特殊結(jié)構(gòu)鉆桿的研發(fā)與應(yīng)用

樊繼強，王 委，劉 亞，許春田

（中國石化華東石油工程公司江蘇鉆井公司，江蘇 揚州225261）

多年來，石油鉆井使用的鉆桿基本上都是由鉆桿管體與公、母接頭組成的結(jié)構(gòu)，起下鉆時，主要采用雙吊卡或單吊卡加動力卡瓦的方式。 雙吊卡起下鉆勞動強度大、工作效率低，操作不當(dāng)易出現(xiàn)單吊環(huán)起鉆的危險情況； 單吊卡加動力卡瓦的方式，卡瓦牙徑向力易在夾持部位形成咬痕，隨著井深的增加，卡瓦夾持力增大，對鉆桿本體損傷也隨之加大，嚴(yán)重時擠毀鉆桿；有傷痕的鉆桿，遇硫化氫極易產(chǎn)生氫脆，增加安全隱患。

目前對鉆桿的研究，大部分關(guān)注于管體材料和接頭螺紋連接形式。 在滿足特殊環(huán)境的高難度油氣勘探需求方面， 國外一些公司開發(fā)了一些特種鉆桿，如Grant、V&M批量生產(chǎn)了Z-140、V150新型高強度鉆桿， 具有高達1 034 MPa的抗拉強度和優(yōu)良的抗斷裂韌性，這種鉆桿目前主要在大位移、超深井使用［1-5］。 本文介紹的特殊結(jié)構(gòu)鉆桿，是在母接頭下端增加一個凸臺結(jié)構(gòu)， 使用改進的氣動卡瓦配合，改變鉆桿被夾持部位的受力方向，既可實現(xiàn)單吊卡起下鉆，又減少了鉆桿的損傷［6-9］。

1 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿

特殊結(jié)構(gòu)鉆桿主要是在API鉆桿的基礎(chǔ)上，于母接頭下端增加一個凸臺，此結(jié)構(gòu)外徑與母接頭相同，其它結(jié)構(gòu)及性能均不變，見圖1。

主要特點是：

（1）除在母接頭下端增加一個凸臺外，其余結(jié)構(gòu)及參數(shù)與API鉆桿相同，便于生產(chǎn)、維護及現(xiàn)場使用。

采用SPSS 20.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計量資料以“±s”表示，采用t檢驗；計數(shù)資料以百分?jǐn)?shù)（%）表示，采用x2檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

將150 mm、160 mm外徑的凸臺進行比較，可以看出，外徑增大，則所受剪切應(yīng)力降低（見圖12）。

（3）凸臺下端加厚部分與原鉆桿母接頭下端結(jié)構(gòu)相同，不影響扣吊卡作業(yè)。

地方政府推動型模式主要是地方政府通過一系列的政策、活動、各項服務(wù)等措施，推動閑置宅旅游開發(fā)活動的進行，最典型的代表是區(qū)政府推動、農(nóng)戶為主體的北京密云模式。

（4）凸臺在母接頭下端700～900 mm處，鉆桿坐在氣動卡瓦上， 母接頭端面正好位于適合的高度，便于上卸扣操作。

2 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿設(shè)計

特殊結(jié)構(gòu)鉆桿是對普通鉆桿局部結(jié)構(gòu)進行改進， 為分析這種改進是否影響鉆桿本身應(yīng)力結(jié)構(gòu)，對改進后的鉆桿進行了仿真模擬分析。

2.1 仿真模擬計算模型

模擬采用常規(guī)127 mm鉆桿，主要參數(shù)：接頭外徑168.3 mm、管體外徑127 mm、管體壁厚9.19 mm、內(nèi)螺紋接頭長度306 mm、鉆桿總長9 400～9 550 mm之間。

（1）網(wǎng)格劃分：鉆桿是軸對稱結(jié)構(gòu)，在實際工作中受軸向拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)以及震動沖擊等多種載荷的作用， 受力較為復(fù)雜， 本文選用高階20節(jié)點solid95單元生成六面體網(wǎng)格進行計算（見圖2）。

圖2 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿母接頭網(wǎng)格圖

（2）鉆桿變形邊界條件：鉆桿左端面約束XYZ三個自由度， 右端同時施加彎曲角位移5°/30 m，扭矩1 500 kN·m，軸力1 500 kN，三種載荷均為極限載荷（見圖3）。

圖3 特殊鉆桿工作時邊界條件

2.2 計算結(jié)果分析

凸臺長度L 與凸臺承受剪切能力相關(guān) （見圖10）。 若L過短，可能強度不足以承受鉆柱自重；若L過長，會加重鉆桿整體重量。

圖4 兩種鉆桿應(yīng)力對比

圖5 API標(biāo)準(zhǔn)鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在直井中的軸力

