王建國，徐能惠,杜學(xué)斌,胡 洪,高 璐

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室 陜西 西安 710032;2.中國重型機械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

鉆桿修復(fù)工藝和技術(shù)研究

王建國1,2，徐能惠1,2,杜學(xué)斌1,2,胡 洪2,高 璐1,2

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室 陜西 西安 710032;2.中國重型機械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

鉆桿修復(fù)可以使舊鉆桿得到充分利用，減少因鉆桿質(zhì)量導(dǎo)致的鉆井事故。在研究鉆桿修復(fù)工藝的基礎(chǔ)上對鉆桿矯直、鉆桿清洗、無損檢測、耐磨帶焊接和鉆桿修扣等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，并根據(jù)具體生產(chǎn)技術(shù)要求設(shè)計了鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線生產(chǎn)率可達50～70根/小時。

鉆桿修復(fù)；關(guān)鍵技術(shù)；生產(chǎn)線設(shè)計

0 前言

在現(xiàn)代鉆井施工中，鉆桿大多都在非常惡劣的工況下工作，尤其是在定向井、水平井的鉆進中，鉆桿要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸的復(fù)合載荷作用，同時，還要經(jīng)受鉆井液的腐蝕、沖蝕作用。在處理卡鉆等井下事故時，鉆桿要受到滿負荷的提拉作用力，在這些載荷的反復(fù)作用下鉆桿將出現(xiàn)疲勞裂紋、管體磨損或者腐蝕坑等；鉆桿接頭的內(nèi)外螺紋也會因各種原因發(fā)生刺漏、脹扣或者脫扣現(xiàn)象。以上提到的鉆桿質(zhì)量問題如果不能及時地發(fā)現(xiàn)并處理，將會導(dǎo)致井下事故，嚴重時會發(fā)生鉆桿斷裂甚至卡鉆事故，造成重大的經(jīng)濟損失[1]。所以，在石油鉆桿使用之前對其質(zhì)量缺陷進行探測檢查并對有質(zhì)量問題的鉆桿進行相應(yīng)的缺陷修復(fù)就是非常有意義的，這個過程就是鉆桿修復(fù)。

1 鉆桿修復(fù)工藝過程

鉆桿修復(fù)時，首先要對有問題的鉆桿進行初步分類，初步挑選出報廢不嚴重的鉆桿進行校直，將校直后的鉆桿清洗干凈后進行無損檢測探傷。經(jīng)過探傷挑選出管體沒有質(zhì)量問題的鉆桿，根據(jù)需要將鉆桿接頭完好或可直接修復(fù)的鉆桿重新修復(fù)螺紋，再對鉆桿接頭耐磨帶磨損或者脫落的鉆桿補焊耐磨帶，最后將修復(fù)合格的鉆桿進行噴標、打標和收集等。

另外，配備有摩擦焊設(shè)備的工廠還可以對鉆桿接頭報廢、管體合格的鉆桿進行接頭切割工序，然后重新焊接鉆桿接頭，這類似于鉆桿生產(chǎn)的工藝過程[2]。

鉆桿修復(fù)的一般工藝流程如圖1所示。

圖1 鉆桿修復(fù)工藝流程圖Fig.1 Process flowsheet of drill pipe repairing

鉆桿修復(fù)主要工藝過程簡介如下：

(1)初步分類檢查并矯直。首先通過對需要修復(fù)的鉆桿進行初步分類，挑選出報廢不嚴重的鉆桿。將彎曲變形的鉆桿進行矯直處理。

(2)除銹清洗。將校直達標的鉆桿通過外壁清洗機組進行鉆桿外壁低壓水清洗，外壁清洗完的鉆桿移送至鉆桿鉆通線進行內(nèi)壁鉆通除油除垢，再移送至高壓水射流內(nèi)壁清洗線進行內(nèi)壁清洗，再由氣體吹掃裝置進行內(nèi)壁吹干鉆桿內(nèi)壁。內(nèi)壁清洗干凈的鉆桿，移送至鉆桿兩端桿頭清洗線，進行鉆桿公扣端與母扣端刷洗。

(3)無損檢測。清洗干凈的鉆桿移送至無損探傷檢測線進行管端、螺紋和管體無損探傷檢測。

(4)修扣。經(jīng)過校直、清洗、探傷之后挑選出管體合格的鉆桿，根據(jù)需要將接箍頭完好并且可直接修復(fù)的鉆具，用車絲機重新修扣。

(5)耐磨帶補焊。檢驗鉆桿耐磨帶是否完好，將耐磨帶需要修補的鉆桿進行耐磨帶補焊處理。

(6)噴標打標和打包。修復(fù)合格的鉆桿進行噴標示，轉(zhuǎn)入打包工序。

2 鉆桿修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 鉆桿矯直技術(shù)

鉆桿主要是由桿體和焊接在桿體兩端的鉆桿接頭組成，由于接頭的外徑要比桿體外徑大很多，所以鉆桿是個中間細兩頭粗的結(jié)構(gòu)，這就使得鉆桿不方便在輥式矯直機上進行矯直。

