鉆桿修復(fù)工藝和技術(shù)研究

王建國(guó)，徐能惠,杜學(xué)斌,胡 洪,高 璐

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710032;2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

鉆桿修復(fù)工藝和技術(shù)研究

王建國(guó)1,2，徐能惠1,2,杜學(xué)斌1,2,胡 洪2,高 璐1,2

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710032;2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

鉆桿修復(fù)可以使舊鉆桿得到充分利用，減少因鉆桿質(zhì)量導(dǎo)致的鉆井事故。在研究鉆桿修復(fù)工藝的基礎(chǔ)上對(duì)鉆桿矯直、鉆桿清洗、無(wú)損檢測(cè)、耐磨帶焊接和鉆桿修扣等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并根據(jù)具體生產(chǎn)技術(shù)要求設(shè)計(jì)了鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線生產(chǎn)率可達(dá)50～70根/小時(shí)。

鉆桿修復(fù)；關(guān)鍵技術(shù)；生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

0 前言

在現(xiàn)代鉆井施工中，鉆桿大多都在非常惡劣的工況下工作，尤其是在定向井、水平井的鉆進(jìn)中，鉆桿要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸的復(fù)合載荷作用，同時(shí)，還要經(jīng)受鉆井液的腐蝕、沖蝕作用。在處理卡鉆等井下事故時(shí)，鉆桿要受到滿負(fù)荷的提拉作用力，在這些載荷的反復(fù)作用下鉆桿將出現(xiàn)疲勞裂紋、管體磨損或者腐蝕坑等；鉆桿接頭的內(nèi)外螺紋也會(huì)因各種原因發(fā)生刺漏、脹扣或者脫扣現(xiàn)象。以上提到的鉆桿質(zhì)量問(wèn)題如果不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并處理，將會(huì)導(dǎo)致井下事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生鉆桿斷裂甚至卡鉆事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。所以，在石油鉆桿使用之前對(duì)其質(zhì)量缺陷進(jìn)行探測(cè)檢查并對(duì)有質(zhì)量問(wèn)題的鉆桿進(jìn)行相應(yīng)的缺陷修復(fù)就是非常有意義的，這個(gè)過(guò)程就是鉆桿修復(fù)。

1 鉆桿修復(fù)工藝過(guò)程

鉆桿修復(fù)時(shí)，首先要對(duì)有問(wèn)題的鉆桿進(jìn)行初步分類，初步挑選出報(bào)廢不嚴(yán)重的鉆桿進(jìn)行校直，將校直后的鉆桿清洗干凈后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)探傷。經(jīng)過(guò)探傷挑選出管體沒(méi)有質(zhì)量問(wèn)題的鉆桿，根據(jù)需要將鉆桿接頭完好或可直接修復(fù)的鉆桿重新修復(fù)螺紋，再對(duì)鉆桿接頭耐磨帶磨損或者脫落的鉆桿補(bǔ)焊耐磨帶，最后將修復(fù)合格的鉆桿進(jìn)行噴標(biāo)、打標(biāo)和收集等。

另外，配備有摩擦焊設(shè)備的工廠還可以對(duì)鉆桿接頭報(bào)廢、管體合格的鉆桿進(jìn)行接頭切割工序，然后重新焊接鉆桿接頭，這類似于鉆桿生產(chǎn)的工藝過(guò)程[2]。

鉆桿修復(fù)的一般工藝流程如圖1所示。

圖1 鉆桿修復(fù)工藝流程圖Fig.1 Process flowsheet of drill pipe repairing

鉆桿修復(fù)主要工藝過(guò)程簡(jiǎn)介如下：

(1)初步分類檢查并矯直。首先通過(guò)對(duì)需要修復(fù)的鉆桿進(jìn)行初步分類，挑選出報(bào)廢不嚴(yán)重的鉆桿。將彎曲變形的鉆桿進(jìn)行矯直處理。

(2)除銹清洗。將校直達(dá)標(biāo)的鉆桿通過(guò)外壁清洗機(jī)組進(jìn)行鉆桿外壁低壓水清洗，外壁清洗完的鉆桿移送至鉆桿鉆通線進(jìn)行內(nèi)壁鉆通除油除垢，再移送至高壓水射流內(nèi)壁清洗線進(jìn)行內(nèi)壁清洗，再由氣體吹掃裝置進(jìn)行內(nèi)壁吹干鉆桿內(nèi)壁。內(nèi)壁清洗干凈的鉆桿，移送至鉆桿兩端桿頭清洗線，進(jìn)行鉆桿公扣端與母扣端刷洗。

