陳師遜，楊 芳

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東煙臺 264004)

深部鉆探復(fù)合鉆桿的研究與應(yīng)用

陳師遜，楊 芳

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東煙臺 264004)

繩索取心鉆桿在深孔鉆探中占重要的地位。本文分析了目前國內(nèi)鉆桿在深孔鉆探中的使用情況，同時還對鉆桿柱的失效及繩索取心鉆桿在鉆井內(nèi)的受力情況進行了簡要的分析。設(shè)計出了兩種復(fù)合鉆桿：一種是塔式復(fù)合鉆桿，另一種是同徑復(fù)合鉆桿。將其應(yīng)用在“中國巖金勘查第一深鉆”山東萊州三山島礦區(qū)ZK96-5孔4000m鉆孔中，取得了良好的效果。

鉆桿失效 深部鉆探 復(fù)合鉆桿 繩索取心鉆桿

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 問題提出

目前在地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域，繩索取心鉆進是國內(nèi)外最常用的鉆進方法，特別是深孔鉆進，由于減少了提鉆次數(shù)，縮短了輔助時間，也減少了提鉆對孔壁產(chǎn)生的破壞，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，減少了孔內(nèi)事故。但是由于繩索取心鉆進的鉆桿是提取巖心的通道，鉆桿的壁厚和強度受到了限制。繩索取心鉆桿的施工能力成為影響深部鉆探的最主要因素。針對這一狀況，國內(nèi)采取了一系列措施，如增加鉆桿材質(zhì)強度、絲扣處加厚、設(shè)計新型螺紋等，但仍然不能滿足特深孔的需要(孫建華等,2006)。截止目前國內(nèi)NQ鉆桿的最大設(shè)計施工能力也只有3000 m，而其它類型的深孔鉆進技術(shù)(如鋁合金鉆桿、孔底動力等)還處于試驗階段。我院2010年承接了被譽為“中國巖金勘查第一深鉆”的山東萊州三山島礦區(qū)ZK96-5孔的施工任務(wù)，該孔設(shè)計孔深4000 m，要求全孔取心，終孔口徑75 mm。如何解決鉆桿施工能力成為工程的主要問題，為此開展了復(fù)合鉆桿的研究。

2 鉆桿柱的失效分析

2.1 鉆桿柱失效形式

鉆探施工中，鉆桿失效會造成嚴(yán)重的后果，甚至鉆孔報廢，特別是對深孔、超深孔鉆探，鉆桿的安全可靠性是一個鉆孔施工的關(guān)鍵。鉆桿失效一般表現(xiàn)為鉆桿體斷裂和刺漏、鉆桿螺紋處失效等(孫建華等，2013)。鉆桿失效形式如圖1所示。

2.2 鉆桿失效原因分析

造成鉆桿失效的因素很多，如鉆進時鉆桿的震動力學(xué)工況，鉆桿材質(zhì)、螺紋形式、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆具的組合及鉆進工藝，環(huán)狀間隙，沖洗液性能，鉆桿結(jié)構(gòu)和材料，地層條件等等，以上因素單獨或交互作用都會導(dǎo)致鉆桿失效。

圖1 繩索取心鉆桿的主要失效形式Fig.1 Photos showing main failure modes of wire-line coring drill pipes a-接頭螺紋大應(yīng)力疲勞斷裂; b-接頭螺紋根部脆斷和撕裂; c-大扭矩工況下桿體開裂; d- 鉆具跑鉆導(dǎo)致鉆桿彎曲; e-沖 洗液穿刺; f-桿體內(nèi)壁腐蝕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

鉆桿柱在孔內(nèi)的受力是非常復(fù)雜的，鉆桿正常工作時，通常承受壓、彎、扭、振力等載荷。如果鉆桿所受應(yīng)力小于一定值時，不會產(chǎn)生疲勞破壞。但往往在鉆進時鉆桿承受彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸組成的復(fù)合應(yīng)力很大，超過一定的震動和彎曲次數(shù)就會產(chǎn)生疲勞微裂紋；微裂紋隨著鉆進的繼續(xù)進行而不斷擴大延伸，使鉆桿傳遞能量的有效斷面不斷縮小，形成了薄弱點，當(dāng)應(yīng)力超過其臨界應(yīng)力值時，即發(fā)生斷裂。鉆桿在孔內(nèi)的受力變化，是造成鉆桿突然斷裂的主要外部因素。例如鉆桿柱固有頻率與轉(zhuǎn)速形成的頻率相吻合時，產(chǎn)生共振，共振會使原來鉆桿的疲勞應(yīng)力大幅提高，加速鉆桿的失效；鉆進時受壓鉆桿處于波形彎曲狀態(tài)，孔內(nèi)鉆桿的波峰處在擴徑嚴(yán)重的孔段時，鉆桿的彎曲程度和應(yīng)力就隨之相應(yīng)增大，造成鉆桿斷裂；鉆進中孔壁突然出現(xiàn)的坍塌或掉塊，使上部鉆桿受到的阻力瞬間增大；提鉆時，由于改變了鉆桿鉆進時的受力狀態(tài)，承受的拉力增大等，都會造成鉆桿在疲勞薄弱點處斷裂(房舟,2006;高長福等，2007)。

