特深鉆探鉆柱組合優(yōu)化設(shè)計研究

尹 浩，梁 健，孫建華

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

鉆桿柱作為地球深部探測、深地與深水鉆探技術(shù)的核心與關(guān)鍵，其用以遞送扭矩和鉆壓、輸送沖洗液和提取巖心、更換鉆頭及處理事故，鉆柱結(jié)構(gòu)組合設(shè)計的合理性與可靠性是確保工程優(yōu)質(zhì)、高效、安全實施的重要條件，直接關(guān)系著鉆探工程的成敗，是鉆探工程的重要研究內(nèi)容之一。由于鉆柱材料強(qiáng)度的限制和重力的存在，單一規(guī)格常規(guī)鋼制鉆柱許用深度有限，難以滿足大陸萬米特深孔科學(xué)鉆探及大洋深水深孔鉆探工程的設(shè)計要求[1-5]。

為使鉆柱具有更大的許下深度，在滿足孔身結(jié)構(gòu)和鉆機(jī)提升能力的前提下，可采取復(fù)合鉆柱的設(shè)計方法，即減輕下部鉆柱重力或提高上部鉆柱強(qiáng)度[6]。在前蘇聯(lián)科拉科學(xué)超深井與聯(lián)邦德國大陸深鉆的實施中，均對復(fù)合鉆柱進(jìn)行了研究與應(yīng)用，完井深度分別達(dá)到了12262 m與9101 m[7]。特深孔復(fù)合鉆柱一般是由不同外徑(上粗下細(xì))、同種外徑不同壁厚(上厚下薄)、同種壁厚不同鋼級(上高下低)或不同材質(zhì)(上鋼下鋁或其他輕合金)的鉆桿組成。與單一規(guī)格鉆桿組合的鉆柱來講，復(fù)合鉆柱減輕了鉆柱重力、滿足了強(qiáng)度要求、提高了鉆進(jìn)效率，在相同鉆機(jī)負(fù)荷能力下可鉆達(dá)更深地層[8]。鉆柱的運(yùn)動形式和受力十分復(fù)雜，主要包括：自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)(渦動)、縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、橫向振動等，并且隨著鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)工序的不同而異。雖然在不同的工作狀態(tài)下，鉆柱受力情況有所差異，但其中經(jīng)常作用且數(shù)值較大的力為拉力，尤其在以科學(xué)鉆探為目的的特深垂直孔鉆探中[9-11]。綜上，本文在組合鉆柱設(shè)計中，以拉伸計算為主[12]，通過考慮一定的設(shè)計安全系數(shù)和拉伸余量來滿足起下鉆時的動載荷以及其他復(fù)雜情況對鉆柱強(qiáng)度的需求，開展了鉆柱組合優(yōu)化設(shè)計的研究，并開發(fā)了鉆柱組合設(shè)計與安全系數(shù)計算軟件，可實現(xiàn)不同孔深設(shè)計和鉆桿結(jié)構(gòu)要求下的鉆柱組合設(shè)計與安全系數(shù)計算，可提高科研人員的工作效率和準(zhǔn)確度。

1 復(fù)合鉆柱組合設(shè)計理論

由于鉆柱材料使用強(qiáng)度的限制和重力的存在，致使鉆柱在鉆達(dá)一定深度后，僅自重的作用即可使鉆柱拉斷失效，因此鉆柱的使用存在極限深度。為了增加鉆柱的使用深度，需要進(jìn)行合理的鉆柱組合設(shè)計，以保證鉆柱整體的可靠性與安全性。

由于越靠近孔口的鉆柱承受自身浮重(浮力與重力的合力)越大，加之鉆柱中和點需作用在鉆鋌上，故從鉆鋌往上逐級增徑設(shè)計鉆柱規(guī)格[13]。同時，鉆柱設(shè)計過程中，既要考慮一定的設(shè)計安全系數(shù)，又要滿足一定的拉力余量。其中，設(shè)計安全系數(shù)用于確定屈服極限抗拉載荷較大的鉆柱設(shè)計，拉力余量用于確定屈服極限抗拉載荷較小的鉆柱設(shè)計。最后，根據(jù)設(shè)計安全系數(shù)與拉力余量確定的最大許用靜拉載荷計算各級鉆柱的最大使用長度等參數(shù)。

