反井钻杆的研发与应用

杨宏伟，李艳丽，满国祥，朱立强，闫路，张慧杰，张丽敏，王洪炜

(石家庄探矿机械厂, 石家庄 050081)



反井钻杆的研发与应用

杨宏伟，李艳丽，满国祥，朱立强，闫路，张慧杰，张丽敏，王洪炜

(石家庄探矿机械厂, 石家庄 050081)

作者根据生产的实际过程对反井钻杆的设计进行了说明，并成功地在反井施工中得到应用，最后提出一些建议，旨在拓宽相关的技术领域。

反井;钻杆；研发；应用

0 引言

反井钻杆是反井施工中的重要组成部分，也是施工成败的关键部件。如果反井钻杆的质量不过关，将会导致工程的失败并造成巨大的经济损失。因此，本文论述该产品在设计及生产制造中的要点及应注意的事项，希望对选用和生产该产品有一定的参考价值。

1 反井钻杆的设计

1.1 设计要点

由于反井钻杆在施工过程中承受着拉、压、扭转、弯曲等交变应力的作用，因此反井钻杆必须具有较高的疲劳强度和刚度。螺纹部分的断裂和磨损失效是反井钻杆最常见的失效形式，对螺纹形式选择、结构的优化设计、螺纹部分的强化处理是十分有必要的。

1.2 反井钻杆结构

外形尺寸：外径214 mm，内径122 mm，长度1 140 mm。结构图见图1。

图1 反井钻杆结构图

1.3 材料的选择及性能要求

反井钻杆材料的选择至关重要，因为它既涉及到制造成本又涉及到热处理后的力学性能。如果只考虑成本而选用普通材料，那么力学性能就会达不到规定的要求，反井钻杆在施工过程中容易出问题。相反，如果盲目追求过高的力学性能就会造成成本的浪费。因此我们要结合实际来考虑，在满足强度要求的前提下选择合适的材料。这里选择AISI 4145H合金结构钢，经过整体调质处理后达到表1的力学性能。

表1 力学性能要求

1.4 螺纹的优化选择和强化处理

螺纹部分的设计应当高度重视。地质用细牙钻杆、石油摩擦焊接钻杆、钻铤等所有钻具在使用过程中螺纹部分都是比较薄弱的环节，例如：螺纹的严重的磨损、粘扣、外螺纹根部的断裂等。这些问题都会给施工带来不便，甚至整个钻具掉入井内，却打捞不上来，造成更大经济上的损失。在这里我们对螺纹部分进行了优化选择和强化处理。

(1)参照API标准选用螺纹锥度1∶6，每英寸4牙的粗牙螺纹；

(2)对螺纹部分采用数控机床精加工后，对其先进行表面硬化处理，然后进行磷化处理；

(3)考虑到使用过程中螺纹部分受到各种交变应力的组合作用非常大，现对外螺纹和内螺纹设计应力减轻结构，见图1外螺纹的根部和内螺纹终止处；

(4)由于使用过程中反井钻杆的扭矩较大，现对螺纹部分采用双台肩结构来提高抗扭强度。

2 制造的工艺流程及注意问题

原材料选用直径220 mm的圆钢—打孔—整体调质处理—无损检测—力学性能检测—截取长度下料—机加工—螺纹硬化处理—磷化处理—喷漆等。在该制造过程中，必须注意要严格控制各个工序的精度和公差要求，包括以下几个方面：

(1)内孔的加工必须控制其偏心程度，一般可控制在中心的偏心度不能超过6.35 mm/m;

(2)每根原材料经过整体调质处理后必须进行无损检测，经检测合格对其进行力学性能试验，符合表1的要求后，方可进行机加工等后续工序；

(3)螺纹部分是反井钻杆的薄弱环节，机加工必须控制其尺寸、加工精度和形位公差等内容，并经过螺纹试规的检验。如果螺纹加工不符合上述要求，使用过程中容易造成螺纹损坏、粘扣等现象，造成不必要的麻烦；

(4)螺纹部分的硬化处理和磷化处理是防止粘扣的有效措施，在制造过程中是不容忽视的。

3 机械性能控制及试验

为了保证反井钻杆在各种交变负荷下能够保持良好的工作状态，必须使反井钻杆具备良好的机械性能。拉伸试样在距离外表面25 mm位置，且距离端部0.9 m内纵向切取，见图2。按规定的0.2%残余应变的方法，采用圆柱试样进行试验。冲击试样取三个作为一组进行试验，试样如图3。

图2 拉伸试样

图3 冲击试样

通过试验得出力学性能数据如下：

屈服强度860 MPa，抗拉强度1 040 MPa，冲击功88 J，伸长率19%，硬度检验HB 310，试验结果完全符合表1规定的要求。

4 反井钻杆实物及使用效果

反井钻杆经过认真设计后，根据客户的要求进行了批量生产并应用到施工过程中，取得良好的效果。图4为反井钻杆的实例。

图4 反井钻杆实例

使用后我们对反井钻杆进行了检测和记录，具体情况如下：外径比使用前磨损1 mm左右，在使用过程中没有出现粘扣、断扣现象，螺纹部分强度满足要求；螺纹部分有轻微的磨损，螺纹密封端面密封可靠，经检测仍符合使用要求，总的来说满足客户要求，得到了用户的认可。

5 反井钻杆使用防护建议

(1)下井前做好反井钻杆的检验工作，不能让“带病”的钻杆进入孔内。

(2)反井钻杆在使用过程中，必须做好螺纹的防护工作，避免磕碰引起粘扣。

(3)单根钻杆连接时，螺纹表面的脏污须清理干净，并涂抹螺纹脂，防止螺纹过早损坏。

(4)反井施工过程中不能新旧钻杆混合连接，并且连接过程中注意所连接2个钻杆的同轴度，出现问题时不要强行上扣。

(5)搬运过程或仓库存放时，必须戴好护帽。

6 结语

本文设计的反井钻杆结构合理，性能等均达到指标要求，并成功地应用到实际之中，可以得到广泛推广。希望大家能够从该产品的生产制造过程中获益。

[1] ANSI/API Spec 7—1, 旋转钻柱构件规范[S].

[2] 赵小军, 赵钧羡, 陈锡庆,等. 一种大直径反井钻杆接头螺纹参数的优化研究[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2014(10):67-71.

[3] 刘志强. 大直径反井钻机及反井钻进技术[J]. 煤炭科学技术, 2008(11).

2016-10-14

杨宏伟(1981-)，男，机械设计专业，高级工程师，从事钻井设备、地质钻具的研发工作,石家庄市鹿泉区昌盛大街69号，Tel：13933089572，E-mail：1216516102@qq.com。

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1009-282X(2016)06-0020-02