摘要：目前在高钢级无缝管材、螺纹副及接头硬化处理、摩擦焊接工艺、非对称梯形螺纹及负角防脱扣螺纹优化设计、螺纹精密仿形梳刀加工等方面开展的研究工作，取得了重要进展，本文着重对这方面进行了论述。

　　关键词：地质钻探；新技术；研究
 

　　1 复杂地层深孔绳索取心钻探技术研究

　　钻杆接头螺纹副优化受到钻探界的广泛关注。多年来，一些学者从理论角度研究了钻柱的连接强度。石油钻探研究人员通常将螺纹联接“简化”为绳索绕滚子远动模型，应用挠性件摩擦理论研究载荷分布规律，可得到螺纹锥度、螺纹距、螺纹牙的相对弹性系数对载荷分布规律的影响关系。应用二维接触有限方法可定量分析联接螺纹在预紧和工作状态下的接触应力场。研究人员还用能考虑螺纹接触边界存在大变形和大滑移条件的有限元程度，对深井、水平井套管螺纹接头滑脱失效影响参数进行了有限元模拟。模拟结果表明螺纹锥度大小对滑脱影响很小，材料性能对滑脱影响最大；滑脱的开始位置在接箍的端部。此外，根据套管螺纹接头的结构和受载特点，在先期建立的套管接头螺纹旋合接触的有限元分析模型和分析程序的基础上，国内有关部门研究了因加工误差而造成套管接头内、外螺纹螺距不一致时对其载荷传递特性的影响；给出了在内、外螺纹具有不同的螺距配合时，载荷在套管接头各扣螺纹上的分布规律曲线，为设计时合理选择套管接头内、外螺纹的螺距公差提供了依据。

　　多家研究机构合作，尝试利用有限元方法优化钻杆接头螺纹副，目前已经建立了钻杆柱和接头螺纹的力学分析模型，并按照实际工况对绳索取心钻杆柱进行受力分析。
 

　　勘探队针对深孔绳索取心钻进应用中存在的主要技术问题，同时结合我国现有管材材质、机加工精度及热处理水平、钻探设备现状、现场工人操作水平等实际情况，以提高钻探施工效率，提高深孔及复杂地层应用的可靠性为目标，制定了技术方案。方案在钻杆结构方面的主要改进如下：

　　（1）由于常规绳索取心钻杆断裂部位主要发生在钻杆接头螺纹根部第二扣（公扣占大多数），确定通过调整钻杆体及接头螺纹根部厚度、螺纹高度、锥度及长度等参数达到优化目的。将钻杆接头螺纹长度由42mm增加到50mm,提高了螺纹连接处密封可靠性。钻杆接头扣高由0.75mm增加到1.00～1.25mm，降低了钻杆脱扣的可能性。

　　（2）减少孔内钻杆柱接头数目，可减少接头螺纹副应力（根据钻柱孔内弯曲正弦波形分析得出），降低钻杆折断几率。同时，钻探设备运输趋于机械（车辆）化，车辆趋向大型化，为长钻具的运输提供了条件。在综合考虑钻杆加工工艺、钻探设备参数与钻进工艺的基础上，将钻杆单根长度由常见的0.3m增加为4.5m。

　　（3）目前野外施工单位机修加工车间基本取消，为了便于钻杆接头损坏后更换，国产材料的钻杆体和接头之间采取螺纹连接，螺纹间使用粘结剂粘固。钻杆接头螺纹有负角度面防脱扣螺纹、不对称梯形螺纹等形式，采用高精度硬质合金仿形梳刀加工。

