楊宏偉，李艷麗，滿國祥，朱立強，閆路，張慧杰，張麗敏，王洪煒

(石家莊探礦機械廠, 石家莊 050081)

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反井鉆桿的研發(fā)與應(yīng)用

楊宏偉，李艷麗，滿國祥，朱立強，閆路，張慧杰，張麗敏，王洪煒

(石家莊探礦機械廠, 石家莊 050081)

作者根據(jù)生產(chǎn)的實際過程對反井鉆桿的設(shè)計進行了說明，并成功地在反井施工中得到應(yīng)用，最后提出一些建議，旨在拓寬相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域。

反井;鉆桿；研發(fā)；應(yīng)用

0 引言

反井鉆桿是反井施工中的重要組成部分，也是施工成敗的關(guān)鍵部件。如果反井鉆桿的質(zhì)量不過關(guān)，將會導(dǎo)致工程的失敗并造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，本文論述該產(chǎn)品在設(shè)計及生產(chǎn)制造中的要點及應(yīng)注意的事項，希望對選用和生產(chǎn)該產(chǎn)品有一定的參考價值。

1 反井鉆桿的設(shè)計

1.1 設(shè)計要點

由于反井鉆桿在施工過程中承受著拉、壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變應(yīng)力的作用，因此反井鉆桿必須具有較高的疲勞強度和剛度。螺紋部分的斷裂和磨損失效是反井鉆桿最常見的失效形式，對螺紋形式選擇、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、螺紋部分的強化處理是十分有必要的。

1.2 反井鉆桿結(jié)構(gòu)

外形尺寸：外徑214 mm，內(nèi)徑122 mm，長度1 140 mm。結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 反井鉆桿結(jié)構(gòu)圖

1.3 材料的選擇及性能要求

反井鉆桿材料的選擇至關(guān)重要，因為它既涉及到制造成本又涉及到熱處理后的力學(xué)性能。如果只考慮成本而選用普通材料，那么力學(xué)性能就會達不到規(guī)定的要求，反井鉆桿在施工過程中容易出問題。相反，如果盲目追求過高的力學(xué)性能就會造成成本的浪費。因此我們要結(jié)合實際來考慮，在滿足強度要求的前提下選擇合適的材料。這里選擇AISI 4145H合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過整體調(diào)質(zhì)處理后達到表1的力學(xué)性能。

表1 力學(xué)性能要求

1.4 螺紋的優(yōu)化選擇和強化處理

螺紋部分的設(shè)計應(yīng)當(dāng)高度重視。地質(zhì)用細牙鉆桿、石油摩擦焊接鉆桿、鉆鋌等所有鉆具在使用過程中螺紋部分都是比較薄弱的環(huán)節(jié)，例如：螺紋的嚴重的磨損、粘扣、外螺紋根部的斷裂等。這些問題都會給施工帶來不便，甚至整個鉆具掉入井內(nèi)，卻打撈不上來，造成更大經(jīng)濟上的損失。在這里我們對螺紋部分進行了優(yōu)化選擇和強化處理。

(1)參照API標(biāo)準(zhǔn)選用螺紋錐度1∶6，每英寸4牙的粗牙螺紋；

(2)對螺紋部分采用數(shù)控機床精加工后，對其先進行表面硬化處理，然后進行磷化處理；

(3)考慮到使用過程中螺紋部分受到各種交變應(yīng)力的組合作用非常大，現(xiàn)對外螺紋和內(nèi)螺紋設(shè)計應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)，見圖1外螺紋的根部和內(nèi)螺紋終止處；

(4)由于使用過程中反井鉆桿的扭矩較大，現(xiàn)對螺紋部分采用雙臺肩結(jié)構(gòu)來提高抗扭強度。

2 制造的工藝流程及注意問題

原材料選用直徑220 mm的圓鋼—打孔—整體調(diào)質(zhì)處理—無損檢測—力學(xué)性能檢測—截取長度下料—機加工—螺紋硬化處理—磷化處理—噴漆等。在該制造過程中，必須注意要嚴格控制各個工序的精度和公差要求，包括以下幾個方面：

