深孔绳索取心钻杆质量控制措施

张丽君，彭 莉，吕红军

(1.地质矿产部无锡钻探工具厂，江苏 无锡214174;2.宁厦地矿物资装备管理中心，宁厦 银川750021)

0 引言

钻杆是向井底钻头传递破岩所需压力、转速、扭矩的工具，是输送冲洗介质的通道。钻杆在钻进过程中的工作条件十分复杂，往往是整个钻探设备与工具组合中比较薄弱的环节，钻杆能否正常、可靠地工作，是钻探施工能否正常进行的关键，是深孔钻探必须解决的问题之一。目前钻杆之间的连接方式普遍采用螺纹连接，作为一根细长壁薄的钢管杆体，在正常钻进施工中，钻杆承受着压、拉、扭、弯复杂的交变应力，工况极其复杂。超过一定孔深之后，钻杆柱会因为超过其承载极限而发生破坏，当钻杆频繁折断，无法正常钻进时，通常以此孔深作为钻杆极限钻进深度。近年来深孔(深度＞2000 m)钻探工作量不断增加，部分钻孔深度＞2500 m甚至3000 m。国产绳索取心钻杆因受原材料钢级、螺纹连接强度以及加工质量精度的限制，钻进深度往往不能满足深孔施工的要求，施工单位只能依靠进口国外绳索取心钻具，这不仅消耗大量外汇，增加施工成本，有时会因供货周期影响施工进度。

为发展国内钻探事业，提高国产钻探装备水平，相关科研单位、钻具生产厂家都已经积极开展了超深孔绳索取心钻具的研究和试制，目前已取得重大进展，如安徽省地矿局313地质队2010年使用国产的CNH(T)钻杆创造2706.68 m小口径绳索钻探孔深纪录，由山东省地矿局第三地质大队承担的小口径绳索科学钻探施工项目的钻进深度已达到3265 m(截止2012年6月8日)，截止到发稿该孔仍在施工中。

1 影响钻杆使用强度的因素

绳索取心施工中影响钻进深度的主要因素有钻孔级配、施工工艺的规划、钻杆钻具的使用寿命。其中，钻杆使用强度是决定钻孔深度的关键因素之一。影响钻杆使用强度的因素主要包括:钻杆结构、螺纹参数、钻杆体材料、热处理工艺的控制、机加工精度控制等。

1.1 深孔绳索钻杆结构、连接螺纹参数选择

1.1.1 绳索钻杆结构方式的选择

目前绳索钻杆结构有3种形式:公母接头螺纹连接式、公母接头摩擦焊接式、整体直连式。考虑到提高钻杆使用寿命，降低钻探成本，同时可以选用优质钢材制作钻杆接头，因此公母接头螺纹连接形式被广泛生产使用。

整体直连式绳索钻杆是在每根钻杆的两端分别加工公母螺纹，与接头式钻杆相比，一方面减少了杆体与公母接头之间的螺纹连接，大大降低了因螺纹断裂发生事故的概率，另一方面，也提高了钻杆之间的同轴度。但由于钻进和提钻时，频繁拧卸钻杆，往往会由于螺纹损坏而致使整根钻杆不能使用，使用成本相对于带接头的钻杆要高，目前国产钻杆采用这种连接方式结构方式的不多。

公母接头摩擦焊接式钻杆，由于摩焊钻杆的同轴度不高，再加上绳索钻杆管壁比较薄，焊接面积较少，很难保证摩擦焊焊缝的整体强度，所以该种连接方式的绳索钻杆只在国内东北地区的少数1000 m以浅的钻进施工中使用。

由于绳索钻杆杆体壁厚比较薄，在钻杆体上直接加工螺纹，螺纹强度比较低，无法满足深孔施工的强度要求，因此，深孔绳索钻杆大都采用杆体端部加厚、接头外径增大方式来提高钻杆强度，设计时依据等强度理论及钻具结构来确定钻杆端部加厚尺寸。

