深部钻探复合钻杆的研究与应用

陈师逊，杨 芳

(山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台 264004)

深部钻探复合钻杆的研究与应用

陈师逊，杨 芳

(山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台 264004)

绳索取心钻杆在深孔钻探中占重要的地位。本文分析了目前国内钻杆在深孔钻探中的使用情况，同时还对钻杆柱的失效及绳索取心钻杆在钻井内的受力情况进行了简要的分析。设计出了两种复合钻杆：一种是塔式复合钻杆，另一种是同径复合钻杆。将其应用在“中国岩金勘查第一深钻”山东莱州三山岛矿区ZK96-5孔4000m钻孔中，取得了良好的效果。

钻杆失效 深部钻探 复合钻杆 绳索取心钻杆

Chen Shi-xun,Yang Fang. Research and application of composite drill pipes in deep drilling[J]. Geology and Exploration,2014，50(4)：0772-0776.

1 问题提出

目前在地质岩心钻探领域，绳索取心钻进是国内外最常用的钻进方法，特别是深孔钻进，由于减少了提钻次数，缩短了辅助时间，也减少了提钻对孔壁产生的破坏，提高了生产效率，降低了劳动强度，减少了孔内事故。但是由于绳索取心钻进的钻杆是提取岩心的通道，钻杆的壁厚和强度受到了限制。绳索取心钻杆的施工能力成为影响深部钻探的最主要因素。针对这一状况，国内采取了一系列措施，如增加钻杆材质强度、丝扣处加厚、设计新型螺纹等，但仍然不能满足特深孔的需要(孙建华等,2006)。截止目前国内NQ钻杆的最大设计施工能力也只有3000 m，而其它类型的深孔钻进技术(如铝合金钻杆、孔底动力等)还处于试验阶段。我院2010年承接了被誉为“中国岩金勘查第一深钻”的山东莱州三山岛矿区ZK96-5孔的施工任务，该孔设计孔深4000 m，要求全孔取心，终孔口径75 mm。如何解决钻杆施工能力成为工程的主要问题，为此开展了复合钻杆的研究。

2 钻杆柱的失效分析

2.1 钻杆柱失效形式

钻探施工中，钻杆失效会造成严重的后果，甚至钻孔报废，特别是对深孔、超深孔钻探，钻杆的安全可靠性是一个钻孔施工的关键。钻杆失效一般表现为钻杆体断裂和刺漏、钻杆螺纹处失效等(孙建华等，2013)。钻杆失效形式如图1所示。

2.2 钻杆失效原因分析

造成钻杆失效的因素很多，如钻进时钻杆的震动力学工况，钻杆材质、螺纹形式、钻孔结构、钻具的组合及钻进工艺，环状间隙，冲洗液性能，钻杆结构和材料，地层条件等等，以上因素单独或交互作用都会导致钻杆失效。

图1 绳索取心钻杆的主要失效形式Fig.1 Photos showing main failure modes of wire-line coring drill pipes a-接头螺纹大应力疲劳断裂; b-接头螺纹根部脆断和撕裂; c-大扭矩工况下杆体开裂; d- 钻具跑钻导致钻杆弯曲; e-冲 洗液穿刺; f-杆体内壁腐蚀a-large stress fatigue break of connection threads; b-brittle failure and tearing of the connection thread roots; c-drill pipe rod body cracking under large torque; d-drill swaying resulted by runaway of the drilling tool; e-punctured by drilling fluid; f-inner wall corrosion of rod body

钻杆柱在孔内的受力是非常复杂的，钻杆正常工作时，通常承受压、弯、扭、振力等载荷。如果钻杆所受应力小于一定值时，不会产生疲劳破坏。但往往在钻进时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸组成的复合应力很大，超过一定的震动和弯曲次数就会产生疲劳微裂纹；微裂纹随着钻进的继续进行而不断扩大延伸，使钻杆传递能量的有效断面不断缩小，形成了薄弱点，当应力超过其临界应力值时，即发生断裂。钻杆在孔内的受力变化，是造成钻杆突然断裂的主要外部因素。例如钻杆柱固有频率与转速形成的频率相吻合时，产生共振，共振会使原来钻杆的疲劳应力大幅提高，加速钻杆的失效；钻进时受压钻杆处于波形弯曲状态，孔内钻杆的波峰处在扩径严重的孔段时，钻杆的弯曲程度和应力就随之相应增大，造成钻杆断裂；钻进中孔壁突然出现的坍塌或掉块，使上部钻杆受到的阻力瞬间增大；提钻时，由于改变了钻杆钻进时的受力状态，承受的拉力增大等，都会造成钻杆在疲劳薄弱点处断裂(房舟,2006;高长福等，2007)。

