Φ71繩索取心鋁合金鉆桿的研制

　　摘要：介紹了國內外鋁合金鉆桿的研制現狀，分析了繩索取心鋁合金鉆桿在地質鉆探中的優勢。對Φ71mm×5.5mm繩索取心鋁合金鉆桿體與鋼接頭連接結構進行了詳細設計。通過對試驗鉆桿進行靜拉力、扭矩試驗，得出主要技術參數。

　　關鍵詞：地質鉆探;鋁合金鉆桿;桿體;鋼接頭;牙型;過盈量

　　1、國內外鋁合金鉆桿研制現狀

　　鋁合金鉆桿的制造對于鉆探裝備制造行業尚屬高新技術范疇，目前世界上只有俄羅斯、美國、日本及法國等少數發達國家能夠批量生產。開展地質鉆探用高強度鋁合金鉆桿的研究，對提高我國西部難進入地區地質調查鉆探效率、推動地質鉆探科學技術進步以及節能降耗工作具有重大現實意義[1]。有專家呼吁，“十二五”期間我國應在現有2000m全液壓巖心鉆機成果的基礎上，逐步形成具有我國自主知識產權的3000m、4000m全液壓主導機型，強調了研制深孔鉆機及配套設備的重要性。但國外的經驗證明，深部鉆探不能僅著眼于大型深孔設備，還應在鉆桿柱的材質上想辦法，在不更換大噸位鉆機的前提下使鉆孔鉆得更深，展現了用現有小噸位鉆機鉆進更深孔，用現有大噸位鉆機鉆進超深孔的良好前景[2]，鋁合金鉆桿與鋼鉆桿相比，在鉆探中具有低重度，在各種惡劣環境下具有的耐腐蝕性、無磁性以及穩定的力學性能，還具有鉆進能耗低、易搬運等優點[1][2][3] 。結合我公司現有的巖心鉆機產品，XY-44型鉆機立軸最大扭矩3200N*m，最大起重力120kN，用Φ71×5繩索取心鉆桿最大鉆深能達到1000m，若用相近規格的繩索取心鋁合金鉆桿最大鉆深能達到2000m;XY-6型鉆機立軸最大扭矩7800N*m，最大起重力200kN，用Φ73mm×5mm高強度繩索取心鉆桿最大鉆深能達到1750m，若用相近規格的繩索取心鋁合金鉆桿最大鉆深能到3300m。隨著國家標準GB/T 20659-2006/ISO 15546：2002《石油天然氣工業鋁合金鉆桿》正式發布及地質工作向深部發展，鋁合金鉆桿的研究引起了國內同行的關注[4]，以《石油天然氣工業鋁合金鉆桿》為依托，地質鉆探用鋁合金鉆桿可分為2種，一種是用于全孔取心的薄壁繩索取心鋁合金鉆桿;另一種是點取心或不取心的厚壁普通鋁合金鉆桿，而受到孔徑及鉆進方式的限制，繩索取心鋁合金鉆桿的制造要求要高于普通鋁合金鉆桿，繩索取心鋁合金鉆桿適用于水文水井鉆進、煤田鉆探、4000m以上高原或邊遠難進入地區地勘工程[1]。

　　2、繩索取心鋁合金鉆桿優勢[2]

　　(1) 與傳統鉆桿材料鋼相比，鋁合金具有寶貴的物理力學性能。鋁合金的密度和彈性模量幾乎是鋼的1/3，而比強度(斷裂強度極限與密度之比)卻是鋼的1.5～2倍;

　　(2) 鋁合金鉆桿質量輕，在鉆機能力一定的條件下，用鋁合金鉆桿能鉆達鋼鉆桿無法達到的深度，并可減輕工人的勞動強度;

　　(3) 鋁合金在腐蝕環境中的穩定性非常好。它表面覆蓋一層穩定的氧化膜阻止與環境的進一步反應，可用于任何濃度的硫化氫和二氧化碳環境，而且其抗腐蝕能力與溫度無關，特別是對天然氣和煤層氣開發(尤其在鋼鉆桿易發生“氫脆”的工程)具有重要意義;

　　(4) 鋁合金鉆桿與井壁的磨阻小，可減輕起下鉆的阻卡。鋁鉆桿的浮力系數比鋼小的多，可節省20%～25%的起下鉆時間，并節省燃料。

　　3、通過實驗得出結論結論

　　(1) 繩索取心鋁合金鉆桿較鋼鉆桿具有低重度，耐腐蝕性好，鉆進能耗低，易搬運等優點，特別是在超深孔地質鉆探中具有較好前景;

　　(2) 鋁合金鉆桿的連接結構設計、牙型設計以及過盈量設計和測試試驗為今后研制深孔繩索取心鋁合金鉆桿奠定了基礎;

　　(3) 通過靜拉力、扭矩試驗和實際應用驗證了試驗方法的可行性。

　　(4) 通過靜拉力、扭矩試驗測得Φ71mm×5.5mm繩索取心鋁合金鉆桿能承受的最大額定拉力18kN，安全系數1.7;能承受的最大額定扭矩3800N*m，安全系數1.5。