)而定,等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法使鉆桿柱重力與接頭尺寸之間的關(guān)系達(dá)到最佳化。

      (6)鉆桿采用直聯(lián)結(jié)構(gòu),與摩擦焊相比,可保證鉆桿的尺寸公差(壁厚、同軸度、直線度),會(huì)顯著減少鉆桿柱的振動(dòng);與螺紋連接相比,減小了螺紋處薄弱點(diǎn)數(shù)量,增加了孔內(nèi)作業(yè)的安全性和可靠性,但鉆桿矯直需要增加工序。

      (7)后續(xù)設(shè)計(jì)中還可增加螺紋防磨和密封及接頭耐磨帶技術(shù),采用技術(shù)可靠并且經(jīng)濟(jì)的制造方法。

      (8)計(jì)算中給出了不同開次鉆進(jìn)時(shí)所需的泵量與泵壓,可為后續(xù)泥漿泵設(shè)計(jì)與優(yōu)選提供技術(shù)參考。

      致謝:在特深孔地質(zhì)巖心鉆探鉆孔口徑及管柱規(guī)格的論證過程中,得到了中國地質(zhì)調(diào)查局王達(dá)教授級高工和張偉教授級高工、中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所張金昌教授級高工和劉凡柏教授級高工、中國地質(zhì)調(diào)查局探礦工程研究所陶士先教授級高工、中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司石智軍研究員、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)劉寶林教授和王成彪教授、中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司劉躍進(jìn)教授級高工和朱江龍教授級高工、山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊(duì)陳師遜教授級高工、無錫鉆探工具廠有限公司彭莉總工、金石鉆探(唐山)股份有限公司田波董事長等專家和學(xué)者的幫助,在此表示衷心的感謝!

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