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直连式绳索取心钻杆轴向拉力分析

时间:2020-02-04 05:20:10

摘要:钻杆轴向拉力是设计钻杆的重要因素之一。本文通过分析直连式绳索钻杆的轴向拉力情况,为直连式钻杆的研制提供重要的指导依据。
  关键词:直连式钻杆;不全丝扣;轴向拉力计算;破坏拉力试验
  绳索取心钻进技术在我国应运已经非常普遍,由于绳索取心钻进往往要钻进几天、十几天甚至几十天才能提钻一次,所以对绳索取心钻具的要求也越来越高。目前,国内绳索钻具普遍采用的是螺纹连接公母接头式钻杆,这种钻杆螺纹端数量多,容易造成失效,在钻进过程中经常出现事故,因此结构更加合理、材质更好的直连式绳索钻杆越来越受到市场的欢迎。
  1.概述
  直连式绳索钻杆与螺纹连接公母接头式钻杆在相同的工作条件下,其综合机械性能应与螺纹连接公母接头式钻杆相当甚至更高,否则就很难满足当前绳索钻进条件下的使用要求。在钻进过程中,钻杆是整个钻杆柱的关键和主要组成部分,受到多种力的影响,包括:轴向拉压力、弯曲力、离心力等等,其中轴向拉压力对钻进影响极大,钻具拥有足够的轴向拉力,对科学钻进具有重要的意义。因此,对直连式绳索钻杆进行轴向拉力分析就显得非常重要,这也是决定直连式钻杆能否被市场接受的一个重要因素。
  2.钻具轴向拉力理论分析
  钻具有多大的轴向抗拉力,对钻进深度有直接的影响,准确掌握钻具的轴向拉力,是科学钻进的重要前提。对直连式钻杆进行轴向拉力分析,首先要确定钻杆在钻进过程中轴向拉力会受到哪几种因素的影响。一般说来,钻杆在钻进过程中,轴向拉力主要受两方面的影响:一是重力作用的影响,钻杆柱最下面的拉力为零,井口处的拉力最大;二是钻柱与井壁之间的摩擦力。基于这两种因素的影响,设计钻杆时,轴向拉力必须要考虑一定的安全系数。
  目前,国内常用的直连式绳索钻杆多为NQ、HQ两种,设计孔深大约在1000-1500米之间,下面我们将着重以NQ钻杆为例,通过理论计算和实际拉力试验分析其轴向拉力情况。
  现阶段,国内直连式绳索钻杆材料一般选为XJY850,这种材质的管材综合性能好,具有较高的强度和良好的工艺性能,甚至可与国外同类产品相媲美。XJY850与国内其它常用管材的力学性能对比见表1:
  表1 地质管材力学性能对比表
  钢种测试材料热处理状态屈服强度抗拉强度伸长率断面收缩率冲击功屈强比
   MpaMpa%%
  30CrMoA调质≥735≥930≥12≥50≥710.79
  30CrMnSiA调质≥885≥1080≥10≥45≥390.81
  45MnMoB调质≥750≥920≥12≥48≥560.81
  XJY850调质≥950≥1020≥16≥52≥750.93
  在确定NQ钻杆的力学性能后,要分析NQ钻杆的轴向拉力,还需要确定NQ钻杆轴向拉力的薄弱点。从直连式绳索钻杆的螺纹特性来看,薄弱点应位于螺纹的不全丝扣处,又由于内螺纹接头截面比外螺纹接头截面大,因此计算NQ钻杆轴向拉力选择外螺纹接头不全丝扣处。计算NQ钻杆外螺纹轴向拉力参数见图1:
  
  图1 NQ钻杆外螺纹拉力参数图
  从表1和图1中可知,NQ钻杆的抗拉强度为1020Mpa,截面为φ64.368和φ60.3组成的圆环,因此NQ钻杆的轴向拉力F计算如下:
  F=σb*S=1020*(π*32.184 -π*30.15 )=406.07KN
  由于国内NQ钻杆的设计深度大约都在1500米左右,其达到终孔深时自重重力约为120KN左右,而通过上述理论计算,NQ钻杆的理论轴向拉力大约在406KN,由此可推出直连式绳索钻杆轴向拉力的设计安全系数达到了2个以上。
  3.钻具轴向拉力破坏试验
  为了验证NQ钻杆的轴向拉力理论数据和轴向拉力薄弱点,我公司委托山东建大工程鉴定加固研究所进行了NQ直连式钻杆的轴向拉力破坏试验。试验共进行了三组,试样拉断后得到的数值分别为406KN、430KN、430KN,通过这三组数值可看出,钻杆的实际数值达到了理论计算要求,而且从试样拉断后的状态可以看出,钻杆的薄弱点基本都位于不全丝扣处。拉断后的试样详见图2:
  
  图2 试样拉断后状态
  4.结论
  通过对NQ直连式绳索钻杆的轴向拉力理论计算和实际拉力破坏试验,从中可以看出,直连式绳索钻杆的轴向拉力达到了设计使用要求,能够满足正常的钻进深度需要。总之,对直连式绳索钻杆进行轴向拉力分析,确定其轴向拉力的具体数值,对设计绳索钻杆具有重要的指导依据,同时也是科学钻进的重要前提,能有效降低钻探事故。
  5.参考文献
  [1]况雪军,孙建华. XJY850高强度精密地质管材的研制[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程),2009,36(6):28-30.
  作者简介
  杨东河(1982-),男(汉族),山东济南人,助理工程师,现从事钻机钻具设计工作。
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