3 繩索取心鉆桿存在的主要問題

由于繩索取心鉆進工藝固有的特點和認(rèn)識的原因，鉆桿的使用存在許多難以克服的問題(陳師遜等，2012)。

(1) 環(huán)狀間隙小、鉆桿強度不足

繩索取心鉆進工藝特點為滿眼鉆進，決定了環(huán)狀間隙小，造成鉆探過程中泵壓高、沖刷孔壁嚴(yán)重等一系列問題。繩索取心鉆桿為薄壁結(jié)構(gòu)，強度不足，容易造成管材疲勞、折斷等鉆桿失效的狀況。這是繩索取心鉆桿最突出的矛盾，雖然目前國內(nèi)采用許多辦法來緩解，如加大鉆頭，將鉆桿兩端鐓粗以增加接頭處強度等，但如此也會產(chǎn)生新的技術(shù)問題：鉆頭壁厚增加過多，鉆壓增大，效率降低等。

(2) 追求小口徑

為了降低鉆進過程中的能耗，地質(zhì)巖心鉆探廣泛推行“小口徑”鉆探，在地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程中列出了最小公稱口徑為30 mm，還有38 mm、48 mm等小口徑系列，但在實際生產(chǎn)中很難遇到。這主要是由于沒有與之相匹配的高強度鉆桿，口徑越小，鉆桿直徑要相應(yīng)減小，強度也會降低。在以往的地質(zhì)勘探中，由于探礦深度較淺，最常用的是56 mm口徑(老規(guī)范)。隨著設(shè)計鉆孔深度逐步加深，鉆孔終孔口徑也逐步被75 mm(NQ)口徑替代，但NQ系列的施工深度也是有限度的。因此要提高鉆桿強度，就不能一味追求小口徑。

(3) 鉆桿材質(zhì)問題

鉆桿的材質(zhì)決定了其性能，目前國內(nèi)采用的鉆桿材料主要是45MnMoB、30CrMnSi等管材。由于鋼管材質(zhì)本身無更好的選擇，只能通過增加調(diào)質(zhì)硬度(HB240～290提升到HB280～330)來提高管材強度。但這種措施會增加材料脆化現(xiàn)象，與我們要求的管材韌性(彈性)相矛盾。因此還要研究新型鉆桿材料才能從根本上解決問題。當(dāng)然同樣材質(zhì)的不同產(chǎn)品質(zhì)量、性能差別也較大，規(guī)范管材的質(zhì)量參數(shù)檢測是必要的。這一點國外或石油領(lǐng)域值得借鑒(梁健等,2011)。

(4) 螺紋形式和加工質(zhì)量

在薄壁鉆桿上車絲扣只能是淺扣，扣型設(shè)計難度較大。目前國內(nèi)對鉆桿的螺紋設(shè)計形式很多，雖然都是為了提高鉆桿強度，但哪一種形式最好卻眾說紛紜。在實際鉆探過程中，無論哪種絲扣形式，絲扣部位都是管材的薄弱點。因此提高鉆桿強度，扣型的選擇還需要進一步研究。

鉆桿接頭的加工質(zhì)量，也是影響鉆桿性能的重要因素，主要表現(xiàn)在形位公差超標(biāo)、加工粗糙、同心度差等。

(5) 直徑系列不配套

在繩索取心鉆進中，遇到不穩(wěn)定地層時，將繩索鉆桿當(dāng)作套管使用是比較合理的方法。但目前國內(nèi)鉆桿標(biāo)準(zhǔn)卻無法實現(xiàn)。如PQ采用Φ114鉆桿，可以通過下一級HQ鉆頭，但環(huán)狀間隙很大。而NQ鉆桿只能通過S56鉆頭，且環(huán)狀間隙很小，鉆頭加大后就無法通過。這里要說的是S56并不是目前系列的口徑。

表1 繩索鉆桿技術(shù)參數(shù)

對繩索取心鉆桿來說，桿體“壁薄、同徑”為鉆桿的使用帶來許多不利(姜光忍等,2009)。除了磨偏、彎曲、腐蝕或鉆桿體材料本身存在缺陷等情況外，一般情況下絲扣部位均是鉆桿的薄弱環(huán)節(jié)。這是因為同樣材質(zhì)的桿體和螺紋加工會不同程度破壞鉆桿體本身結(jié)構(gòu)，從而形成薄弱點。如果螺紋的設(shè)計形式不合理，會造成受力不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中。另外鉆桿接頭有限的加厚尺寸難以抵消其產(chǎn)生的疲勞破壞作用，這使得螺紋設(shè)計和加工難度加大。絲扣部位的壽命一般難于同鉆桿本體相等同。因此造成繩索鉆桿最主要的失效形式是螺紋部位的斷裂。如圖1(a)、(b)所示。