3 绳索取心钻杆存在的主要问题

由于绳索取心钻进工艺固有的特点和认识的原因，钻杆的使用存在许多难以克服的问题(陈师逊等，2012)。

(1) 环状间隙小、钻杆强度不足

绳索取心钻进工艺特点为满眼钻进，决定了环状间隙小，造成钻探过程中泵压高、冲刷孔壁严重等一系列问题。绳索取心钻杆为薄壁结构，强度不足，容易造成管材疲劳、折断等钻杆失效的状况。这是绳索取心钻杆最突出的矛盾，虽然目前国内采用许多办法来缓解，如加大钻头，将钻杆两端镦粗以增加接头处强度等，但如此也会产生新的技术问题：钻头壁厚增加过多，钻压增大，效率降低等。

(2) 追求小口径

为了降低钻进过程中的能耗，地质岩心钻探广泛推行“小口径”钻探，在地质岩心钻探规程中列出了最小公称口径为30 mm，还有38 mm、48 mm等小口径系列，但在实际生产中很难遇到。这主要是由于没有与之相匹配的高强度钻杆，口径越小，钻杆直径要相应减小，强度也会降低。在以往的地质勘探中，由于探矿深度较浅，最常用的是56 mm口径(老规范)。随着设计钻孔深度逐步加深，钻孔终孔口径也逐步被75 mm(NQ)口径替代，但NQ系列的施工深度也是有限度的。因此要提高钻杆强度，就不能一味追求小口径。

(3) 钻杆材质问题

钻杆的材质决定了其性能，目前国内采用的钻杆材料主要是45MnMoB、30CrMnSi等管材。由于钢管材质本身无更好的选择，只能通过增加调质硬度(HB240～290提升到HB280～330)来提高管材强度。但这种措施会增加材料脆化现象，与我们要求的管材韧性(弹性)相矛盾。因此还要研究新型钻杆材料才能从根本上解决问题。当然同样材质的不同产品质量、性能差别也较大，规范管材的质量参数检测是必要的。这一点国外或石油领域值得借鉴(梁健等,2011)。

(4) 螺纹形式和加工质量

在薄壁钻杆上车丝扣只能是浅扣，扣型设计难度较大。目前国内对钻杆的螺纹设计形式很多，虽然都是为了提高钻杆强度，但哪一种形式最好却众说纷纭。在实际钻探过程中，无论哪种丝扣形式，丝扣部位都是管材的薄弱点。因此提高钻杆强度，扣型的选择还需要进一步研究。

钻杆接头的加工质量，也是影响钻杆性能的重要因素，主要表现在形位公差超标、加工粗糙、同心度差等。

(5) 直径系列不配套

在绳索取心钻进中，遇到不稳定地层时，将绳索钻杆当作套管使用是比较合理的方法。但目前国内钻杆标准却无法实现。如PQ采用Φ114钻杆，可以通过下一级HQ钻头，但环状间隙很大。而NQ钻杆只能通过S56钻头，且环状间隙很小，钻头加大后就无法通过。这里要说的是S56并不是目前系列的口径。

表1 绳索钻杆技术参数

对绳索取心钻杆来说，杆体“壁薄、同径”为钻杆的使用带来许多不利(姜光忍等,2009)。除了磨偏、弯曲、腐蚀或钻杆体材料本身存在缺陷等情况外，一般情况下丝扣部位均是钻杆的薄弱环节。这是因为同样材质的杆体和螺纹加工会不同程度破坏钻杆体本身结构，从而形成薄弱点。如果螺纹的设计形式不合理，会造成受力不均匀，产生应力集中。另外钻杆接头有限的加厚尺寸难以抵消其产生的疲劳破坏作用，这使得螺纹设计和加工难度加大。丝扣部位的寿命一般难于同钻杆本体相等同。因此造成绳索钻杆最主要的失效形式是螺纹部位的断裂。如图1(a)、(b)所示。

