樊繼強，王 委，劉 亞，許春田

（中國石化華東石油工程公司江蘇鉆井公司，江蘇 揚州225261）

多年來，石油鉆井使用的鉆桿基本上都是由鉆桿管體與公、母接頭組成的結(jié)構(gòu)，起下鉆時，主要采用雙吊卡或單吊卡加動力卡瓦的方式。 雙吊卡起下鉆勞動強度大、工作效率低，操作不當易出現(xiàn)單吊環(huán)起鉆的危險情況； 單吊卡加動力卡瓦的方式，卡瓦牙徑向力易在夾持部位形成咬痕，隨著井深的增加，卡瓦夾持力增大，對鉆桿本體損傷也隨之加大，嚴重時擠毀鉆桿；有傷痕的鉆桿，遇硫化氫極易產(chǎn)生氫脆，增加安全隱患。

目前對鉆桿的研究，大部分關(guān)注于管體材料和接頭螺紋連接形式。 在滿足特殊環(huán)境的高難度油氣勘探需求方面， 國外一些公司開發(fā)了一些特種鉆桿，如Grant、V&M批量生產(chǎn)了Z-140、V150新型高強度鉆桿， 具有高達1 034 MPa的抗拉強度和優(yōu)良的抗斷裂韌性，這種鉆桿目前主要在大位移、超深井使用［1-5］。 本文介紹的特殊結(jié)構(gòu)鉆桿，是在母接頭下端增加一個凸臺結(jié)構(gòu)， 使用改進的氣動卡瓦配合，改變鉆桿被夾持部位的受力方向，既可實現(xiàn)單吊卡起下鉆，又減少了鉆桿的損傷［6-9］。

1 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿

特殊結(jié)構(gòu)鉆桿主要是在API鉆桿的基礎(chǔ)上，于母接頭下端增加一個凸臺，此結(jié)構(gòu)外徑與母接頭相同，其它結(jié)構(gòu)及性能均不變，見圖1。

主要特點是：

（1）除在母接頭下端增加一個凸臺外，其余結(jié)構(gòu)及參數(shù)與API鉆桿相同，便于生產(chǎn)、維護及現(xiàn)場使用。

采用SPSS 20.0統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計量資料以“±s”表示，采用t檢驗；計數(shù)資料以百分數(shù)（%）表示，采用x2檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

將150 mm、160 mm外徑的凸臺進行比較，可以看出，外徑增大，則所受剪切應力降低（見圖12）。

（3）凸臺下端加厚部分與原鉆桿母接頭下端結(jié)構(gòu)相同，不影響扣吊卡作業(yè)。

地方政府推動型模式主要是地方政府通過一系列的政策、活動、各項服務(wù)等措施，推動閑置宅旅游開發(fā)活動的進行，最典型的代表是區(qū)政府推動、農(nóng)戶為主體的北京密云模式。

（4）凸臺在母接頭下端700～900 mm處，鉆桿坐在氣動卡瓦上， 母接頭端面正好位于適合的高度，便于上卸扣操作。

2 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿設(shè)計

特殊結(jié)構(gòu)鉆桿是對普通鉆桿局部結(jié)構(gòu)進行改進， 為分析這種改進是否影響鉆桿本身應力結(jié)構(gòu)，對改進后的鉆桿進行了仿真模擬分析。

2.1 仿真模擬計算模型

模擬采用常規(guī)127 mm鉆桿，主要參數(shù)：接頭外徑168.3 mm、管體外徑127 mm、管體壁厚9.19 mm、內(nèi)螺紋接頭長度306 mm、鉆桿總長9 400～9 550 mm之間。

（1）網(wǎng)格劃分：鉆桿是軸對稱結(jié)構(gòu)，在實際工作中受軸向拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)以及震動沖擊等多種載荷的作用， 受力較為復雜， 本文選用高階20節(jié)點solid95單元生成六面體網(wǎng)格進行計算（見圖2）。

圖2 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿母接頭網(wǎng)格圖

（2）鉆桿變形邊界條件：鉆桿左端面約束XYZ三個自由度， 右端同時施加彎曲角位移5°/30 m，扭矩1 500 kN·m，軸力1 500 kN，三種載荷均為極限載荷（見圖3）。