2.3 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿與API鉆桿應(yīng)力比較

特殊結(jié)構(gòu)鉆桿略重于API鉆桿，在實際井眼中，由于重力的影響，特殊結(jié)構(gòu)鉆桿所受軸力會略大于API鉆桿（見圖5）。

圖6a和圖6b分別為斜井段API鉆桿和特殊結(jié)構(gòu)鉆桿軸力圖，從圖中可以看出，越靠近井口，鉆桿軸力越大；井斜越大，鉆桿軸力越小。

該類型特殊結(jié)構(gòu)鉆桿主要有兩種規(guī)格，?127 mm用于淺井到中深井，?139 mm用于深井、超深井。已經(jīng)在江蘇、 新疆及重慶等工區(qū)40多口井推廣使用，其中8口水平井。

圖6 API標(biāo)準(zhǔn)鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在斜井段的軸力

表1 API標(biāo)準(zhǔn)鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在井中最大應(yīng)力

3 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿凸臺剪應(yīng)力分析

3.1 模型與邊界條件

在實際起下鉆時， 氣動卡瓦夾持鉆桿凸臺下端，凸臺靠自身剪應(yīng)力“提起”整個鉆桿，在深井和超深井中，鉆桿數(shù)量較多，重量較大，凸臺受到很大的剪應(yīng)力。

由圖3可以看到，在低溫環(huán)境下，水樹從缺陷處引發(fā)，沿電場方向向前生長。老化14 d時水樹形態(tài)呈片狀，即水樹枝相互連接，水樹的枝狀特征并不明顯。而老化21 d后，水樹的分枝狀特征已經(jīng)較為明顯，在針孔周圍均存在枝狀的水樹枝。而老化28 d后，水樹的分枝狀特征更為明顯，且越靠近水樹尖端，水樹枝越尖。另外，隨著老化時間增長，水樹染色逐漸加深。由圖3(c)可見，老化28 d以后，針孔尖端的水樹染色明顯加深。

圖7 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿凸臺受剪邊界條件

3.2 凸臺受剪應(yīng)力計算結(jié)果分析

在起下鉆時，卡瓦夾持凸臺，凸臺處所受剪切應(yīng)力較大。 受力云圖（見圖8）較為清晰地描述了凸臺內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。 云圖中藍色表示受壓，紅色表示受拉。 圖9為凸臺受到的拉壓應(yīng)力云圖，彩色部分顯示了拉壓應(yīng)力狀況，灰色部分無應(yīng)力。

圖8 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在卡瓦夾持時的受力情況

圖9 凸臺受軸向拉壓應(yīng)力

3.3 凸臺長度對剪切應(yīng)力的影響

圖4為相同邊界條件下，API鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿應(yīng)力云圖， 云圖中相同的顏色表示相同的應(yīng)力值，從圖4a可以看出，API鉆桿在拉彎扭組合極限載荷作用下， 受力最大的區(qū)域在鉆桿內(nèi)螺紋接頭下端，最大Mises應(yīng)力為401.8 MPa；圖4b可以看出，特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在相同載荷作用下受力最大的區(qū)域也在鉆桿內(nèi)螺紋接頭下端， 最大Mises應(yīng)力為430.6 MPa， 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿的最大Mises應(yīng)力略大于API鉆桿，如圖所示內(nèi)螺紋接頭下端以及凸臺上端和下端也都是應(yīng)力相對集中的位置。

圖10 凸臺的長度

分別對L為60 mm、70 mm、80 mm三種情況進行計算，從云圖可以看出，L越大，剪應(yīng)力值越?。ㄒ妶D11、表2）。

表2 不同凸臺長度對應(yīng)的應(yīng)力

3.4 凸臺外徑對剪切應(yīng)力的影響

凸臺外徑尺寸對剪切應(yīng)力影響較大。 相同長度下，凸臺外徑越大，抵抗剪切能力越強，另一方面也增加了鉆桿自重。

鋼管樁采用地質(zhì)鋼管(YB235-70 DZ40)，規(guī)格為D127δ4.5，樁中心距為500 mm，施工樁長9.00 m，嵌入較完整基巖深度不小于2 m。采用工程鉆機回轉(zhuǎn)鉆進法(干成孔)成孔后植入鋼管，嚴(yán)禁潛孔錘法成孔，成孔孔徑不小于130 mm(D127)。鋼管內(nèi)灌注M30純水泥漿，樁位偏差不應(yīng)大于50 mm，垂直度偏差不應(yīng)大于1.0。鋼管樁嵌巖段分層開孔，以便鋼管樁與土(巖)層間隙灌注M30水泥漿密實，灌注過程中應(yīng)防止鋼管浮動。