4 钻杆柱的受力分析

钻杆柱在孔内的受力状况复杂。起下钻时，钻杆柱不接触孔底，钻杆均处于悬吊状态，在自重和孔壁阻力作用下，钻杆柱处于拉伸状态，空口处拉力最大。钻进时，钻杆受到拉、压、弯、扭、振等力的综合作用。包括钻杆柱及孔内钻具的自重以及钻机给进时的压力或拉力产生的轴向荷载；钻进回转时破碎岩石、克服冲洗液及孔壁阻力的扭矩；钻进时的钻杆柱在轴向压力和离心力作用下产生的弯曲应力；钻杆运动产生的纵振、扭振、摆振等(李有兴,1995)。其中钻杆的受弯应力与环状间隙和孔壁有关，振动应力钻进参数和钻杆中和点有关。而拉、扭应力均在钻杆柱上部，随着孔深增加，越靠近孔口，其受拉力和扭矩越大。虽然钻杆底部受到的压力较大，但与孔深没有直接关系(姜光忍等，2010；鄢泰宁，2001)。

一定转速条件下，钻杆柱传递的力矩(或拉力)大小是由孔内阻力造成的。正常情况下，孔口钻杆承受的阻力矩与孔深和孔径有关。孔口钻杆承受阻力矩的变化可以认为如图2形式简化。也就是说口径越大，孔深越深，孔内阻力越大。

图2 孔口钻杆承受阻力矩的变化示意图Fig. 2 Sketch showing variation of resistance moment of a drill pipe at the hole mouth

钻杆柱上部的受力通常用下式来计算：

应力Q：

Q=qL

(1)

拉应力σ：

(2)

式中：q——计算点下单位长度钻杆的质量，kg/m；L——钻杆长度，m；A——钻杆有效截面积，mm2。

剪应力τ：

(3)

(4)

式中：M——钻杆所受扭矩N/m；d——钻杆外径，mm；d1——钻杆内径，mm。

由钻杆柱上部的受力公式可以看出，钻杆传递力矩和拉力的能力，除了与材质、螺纹形式、疲劳震动工况等有关外，主要与钻杆(螺纹)的直径d和有效截面积A有关，即破坏临界应力一定的情况下，直径和承载面积越大，承载能力越强。因此可以通过增大钻杆的直径和壁厚来增加钻杆传递功率的能力。如表1 为不同钻杆的承载能力试验参数。

5 复合钻杆的设计

针对ZK96-5孔的设计孔深为4000 m，对于NQ钻杆来说，国内钻杆当时还没有能够满足4000 m钻深要求的，虽然有的钻杆设计满足3000 m钻深能力，但也只是理论上的评价，没有得到验证。当时采用NQ绳索取心钻杆钻进最深孔是安徽313施工的2706 m，距离4000 m还相差很大。为解决NQ绳索取心钻杆钻进能力不能满足孔深需要的问题，结合实际情况，通过分析，设计了两种复合钻杆形式：一种是塔式复合钻杆(如图3所示)，即在地层允许的情况下，上部钻杆用HQ钻杆(Φ89 mm)，下部用NQ钻杆(Φ71 mm)带NQ钻具。上部钻杆由于截面积较大可以承受较大的负荷，下部钻具由于口径小重量小，产生的扭矩也小。这种形式可以满足绳索取心投放打捞内管，实现全部绳索取心，但钻孔结构的上部孔段必须满足Φ89绳索钻杆通过需要的孔径。另一种是同径复合钻杆，即钻进至一定深度后上部采用厚壁钻杆，加大钻杆的有效横截面积，增大传递扭矩和拉力的能力，解决绳索取心钻杆能力不足问题，取心时需要把这一部分钻杆提出来，下部用NQ钻杆带NQ钻具，以实现下部采用绳索取心钻进，不至于每个回次把所有钻杆都提出来再进行取心，缩短辅助时间。实际使用的复合钻杆还要根据具体应用情况做相应的调整，以满足深部钻井的需要。

图3 塔式复合钻杆结构简图Fig.3 Simplified diagram of structure of the tower-type composite drill pipe

