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金刚石钻探用钻杆的改进与使用效果周全

发表时间：2021/7/19 来源：《基层建设》2021年第12期作者：周全

[导读] 在钻井过程中，钻杆承受各种复杂的应力，并受到腐蚀。绳索取心钻杆接头薄壁是钻柱的薄弱环节。

        黑龙江有色金属地质勘查七0一队黑龙江省哈尔滨市 150028
        摘要：在钻井过程中，钻杆承受各种复杂的应力，并受到腐蚀。绳索取心钻杆接头薄壁是钻柱的薄弱环节。如何提高钻杆和接头的强度和耐磨性，延长其使用寿命，是一个值得关注的问题。
        关键词：金刚石钻探；钻杆；改进；使用

        金刚石钻探用钻杆存在易折断的间题，经多年研究，采用圆锥粗尖螺纹锁接头与摩擦焊接后，使断钻杆事故骤降，而且密封不漏，防止了烧钻事故，取得了很好的社会经济效益。
        一、钻杆折断与漏水的主要原因
        现行的金刚石钻杆螺纹，是地质矿产部《DZ1.1-84》标谁，即圆柱特殊梯形螺纹。这种螺纹经长期使用并对其观察研究分析，我们认为不适应金刚石钻探特点—泵量小、泵压高、转数高。这些特点要求钻杆螺纹严密、不松动、不漏水，否则，必然折断或烧钻。圆柱特殊梯形螺纹存在下列问题。
        1.螺纹本身存有较大问题。螺纹设计存在一定的公差间隙，另外不可避免要超公差加工，就使间隙更大。在现场常常看到螺纹拧到底后的接头是松动的，可见其间隙之大，也看到过不常拧卸的钻杆接头在螺纹上出现一道宽5一6mm、深1一2mm的水沟，可见螺纹漏水情况已很严重了。
        2.螺纹磨损速度过快间隙迅速增大。即使是加工精度很高的螺纹，也经不起每夭要进行10多次的强制拧卸磨损使间隙迅速增大。据实际观察，一副新的锁接头一般使用2个月左右其螺纹牙顶宽度便由3.854mm减至2.9mm左右，不能再用了。这种螺纹之所以磨损过快，是由于它自身的结构所决定的，因为它要从头拧到尾才能扭紧，每道螺纹都要受磨损，尤其是第一、二道螺纹要旋转5一6周才能扭紧，磨损速度越快间隙越大。这就是锁接头折断与漏水的主要原因。
        3.钻杆墩粗部位强度低。钻杆缴粗加厚是为了提高强度，但事与愿违，墩粗后的强度反而下降了。这是因为在地质队加工条件下，不能有效地保证钻杆加热墩粗后的金相组织恢复到原来形态，金相组织粗大强度下降。例如，墩粗后的钻杆外径为52mm，加工螺纹后的理论抗扭矩为3667N.m而直径50mm厚与5.5mm的钻杆抗扭矩为3700 N·m，两者大体相当。但实际使用效果却截然不同，钻杆从不折断，而钻杆螺纹头却经常折断。这个事实本身说明了钻杆墩粗后的强度下降了。
        4.钻杆歪头。现在使用的墩管机墩出的钻杆有相当数量是歪头的，尽管歪的程度不一，但也容易引起折断。以上几点是钻杆问题的主要弱点，对这几个问题我们进行了长期努力，但都没能得到较好的解决。实践使我们认识到，老是想在原有基础上来解决钻杆问题是没有多大希望的。要想解决间题必须另找新的出路。
        二、圆锥粗尖螺纹锁接头的应用
        所谓钻杆问题，首要是锁接头易断易漏水的问题，在寻求新路子方面，我们根据过去使用外丝钻杆锁接头的经验决定将Φ42mm外丝钻杆锁接头螺纹移植到金刚石Φ50mm内丝钻杆上来，设计出了“高强度密封锁接头”，试用效果良好，后来取消了止水胶垫，止水效果也很好。从1984年起在全局推广了“圆锥粗尖螺纹锁接头”，钻杆折断事故大减，据6个重点矿区调查，钻杆折断率由23次/千米，降到3.1次/千米，并基本上消灭了钻头烧钻事故，有力地促进了我局生产水平的提高。圆锥粗尖螺纹的特点如下；（1）螺纹耐磨损。该螺纹的首要特点，即其成功之点，是其耐磨损情况十分良好。这是解决钻杆问题的关键所在。这种接头螺纹寿命可以使用2年左右的时间每年生产时间为6个月。当这种锁接头外
