摘要
为了提高绳索取心钻杆的性能,对直连绳索取心钻杆的受力情况、结构特点以及传统处理工艺进行分析,提出了分区热处理的工艺。通过对两端进行热加工处理,使钻杆中间管体区域和两端热处理螺纹区域性能出现差异,提高两端综合强度的同时改善螺纹部分的受力状态,可使钻杆柱既具有高强度又兼具柔性,大幅提高钻杆机械性能以及耐磨性。其中调质硬度HRC33~38能在保证管体延伸率与正火、回火基本一致的情况下,强度提高37.7%,硬度提高40%,抗冲击性提高46.7%。调质硬度HRC38~42时,材料的耐磨性提高9.1%。更适合全液压钻机施工及深孔钻进,为钻探施工提供了钻机、钻杆配套性的优选方案。
近年来,绳索取心钻探技术有了飞跃式发展,国内绳索取心钻杆技术性能已达到甚至部分超过国际先进水平。钻杆柱作为钻进机具中重要的组成部分,具有起下钻头、施加钻压、传递动力、输送冲洗液、处理事故等诸多功
钻杆柱并非一个整体,它是由多根钻杆通过螺纹连接在一起形成的。据统计,钻进过程中由于螺纹处失效造成钻杆折断的事故占总事故量的90%以上,因此钻杆螺纹连接部分是钻杆整体承载的薄弱环节,也是影响钻杆性能的关键部
为了提高钻杆接头的连接性能,国内外学者从理论、试验及数值模拟等方面做了大量研究。陈波
分区热处理是指对材料的不同区域,进行不同温度和时间的加热、保温、冷却处理,最终使材料特定位置具有预期性能。蔡建明
综上所述,目前国内外针对钻杆接头力学性能的研究主要集中在探究钻杆接头的应力分布特征,提高钻杆接头的抗疲劳性能,但从加工工艺的角度对钻杆进行优化的极少。为了提高钻杆柱的安全及可靠性,本文以N口径直连绳索取心钻杆为例,通过对其结构以及工作过程中的受力情况进行分析,了解其技术特点,由此制定分区热处理的工艺,使钻杆柱既具有高强度又兼具柔性的特点,以充分发挥绳索取心钻杆的综合性能,利于钻探施工。
钻杆柱在孔内的工况随钻进方法、钻进工序及地层情况的不同而异。钻杆柱主要是在起下钻和钻进这两种条件下工作。在直孔中起下钻时,钻杆柱基本不接触孔底,整个钻杆柱处于悬挂状态,在自重作用下,钻杆柱处于受拉伸的直线稳定状态。
在正常钻进时,钻杆柱受力较为复杂。首先由于钻杆柱自身的偏心和由自重失稳而产生的弯曲,造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心。这些偏心质量在回转运动中产生离心力,促使钻杆柱进一步弯曲。这种弯曲会对钻杆柱造成十分严重的疲劳破坏。其次,钻杆柱向孔底钻头传送所需钻压主要依赖于钻杆柱自身的重力以及钻机的加压或减压。因此,钻杆柱上存在着随孔口距离变化而变化的纵向拉压
图1 钻杆柱局部运行示意
Fig.1 Local diagram of drill pipe column
不改变钻杆两端结构,同时提高钻杆柱的强度,就需要突破现有思路,找到强化钻杆螺纹性能的新方法。
如果单纯的将钻杆管体热处理,形成整体调质(HRC33~38)管体,然后加工钻杆螺纹,这样的钻杆刚性会全面提高,具有良好的刚性强度,但韧性欠佳,尤其是在深孔和破碎地层施工中刚性过强的钻杆容易发生钻杆折断等质量事故。其原因主要是刚性较强的长钻杆很难弯曲,在回转过程中,刚性最强的螺纹连接处始终受扭弯载荷,而杆体部分也由于韧性不好,无法吸收部分弯曲能量,而使螺纹连接处的载荷继续加大,最后导致在深孔段钻进时螺纹连接处断
本文通过优化热处理加工的方式,优化钻杆体结构,改善钻进施工中单根钻杆两端的受力状态,达到提高钻杆柱螺纹综合承载能力的目的。具体方法是通过对两端进行热处理加工,使钻杆中间管体区域和两端螺纹区域热处理性能出现差异,使钻杆成为“弹塑性”体,弹塑性钻杆具有缓冲特性,能在提高两端综合强度的同时有效改善螺纹部分的受力状态,从而提高钻杆柱的综合性能。这种两端热处理工艺钻杆叫做 “分区热处理钻杆”。
图2 分区热处理钻杆体形式
Fig.2 Sectional heat treatment drill pipe form diagram
分区热处理钻杆选用材质为45MnMoB优质合金无缝钢管,管体规格Ø71 mm×5 mm,为地质岩心钻杆广泛适用,首先对正火态、回火态及3种不同调质态的管体进行力学性能及硬度测试,其结果如
序号 | 处理方式 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/% | 平均洛氏硬度(HRC) | 平均冲击功/J |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 正火 | 826 | 670 | 16 | 24.45 | 13.7 |
2 | 回火 | 820 | 692 | 18 | 27.08 | 14.5 |
3 | 调质1 | 990 | 850 | 14 | 30.72 | 19.2 |
4 | 调质2 | 1137 | 941 | 15 | 33.34 | 20.1 |
5 | 调质3 | 1152 | 1147 | 11 | 34.54 | 12.5 |
随后对3种调质硬度(HRC30~35,HRC33~38,HRC38~42)下的管体进行磨损实验,将管体加工成统一尺寸的样件并编号使其与ZT850钢级材料进行往复对磨,使用电子天平称量试验前后管体的质量变化,称量结果如