1.1.2 螺纹参数的选择

钻杆连接螺纹参数也是影响钻杆强度的主要因素，为了在现有管材壁厚的基础上最大限度的提高螺纹承载强度，设计时通过计算机辅助计算、有限元分析，确定螺纹参数(螺纹锥度、牙高、牙形角、旋合长度、手拧紧密距)。同时，经过螺纹小样接头的试制，经拉伸、扭转和冲击等机械强度测试，进行对比分析后才确定了适合深孔钻进的螺纹参数。其中，螺纹牙深、螺纹长度较普通钻杆都有所加深，螺纹锥度充分考虑危险断面的承载强度、螺纹端面楔角密封还考虑了螺纹子口的台阶密封性，大大增强了钻杆的动态受力密封性能。

以CNH(T)钻杆螺纹为例，CNHT钻杆采用加强型螺纹;CNH(T)钻杆采用不对称负角度螺纹，可以有效防止钻杆螺纹之间脱扣。CNH(T)钻杆螺纹参数:

(2)螺纹牙高:1.2 mm;

(3)螺距:8 mm;

(4)螺纹长度:50 mm，螺纹锥度1∶22;

(5)密封楔角:15°。

1.2 钻杆体材料

国内绳索取心钻杆一般选用45MnMoB、30CrMnSiA等合金钢无缝钢管制造，45MnMoB为非调质钢管作为钻杆体，一般与调质后的30CrMnSiA接头配套使用。该类钻杆适用于钻进800～1200 m的孔深。

近年来国内随着冶炼技术的不断进步，适合作为绳索钻杆的薄壁高钢级无缝钢管相继开发，为生产深孔绳索钻杆迈出了关键的一步;另外钻杆体整体调质工艺日趋成熟，钻杆体经过调质后，提高了钻杆的综合机械性能，从而大大提高了钻杆抗扭强度和抗弯疲劳强度、抗拉强度和耐磨性。目前，国内已经研制出综合性能更好的ZT850高钢级精密无缝管材。表1列出了嘉兴新纪元钢管制造有限公司生产的XJY850(相当于42CrMoA)与30CrMnSiA部分机械性能的比较。

表1 常用绳索取心钻杆管材性能

从表1可以看出，30CrMnSiA与XJY850在强度方面相接近，但是XJY850延伸率及冲击功均优于30CrMnSiA，该材料的韧性较好，更适用于深孔绳索取心钻杆施工工况。

2 深孔绳索取心钻杆质量控制

钻井施工深度的不断加深是通过钻杆不断连接而成的，因此要求每根钻杆都要达到设计使用要求，必须保证批量钻杆质量稳定，才能达到钻进深孔的目的。钻杆原材料成分组织、形位公差、热处理结果及机加工精度等任何一个环节都对最终的质量合格与否起到重要作用，要对钻杆质量加以控制，要求生产企业必须编制完善的加工工艺流程，确定有效的检测方法和检测手段，配置相应的测量器具，才能有效控制钻杆质量。

2.1 原材料控制

原材料质量是影响钻杆质量关键因素之一，对原材料的检测主要包括金属材料化学成分、组织级别、冶炼、轧制缺陷、尺寸偏差等。

2.1.1 金属材料化学成分及组织检测

即使同一牌号的钢材，不同冶炼厂、不同炉号所生产的钢材其化学成分及微观组织都有所差别。工艺控制比较严格的钢厂，产出的钢材质量比较稳定。为保证采购到质量稳定的原材料，必须通过对钢厂进行综合调研，对原材料和热处理后的机械性能进行对比，最终确定原材料的供应商。

对采购进厂的钢管每批次都进行抽样化学成份分析，要求其化学成分含量符合国家标准《钢的成品化学成分允许偏差》(GB/T 222－2006)，同时要求钢管每炉的化学成份分散性要小，这样有利于调质处理后产品质量的稳定性。抽样检验主要包括:钢管成品横截面在酸浸低倍试片上不得有白点、缩孔残余、分层、裂纹、翻皮、气泡、偏析及金属夹杂物。非金属夹杂物不得大于三级，铁素体带状在100倍下不得大于三级。