        径磨去2mm多时，其螺纹基本完好依然可用。而圆柱特殊梯形螺纹锁接头当外径磨去1mm左右时，其螺纹便磨得不能再用了。两种接头螺纹的耐磨性形成了十分明显的对照。为什么圆锥粗尖螺纹如此耐磨呢，主要原因有2个，一是公螺纹根部的3道螺纹和母螺纹端部的3道螺纹拧卸时磨不着，始终保持完好状态。二是拧卸时从螺纹中部开始接触旋转而且旋拧时只是螺纹尖部发生接触，随进扣接触面逐渐加大，待到拧紧时螺纹工作面才全面接触。这样一种进扣情形，螺纹工作面的磨损程度自然是轻微的。（2）螺纹精度高。圆锥粗尖螺纹设计本身就不会出现加工超公差间隙，螺纹吻合得十分严密，“先夭性”良好。另外又是使用旋风铣刀进行加工，精度容易得到保证。该螺纹加工的精度，达到螺纹拧紧后用车床剖铣开观察其间隙，用肉眼看不出有缝隙存在。经权威计量部门测试，接头螺纹在7.0mpa压力下滴水不漏，严密程度相当之高。（3）螺纹工作面积大。圆锥粗尖螺纹工作面积为267mm2，比圆柱特殊梯形螺纹工作面积193mm2大38%，这无疑能够提高密封效果。（4）具有自密封性能。在圆锥体上车出的普通螺纹，是以螺纹工作面全面接触之后为到位的并拧紧了的，这本身就具有自密封性能。而当螺纹工作面有了磨损时，也会自动进扣保持紧密接触的状态。这就是该螺纹始终保持自密封性能及螺纹莲接的整体性，保持良好的止水作用。（5）接头采用负紧密距连接。公母接头拧紧后的端面间隙情况如何至关重要。过去曾采用过正紧密距连接，效果不佳，公螺纹折断严重，螺纹也容易咬死。改为紧密距连接后，情况大变，折断率大减。这是一部分扭矩由接头端面来传递，减轻了螺纹载荷的结果，防止了螺纹折断。
        三、摩擦焊接钻杆接头
        当推广使用圆锥粗尖螺纹锁接头已经基本解决了接头折断漏水的问题后，钻杆外螺纹的折断率增加了，显然钻杆柱的薄弱点又从钻杆外螺纹上表现出来。对于这个问题，我们一直想依靠地质队自身的努力来解决，尽管做了大量过细的工作，但收效甚微。长期工作实践使我们认识到，依靠地质队的生产条件来保证钻杆墩粗质量是困难的，难以取得满意的效果。因而我们下决心采用摩擦焊接钻杆接头的方法来解决这个矛盾。经年多生产使用摩擦焊接接头，取得了令人十分满意的效果。根据使用体会，摩擦焊接接头的好处是；（1）接头强度大，不折断接头是用合金钢制成的，接头外径为，与钻杆墩粗的外径相同，两种螺纹部位的理论强度完全相同，但实际使用情况却截然相反，墩粗接头则经常折断，而摩擦焊接接头焊口不开，螺纹不断，显示了摩擦焊接接头的优越性。（2）同心度好。焊接上的钻杆接头与钻杆的同心度良好，这是防止折断的一个重要因素。过去墩粗的钻杆头有相当数量是歪头的，也是不易解决的一个难题，现在迎刃而解了。（3）焊口部位硬度增高，抗磨损。摩擦焊接的焊口经过处理之后，在焊口部位的5一6mm宽度内，硬度为HRC39，比钻杆硬度HRC2一22高很多，增加了一个抗磨圈，有利于减缓接头的磨损速度。
        四、钻杆立根组合形式的改进
        原来的钻杆立根组合方式有2个弱点，一是除立根由锁接头连接外，其余的钻杆是用钻杆接头连接。钻杆接头只有一个切口，接卸时费时费力，尤其是拆卸立根时，由于不能使用拧管机，用人力拆卸又十分费力，常常是将整个立根放倒，整根搬运损伤钻杆。二是钻杆两端都是母扣，一个由3根钻杆组成的立根就有14个螺纹头，螺纹头多，折断率高。采用摩擦焊接钻杆接头是将锁接头的一公一母分别焊在钻杆两端上，每根钻杆都是由锁接头连接，见图1使用拧管机接卸。

        a一原来的钻杆立根组合b一摩擦焊接钻杆接头的立根组合
        1、2、3一摩擦焊接锁接头，4一中接手
        图1
        这样不仅方便了拧卸操作，而且也大大减少了螺纹头数，由14个头减至6个头，立根结构简化，钻杆折断率减少。
        总之，金刚石岩心钻探由于工作环境恶劣，常发生钻杆折断与钻头烧钻，这个问题不仅普遍存在，而且在许多情况下还是很严重的。它困扰着钻探生产水平的进一步提高，是迫切需要解决的重大技术课题。

        参考文献：
        [1]刘秀丽，浅谈金刚石钻探用钻杆的改进与使用效果.2019.
        [2]赵海英，关于金刚石钻探用钻杆的改进与使用效果.2020.