绳索取心钻杆管材的模糊综合评价

梁 健, 孙建华, 张永勤, 刘秀美

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000)

绳索取心钻杆管材的模糊综合评价

梁 健, 孙建华, 张永勤, 刘秀美

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000)

从国内外有关硬岩取心钻进的经验及相关研究来看，科学超深井先导孔的设计工作具有重要的意义，在此项工作中，绳索取心钻柱的研究更显其重要性，主要涉及钻杆管材的选择及高强度钻柱的设计。本文针对国内四种绳索取心钻杆用冷拔无缝钻探管材，进行了室内力学性能测试；同时，采用模糊数学方法对其进行了评价与选用方法的初步探讨。

绳索取心 管材 力学性能 模糊综合评价

Liang Jian, Sun Jian-hua, Zhang Yong-qin, Liu Xiu-mei. A fuzzy comprehensive evaluation of steel pipe materials used to wire-line drill rods[J]. Geology and Exploration, 2014, 50(3):0572-0576.

1 引言

科学超深井钻探工程作为研究深部地质的重要方法之一，其理论研究和实施过程是一项超复杂的系统工程，包括完善的基础理论研究、先进的技术装备研制、适宜的钻进工艺优化、丰富的实践经验积累、科学的工程管理运用等(刘广志，1996；孙友宏，1996；刘振铎，2005；刘广志，2005；张金昌等，2010；梁健等，2011)。从国内外有关硬岩取心钻进的经验及相关研究来看，为使科学超深井钻井作业顺利进行、减小施工风险及降低成本，先导孔的设计工作具有重要意义(张伟，1998；王达，2002；王达等，2005)。在此项工作中，应用的绳索取心钻进技术是深部钻探工程施工的重要技术方法，具有提高钻进效率、延长钻头寿命、减轻劳动强度、降低孔内事故、减少管材及设备消耗等优点(张春波，1995；孙建华等，2006)。与一般的地质岩心钻探相比，科学超深井先导孔设计井深一般在3000m～5000m，其井深深度大、钻柱自重大、钻杆所处工况复杂，因此针对绳索取心钻杆的研究显得尤为重要，主要涉及钻杆管材的选择及高强度钻柱的设计。对于钻杆管材的选择，传统材料力学观点只考虑了材料的屈服强度σs或极限强度σb，因σs、σb数值越大，该种材料越能承受更大的载荷。但对于科学超深井先导孔绳索取心钻探技术来讲，还需考虑其他的性能参数，应综合强度、韧度等多方面因素对管材进行综合评价。如单方面考虑选用高强度材料，但其韧度值较低，则有可能产生低应力脆性破坏。因此，当管材自身强度提高后，需密切关注其冲击功、韧度等多种性能的变化，以降低相应的钻井风险。利用模糊综合评价原理可重点考核评价指标间的相互关系以及对评价结果的影响，较好地解决了定量处理评价过程中的模糊因素，从而使评价结果更加科学合理(张爱林等，1995；肖辞源，2004；陈科等，2007；张强等，2008)。因此，本文针对国内四种绳索取心钻杆用冷拔无缝钻探管材进行了室内力学性能测试；同时，采用模糊数学方法对其进行了评价与选用方法的初步探讨。

2 管材力学性能室内试验

2.1 试验材料

试验选用了四种常用的国产绳索取心钻杆用冷拔无缝钢管，即42CrMoA、37CrMnMoA、45MnMoB、30CrMnSiA四种管材。

2.2 试验方法

(1) 管材抗拉试验

试验采用箱式电炉，对四种材质管材进行热处理后(热处理条件以产品出厂标准为准，即达到其最优力学性能)，按相关标准规定的几何尺寸切割剖样，在将剖样置于WA-1000C型电液伺服万能试验机上进行抗拉试验，试验后读取其屈服强度、抗拉强度以及测量断后伸长率，试验严格遵循国家标准(GB/T 208-2002，2002)进行。

(2) 管材表面硬度测量

对四种材质管材进行热处理后，将每种试样进行两组16个点的表面硬度测量，求其平均值，得出表面硬度值。

(3) 夏比摆锤冲击试验

试验按规定的几何形状及尺寸制作试样，并置于试验机上，缺口背向打击面放置，摆锤一次打击式样后，测定试样室温状态下的吸收能量，试验严格遵循国家标准(GB/T 229-2007，2007)进行。

(4) 管材疲劳P-S-N曲线测试试验

试验试样保持四种管材内外壁表面不进行任何处理，保持原始状态。采用常温常压条件下电磁谐振的拉-拉疲劳试验方法，力为正弦波，应力比R=0.1，加载频率f=115～119Hz，6级疲劳试验载荷点选取相对材料抗拉强度的系数为0.75、0.70、0.65、0.62、0.59、0.55，试验严格遵循国家标准(GB/T 3075-2008，2008)进行。

2.3 试验结果

表1及图1～图4分别是四种管材的力学性能参数及其P-S-N疲劳曲线图。可以看出，42CrMoA管材的伸长率、冲击功性能最好，37CrMnMoA管材的屈服强度、屈强比、硬度性能最好，其他的性能参数四种管材互有上下。因此，从中很难评价四种管材哪种管材的综合性能最优。