總的來講，2000年以前中國社會化養(yǎng)老服務(wù)的觀念還沒有形成，老年人的服務(wù)內(nèi)容多屬于社會福利與社會救濟的范疇，政府服務(wù)的對象基本限于孤寡老人和生活困難老人，主要通過福利院、敬老院、光榮院等收養(yǎng)性社會福利機構(gòu)完成。1999年，中國正式邁入老齡化社會，老齡化的嚴(yán)峻形勢使得養(yǎng)老服務(wù)成為一種廣泛而緊迫的社會需要，因此一系列加強老年保障、推動養(yǎng)老服務(wù)發(fā)展的政策開始出臺。

起下鉆時，卡瓦夾持鉆桿凸臺，接觸模型如圖15所示。

（2）起下鉆時，凸臺坐在無牙板氣動卡瓦上，鉆桿承受軸向拉力，避免了牙板帶來的損傷，延長鉆桿壽命。

利物浦約翰摩爾大學(xué)圖書館提供的支持?jǐn)?shù)字學(xué)術(shù)的開放期刊托管服務(wù)是一次嘗試，雖然該館主頁尚未建立數(shù)字學(xué)術(shù)服務(wù)專欄，但是已經(jīng)邁出了數(shù)字學(xué)術(shù)服務(wù)的關(guān)鍵一步。愛丁堡大學(xué)圖書館和圣安德魯斯大學(xué)圖書館也開展了開放期刊托管服務(wù)［12］，然而這兩個圖書館并未將此項服務(wù)列入數(shù)字學(xué)術(shù)服務(wù)頁面。英國高校圖書館開展的開放期刊托管服務(wù)，也是一種發(fā)揮圖書館員特長、擴展數(shù)字學(xué)術(shù)服務(wù)內(nèi)容的有益嘗試。

圖11 不同長度凸臺受拉時剪切應(yīng)力

圖12 不同外徑凸臺受拉剪切應(yīng)力云圖

4 特殊結(jié)構(gòu)鉆桿與卡瓦相互作用分析

4.1 凸臺與卡瓦接觸狀態(tài)分析

卡瓦夾持凸臺時， 二者間接觸壓力和摩擦力如圖13所示，兩種力都呈現(xiàn)兩端大、中間小的狀態(tài)。

圖13 卡瓦與凸臺相互作用受力分布

卡瓦與凸臺間相互接觸，在夾持的過程中，有的部分相對滑移，有的部分貼附在一起（見圖14），紅色部分表示卡瓦上端始終與凸臺貼附在一起，褐色部分表示卡瓦下端與凸臺之間有相對滑移。

立體幾何的學(xué)習(xí)，一般體現(xiàn)為“直觀感知——操作確認(rèn)——思辨論證——度量計算”這樣一個認(rèn)知過程．本題給出圖形便于學(xué)生感知，第一問要求學(xué)生進行論證，并在此基礎(chǔ)上進行度量計算，考查學(xué)生的觀察、想象、分析、判斷及推理能力．立體幾何的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具備必要的空間想象能力、推理論證能力和運算能力，這對于學(xué)生后繼學(xué)習(xí)具有重要意義，更是相關(guān)技術(shù)職業(yè)工作必不可少的基礎(chǔ)能力．

為了準(zhǔn)確模擬卡瓦夾持時凸臺受剪狀態(tài)，采用非線性接觸方法，計算凸臺受力狀態(tài)。 接觸問題是一種高度非線性行為，結(jié)果較難收斂，但能夠較為準(zhǔn)確地模擬鉆桿受力狀態(tài)。 如圖7所示，藍色部分定義為接觸面，鉆桿右端受到軸向拉力。

4.2 卡瓦受力分析

含氧官能團的測定參照《化學(xué)滴定法定量分析石墨烯表面含氧官能團的含量》（Q/LMO3CGS001—2014），每個樣品進行3次測量，取其平均值，誤差范圍均小于0.005 mmoL·g-1。

在卡瓦與凸臺接觸過程中， 卡瓦所受徑向力如圖16a所示，上端所受擠壓作用較大，下端所受擠壓作用較?。豢ㄍ咚墉h(huán)向應(yīng)力如圖16b所示，內(nèi)壁上端受環(huán)向應(yīng)力較小，下端受環(huán)向應(yīng)力較大。

圖14 卡瓦與凸臺之間的接觸狀態(tài)

圖15 凸臺與卡瓦模型

圖16 卡瓦徑向和環(huán)向應(yīng)力

卡瓦所受軸向剪切應(yīng)力如圖17所示，卡瓦內(nèi)壁上端所受軸向剪切應(yīng)力較小，卡瓦內(nèi)壁下端所受軸向剪切應(yīng)力較大，這也是導(dǎo)致圖14卡瓦與凸臺接觸面下端滑移、上端貼附的原因。