4 鉆桿柱的受力分析

鉆桿柱在孔內(nèi)的受力狀況復(fù)雜。起下鉆時，鉆桿柱不接觸孔底，鉆桿均處于懸吊狀態(tài)，在自重和孔壁阻力作用下，鉆桿柱處于拉伸狀態(tài)，空口處拉力最大。鉆進時，鉆桿受到拉、壓、彎、扭、振等力的綜合作用。包括鉆桿柱及孔內(nèi)鉆具的自重以及鉆機給進時的壓力或拉力產(chǎn)生的軸向荷載；鉆進回轉(zhuǎn)時破碎巖石、克服沖洗液及孔壁阻力的扭矩；鉆進時的鉆桿柱在軸向壓力和離心力作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；鉆桿運動產(chǎn)生的縱振、扭振、擺振等(李有興,1995)。其中鉆桿的受彎應(yīng)力與環(huán)狀間隙和孔壁有關(guān)，振動應(yīng)力鉆進參數(shù)和鉆桿中和點有關(guān)。而拉、扭應(yīng)力均在鉆桿柱上部，隨著孔深增加，越靠近孔口，其受拉力和扭矩越大。雖然鉆桿底部受到的壓力較大，但與孔深沒有直接關(guān)系(姜光忍等，2010；鄢泰寧，2001)。

一定轉(zhuǎn)速條件下，鉆桿柱傳遞的力矩(或拉力)大小是由孔內(nèi)阻力造成的。正常情況下，孔口鉆桿承受的阻力矩與孔深和孔徑有關(guān)?？卓阢@桿承受阻力矩的變化可以認(rèn)為如圖2形式簡化。也就是說口徑越大，孔深越深，孔內(nèi)阻力越大。

圖2 孔口鉆桿承受阻力矩的變化示意圖Fig. 2 Sketch showing variation of resistance moment of a drill pipe at the hole mouth

鉆桿柱上部的受力通常用下式來計算：

應(yīng)力Q：

Q=qL

(1)

拉應(yīng)力σ：

(2)

式中：q——計算點下單位長度鉆桿的質(zhì)量，kg/m；L——鉆桿長度，m；A——鉆桿有效截面積，mm2。

剪應(yīng)力τ：

(3)

(4)

式中：M——鉆桿所受扭矩N/m；d——鉆桿外徑，mm；d1——鉆桿內(nèi)徑，mm。

由鉆桿柱上部的受力公式可以看出，鉆桿傳遞力矩和拉力的能力，除了與材質(zhì)、螺紋形式、疲勞震動工況等有關(guān)外，主要與鉆桿(螺紋)的直徑d和有效截面積A有關(guān)，即破壞臨界應(yīng)力一定的情況下，直徑和承載面積越大，承載能力越強。因此可以通過增大鉆桿的直徑和壁厚來增加鉆桿傳遞功率的能力。如表1 為不同鉆桿的承載能力試驗參數(shù)。

5 復(fù)合鉆桿的設(shè)計

針對ZK96-5孔的設(shè)計孔深為4000 m，對于NQ鉆桿來說，國內(nèi)鉆桿當(dāng)時還沒有能夠滿足4000 m鉆深要求的，雖然有的鉆桿設(shè)計滿足3000 m鉆深能力，但也只是理論上的評價，沒有得到驗證。當(dāng)時采用NQ繩索取心鉆桿鉆進最深孔是安徽313施工的2706 m，距離4000 m還相差很大。為解決NQ繩索取心鉆桿鉆進能力不能滿足孔深需要的問題，結(jié)合實際情況，通過分析，設(shè)計了兩種復(fù)合鉆桿形式：一種是塔式復(fù)合鉆桿(如圖3所示)，即在地層允許的情況下，上部鉆桿用HQ鉆桿(Φ89 mm)，下部用NQ鉆桿(Φ71 mm)帶NQ鉆具。上部鉆桿由于截面積較大可以承受較大的負(fù)荷，下部鉆具由于口徑小重量小，產(chǎn)生的扭矩也小。這種形式可以滿足繩索取心投放打撈內(nèi)管，實現(xiàn)全部繩索取心，但鉆孔結(jié)構(gòu)的上部孔段必須滿足Φ89繩索鉆桿通過需要的孔徑。另一種是同徑復(fù)合鉆桿，即鉆進至一定深度后上部采用厚壁鉆桿，加大鉆桿的有效橫截面積，增大傳遞扭矩和拉力的能力，解決繩索取心鉆桿能力不足問題，取心時需要把這一部分鉆桿提出來，下部用NQ鉆桿帶NQ鉆具，以實現(xiàn)下部采用繩索取心鉆進，不至于每個回次把所有鉆桿都提出來再進行取心，縮短輔助時間。實際使用的復(fù)合鉆桿還要根據(jù)具體應(yīng)用情況做相應(yīng)的調(diào)整，以滿足深部鉆井的需要。