(3)無(wú)損檢測(cè)。清洗干凈的鉆桿移送至無(wú)損探傷檢測(cè)線進(jìn)行管端、螺紋和管體無(wú)損探傷檢測(cè)。

(4)修扣。經(jīng)過(guò)校直、清洗、探傷之后挑選出管體合格的鉆桿，根據(jù)需要將接箍頭完好并且可直接修復(fù)的鉆具，用車絲機(jī)重新修扣。

(5)耐磨帶補(bǔ)焊。檢驗(yàn)鉆桿耐磨帶是否完好，將耐磨帶需要修補(bǔ)的鉆桿進(jìn)行耐磨帶補(bǔ)焊處理。

(6)噴標(biāo)打標(biāo)和打包。修復(fù)合格的鉆桿進(jìn)行噴標(biāo)示，轉(zhuǎn)入打包工序。

2 鉆桿修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 鉆桿矯直技術(shù)

鉆桿主要是由桿體和焊接在桿體兩端的鉆桿接頭組成，由于接頭的外徑要比桿體外徑大很多，所以鉆桿是個(gè)中間細(xì)兩頭粗的結(jié)構(gòu)，這就使得鉆桿不方便在輥式矯直機(jī)上進(jìn)行矯直。

目前鉆桿矯直一般采用壓力矯直設(shè)備，也叫點(diǎn)式矯直機(jī)。點(diǎn)式矯直機(jī)采用三點(diǎn)式校直原理，用大噸位液壓油缸點(diǎn)壓鉆桿的彎曲部位進(jìn)行校直，點(diǎn)壓機(jī)構(gòu)可移動(dòng)并連續(xù)的校直鉆桿的各個(gè)彎曲部位，其主要包括移動(dòng)式主機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上料機(jī)構(gòu)、機(jī)架以及可移動(dòng)式支座等[3，4]。

鉆桿矯直時(shí)，首先將彎曲變形的鉆桿放在可移動(dòng)式支座的兩個(gè)支點(diǎn)之間，用移動(dòng)式主機(jī)上的壓頭對(duì)準(zhǔn)鉆桿彎曲最大處進(jìn)行反向壓彎，加壓到反彎量與鉆桿的彈復(fù)量相等時(shí)停止壓下，壓下力撤消后鉆桿的彎曲部位將變直。不過(guò)，通過(guò)一次反彎矯直不能達(dá)到較好的效果，一般需要操作2～3次。第一次反彎矯直后要檢測(cè)壓彎量和彈復(fù)量的差值，據(jù)此設(shè)定下次反彎的壓彎量，進(jìn)行第二次矯直并檢測(cè)，直到符合鉆桿直線度要求。

2.2 除銹清洗技術(shù)

舊鉆桿在探傷之前要清洗鉆桿上附著的泥垢、銹垢或油脂垢等，以提高鉆桿無(wú)損探傷的精確性與可靠性，對(duì)鉆桿后續(xù)的修扣等處理和使用創(chuàng)造有利條件。

鉆桿清洗設(shè)備一般分為外壁清洗裝置、內(nèi)壁清洗裝置和內(nèi)外螺紋清洗裝置。

外壁清洗裝置一般采用機(jī)械鋼絲刷進(jìn)行鉆桿外壁低壓水刷洗的工藝[5]。外壁清洗時(shí)，鉆桿螺旋前進(jìn)通過(guò)外壁清洗裝置。外壁清洗裝置的基座上一般有多組外刷洗輪和噴嘴。刷洗輪具有浮動(dòng)功能，根據(jù)管徑不同，自由浮動(dòng)，自動(dòng)壓緊鉆桿，能夠保證鉆桿在有接箍、接頭等局部變徑條件下，刷輪始終與外壁緊密壓緊刷洗，同時(shí)自動(dòng)順利通過(guò)。在刷洗的同時(shí)，低壓水沖洗鉆桿完成清洗鉆桿外壁的目的。