1.1 最大許用靜拉載荷的確定

鉆桿的最大許用靜拉載荷是由鉆桿截面以下鉆柱浮重產(chǎn)生的允許鉆桿承受的最大載荷。同時，考慮到起下鉆時的動載及摩阻、卡瓦擠壓、解卡拉力余量等因素，鉆柱管體任意截面上的最大許用靜拉載荷應(yīng)同時滿足以下3個條件：

(1)

式中：F許——鉆桿的最大許用靜拉載荷，kN；F最大許用拉伸載荷——鉆桿的最大許用拉伸力，kN；N——鉆柱設(shè)計的安全系數(shù)；F屈服極限抗拉載荷——鉆桿達(dá)到屈服極限的拉伸力，kN；σs——鉆桿材料的屈服強(qiáng)度，MPa；σG——鉆桿自重作用下產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，MPa；F拉力余量——處理卡鉆等孔內(nèi)事故預(yù)留的拉力余量，一般取200～800 kN。

根據(jù)理論計算可知：

(2)

式中：D——鉆桿外徑，mm；K——卡瓦橫向負(fù)荷系數(shù)；α——卡瓦錐角，取9°27′45″；φ——摩擦角，摩擦系數(shù)μ=tanφ=0.08；Ls——卡瓦長度，取400 mm。

考慮鉆桿拉伸載荷達(dá)到屈服極限時材料將產(chǎn)生輕微永久變形，取屈服極限的90%作為鉆桿最大許用拉伸力，即：

F最大許用拉伸力=0.9F屈服極限抗拉載荷=9×10-4σsA

(3)

式中：σs——鉆桿屈服強(qiáng)度，MPa；A——鉆桿橫截面積，mm2。

綜上所述，得到同時滿足以上條件的最大許用靜拉載荷，進(jìn)而確定各級鉆桿的尺寸規(guī)格、許用長度、鋼級。

1.2 鉆柱長度及安全系數(shù)確定

1.2.1 一徑到底

一種尺寸規(guī)格和鋼級的鉆柱可滿足設(shè)計要求的情況下，鉆柱許用長度La和使用長度Lb分別應(yīng)滿足以下條件：

(4)

安全系數(shù)N為：

(5)

式中：L孔——設(shè)計孔深，m；La——鉆柱許用長度，m；Lb——鉆柱實際使用長度，m；Lc——鉆鋌或加重鉆桿長度，滿足Lc=1.2F鉆壓/qc，m；q1——第一級鉆桿每米重，kN；qc——鉆鋌每米重，kN；K浮——鉆柱在孔內(nèi)泥漿中的浮力系數(shù)，K浮=1-ρ泥漿/ρ鉆柱。

1.2.2 塔式結(jié)構(gòu)

一種尺寸規(guī)格和鋼級的鉆柱不能滿足設(shè)計要求的情況下，可選擇厚壁、大尺寸規(guī)格或更高鋼級的鉆桿，從下而上逐級進(jìn)行鉆柱許用長度確定，直到滿足設(shè)計孔深要求。

假設(shè)自下而上每級鉆柱許用長度為：L1、L2、…、Li、…、Ln，最后一級的使用長度為Lb，則存在以下關(guān)系：

(6)

式中：F許1、F許2、…、F許i——各級鉆桿最大許用靜拉載荷，kN；q1、q2、…、qi——各級鉆桿的質(zhì)量，kg[13-15]。

結(jié)合式(1)～(6)，可求得各級鉆桿許用長度和各級鉆桿的安全系數(shù)。如有特殊要求，可通過改變各級鉆桿尺寸規(guī)格和鉆桿材料，對各級鉆桿的使用長度和安全系數(shù)進(jìn)行一定范圍修改。

