超深井用Φ149.2 mm 高抗扭鉆桿研制與應(yīng)用

張 然，王顯林，王青林，李竹濱

（渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣 062658）

針對(duì)8 000 m 以上超深井，若使用常規(guī)Φ139.7 mm 規(guī)格S135 鋼級(jí)鉆桿主要面臨兩點(diǎn)問題：鉆桿抗拉載荷3 500 kN，8 000 m 鉆柱質(zhì)量達(dá)到346 t，拉力余量只有108 kN，無法滿足鉆井的安全需求,鉆桿接頭水眼較小，若采用高泵壓，泥漿泵負(fù)載過大，影響鉆井效率，若采用Φ168.3 mm S135 鋼級(jí)鉆桿，接頭外徑已經(jīng)達(dá)到215.9 mm，無法應(yīng)用于Φ215.9 mm 井眼鉆進(jìn)，并且Φ168.3 mm 鉆桿規(guī)格大，在鉆機(jī)上占據(jù)空間大，難操作，會(huì)大大提高鉆井的成本和對(duì)鉆井設(shè)備的要求［1-10］。

因此，需要設(shè)計(jì)出一種鉆桿，在保證拉力余量的同時(shí)，擁有比Φ139.7 mm S135 鋼級(jí)鉆桿更高的抗拉強(qiáng)度、更大的水眼以及更適合在Φ215.9 mm井眼內(nèi)鉆進(jìn)的接頭外徑，以滿足超深井的開采需要。S135 鋼級(jí)8 000 m 鉆柱懸重對(duì)比見表1。

1 研發(fā)過程

1.1 總體研發(fā)方案

首先，為提高鉆桿的抗拉強(qiáng)度，決定將管體鋼級(jí)從S135 提高到V150，管體外徑從139.7 mm 增大到149.2 mm；其次，為保證鉆具可在Φ215.9 mm 井眼以內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，降低鉆井過程中鉆井液循環(huán)壓耗，同時(shí)還要具備高抗扭強(qiáng)度，以保證合理的接頭管體抗扭比，必須設(shè)計(jì)一種全新的小外徑、大水眼、高抗扭接頭型式。渤海能克鉆桿有限公司為此設(shè)計(jì)了“管體性能設(shè)計(jì)—管體鐓鍛工藝研究—特殊高抗扭接頭設(shè)計(jì)—現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用”的研究方案，并按照預(yù)定的方案展開了系列工作。

表1 S135 鋼級(jí)8 000 m 鉆柱懸重對(duì)比

1.2 管體性能設(shè)計(jì)

1.2.1 管體化學(xué)成分研究

Φ149.2 mm 鉆桿V150 鋼級(jí)材料設(shè)計(jì)以常規(guī)S135 鉆桿管體材料成分為基礎(chǔ)，通過C-Mn-Mo-Ni-V 材料體系研究，降低C、Mn 含量，提升Mo含量，增加Ni、V 含量，搭配合適的熱處理工藝，以提高管體強(qiáng)度和沖擊韌性，保證鉆桿在出現(xiàn)刺漏后的鉆柱上提過程中不斷裂。通過多輪研制、試驗(yàn)和驗(yàn)證，最終確定了管體的化學(xué)成分（表2）。

表2 試制管體的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2.2 管體熱處理工藝研究

管體采用“淬火+高溫回火”的調(diào)質(zhì)工藝。淬火的目的是獲得淬火馬氏體，再通過回火工藝獲得回火索氏體以調(diào)節(jié)管體性能。因此，熱處理工藝研究重點(diǎn)主要放在回火工藝上。

采用不同的回火加熱溫度，獲得不同的材料性能，材質(zhì)熱處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 材質(zhì)熱處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖1 可以看出，回火溫度在到達(dá)635～650 ℃時(shí)可以達(dá)到理想的屈服強(qiáng)度（要求屈服強(qiáng)度1 034～1 184 MPa，抗拉強(qiáng)度≥1 103 MPa），但由于管體內(nèi)部應(yīng)力過大，導(dǎo)致材料韌性不足沒有達(dá)到理想的沖擊功（要求沖擊功≥100 MPa）。而當(dāng)回火溫度到達(dá)645～660 ℃，隨著溫度的上升，較小的滲碳體顆粒溶于基體，將碳輸送給較大的顆粒，隨著不穩(wěn)定的馬氏體組織以及殘留的奧氏體向更加穩(wěn)定的索氏體進(jìn)行轉(zhuǎn)變，最終在犧牲少量強(qiáng)度的條件下，大大提高了材料的沖擊功，滿足了材料的性能要求。