鉆桿內(nèi)壁采用高壓水射流清洗。清洗時(shí)，端頭帶有高壓噴嘴的清洗桿穿過(guò)鉆桿內(nèi)孔然后反向回退回，當(dāng)高壓水射流作用在鉆桿內(nèi)壁的泥垢、銹垢上的壓力大于泥垢等本身的抗壓強(qiáng)度極限時(shí)，泥垢等即開(kāi)始破裂，在水射流的持續(xù)作用下，污垢等便脫離物體表面，從而完成清洗作業(yè)。內(nèi)壁清洗有兩種方式，一種為鉆桿固定，清洗桿在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下穿過(guò)鉆桿內(nèi)孔；另外一種是清洗桿固定，鉆桿螺旋前進(jìn)使清洗桿穿過(guò)鉆桿內(nèi)孔。另外，為了使內(nèi)外壁清洗生產(chǎn)節(jié)奏較為匹配，內(nèi)壁清洗時(shí)采用雙管清洗模式，同一臺(tái)設(shè)備，同時(shí)清洗兩根鉆桿，增加了內(nèi)壁噴洗時(shí)間，保證了清洗效果，也提高了清洗效率[6，7]。

清洗完成后，一般需要用壓縮空氣吹干管內(nèi)的積水。

2.3 鉆桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

鉆桿無(wú)損檢測(cè)也叫鉆桿探傷，是鉆桿修復(fù)中的關(guān)鍵工序，是檢測(cè)鉆桿缺陷的實(shí)際有效的方法。鉆桿探傷主要是對(duì)桿體、桿端加厚區(qū)、接頭和摩擦焊焊縫。

由于鉆桿本身結(jié)構(gòu)的特殊性(例如變徑、變壁厚和斜面等)和缺陷形式的多樣性，其無(wú)損檢測(cè)需要根據(jù)實(shí)際情況采用多種檢測(cè)方法。

桿體探傷一般采用漏磁檢測(cè)，漏磁檢測(cè)一般用探頭固定，鉆桿縱向通過(guò)檢測(cè)設(shè)備的方式，其原理為：探頭前的磁化線圈產(chǎn)生的高能磁場(chǎng)先使桿體磁化到飽和或接近飽和，如果桿體有缺陷或者壁厚損失，桿體中的磁場(chǎng)就會(huì)泄露出來(lái)被探頭檢測(cè)到。漏磁探傷的主要特點(diǎn)是檢測(cè)速度快、效果好、操作簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)[8]。

由于漏磁桿體探傷過(guò)程中存在桿端盲區(qū)，因此在桿體探傷后還要進(jìn)行桿端探傷，桿端加厚區(qū)、接頭和摩擦焊焊縫采用超聲波探傷。超聲波探傷時(shí)將高頻聲波脈沖導(dǎo)入鉆桿，聲波在鉆桿中傳輸時(shí)如果碰到缺陷就會(huì)被反射回去，系統(tǒng)檢測(cè)到這些回波并進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化就可以知道缺陷情況[9]。

2.4 鉆桿修扣方法

鉆桿螺紋因腐蝕、劃傷或者磨損等造成的失效也是鉆桿缺陷的一種形式。缺陷不嚴(yán)重時(shí)一般采用螺紋修扣的方法進(jìn)行鉆桿修復(fù)。

鉆桿螺紋為錐螺紋，以外螺紋為例(圖2)，修復(fù)時(shí)先將端面切掉一定長(zhǎng)度L，同時(shí)臺(tái)肩面也對(duì)應(yīng)切掉厚度為L(zhǎng)的余量，然后再將直徑增大后的錐面按要求加工到合適的尺寸，最后再順著原來(lái)螺紋的軌跡把變淺的螺紋槽加工到規(guī)定深度，這樣就可以完成螺紋修復(fù)[10]。

圖2 鉆桿螺紋修復(fù)方法Fig.2 Repairing method of drill pipe thread

螺紋修扣與新鉆桿車扣一樣，也使用數(shù)控車絲機(jī)完成，只不過(guò)在原來(lái)的螺紋槽上用數(shù)控加工方法車螺紋難度要更大一些，需要解決工件欠定位和加工余量自動(dòng)分配等問(wèn)題。

2.5 鉆桿耐磨帶焊接技術(shù)

