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Φ71绳索取心铝合金钻杆的研制

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  摘要:介绍了国内外铝合金钻杆的研制现状,分析了绳索取心铝合金钻杆在地质钻探中的优势。对Φ71mm×5.5mm绳索取心铝合金钻杆体与钢接头连接结构进行了详细设计。通过对试验钻杆进行静拉力、扭矩试验,得出主要技术参数。

  关键词:地质钻探;铝合金钻杆;杆体;钢接头;牙型;过盈量

  1、国内外铝合金钻杆研制现状

  铝合金钻杆的制造对于钻探装备制造行业尚属高新技术范畴,目前世界上只有俄罗斯、美国、日本及法国等少数发达国家能够批量生产。开展地质钻探用高强度铝合金钻杆的研究,对提高我国西部难进入地区地质调查钻探效率、推动地质钻探科学技术进步以及节能降耗工作具有重大现实意义[1]。有专家呼吁,“十二五”期间我国应在现有2000m全液压岩心钻机成果的基础上,逐步形成具有我国自主知识产权的3000m、4000m全液压主导机型,强调了研制深孔钻机及配套设备的重要性。但国外的经验证明,深部钻探不能仅着眼于大型深孔设备,还应在钻杆柱的材质上想办法,在不更换大吨位钻机的前提下使钻孔钻得更深,展现了用现有小吨位钻机钻进更深孔,用现有大吨位钻机钻进超深孔的良好前景[2],铝合金钻杆与钢钻杆相比,在钻探中具有低重度,在各种恶劣环境下具有的耐腐蚀性、无磁性以及稳定的力学性能,还具有钻进能耗低、易搬运等优点[1][2][3] 。结合我公司现有的岩心钻机产品,XY-44型钻机立轴最大扭矩3200N*m,最大起重力120kN,用Φ71×5绳索取心钻杆最大钻深能达到1000m,若用相近规格的绳索取心铝合金钻杆最大钻深能达到2000m;XY-6型钻机立轴最大扭矩7800N*m,最大起重力200kN,用Φ73mm×5mm高强度绳索取心钻杆最大钻深能达到1750m,若用相近规格的绳索取心铝合金钻杆最大钻深能到3300m。随着国家标准GB/T 20659-2006/ISO 15546:2002《石油天然气工业铝合金钻杆》正式发布及地质工作向深部发展,铝合金钻杆的研究引起了国内同行的关注[4],以《石油天然气工业铝合金钻杆》为依托,地质钻探用铝合金钻杆可分为2种,一种是用于全孔取心的薄壁绳索取心铝合金钻杆;另一种是点取心或不取心的厚壁普通铝合金钻杆,而受到孔径及钻进方式的限制,绳索取心铝合金钻杆的制造要求要高于普通铝合金钻杆,绳索取心铝合金钻杆适用于水文水井钻进、煤田钻探、4000m以上高原或边远难进入地区地勘工程[1]。

  2、绳索取心铝合金钻杆优势[2]

  (1) 与传统钻杆材料钢相比,铝合金具有宝贵的物理力学性能。铝合金的密度和弹性模量几乎是钢的1/3,而比强度(断裂强度极限与密度之比)却是钢的1.5~2倍;

  (2) 铝合金钻杆质量轻,在钻机能力一定的条件下,用铝合金钻杆能钻达钢钻杆无法达到的深度,并可减轻工人的劳动强度;

  (3) 铝合金在腐蚀环境中的稳定性非常好。它表面覆盖一层稳定的氧化膜阻止与环境的进一步反应,可用于任何浓度的硫化氢和二氧化碳环境,而且其抗腐蚀能力与温度无关,特别是对天然气和煤层气开发(尤其在钢钻杆易发生“氢脆”的工程)具有重要意义;

  (4) 铝合金钻杆与井壁的磨阻小,可减轻起下钻的阻卡。铝钻杆的浮力系数比钢小的多,可节省20%~25%的起下钻时间,并节省燃料。

  3、通过实验得出结论结论

  (1) 绳索取心铝合金钻杆较钢钻杆具有低重度,耐腐蚀性好,钻进能耗低,易搬运等优点,特别是在超深孔地质钻探中具有较好前景;

  (2) 铝合金钻杆的连接结构设计、牙型设计以及过盈量设计和测试试验为今后研制深孔绳索取心铝合金钻杆奠定了基础;

  (3) 通过静拉力、扭矩试验和实际应用验证了试验方法的可行性。

  (4) 通过静拉力、扭矩试验测得Φ71mm×5.5mm绳索取心铝合金钻杆能承受的最大额定拉力18kN,安全系数1.7;能承受的最大额定扭矩3800N*m,安全系数1.5。