6 复合钻杆的应用效果

ZK96-5孔施工中，首先采用了第一种设计方案。用S96绳索取心钻进至孔深2229 m，没有下套管，提出S96钻具后，下部用NQ绳索取心钻杆钻具，上部通过变丝接手(如图4)继续使用HQ钻杆，形成自下而上NQ钻头钻具+Φ71钻杆+变丝接手+HQ钻杆的组合形式。从孔深2229 m开始，计划用这一方式钻进至终孔(4000 m)，但钻进至2672 m时，发生孔内事故，孔壁坍塌，不得不下入Φ89套管护孔，此方式无法再继续使用。但从完成的443 m进尺使用情况看，取得了良好效果。这种形式的优点是根据不同的深度要求，保证了钻杆的传递动力的能力，同时NQ内管总成可以顺利通过Φ89钻杆，实现绳索取心。存在的问题主要是为了满足钻进，必须有一部分NQ钻杆处于HQ钻孔内，形成较大的环状间隙，如图5所示。容易造成NQ钻杆弯曲应力过大，造成断钻杆。特别是开始换径阶段，下部孔段的钻杆半波长度小，弯曲应力大。随着孔深增加，钻杆零截面下移，半波长度增大，断钻杆状况逐步解决。

图4 Φ71-Φ89变丝接手Fig.4 Joints of Φ71-Φ89 reducer union

图5 塔式复合钻杆钻进状态图Fig. 5 Drilling state of the tower-type composite drill pipe

另一种复合钻杆是上部用Φ60高强度石油钻杆，下部用NQ钻具的形式。当孔深钻进至3000 m时，已经突破NQ钻杆的设计能力，为了确保上部钻杆的受力需要。采用了自下而上NQ绳索钻头钻具+Φ71钻杆+变丝接手+Φ60高强度特制钻杆的组合形式(Φ60变丝接手如图6所示)，由于Φ60的管壁厚，传递动力的能力强，但内径小，内管总成不能通过，每个回次采取岩心时，需要先把Φ60钻杆提出来，再进行打捞和投放内管总成。根据NQ钻杆的设计能力，下部绳索钻杆一直保持在2800 m左右。这种“半绳索”式钻进方法，从孔深3300 m一直钻进至终孔，Φ60钻杆没有出现任何问题，证明了钻杆的能力。

图6 Φ60钻杆接手Fig. 6 Joints of Φ60 drill pipes

7 发展建议和结论

(1) 实践证明，在没有更好的管材材质的前提下，在调质处理和对丝扣部分进行镦粗，以此来解决丝扣强度的方法是可行的。

(2) 要加强对钻杆螺纹形式和新型材质的研究，加强钻杆加工工艺，以满足深孔对钻杆强度等性能的要求。此外，提高钻杆强度，还不能一味追求小口径。

(3) 塔式复合钻杆和同径复合钻杆在4000 m深钻中的成功应用，证明了在深孔钻探时使用复合钻杆是可行的。复合钻杆的使用，能有效解决常规钻杆不能满足深部钻探对钻杆强度要求的问题。可以加强对复合钻杆的研究，包括对其结构的优化等，以使其更多的满足深孔超深孔的需要。

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Research and Application of Composite Drill Pipes in Deep Drilling

CHEN Shi-xun , YANG Fang

(No.3ExplorationInstituteofGeologyandMineralResourcesofShandongProvince，Yantai,Shandong264004)

Wire-line coring drill pipes have played a very important role in deep well drilling. This paper analyses briefly the drill pipe failures and forced state of wire-line coring drill pipes in boreholes as well as the usage situation of domestic drill pipes in deep drilling. Two types of composite drill pipes were designed, one is the tower-type composite drill pipe, and the other is the iso-diameter composite drill pipe. Both of these two types of drill pipes have been applied to the 4000m-deep ZK96-5 drilling hole, named the “First deep drilling hole in rock gold exploration in China”, in the Sanshan Island mine area, Laizhou, Shandong, yielding good results.

drill pipe failure analysis, deep drilling, composite drill pipe, wire-line coring drilling pipe

2013-10-20；

2014-04-14；[责任编辑]郝情情。

陈师逊(1965年-)，男，1988年毕业于中国地质大学(武汉)，获学士学位，研究员，现主要从事地质岩心深部钻探技术研究和技术管理工作。E-mail: chshixun@126.com。

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0495-5331(2014)04-0772-5