由于深井、超深井、定向井等技術(shù)的發(fā)展，鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中的摩擦扭矩、摩擦阻力大大增加，經(jīng)常會(huì)造成鉆桿接頭過(guò)度磨損或者套管磨穿現(xiàn)象，從而造成嚴(yán)重?fù)p失。在鉆桿接頭上焊接耐磨帶是解決這一問(wèn)題最經(jīng)濟(jì)有效的方式。

目前，鉆桿接頭耐磨帶一般采用等離子堆焊或者等離子噴焊工藝加工。等離子粉末堆焊是以等離子弧作為熱源，應(yīng)用等離子弧產(chǎn)生的高溫將合金粉末與基體表面迅速加熱并一起熔化、混合、擴(kuò)散、凝固，等離子束離開(kāi)后自激冷卻，形成一層高性能的合金層，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿表面的強(qiáng)化與硬化的堆焊工藝。等離子粉末噴焊是利用等離子弧作為熱源，在鉆桿接頭表面形成熔池，然后利用送粉器把合金粉末吹到電弧中，合金粉末在電弧中被融化并噴射到熔池中去，隨著焊槍的不斷擺動(dòng)和鉆桿的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，合金熔池就會(huì)不斷冷卻凝固，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)就可以在在鉆頭表面圓周方向生成具有一定均勻?qū)挾群秃穸鹊哪湍11，12]。

早期的耐磨帶材料一般選用鎢鈷系列硬質(zhì)合金，近些年隨著技術(shù)發(fā)展，耐磨帶材料性能越來(lái)越優(yōu)異， 美國(guó)安科公司研發(fā)的ARCON-100XT、ARCON-200XT和ARCON-300XT系列耐磨帶材料不僅具有相當(dāng)?shù)挠捕?，而且具有較小的摩擦系數(shù)。

耐磨帶硬度一般能達(dá)到55HRC左右，而且耐磨帶材料摩擦系數(shù)小，可以較好地保護(hù)鉆桿接頭，減少套管內(nèi)壁磨損，同時(shí)降低了鉆柱的旋轉(zhuǎn)阻力。

3 鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

圖3為根據(jù)某企業(yè)的鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線技術(shù)要求而設(shè)計(jì)的鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線平面布置圖。該生產(chǎn)線是集機(jī)、電、液和計(jì)算機(jī)控制于一體的全自動(dòng)化生產(chǎn)線，可對(duì)φ73～φ139.7 mm的鉆桿進(jìn)行矯直、清洗、探傷、修扣、耐磨帶補(bǔ)焊和收集打包等自動(dòng)化修復(fù)作業(yè)，最大生產(chǎn)率為50～70根/h。

圖3 鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線布置圖Fig.3 Arrangement plan of drill pipe repairing production line

4 結(jié)語(yǔ)

鉆桿修復(fù)技術(shù)的推廣及應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)舊鉆桿的科學(xué)分級(jí)，使長(zhǎng)期閑置的舊鉆桿經(jīng)過(guò)科學(xué)的檢測(cè)和修復(fù)得到充分的重復(fù)利用，這不但提高了舊鉆桿的維修質(zhì)量，明顯也減少了因鉆桿質(zhì)量而導(dǎo)致的鉆井事故，而且取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

該自動(dòng)化鉆桿修復(fù)生產(chǎn)線的應(yīng)用也將極大促進(jìn)鉆桿修復(fù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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Research on process and technology for drill pipe repairing

WANG Jian-guo1,2, XU Neng-hui1,2, DU Xue-bin1,2, HU Hong2, GAO Lu1,2

(1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi’an 710032, China;2. China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China)

Drill pipe repairing can make full use of the used drill and reduce drilling accidents caused by poor drill quality. Based on the research ondrill pipe repairing process, straightening, cleaning, nondestructive testing, wearable zone welding, repairing screw thread and other key technologies are analyzed, and the production line of drill pipe repairing is designed according to the specific technology requirements, the productivity of the production line is 50～70 pieces/h.

drill pipe repairing; key technology; production line design

2016-02-26；

2016-03-29

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2014KTCL01-01);陜西省重大科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)專項(xiàng)(2015KTCG01-02)

王建國(guó)(1987-)，男，工程師，主要從事油氣輸送裝備與工藝和重型鍛壓裝備的研究。

TE28

A

1001-196X(2016)06-0039-05