圖3 塔式復(fù)合鉆桿結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Simplified diagram of structure of the tower-type composite drill pipe

6 復(fù)合鉆桿的應(yīng)用效果

ZK96-5孔施工中，首先采用了第一種設(shè)計方案。用S96繩索取心鉆進至孔深2229 m，沒有下套管，提出S96鉆具后，下部用NQ繩索取心鉆桿鉆具，上部通過變絲接手(如圖4)繼續(xù)使用HQ鉆桿，形成自下而上NQ鉆頭鉆具+Φ71鉆桿+變絲接手+HQ鉆桿的組合形式。從孔深2229 m開始，計劃用這一方式鉆進至終孔(4000 m)，但鉆進至2672 m時，發(fā)生孔內(nèi)事故，孔壁坍塌，不得不下入Φ89套管護孔，此方式無法再繼續(xù)使用。但從完成的443 m進尺使用情況看，取得了良好效果。這種形式的優(yōu)點是根據(jù)不同的深度要求，保證了鉆桿的傳遞動力的能力，同時NQ內(nèi)管總成可以順利通過Φ89鉆桿，實現(xiàn)繩索取心。存在的問題主要是為了滿足鉆進，必須有一部分NQ鉆桿處于HQ鉆孔內(nèi)，形成較大的環(huán)狀間隙，如圖5所示。容易造成NQ鉆桿彎曲應(yīng)力過大，造成斷鉆桿。特別是開始換徑階段，下部孔段的鉆桿半波長度小，彎曲應(yīng)力大。隨著孔深增加，鉆桿零截面下移，半波長度增大，斷鉆桿狀況逐步解決。

圖4 Φ71-Φ89變絲接手Fig.4 Joints of Φ71-Φ89 reducer union

圖5 塔式復(fù)合鉆桿鉆進狀態(tài)圖Fig. 5 Drilling state of the tower-type composite drill pipe

另一種復(fù)合鉆桿是上部用Φ60高強度石油鉆桿，下部用NQ鉆具的形式。當(dāng)孔深鉆進至3000 m時，已經(jīng)突破NQ鉆桿的設(shè)計能力，為了確保上部鉆桿的受力需要。采用了自下而上NQ繩索鉆頭鉆具+Φ71鉆桿+變絲接手+Φ60高強度特制鉆桿的組合形式(Φ60變絲接手如圖6所示)，由于Φ60的管壁厚，傳遞動力的能力強，但內(nèi)徑小，內(nèi)管總成不能通過，每個回次采取巖心時，需要先把Φ60鉆桿提出來，再進行打撈和投放內(nèi)管總成。根據(jù)NQ鉆桿的設(shè)計能力，下部繩索鉆桿一直保持在2800 m左右。這種“半繩索”式鉆進方法，從孔深3300 m一直鉆進至終孔，Φ60鉆桿沒有出現(xiàn)任何問題，證明了鉆桿的能力。

圖6 Φ60鉆桿接手Fig. 6 Joints of Φ60 drill pipes

7 發(fā)展建議和結(jié)論

(1) 實踐證明，在沒有更好的管材材質(zhì)的前提下，在調(diào)質(zhì)處理和對絲扣部分進行鐓粗，以此來解決絲扣強度的方法是可行的。

(2) 要加強對鉆桿螺紋形式和新型材質(zhì)的研究，加強鉆桿加工工藝，以滿足深孔對鉆桿強度等性能的要求。此外，提高鉆桿強度，還不能一味追求小口徑。

(3) 塔式復(fù)合鉆桿和同徑復(fù)合鉆桿在4000 m深鉆中的成功應(yīng)用，證明了在深孔鉆探時使用復(fù)合鉆桿是可行的。復(fù)合鉆桿的使用，能有效解決常規(guī)鉆桿不能滿足深部鉆探對鉆桿強度要求的問題。可以加強對復(fù)合鉆桿的研究，包括對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等，以使其更多的滿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；[責(zé)任編輯]郝情情。

陳師遜(1965年-)，男，1988年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，獲學(xué)士學(xué)位，研究員，現(xiàn)主要從事地質(zhì)巖心深部鉆探技術(shù)研究和技術(shù)管理工作。E-mail: chshixun@126.com。

TE921+.9

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0495-5331(2014)04-0772-5