目前鉆桿矯直一般采用壓力矯直設(shè)備，也叫點式矯直機。點式矯直機采用三點式校直原理，用大噸位液壓油缸點壓鉆桿的彎曲部位進行校直，點壓機構(gòu)可移動并連續(xù)的校直鉆桿的各個彎曲部位，其主要包括移動式主機、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、上料機構(gòu)、機架以及可移動式支座等[3，4]。

鉆桿矯直時，首先將彎曲變形的鉆桿放在可移動式支座的兩個支點之間，用移動式主機上的壓頭對準鉆桿彎曲最大處進行反向壓彎，加壓到反彎量與鉆桿的彈復(fù)量相等時停止壓下，壓下力撤消后鉆桿的彎曲部位將變直。不過，通過一次反彎矯直不能達到較好的效果，一般需要操作2～3次。第一次反彎矯直后要檢測壓彎量和彈復(fù)量的差值，據(jù)此設(shè)定下次反彎的壓彎量，進行第二次矯直并檢測，直到符合鉆桿直線度要求。

2.2 除銹清洗技術(shù)

舊鉆桿在探傷之前要清洗鉆桿上附著的泥垢、銹垢或油脂垢等，以提高鉆桿無損探傷的精確性與可靠性，對鉆桿后續(xù)的修扣等處理和使用創(chuàng)造有利條件。

鉆桿清洗設(shè)備一般分為外壁清洗裝置、內(nèi)壁清洗裝置和內(nèi)外螺紋清洗裝置。

外壁清洗裝置一般采用機械鋼絲刷進行鉆桿外壁低壓水刷洗的工藝[5]。外壁清洗時，鉆桿螺旋前進通過外壁清洗裝置。外壁清洗裝置的基座上一般有多組外刷洗輪和噴嘴。刷洗輪具有浮動功能，根據(jù)管徑不同，自由浮動，自動壓緊鉆桿，能夠保證鉆桿在有接箍、接頭等局部變徑條件下，刷輪始終與外壁緊密壓緊刷洗，同時自動順利通過。在刷洗的同時，低壓水沖洗鉆桿完成清洗鉆桿外壁的目的。

鉆桿內(nèi)壁采用高壓水射流清洗。清洗時，端頭帶有高壓噴嘴的清洗桿穿過鉆桿內(nèi)孔然后反向回退回，當高壓水射流作用在鉆桿內(nèi)壁的泥垢、銹垢上的壓力大于泥垢等本身的抗壓強度極限時，泥垢等即開始破裂，在水射流的持續(xù)作用下，污垢等便脫離物體表面，從而完成清洗作業(yè)。內(nèi)壁清洗有兩種方式，一種為鉆桿固定，清洗桿在驅(qū)動裝置的作用下穿過鉆桿內(nèi)孔；另外一種是清洗桿固定，鉆桿螺旋前進使清洗桿穿過鉆桿內(nèi)孔。另外，為了使內(nèi)外壁清洗生產(chǎn)節(jié)奏較為匹配，內(nèi)壁清洗時采用雙管清洗模式，同一臺設(shè)備，同時清洗兩根鉆桿，增加了內(nèi)壁噴洗時間，保證了清洗效果，也提高了清洗效率[6，7]。

清洗完成后，一般需要用壓縮空氣吹干管內(nèi)的積水。

2.3 鉆桿無損檢測技術(shù)

鉆桿無損檢測也叫鉆桿探傷，是鉆桿修復(fù)中的關(guān)鍵工序，是檢測鉆桿缺陷的實際有效的方法。鉆桿探傷主要是對桿體、桿端加厚區(qū)、接頭和摩擦焊焊縫。

由于鉆桿本身結(jié)構(gòu)的特殊性(例如變徑、變壁厚和斜面等)和缺陷形式的多樣性，其無損檢測需要根據(jù)實際情況采用多種檢測方法。

桿體探傷一般采用漏磁檢測，漏磁檢測一般用探頭固定，鉆桿縱向通過檢測設(shè)備的方式，其原理為：探頭前的磁化線圈產(chǎn)生的高能磁場先使桿體磁化到飽和或接近飽和，如果桿體有缺陷或者壁厚損失，桿體中的磁場就會泄露出來被探頭檢測到。漏磁探傷的主要特點是檢測速度快、效果好、操作簡單、抗干擾能力強[8]。

由于漏磁桿體探傷過程中存在桿端盲區(qū)，因此在桿體探傷后還要進行桿端探傷，桿端加厚區(qū)、接頭和摩擦焊焊縫采用超聲波探傷。超聲波探傷時將高頻聲波脈沖導(dǎo)入鉆桿，聲波在鉆桿中傳輸時如果碰到缺陷就會被反射回去，系統(tǒng)檢測到這些回波并進行信號轉(zhuǎn)化就可以知道缺陷情況[9]。