表1 四种管材的基本力学性能参数

图1 42CrMoA管材P-S-N疲劳曲线Fig.1 P-S-N fatigue curves of 42CrMoA material

图2 37CrMnMoA管材P-S-N疲劳曲线Fig.2 P-S-N fatigue curves of 37CrMnMoA material

图3 45MnMoB管材P-S-N疲劳曲线Fig.3 P-S-N fatigue curves of 45MnMoB material

钢种屈服强度屈强比硬度伸长率冲击功疲劳强度(存活率99%)MPari1%ri2HRCri3%ri4Jri5MPari642CrMo8310.87787.00.95930.50.91016.41.000431.0003650.88837CrMnMoA9481.00090.71.00033.51.00013.80.842420.9774111.00045MnMoB8600.90789.30.98531.50.94015.30.933360.8373820.92930CrMnSiA8120.85786.80.95729.50.88114.80.902400.9303710.903

图4 30CrMnSiA管材P-S-N疲劳曲线Fig.4 P-S-N fatigue curves of 30CrMnSiA

3 模糊综合评价计算

运用模糊数学的方法能较全面的对管材进行综合评述，以进行最后的选用。钻杆管材的模糊综合评价可按以下方法进行计算。

3.1 设评判对象

针对先导孔绳索取心钻进技术要求，并根据不同材质管材的性能匹配程度进行筛选，得到一组备选材料，并以被选材料中每种材料为元素，建立评判对象集X。

X=[xi]，i=1,2,…,n

其中，

x1=42CrMo

x2=37CrMnMoA

x3=45MnMoB

x4=30CrMnSiA

3.2 设因素集

为选定最优材料，须根据钻杆设计要求对备选材料进行评判，即令这些性能要求为选材的评判标准，从而建立评判因素集U。

U=[uj]，j=1,2,…,n

其中，

u1=屈服强度σs

u3=硬度HRC

u4=断后伸长率δ

u5=冲击吸收功Ak

u6=疲劳强度σN

3.3 找评判矩阵

R=[rij]

根据以上分析，确定的备选材料对象、性能及其单因素评判结果见表2。

3.4 权数确定

考虑到各评判因素对评判结果影响不一，因而需对各评判因素赋予相应的权数。采用专家估测法对评价因素Uj进行权数判定，见表3所示，并根据表3产生权重分配矩阵T。

表3 权数判定Table 3 Weight determination

3.5 综合评判

该模糊综合评价问题，即是将评价因素集合U这一论域上的一个模糊集合X，经过模糊关系R变化为模糊综合评价结果集合B。

其中，bj(j=1，2，…，m)为模糊综合评判指标。

并依据专家估测法得出各因素的权数，由此再得到相应的权重分配矩阵T，T=[0.50 0.10 0.05 0.05 0.10 0.20]；

则模糊综合评价集合B=R·TT=[0.908 0.989 0.915 0.887]T；采用最大隶属度原则，由集合B可知，37CrMnMoA合金钢管材为首选最优材料。

4 结论

本文将模糊综合评价方法引入绳索取心钻杆管材选用领域，运用模糊数学理论将一些边界不清、不容易定量的因素定量化。采用模糊多目标决策方法，以四种典型的绳索取心钻杆用管材进行了模糊综合评价，研究结果表明：

(1) 37CrMnMoA合金钢管材为最优方案的模糊综合评价结果与实际工程应用的情况吻合，验证了评价体系和评价方法的可行性；

(2) 运用模糊综合评估方法，可以得到更合理、更有效的结论，有利于钻井工程决策的制定；

(3) 该模糊综合评价方法具有计算简便和分析直观的优点，在实际工作中具有较大的实用性。

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Fuzzy Comprehensive Evaluation of Steel Pipe Used to Wire-line Drill Rod

LIANG Jian, SUN Jian-hua, ZHANG Yong-qin, LIU Xiu-mei

(The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang, Hebei 065000)

Experience and researches of hard rock core drilling indicate that, the drilling operation design of pilot hole for science and ultra-deep well is of great significance. In this work, the study of wire-line coring drill string related to the choice of steel pipe and the design of high-strength drill string was more of its importance. This paper introduced the testing of mechanical properties about four kinds of domestic steel pipe used to wire-line drill rod and discussed the method of fuzzy comprehensive evaluation for it.

wire-line, steel pipe, mechanical properties, fuzzy comprehensive evaluation

2013-06-20；

2013-11-20；[责任编辑]郝情情。

国土资源部深部探测技术与实验研究专项SinoProbe-05-06“科学超深井钻探技术方案预研究”项目(编号 201011063)资助的成果；中国地质调查局地质调查工作项目“地质勘查3500m特深孔绳索取心钻杆开发应用”课题(编号 12120113016600)联合资助。

梁 健(1980年-)，男，2009年毕业于兰州大学，获硕士学位，高级工程师，长期从事与钻探工程有关的科研工作。E-mail：raul9942718@163.com。

P634.5

A

0495-5331(2014)03-0572-5