2 設(shè)計理論程序化

根據(jù)上述超深孔用鉆柱結(jié)構(gòu)組合設(shè)計理論，結(jié)合面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，通過控件布局、變量設(shè)置、回調(diào)函數(shù)編寫，其中使用數(shù)組結(jié)構(gòu)表示多級鉆柱組合的各級參數(shù)，實現(xiàn)極限鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件和鉆柱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算軟件的開發(fā)。本文中鉆柱安全系數(shù)是假定鉆桿接頭、螺紋尺寸與鉆桿體等強(qiáng)度設(shè)計前提下得到的；如考慮鉆桿整體外平度、鉆桿鐓粗限制、泥漿環(huán)空壓耗等因素而需要對鉆桿接頭尺寸有所限制，需另外確定鉆桿接頭處的安全系數(shù)。

2.1 極限鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件

2.1.1 輸入?yún)?shù)確定

計算過程中涉及到的輸入?yún)?shù)包括設(shè)計孔深、泥漿密度、鉆鋌材料密度、鉆壓、工作安全系數(shù)、拉力余量、接頭加重系數(shù)、鉆桿外徑、鉆桿壁厚、鉆桿屈服強(qiáng)度、鉆桿材料密度、鉆鋌外徑、鉆鋌內(nèi)徑、卡瓦長度。本設(shè)計通過10個元素數(shù)組設(shè)置，最多支持十級鉆桿塔式結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1.2 輸出參數(shù)確定

計算過程中涉及到的輸出參數(shù)包括每級鉆桿橫截面積、承載極限、最大允許靜拉負(fù)荷、鉆桿長度、鉆桿重力、安全系數(shù)、鉆鋌長度、鉆鋌重力。

2.1.3 界面實現(xiàn)

設(shè)計軟件界面包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、鉆柱結(jié)構(gòu)圖繪制3部分(如圖1所示)。

圖1極限鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件用戶界面
Fig.1Software user interface for the ultimate drill string structure design

2.2 鉆柱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算軟件

2.2.1 輸入?yún)?shù)確定

計算過程中涉及到的輸入?yún)?shù)包括設(shè)計孔深、泥漿密度、鋼密度、鉆壓、最低安全系數(shù)、拉力余量、鉆桿級數(shù)或開數(shù)、卡瓦長度、加重鉆桿接頭加重系數(shù)、加重鉆桿外徑、加重鉆桿內(nèi)徑、接頭加重系數(shù)、鉆桿外徑、鉆桿內(nèi)徑、鉆桿屈服強(qiáng)度、鉆桿密度、每級鉆桿設(shè)計長度。本設(shè)計通過10個元素數(shù)組設(shè)置，最多支持10級(塔式結(jié)構(gòu))或10開(一徑到底)鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2.2 輸出參數(shù)確定

計算過程中涉及到的輸出參數(shù)包括每級鉆桿橫截面積、屈服承載極限、鉆桿浮重、鉆桿重力、鉆桿長度、加重鉆桿長度、安全系數(shù)。

2.2.3 界面實現(xiàn)

設(shè)計軟件界面包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、鉆柱結(jié)構(gòu)圖繪制3部分，如圖2所示。

圖2鉆柱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算軟件用戶界面
Fig.2Software user interface for the drill string structural safe factor design

上述2個軟件也可用于計算懸掛套管極限長度及給定長度套管的使用安全系數(shù)。

3 算例

3.1 10000 m繩索取心極限鉆柱組合設(shè)計

3.1.1 設(shè)計參數(shù)

10000 m繩索取心鉆柱極限孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計參數(shù)包括：設(shè)計孔深10000 m、泥漿密度1.05～1.2 t/m3、鉆鋌材料密度7.85 t/m3、鉆壓100 kN、工作安全系數(shù)2.0、拉力余量800 kN、接頭加重系數(shù)1.05、卡瓦長度400 mm、鉆鋌外徑190.5 mm、鉆鋌內(nèi)徑108.66 mm、鉆桿材料(S135或V150)與鉆柱參數(shù)(見表1)。其中，鉆桿參數(shù)中的數(shù)值均可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，從而獲得不同的鉆柱設(shè)計方案。