圖17 卡瓦軸向剪切應(yīng)力

圖18為卡瓦mises應(yīng)力云圖， 卡瓦內(nèi)部受力較大，外部受力較小，主要靠內(nèi)部的變形支撐鉆桿重量。

圖18 卡瓦mises應(yīng)力

4.3 卡瓦改進

常規(guī)卡瓦利用牙板卡緊夾持鉆桿，依靠兩者間的摩擦力來承載鉆桿重量， 卡瓦牙板易 “咬傷”鉆桿。 改進的卡瓦取消了牙板，起下鉆時，鉆桿凸臺下端坐落在無牙板動力卡盤上， 軸向承載鉆柱重量，消除了卡瓦牙齒尖對鉆桿本體的傷害，顯著延長了鉆桿使用壽命［10］。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

表1為不同井眼中API鉆桿與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿受的最大軸向力、最大扭矩和最大彎矩時，鉆桿的最大應(yīng)力值。 從表中可以看出，三種載荷同時作用于鉆桿時，直井中鉆桿的最大應(yīng)力最大，定向井中鉆桿的最大應(yīng)力較?。幌嗤壑刑厥饨Y(jié)構(gòu)鉆桿的最大應(yīng)力比API鉆桿大8.5%左右。

5.1 使用效果分析

（1）與常規(guī)鉆桿相比，特殊結(jié)構(gòu)鉆桿第二臺階外徑增大，環(huán)空間隙相對減小，鉆井液流經(jīng)時的流速會加快，高流速更有助于巖屑運移，起到提高井眼凈化效果的作用［11］。

（2）特殊結(jié)構(gòu)鉆桿增加了凸臺臺階，鉆具與井壁間接觸面積變大，但從現(xiàn)場應(yīng)用情況看，并沒有出現(xiàn)摩阻增大現(xiàn)象， 如H88P6井水平段超過400 m，摩阻僅5～10 t，低于同區(qū)塊同類井施工摩阻。

（3）起下鉆時效分析表明，使用特殊結(jié)構(gòu)鉆桿，在新型氣動卡瓦的配合下，起下鉆時間比常規(guī)方法節(jié)約13.4%，有助于縮短鉆井周期。

5.2 使用壽命分析

由于避免了卡瓦牙對鉆桿的咬傷，延長了鉆桿使用壽命。目前普遍采用的?127 mm常規(guī)鉆桿，一般累計進尺6×104m以后， 因鉆桿本體被卡瓦牙損傷，都要降級使用，中深井、高難度定向井、水平井、復(fù)雜井等，卡瓦牙對鉆桿本體的損害更為嚴(yán)重，有的使用（3～4）×104m就要降級。而一套已使用30多口井的?127 mm特殊結(jié)構(gòu)鉆桿， 累計進尺已超過8×104m，因為本體未受到傷害，仍可以在深井、中深井使用。

1.2 入選標(biāo)準(zhǔn) ①年齡介于18～90周歲之間；②既往在醫(yī)院診斷為冠心病住院并經(jīng)規(guī)范化治療后在我社區(qū)居家治療的患者；③在秀湖衛(wèi)生服務(wù)中心、相思湖衛(wèi)生服務(wù)中心建檔立健康檔案卡；④生活基本可以自理，無腦卒中病史、自身免疫性疾病、嚴(yán)重呼吸系統(tǒng)疾病、惡性腫瘤等。

6 結(jié)論與認(rèn)識

（1）從剪應(yīng)力分析結(jié)果可知，凸臺長度越大，應(yīng)力值越小，凸臺外徑越大，應(yīng)力越低，但增加凸臺長度及外徑，鉆桿的自重也會增加。 因此，需通過優(yōu)化，選擇合理的凸臺長度及外徑。

黃河是中國第二大河，是世界上復(fù)雜難治的河流之最，黃河流域水安全問題也是中國水安全問題的縮影。探索構(gòu)建行之有效且具黃河流域特色的納污紅線管理制度體系和工作格局，對于提高黃河流域水安全保障能力，乃至對于提高中國水安全保障能力，都具有十分重要的意義。

（2）使用特殊結(jié)構(gòu)鉆桿能實現(xiàn)單吊卡起下鉆，可減輕工人的勞動強度，能節(jié)省起下鉆時間，縮短鉆井周期。

（3）改進的氣動卡盤工作性能穩(wěn)定，與特殊結(jié)構(gòu)鉆桿的凸臺匹配，托持穩(wěn)定可靠，消除了卡瓦對鉆桿的損傷。

（4）使用該類型特殊鉆桿時，由于開、扣吊卡的位置要求精度高，安裝二層臺時，要考慮到起下鉆操作的方便，并使用相應(yīng)高度的鉆鋌及加重鉆桿。