圖3 特殊鉆桿工作時邊界條件

2.2 計算結(jié)果分析

凸臺長度L 與凸臺承受剪切能力相關(guān) （見圖10）。 若L過短，可能強度不足以承受鉆柱自重；若L過長，會加重鉆桿整體重量。

圖4 兩種鉆桿應力對比

圖5 API標準鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在直井中的軸力

2.3 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿與API鉆桿應力比較

特殊結(jié)構(gòu)鉆桿略重于API鉆桿，在實際井眼中，由于重力的影響，特殊結(jié)構(gòu)鉆桿所受軸力會略大于API鉆桿（見圖5）。

圖6a和圖6b分別為斜井段API鉆桿和特殊結(jié)構(gòu)鉆桿軸力圖，從圖中可以看出，越靠近井口，鉆桿軸力越大；井斜越大，鉆桿軸力越小。

該類型特殊結(jié)構(gòu)鉆桿主要有兩種規(guī)格，?127 mm用于淺井到中深井，?139 mm用于深井、超深井。已經(jīng)在江蘇、 新疆及重慶等工區(qū)40多口井推廣使用，其中8口水平井。

圖6 API標準鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在斜井段的軸力

表1 API標準鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在井中最大應力

3 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿凸臺剪應力分析

3.1 模型與邊界條件

在實際起下鉆時， 氣動卡瓦夾持鉆桿凸臺下端，凸臺靠自身剪應力“提起”整個鉆桿，在深井和超深井中，鉆桿數(shù)量較多，重量較大，凸臺受到很大的剪應力。

由圖3可以看到，在低溫環(huán)境下，水樹從缺陷處引發(fā)，沿電場方向向前生長。老化14 d時水樹形態(tài)呈片狀，即水樹枝相互連接，水樹的枝狀特征并不明顯。而老化21 d后，水樹的分枝狀特征已經(jīng)較為明顯，在針孔周圍均存在枝狀的水樹枝。而老化28 d后，水樹的分枝狀特征更為明顯，且越靠近水樹尖端，水樹枝越尖。另外，隨著老化時間增長，水樹染色逐漸加深。由圖3(c)可見，老化28 d以后，針孔尖端的水樹染色明顯加深。

圖7 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿凸臺受剪邊界條件

3.2 凸臺受剪應力計算結(jié)果分析

在起下鉆時，卡瓦夾持凸臺，凸臺處所受剪切應力較大。 受力云圖（見圖8）較為清晰地描述了凸臺內(nèi)部的應力狀態(tài)。 云圖中藍色表示受壓，紅色表示受拉。 圖9為凸臺受到的拉壓應力云圖，彩色部分顯示了拉壓應力狀況，灰色部分無應力。

圖8 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在卡瓦夾持時的受力情況

圖9 凸臺受軸向拉壓應力

3.3 凸臺長度對剪切應力的影響

圖4為相同邊界條件下，API鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿應力云圖， 云圖中相同的顏色表示相同的應力值，從圖4a可以看出，API鉆桿在拉彎扭組合極限載荷作用下， 受力最大的區(qū)域在鉆桿內(nèi)螺紋接頭下端，最大Mises應力為401.8 MPa；圖4b可以看出，特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在相同載荷作用下受力最大的區(qū)域也在鉆桿內(nèi)螺紋接頭下端， 最大Mises應力為430.6 MPa， 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿的最大Mises應力略大于API鉆桿，如圖所示內(nèi)螺紋接頭下端以及凸臺上端和下端也都是應力相對集中的位置。

圖10 凸臺的長度

分別對L為60 mm、70 mm、80 mm三種情況進行計算，從云圖可以看出，L越大，剪應力值越小（見圖11、表2）。

表2 不同凸臺長度對應的應力

3.4 凸臺外徑對剪切應力的影響

凸臺外徑尺寸對剪切應力影響較大。 相同長度下，凸臺外徑越大，抵抗剪切能力越強，另一方面也增加了鉆桿自重。

鋼管樁采用地質(zhì)鋼管(YB235-70 DZ40)，規(guī)格為D127δ4.5，樁中心距為500 mm，施工樁長9.00 m，嵌入較完整基巖深度不小于2 m。采用工程鉆機回轉(zhuǎn)鉆進法(干成孔)成孔后植入鋼管，嚴禁潛孔錘法成孔，成孔孔徑不小于130 mm(D127)。鋼管內(nèi)灌注M30純水泥漿，樁位偏差不應大于50 mm，垂直度偏差不應大于1.0。鋼管樁嵌巖段分層開孔，以便鋼管樁與土(巖)層間隙灌注M30水泥漿密實，灌注過程中應防止鋼管浮動。