2.1.2 管材尺寸偏差及形位公差的检测

绳索取心钻杆用的钢管应满足《钻探用无缝钢管》(GB/T 9808－2008)的标准要求，其尺寸偏差值可以通过常规量具检测。对绳索取心钻杆质量影响比较大的是管材的形位公差，主要为管材的直线度、圆度、内外圆同轴度(壁厚均匀度)、通径要求等。

管材的直线度反映钻杆弯曲程度，直线度不好不仅造成钻杆偏磨，同时影响钻杆螺纹加工质量，一般要求优质绳索取心钻杆弯曲度≯0.7 mm/m。钢厂采用新型的多辊(11辊)高强度矫直机矫直，切除预留的头尾，可以达到出厂钢管的直线度要求。

为了保证深孔用高强度绳索取心钻杆体强度，钻杆体需要整体调质处理，无加厚钻杆直接采用在线中频调质工艺，调质后采用多辊矫直机矫直。对于端部加厚钻杆，常采用井式炉悬挂式整体热处理，热处理时要注意管体装炉方式，切忌平放。热处理后的管体用液压机矫直进行点校直，保证直线度满足设计要求。直线度一般采用V形块检测法测量，也可以用平直尺及塞规检测。

由于绳索取心钻杆内孔要通过内管总成，因此要对钻杆全长进行通径检验。通棒直径为钻杆最小公称内径减1.0 mm，长度300 mm，通棒应能自由通过钢管内径。

2.2 热处理要求及检测

管材经过热处理可以提高综合性能，满足钻杆特殊性能要求。深孔用高强度钻杆体和接头都必须进行调质处理。

理论研究中，将管材在不同温度下进行正火处理，得到不同晶粒尺寸的显微组织，然后进行调质处理后，晶粒细化，再取样进行室温冲击试验，利用扫描电镜对冲击试样断口形貌进行观察，研究夹杂物和晶粒尺寸对管材冲击韧性的影响，结果发现小部分试样以夹杂物起裂，大多数冲击试样断口起裂源处未发现有夹杂物，其主要原因是室温下试样冲击断裂的临界事件是微裂纹穿过晶界扩展引发解理断裂，因此晶粒尺寸是决定调质钻杆冲击韧性的主要因素。冲击韧性反映了材料在高速冲击载荷作用下抵抗断裂的能力，是材料重要的力学性能之一，因此冲击韧性也是评价钻杆性能的重要指标之一。影响材料冲击韧性的因素很多，主要有晶粒尺寸，夹杂物以及热处理状态等。调质钻杆通过对金相组织及有害物质(杂质)的控制来保证钻杆的冲击韧性。调质过后的钻杆，对于其金相组织检验要求回火索氏体含量≥85%，晶粒度≥7级，以此确保获得较高的综合机械性能。

硬度是衡量材料软硬的一个指标，硬度值是金属材料局部体积内抵抗塑性变形的能力。一般来说，硬度高的材料耐磨性好，强度也比较高，但过高的硬度也会影响到材料的韧性。实践证明钻杆及钻杆接头调质后的硬度控制在HRC28～32比较合适。

管材调质处理(淬火+高温回火)过程中，回火工艺确定取决于淬火件硬度及设计要求，因此淬火及回火后的材料都要取样检测硬度，以便保证调质后的产品合格率。为保证调质处理质量，淬火时装炉量要保证工件整体受热均匀，不能装得太多，回火时温度要恒定，装炉件数较淬火时可以多装一些。

管材调质处理后理想的金相组织是回火索氏体含量≥95%，晶粒度8～9级。

30CrMnSiA检测结果如图1、图2所示。XJY850检测结果如图3、图4所示。

2.3 螺纹加工与检测

图1 30CrMnSiA热处理前

图2 30CrMnSiA热处理后

图3 XJY850材料热处理前

图4 XJY850材料热处理后

目前钻杆螺纹大都由数控车床加工，加工时使用的刀具有2种:一种是成型刀;另一种是使用角度成型车刀，加工时由程序进行中径补偿。现在的螺纹成型刀具已经标准化，刀具可以集中生产。采用镀钛硬质合金刀具提高切削速度可以提高螺纹粗糙度，刀具寿命长，提高生产效率。