　　（4）钻杆接头可增设垫叉切开，采用挚叉支撑钻杆的方式，提高了加接钻杆孔口夹持的可靠性。
 

　　①材质：国产钻杆体选用45MnMoB，接头选用30CrMnSi-A，进口钻杆为Drilmax850（德国，整体式）。

　　②钻杆尺寸：钻杆体Φ71×5mm,两端镦粗内加厚到Φ58mm。

　　③接头外径：Φ73mm。

　　④钻杆定尺长度：4.5m。

　　⑤钻杆最小内径：Φ58mm。

　　⑥螺纹长度：50mm。

　　⑦接头螺纹扣高：1.00～1.25mm。

　　⑧钻杆螺纹扣高：1.00mm。

　　⑨钻头直径（内∕外）：77∕46mm。

　　⑩钻杆抗拉强度：＞70t。
 

　　有限元分析证明，绳索取心钻杆接头螺纹副加工公差，特别是手拧紧密距、螺纹锥度及偏差分布等指标对接头连接强度、失效形式和使用寿命影响很大。勘探所以往曾按照绳索取心钻杆、岩心管和套管的不同螺纹参数进行机械性能台架试验，测试螺纹副强度数据。试验将S56绳索取心钻杆螺纹按照不同锥度、不同手拧紧密距、不同齿高等参数加工了11种内、外螺纹副进行扭转、拉伸和疲劳试验结果表明：内、外螺纹锥度均为1：30，偏差单向分布，内螺纹为-3′、外螺纹为+3′的螺纹副3项试验强度指标均大于1：32、1：28不同锥度螺纹。同时，加工了-1～-1.5、1～1.5、2.5～3mm三种紧密距试样进行扭转、拉伸和疲劳试验。紧密距为1～1.5mm的强度最佳；紧密距为-1～-1.5mm的强度最低。勘探队进一步试验研究表明，钻杆接头螺纹副加工公差除对钻杆连接强度产生重要影响外，还对钻杆接头耐压密封性能产生很大影响。此外，钻杆接头螺纹副加工粗糙度等指标对钻杆的疲劳寿命和磨损速率存在正相关关系。因此，勘探队在绳索取心钻杆接头形式优化的基础上根据当前机械加工水平和成本因素适当提高了粗糙度要求，重新确定了合理的锥度公差和紧密距指标，并采用了高精度硬质合金仿形梳刀加工钻杆螺纹。
 

　　合理确定绳索取心钻杆接头热处理及表面处理工艺，是进一步提高绳索取心钻杆连接强度和耐磨性的技术途径之一。为此，勘探队接头热处理一调质工艺进行了改进。前期考虑到为提高钻杆接手的耐磨性，部分试样适当提高了调质硬度（HRC32-34）。由于国产合金钢材质和化学成分稳定性差，提高了调质硬度的钻杆接手在高寒地区冬季施工中曾发生裂缝甚至断裂的情况，近期研究决定主要通过表面处理提高钻杆接手螺纹副和接手外表面的抗磨性能，对离子沉淀薄膜技术、盐浴氮碳共渗技术、火焰喷涂技术、电弧喷涂技术、等离子喷涂技术、化学镀技术、激光表面改性技术、功能梯度材料技术等国内先进的表面硬化、耐磨处理工艺进行了调研。经过综合对比确定非晶态镍磷合金（Ni-P）化学镀层和精确渗氮+硫化工艺，应用效果良好。
 

　　普通钻杆镦粗可大大提高钻杆联接强度，延长钻杆使用寿命，因而在石油和地质钻杆制造业中被普遍采用。绳索取心钻杆壁非常薄（一般只有4～6mm），同时要求钻杆内壁基本内平，采用镦粗工艺成品合格率很低，因而绳索取心钻杆镦粗技术一直未正式应用。在SQ77型绳索取心钻杆的设计中，勘探队率先采用了镦粗工艺。试制中认真研究了以往普遍钻杆镦粗工艺，设计加工了绳索取心钻杆镦制专用模具，并对工艺参数加以改进，使钻杆镦粗技术成功地应用到小直径绳索取心钻杆制造中。绳索取心钻杆体可选用45MnMoB,正火状态出厂，端部按照设计要求进行镦锻。钻杆镦粗采用电加热，液压冲击镦锻。开始由于经验不足，参数控制不稳定，部分镦制的绳索取心钻杆出现内孔缩径超差，定尺长度不一，外表面凹陷等质量缺陷，绳索取心钻杆镦制合格率只有91%。为此，勘探队与生产厂有关技术人员共同商定和调整了镦粗工艺流程和参数，重新设计加工了镦制模具（内模、外模）、夹具，使绳索取心钻杆镦粗一次合格率达到了99%以上。同时，钻杆镦制度生产效率明显提高，绳索取心钻杆单头镦制综合成本明显下降。

　　2 结语
 

　　复杂地层中深孔钻探施工要达到安全、快速、经济的目标，必须在采用新研制的高强度SQ系列绳索取心钻具系统的同时，施行科学合理的钻探工艺技术措施。勘探队开发的适应深孔和复杂地层钻探的SQ系列高强度绳索取心钻杆首次采用了薄壁钻杆内外镦粗技术。同时，通过优化接头螺纹参数，改进钻杆接头热处理和表面处理工艺，完善钻具结构等措施，使绳索取心钻杆强度提高40%以上，使用寿命明显增加。配套绳索取心钻具的冲洗液过流阻力大幅降低，在地质条件复杂的深孔勘探区生产试验和示范中，勘探队与地矿、武警、煤田等地勘生产单位合作，详细分析了国内典型矿区地层特点、装备配置以及目前钻探工人技术水平等情况，针对性能地研究制定了施工方案和技术措施，取得了钻探效率提高，孔内事故率降低，施工成本下降以及劳动强度减轻等突出效果。