總的來講，2000年以前中國社會化養(yǎng)老服務(wù)的觀念還沒有形成，老年人的服務(wù)內(nèi)容多屬于社會福利與社會救濟的范疇，政府服務(wù)的對象基本限于孤寡老人和生活困難老人，主要通過福利院、敬老院、光榮院等收養(yǎng)性社會福利機構(gòu)完成。1999年，中國正式邁入老齡化社會，老齡化的嚴峻形勢使得養(yǎng)老服務(wù)成為一種廣泛而緊迫的社會需要，因此一系列加強老年保障、推動養(yǎng)老服務(wù)發(fā)展的政策開始出臺。

起下鉆時，卡瓦夾持鉆桿凸臺，接觸模型如圖15所示。

（2）起下鉆時，凸臺坐在無牙板氣動卡瓦上，鉆桿承受軸向拉力，避免了牙板帶來的損傷，延長鉆桿壽命。

利物浦約翰摩爾大學圖書館提供的支持數(shù)字學術(shù)的開放期刊托管服務(wù)是一次嘗試，雖然該館主頁尚未建立數(shù)字學術(shù)服務(wù)專欄，但是已經(jīng)邁出了數(shù)字學術(shù)服務(wù)的關(guān)鍵一步。愛丁堡大學圖書館和圣安德魯斯大學圖書館也開展了開放期刊托管服務(wù)［12］，然而這兩個圖書館并未將此項服務(wù)列入數(shù)字學術(shù)服務(wù)頁面。英國高校圖書館開展的開放期刊托管服務(wù)，也是一種發(fā)揮圖書館員特長、擴展數(shù)字學術(shù)服務(wù)內(nèi)容的有益嘗試。

圖11 不同長度凸臺受拉時剪切應力

圖12 不同外徑凸臺受拉剪切應力云圖

4 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿與卡瓦相互作用分析

4.1 凸臺與卡瓦接觸狀態(tài)分析

卡瓦夾持凸臺時， 二者間接觸壓力和摩擦力如圖13所示，兩種力都呈現(xiàn)兩端大、中間小的狀態(tài)。

圖13 卡瓦與凸臺相互作用受力分布

卡瓦與凸臺間相互接觸，在夾持的過程中，有的部分相對滑移，有的部分貼附在一起（見圖14），紅色部分表示卡瓦上端始終與凸臺貼附在一起，褐色部分表示卡瓦下端與凸臺之間有相對滑移。

立體幾何的學習，一般體現(xiàn)為“直觀感知——操作確認——思辨論證——度量計算”這樣一個認知過程．本題給出圖形便于學生感知，第一問要求學生進行論證，并在此基礎(chǔ)上進行度量計算，考查學生的觀察、想象、分析、判斷及推理能力．立體幾何的學習需要學生具備必要的空間想象能力、推理論證能力和運算能力，這對于學生后繼學習具有重要意義，更是相關(guān)技術(shù)職業(yè)工作必不可少的基礎(chǔ)能力．

為了準確模擬卡瓦夾持時凸臺受剪狀態(tài)，采用非線性接觸方法，計算凸臺受力狀態(tài)。 接觸問題是一種高度非線性行為，結(jié)果較難收斂，但能夠較為準確地模擬鉆桿受力狀態(tài)。 如圖7所示，藍色部分定義為接觸面，鉆桿右端受到軸向拉力。

4.2 卡瓦受力分析

含氧官能團的測定參照《化學滴定法定量分析石墨烯表面含氧官能團的含量》（Q/LMO3CGS001—2014），每個樣品進行3次測量，取其平均值，誤差范圍均小于0.005 mmoL·g-1。

在卡瓦與凸臺接觸過程中， 卡瓦所受徑向力如圖16a所示，上端所受擠壓作用較大，下端所受擠壓作用較小；卡瓦所受環(huán)向應力如圖16b所示，內(nèi)壁上端受環(huán)向應力較小，下端受環(huán)向應力較大。

圖14 卡瓦與凸臺之間的接觸狀態(tài)

圖15 凸臺與卡瓦模型

圖16 卡瓦徑向和環(huán)向應力

卡瓦所受軸向剪切應力如圖17所示，卡瓦內(nèi)壁上端所受軸向剪切應力較小，卡瓦內(nèi)壁下端所受軸向剪切應力較大，這也是導致圖14卡瓦與凸臺接觸面下端滑移、上端貼附的原因。