为了保证螺纹机加工精度和互换性，钻杆螺纹必须逐个经过螺纹量规检验。每种螺纹检测需有八件螺纹量规:四件环规，四件塞规，分别用于检验公母螺纹的大径、小径、牙形齿宽(通、止)。

用螺纹量规来检验螺纹时，要注意螺纹表面质量，如:表面粗糙度＜3.2 μm、螺纹尖角符合要求、螺纹退刀长度、去除毛刺等，否则影响测量精度。测量时掌握螺纹量规旋紧力度。

设计螺纹量规时考虑钻杆螺纹副手拧紧密距，一般要求手拧紧密距为0.5～1.5 mm。检测时注意螺纹量规使用要求，掌握正确使用方法。

2.4 接头螺纹的强化处理

接头螺纹经镍磷化学镀处理后可提高表面硬度，增强耐磨性，防止粘扣。镍磷镀层厚度0.02～0.04 mm，硬度HV850～950。对镍磷化学镀后的外观、镀层厚度、硬度及镀层的结合力要进行相应的检测。

3 钻杆性能综合测试

钻杆性能试验主要测试钻杆螺纹连接处的抗拉、抗扭、密封性能等，在改进设计、更换材料供应商、改进加工工艺方法后，都必须做钻杆性能综合测试。钻杆样品必须严格根据生产工艺生产，满足设计要求，具有代表性。

3.1 抗拉试验

CNH(T)钻杆螺纹抗拉试验在WA－1000C试验机上进行。测试样品为CNHT钻杆接头螺纹:

材质:XJY850;

试样尺寸(外径×厚度):74.00 mm×8.00 mm;

调质处理状态:HRC28～32。

测试数据如下:

最大力:741.04 kN;

抗拉强度:1005 MPa;

伸长率:13.0%;

断口位置:公扣大端受力的第一牙。

3.2 抗扭试验

CNH(T)钻杆螺纹抗扭试验在扭力机上进行。样品公母扣各1根，加丝扣油拧紧，连接后长度≮1 m。夹紧在扭力试验机的两端，测试时母扣端杆体用链板固定在V形槽中，液压大钳夹紧公扣的加厚段，大钳用保险带承受反扭矩，液压系统与微机关联，转动传感器与钻杆上端关联。缓慢加载，设定扭力测试点。经试验，CNH(T)钻杆静扭矩达到12000 N·m时，螺纹副完好无损。

3.3 密封性检验

深孔钻进时，配置泥浆泵泵压比较高，最高可达12 MPa，因此要提高钻杆密封性要求。绳索钻杆密封性检验在WA－1000C试验机上进行，将钻杆接头夹持在试验机上，接头一端连接在试水压装置上。在无拉力状态下的静密封压力可达20 MPa，保压10 min螺纹无渗漏，当加大拉力后4 MPa水压下，钻杆接头螺纹可以承受590 kN的拉力，6 MPa水压下，该钻杆接头螺纹可以承受430 kN的压力。保压5 min，螺纹连接部位无渗水现象。

4 结语

深孔绳索取心钻进用钻杆既要从钻杆结构、螺纹参数、材料选择等方面进行研究，也要完善钻杆加工工艺。无论是原材料进厂，还是在加工过程中，每道工序都要检测(全检或抽样检查)，只有加强事前、事中、事后全过程的质量控制，才能保证最终生产出高品质钻杆。严格的质量管理控制，才能保证产品优质稳定，防止不合格品流入下道工序，杜绝不合格品流入市场。

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［2］任学冲，等.夹杂物和晶粒尺寸对洁净车轮钢室温冲击韧度的影响［J］.理化检验 －物理分册，2012，48(4).

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