2.4 鉆桿修扣方法

鉆桿螺紋因腐蝕、劃傷或者磨損等造成的失效也是鉆桿缺陷的一種形式。缺陷不嚴重時一般采用螺紋修扣的方法進行鉆桿修復(fù)。

鉆桿螺紋為錐螺紋，以外螺紋為例(圖2)，修復(fù)時先將端面切掉一定長度L，同時臺肩面也對應(yīng)切掉厚度為L的余量，然后再將直徑增大后的錐面按要求加工到合適的尺寸，最后再順著原來螺紋的軌跡把變淺的螺紋槽加工到規(guī)定深度，這樣就可以完成螺紋修復(fù)[10]。

圖2 鉆桿螺紋修復(fù)方法Fig.2 Repairing method of drill pipe thread

螺紋修扣與新鉆桿車扣一樣，也使用數(shù)控車絲機完成，只不過在原來的螺紋槽上用數(shù)控加工方法車螺紋難度要更大一些，需要解決工件欠定位和加工余量自動分配等問題。

2.5 鉆桿耐磨帶焊接技術(shù)

由于深井、超深井、定向井等技術(shù)的發(fā)展，鉆桿在鉆進過程中的摩擦扭矩、摩擦阻力大大增加，經(jīng)常會造成鉆桿接頭過度磨損或者套管磨穿現(xiàn)象，從而造成嚴重損失。在鉆桿接頭上焊接耐磨帶是解決這一問題最經(jīng)濟有效的方式。

目前，鉆桿接頭耐磨帶一般采用等離子堆焊或者等離子噴焊工藝加工。等離子粉末堆焊是以等離子弧作為熱源，應(yīng)用等離子弧產(chǎn)生的高溫將合金粉末與基體表面迅速加熱并一起熔化、混合、擴散、凝固，等離子束離開后自激冷卻，形成一層高性能的合金層，從而實現(xiàn)鉆桿表面的強化與硬化的堆焊工藝。等離子粉末噴焊是利用等離子弧作為熱源，在鉆桿接頭表面形成熔池，然后利用送粉器把合金粉末吹到電弧中，合金粉末在電弧中被融化并噴射到熔池中去，隨著焊槍的不斷擺動和鉆桿的相對旋轉(zhuǎn)，合金熔池就會不斷冷卻凝固，通過調(diào)節(jié)參數(shù)就可以在在鉆頭表面圓周方向生成具有一定均勻?qū)挾群秃穸鹊哪湍11，12]。

早期的耐磨帶材料一般選用鎢鈷系列硬質(zhì)合金，近些年隨著技術(shù)發(fā)展，耐磨帶材料性能越來越優(yōu)異， 美國安科公司研發(fā)的ARCON-100XT、ARCON-200XT和ARCON-300XT系列耐磨帶材料不僅具有相當?shù)挠捕?，而且具有較小的摩擦系數(shù)。

耐磨帶硬度一般能達到55HRC左右，而且耐磨帶材料摩擦系數(shù)小，可以較好地保護鉆桿接頭，減少套管內(nèi)壁磨損，同時降低了鉆柱的旋轉(zhuǎn)阻力。

3 鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線設(shè)計

圖3為根據(jù)某企業(yè)的鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線技術(shù)要求而設(shè)計的鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線平面布置圖。該生產(chǎn)線是集機、電、液和計算機控制于一體的全自動化生產(chǎn)線，可對φ73～φ139.7 mm的鉆桿進行矯直、清洗、探傷、修扣、耐磨帶補焊和收集打包等自動化修復(fù)作業(yè)，最大生產(chǎn)率為50～70根/h。

圖3 鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線布置圖Fig.3 Arrangement plan of drill pipe repairing production line

4 結(jié)語

鉆桿修復(fù)技術(shù)的推廣及應(yīng)用將實現(xiàn)舊鉆桿的科學(xué)分級，使長期閑置的舊鉆桿經(jīng)過科學(xué)的檢測和修復(fù)得到充分的重復(fù)利用，這不但提高了舊鉆桿的維修質(zhì)量，明顯也減少了因鉆桿質(zhì)量而導(dǎo)致的鉆井事故，而且取得了極大的經(jīng)濟效益和社會效益。

該自動化鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線的應(yīng)用也將極大促進鉆桿修復(fù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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Research on process and technology for drill pipe repairing

WANG Jian-guo1,2, XU Neng-hui1,2, DU Xue-bin1,2, HU Hong2, GAO Lu1,2

(1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi’an 710032, China;2. China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China)

Drill pipe repairing can make full use of the used drill and reduce drilling accidents caused by poor drill quality. Based on the research ondrill pipe repairing process, straightening, cleaning, nondestructive testing, wearable zone welding, repairing screw thread and other key technologies are analyzed, and the production line of drill pipe repairing is designed according to the specific technology requirements, the productivity of the production line is 50～70 pieces/h.

drill pipe repairing; key technology; production line design

2016-02-26；

2016-03-29

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2014KTCL01-01);陜西省重大科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)專項(2015KTCG01-02)

王建國(1987-)，男，工程師，主要從事油氣輸送裝備與工藝和重型鍛壓裝備的研究。

TE28

A

1001-196X(2016)06-0039-05