圖17 卡瓦軸向剪切應力

圖18為卡瓦mises應力云圖， 卡瓦內(nèi)部受力較大，外部受力較小，主要靠內(nèi)部的變形支撐鉆桿重量。

圖18 卡瓦mises應力

4.3 卡瓦改進

常規(guī)卡瓦利用牙板卡緊夾持鉆桿，依靠兩者間的摩擦力來承載鉆桿重量， 卡瓦牙板易 “咬傷”鉆桿。 改進的卡瓦取消了牙板，起下鉆時，鉆桿凸臺下端坐落在無牙板動力卡盤上， 軸向承載鉆柱重量，消除了卡瓦牙齒尖對鉆桿本體的傷害，顯著延長了鉆桿使用壽命［10］。

5 現(xiàn)場應用

表1為不同井眼中API鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿受的最大軸向力、最大扭矩和最大彎矩時，鉆桿的最大應力值。 從表中可以看出，三種載荷同時作用于鉆桿時，直井中鉆桿的最大應力最大，定向井中鉆桿的最大應力較??；相同井眼中特殊結(jié)構(gòu)鉆桿的最大應力比API鉆桿大8.5%左右。

5.1 使用效果分析

（1）與常規(guī)鉆桿相比，特殊結(jié)構(gòu)鉆桿第二臺階外徑增大，環(huán)空間隙相對減小，鉆井液流經(jīng)時的流速會加快，高流速更有助于巖屑運移，起到提高井眼凈化效果的作用［11］。

（2）特殊結(jié)構(gòu)鉆桿增加了凸臺臺階，鉆具與井壁間接觸面積變大，但從現(xiàn)場應用情況看，并沒有出現(xiàn)摩阻增大現(xiàn)象， 如H88P6井水平段超過400 m，摩阻僅5～10 t，低于同區(qū)塊同類井施工摩阻。

（3）起下鉆時效分析表明，使用特殊結(jié)構(gòu)鉆桿，在新型氣動卡瓦的配合下，起下鉆時間比常規(guī)方法節(jié)約13.4%，有助于縮短鉆井周期。

5.2 使用壽命分析

由于避免了卡瓦牙對鉆桿的咬傷，延長了鉆桿使用壽命。目前普遍采用的?127 mm常規(guī)鉆桿，一般累計進尺6×104m以后， 因鉆桿本體被卡瓦牙損傷，都要降級使用，中深井、高難度定向井、水平井、復雜井等，卡瓦牙對鉆桿本體的損害更為嚴重，有的使用（3～4）×104m就要降級。而一套已使用30多口井的?127 mm特殊結(jié)構(gòu)鉆桿， 累計進尺已超過8×104m，因為本體未受到傷害，仍可以在深井、中深井使用。

1.2 入選標準 ①年齡介于18～90周歲之間；②既往在醫(yī)院診斷為冠心病住院并經(jīng)規(guī)范化治療后在我社區(qū)居家治療的患者；③在秀湖衛(wèi)生服務(wù)中心、相思湖衛(wèi)生服務(wù)中心建檔立健康檔案卡；④生活基本可以自理，無腦卒中病史、自身免疫性疾病、嚴重呼吸系統(tǒng)疾病、惡性腫瘤等。

6 結(jié)論與認識

（1）從剪應力分析結(jié)果可知，凸臺長度越大，應力值越小，凸臺外徑越大，應力越低，但增加凸臺長度及外徑，鉆桿的自重也會增加。 因此，需通過優(yōu)化，選擇合理的凸臺長度及外徑。

黃河是中國第二大河，是世界上復雜難治的河流之最，黃河流域水安全問題也是中國水安全問題的縮影。探索構(gòu)建行之有效且具黃河流域特色的納污紅線管理制度體系和工作格局，對于提高黃河流域水安全保障能力，乃至對于提高中國水安全保障能力，都具有十分重要的意義。

（2）使用特殊結(jié)構(gòu)鉆桿能實現(xiàn)單吊卡起下鉆，可減輕工人的勞動強度，能節(jié)省起下鉆時間，縮短鉆井周期。

（3）改進的氣動卡盤工作性能穩(wěn)定，與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿的凸臺匹配，托持穩(wěn)定可靠，消除了卡瓦對鉆桿的損傷。

（4）使用該類型特殊鉆桿時，由于開、扣吊卡的位置要求精度高，安裝二層臺時，要考慮到起下鉆操作的方便，并使用相應高度的鉆鋌及加重鉆桿。