(1)內(nèi)孔的加工必須控制其偏心程度，一般可控制在中心的偏心度不能超過6.35 mm/m;

(2)每根原材料經(jīng)過整體調(diào)質(zhì)處理后必須進行無損檢測，經(jīng)檢測合格對其進行力學(xué)性能試驗，符合表1的要求后，方可進行機加工等后續(xù)工序；

(3)螺紋部分是反井鉆桿的薄弱環(huán)節(jié)，機加工必須控制其尺寸、加工精度和形位公差等內(nèi)容，并經(jīng)過螺紋試規(guī)的檢驗。如果螺紋加工不符合上述要求，使用過程中容易造成螺紋損壞、粘扣等現(xiàn)象，造成不必要的麻煩；

(4)螺紋部分的硬化處理和磷化處理是防止粘扣的有效措施，在制造過程中是不容忽視的。

3 機械性能控制及試驗

為了保證反井鉆桿在各種交變負荷下能夠保持良好的工作狀態(tài)，必須使反井鉆桿具備良好的機械性能。拉伸試樣在距離外表面25 mm位置，且距離端部0.9 m內(nèi)縱向切取，見圖2。按規(guī)定的0.2%殘余應(yīng)變的方法，采用圓柱試樣進行試驗。沖擊試樣取三個作為一組進行試驗，試樣如圖3。

圖2 拉伸試樣

圖3 沖擊試樣

通過試驗得出力學(xué)性能數(shù)據(jù)如下：

屈服強度860 MPa，抗拉強度1 040 MPa，沖擊功88 J，伸長率19%，硬度檢驗HB 310，試驗結(jié)果完全符合表1規(guī)定的要求。

4 反井鉆桿實物及使用效果

反井鉆桿經(jīng)過認真設(shè)計后，根據(jù)客戶的要求進行了批量生產(chǎn)并應(yīng)用到施工過程中，取得良好的效果。圖4為反井鉆桿的實例。

圖4 反井鉆桿實例

使用后我們對反井鉆桿進行了檢測和記錄，具體情況如下：外徑比使用前磨損1 mm左右，在使用過程中沒有出現(xiàn)粘扣、斷扣現(xiàn)象，螺紋部分強度滿足要求；螺紋部分有輕微的磨損，螺紋密封端面密封可靠，經(jīng)檢測仍符合使用要求，總的來說滿足客戶要求，得到了用戶的認可。

5 反井鉆桿使用防護建議

(1)下井前做好反井鉆桿的檢驗工作，不能讓“帶病”的鉆桿進入孔內(nèi)。

(2)反井鉆桿在使用過程中，必須做好螺紋的防護工作，避免磕碰引起粘扣。

(3)單根鉆桿連接時，螺紋表面的臟污須清理干凈，并涂抹螺紋脂，防止螺紋過早損壞。

(4)反井施工過程中不能新舊鉆桿混合連接，并且連接過程中注意所連接2個鉆桿的同軸度，出現(xiàn)問題時不要強行上扣。

(5)搬運過程或倉庫存放時，必須戴好護帽。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的反井鉆桿結(jié)構(gòu)合理，性能等均達到指標(biāo)要求，并成功地應(yīng)用到實際之中，可以得到廣泛推廣。希望大家能夠從該產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中獲益。

[1] ANSI/API Spec 7—1, 旋轉(zhuǎn)鉆柱構(gòu)件規(guī)范[S].

[2] 趙小軍, 趙鈞羨, 陳錫慶,等. 一種大直徑反井鉆桿接頭螺紋參數(shù)的優(yōu)化研究[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2014(10):67-71.

[3] 劉志強. 大直徑反井鉆機及反井鉆進技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2008(11).

2016-10-14

楊宏偉(1981-)，男，機械設(shè)計專業(yè)，高級工程師，從事鉆井設(shè)備、地質(zhì)鉆具的研發(fā)工作,石家莊市鹿泉區(qū)昌盛大街69號，Tel：13933089572，E-mail：1216516102@qq.com。

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