试样 | 磨前质量/g | 磨后质量/g | 质量差/g | 磨耗比/% | |
---|---|---|---|---|---|
试样1 (45MnMoB调质态,HRC30~35) | ① | 5.59 | 5.49 | 0.10 | 1.79 |
② | 5.51 | 5.41 | 0.10 | 1.81 | |
③ | 5.50 | 5.40 | 0.10 | 1.82 | |
④ | 5.77 | 5.67 | 0.10 | 1.73 | |
⑤ | 5.43 | 5.32 | 0.11 | 2.03 | |
平均值 | 1.84 | ||||
试样2 (45MnMoB调质态,HRC33~38) | ① | 5.38 | 5.30 | 0.08 | 1.49 |
② | 5.59 | 5.51 | 0.08 | 1.43 | |
③ | 5.39 | 5.30 | 0.09 | 1.67 | |
④ | 5.41 | 5.33 | 0.08 | 1.48 | |
⑤ | 5.45 | 5.35 | 0.10 | 1.83 | |
平均值 | 1.58 | ||||
试样3 (45MnMoB调质态,HRC38~42) | ① | 5.53 | 5.45 | 0.08 | 1.45 |
② | 5.40 | 5.33 | 0.07 | 1.30 | |
③ | 5.56 | 5.49 | 0.07 | 1.25 | |
④ | 5.52 | 5.44 | 0.08 | 1.45 | |
⑤ | 5.53 | 5.46 | 0.07 | 1.32 | |
平均值 | 1.354 | ||||
试样4 (ZT850调质态,HRC33~38) | ① | 5.66 | 5.56 | 0.10 | 1.77 |
② | 5.69 | 5.61 | 0.08 | 1.41 | |
③ | 5.68 | 5.59 | 0.08 | 1.41 | |
④ | 5.69 | 5.61 | 0.08 | 1.41 | |
⑤ | 5.62 | 5.54 | 0.08 | 1.42 | |
平均值 | 1.49 |
从
从
金相组织分析可以有效地判断热处理淬火加热温度、保温时间、冷却速度等是否合适,为调整工序及修改工艺参数提供依据,并指导生产。为此,我们对试验钻杆分段进行了金相检测,具体检测分析情况如
图3 45MnMoB管体不同热处理状态金相测试
Fig.3 45MnMoB tube body different heat treatment state metallographic test
综合上述实验可以看出,热处理后材料的抗拉强度、表面硬度、抗冲击力,螺纹表面精度、耐磨性等综合指标都有大幅提高。通过分区热处理工艺,对管体两端螺纹部位进行调质处理,能大幅提高其硬度、强度、冲击韧性及耐磨性等性能;管体中间部分保持正火态,硬度适中,性能满足钻进要求;调质和正火态之间的过渡部分为回火去应力状态,克服了从正火态到调质态管体产生的应力集中,使管体具有了弹簧性质的缓冲,成为了塑性及韧性较好的弹性体。
钻杆柱处于运行状态时,会受压力弯曲和扭矩力交替综合作用。分区热处理后的钻杆具有良好的韧性和弹塑性,钻杆体在一定限度内有预形变缓冲,抵消一部分刚性作用力,不会对钻杆螺纹形成即时冲击,螺纹部分受到的冲击力及形变会减轻或部分抵消,从而形成对螺纹的保护。同时,钻杆本体的形变一般在弹性范围内,不会因压力或扭矩产生永久变形。
综合来看,分区热处理绳索取心钻杆从结构上更有优越性和合理性,直连绳索取心钻杆配套全液压动力头钻机,设备精度高,能够优势互补、性能互补;与常规型、镦粗型绳索取心钻杆产品技术相比,直连钻杆采用公母扣自接形式,钻杆柱螺纹连接头数少,直线度累计误差小,精度高,在钻探施工中利于高效进尺及高精度钻孔的实现。根据施工状况,分区热处理钻杆在全液压动力头钻机施工中受到交变冲击,钻杆体的“弹塑性”特征对丝扣螺纹起到一定的保护作用,施工正常情况下扭矩小于钻杆螺纹上扣预紧力,上扣预紧力发挥过载保护作用,钻杆柱相当于有自我调节修正能力,利于高转数开启及延伸钻探,钻进阻力小,钻进时效更高,钻杆柱更安全可靠,更适应钻探施工的工况。
绳索取心钻进工艺中,钻杆的安全性是首要考虑因素,而整个钻杆柱中最薄弱的环节为螺纹部分,合理的结构能改善钻杆应用效果。为了提高钻杆的整体性能,通过对钻杆的结构特点以及在孔内的受力情况进行分析,确定了钻杆进行分区热处理工艺并进行性能实验,最终得到以下结论:
(1)钻杆管体经过调质处理后,抗拉强度、屈服强度以及硬度普遍呈现明显提升趋势,其中调质硬度HRC33~38能在保证管体延伸率与正火、回火基本一致的情况下,强度提高37.7%,硬度提高40%,抗冲击性提高46.7%。随着调质硬度的提升,管体的磨耗比逐渐减小,耐磨性增加,这对提高钻杆寿命十分有利,当达到HRC38~42时,材料的耐磨性提高9.1%。可根据实际钻进需要选择不同的调质硬度。
(2)分区热处理后的钻杆具有良好的韧性和弹塑性,钻杆体在一定限度内有预形变缓冲,抵消一部分刚性作用力,螺纹部分受到的冲击力及形变会减轻或部分抵消,从而形成对螺纹的保护,提高钻杆的整体寿命。
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