3.1.2 軟件計算

表1 10000 m鉆柱設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of the drill string for 10000m hole

將設(shè)計參數(shù)逐級輸入到設(shè)計軟件，如當(dāng)前級數(shù)或鉆桿規(guī)格不能滿足設(shè)計孔深，系統(tǒng)將提示“當(dāng)前級數(shù)或鉆桿規(guī)格不能滿足設(shè)計孔深，請增加鉆柱級數(shù)或調(diào)整鉆桿規(guī)格”，直到得到滿足設(shè)計孔深的方案。計算得到的鉆柱相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3和表2所示。

3.2 5000 m繩索取心鉆柱安全系數(shù)計算

3.2.1 設(shè)計參數(shù)

圖3 10000 m孔深極限鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計界面Fig.3 Ultimate drill string structural design interface for 10000m hole

5000 m繩索取心鉆柱安全系數(shù)計算的設(shè)計參數(shù)包括：設(shè)計孔深5000 m、終孔孔徑96 mm、泥漿密度1.1 t/m3、鉆壓50 kN、工作安全系數(shù)2.0、拉力余量500 kN、卡瓦長度400 mm、加重鋼鉆桿與鉆桿參數(shù)(見表3，參考GB/T 16950-2014)[16]。其中鉆桿參數(shù)中的數(shù)值(包括尺寸規(guī)格和材料)均可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行合理調(diào)整，從而獲得不同的鉆柱設(shè)計方案。

3.2.2 軟件計算

將設(shè)計參數(shù)逐一輸入到設(shè)計軟件中的文本框中(如圖4所示)，計算得到的鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4。

表3 5000 m鉆桿設(shè)計參數(shù)Table 3 Design parameters of the drill string for 5000m hole

表4 5000 m鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Structural parameters of the drill string for 10000m hole

圖4 5000 m繩索取心鉆柱安全系數(shù)計算界面Fig.4 Drill string structural design interface for 5000m wire-line coring hole

4 結(jié)論

本文通過對鉆柱組合設(shè)計理論的研究，對特深鉆探鉆柱組合的設(shè)計過程進(jìn)行了程序化編程，實現(xiàn)用于極限孔身結(jié)構(gòu)與給定孔身結(jié)構(gòu)兩種情況下鉆柱組合的設(shè)計，并得出如下結(jié)論：

(1)通過鉆柱組合設(shè)計的程序化設(shè)計，大大提高了設(shè)計效率，可以通過選用不同尺寸規(guī)格和材料的鉆桿組合，實時得到不同的鉆柱組合設(shè)計方案。

(2)通過軟件計算，給出了10000 m繩索取心極限孔身鉆柱組合方案與5000 m繩索取心鉆柱方案；通過軟件，可進(jìn)一步研究各設(shè)計參數(shù)對鉆柱組合與安全系數(shù)的關(guān)系，對于特深鉆探研究具有一定的參考意義。

(3)本文鉆柱安全系數(shù)是假定鉆桿接頭與螺紋尺寸根據(jù)與鉆桿體等強(qiáng)度設(shè)計原則進(jìn)行設(shè)計的前提下得到的，得到的鉆柱組合方案存在一定的局限性，下一步將考慮鉆桿外平度、鉆桿鐓粗限制、泥漿環(huán)空壓耗等因素對鉆桿接頭尺寸的限制，進(jìn)而優(yōu)化桿體尺寸、設(shè)計接頭結(jié)構(gòu)和匹配環(huán)空間隙。

(4)隨著向地球更深部進(jìn)軍，對鉆柱提出了新的要求，高強(qiáng)重比、高耐溫性、高韌性是鉆柱未來的發(fā)展方向。