回火溫度高于640～660 ℃時(shí)，雖然管體韌性有所提高，但是由于回火溫度的提高，導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度已經(jīng)低于管體要求的最低限。因此最終將管體的回火溫度設(shè)定為640～660 ℃。

對(duì)金相試樣縱向、橫向截面進(jìn)行初步打磨，精磨，再經(jīng)金剛石粉拋光，采用Axio Scope A1 研究級(jí)正置式金相顯微鏡對(duì)金相試樣組織、非金屬夾雜物進(jìn)行觀察，結(jié)果為：縱向截面中非金屬夾雜物為環(huán)狀氧化物類夾雜，等級(jí)為粗系D1.0；橫向截面中非金屬夾雜物為環(huán)狀氧化物類夾雜，等級(jí)為粗系D0.5。非金屬夾雜物如圖2 所示。

圖2 非金屬夾雜物示意

再用5%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，觀察其晶粒度和金相組織情況?？v、橫截面的金相組織測(cè)得結(jié)果均為回火索氏體，縱向截面與橫向截面的晶粒度等級(jí)均為8.5 級(jí)?；鼗鹚魇象w如圖3 所示。

參照GB/T 4337—2015《金屬材料疲勞試驗(yàn) 旋轉(zhuǎn)彎曲方法》進(jìn)行V150 鉆桿的疲勞試驗(yàn)。按照最大應(yīng)力約為σ1＝0.5σs計(jì)算彎曲應(yīng)力，根據(jù)屈服強(qiáng)度計(jì)算得σ1＝550 MPa。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測(cè)試的原始數(shù)據(jù)見表3。

圖3 回火索氏體示意

表3 V150 鉆桿疲勞試驗(yàn)明細(xì)數(shù)據(jù)

開展彎曲應(yīng)力為550 MPa 的疲勞性能測(cè)試，按107次循環(huán)失效情況統(tǒng)計(jì)，測(cè)試結(jié)果顯示3 個(gè)試樣均通過了107次循環(huán)周次的測(cè)試。試樣未發(fā)生斷裂，也未見可見裂紋。

1.3 管體鐓鍛工藝研究

管體內(nèi)過渡帶消失處是鉆桿的應(yīng)力集中點(diǎn)，在超深井施工過程中，由于鉆桿長(zhǎng)期承受拉-彎-扭復(fù)合載荷應(yīng)力，會(huì)大大提高鉆桿在過渡帶刺漏的風(fēng)險(xiǎn)。API Spec 5DP—2009《鉆桿規(guī)范》要求內(nèi)過渡帶長(zhǎng)度≥76.2 mm，Φ149.2 mm 鉆桿通過鐓鍛工藝優(yōu)化，將原本的二次成型設(shè)計(jì)為三次鐓鍛成型，將管體的內(nèi)過渡帶長(zhǎng)度提高到≥120 mm，以提高加厚過渡帶部位的質(zhì)量可靠性。

管端鐓鍛共有3 個(gè)變量會(huì)影響成型情況，其中加熱長(zhǎng)度會(huì)影響鐓鍛的阻力，以及管體的縮量，最終影響到內(nèi)過渡帶長(zhǎng)度；均熱溫度是影響金屬流動(dòng)性的重要參數(shù)，也是影響最終成型效果的重要參數(shù)；均熱時(shí)間是影響過渡區(qū)溫度梯度的重要參數(shù)，而溫度梯度直接決定了內(nèi)過渡區(qū)的平緩程度。

根據(jù)上述影響因素，首先通過模擬鐓鍛，設(shè)計(jì)出4 組鐓鍛方案，再通過實(shí)際試鐓進(jìn)行驗(yàn)證，Φ149.2 mm 鉆桿管體鐓鍛參數(shù)見表4。鍛件模擬結(jié)果如圖4 所示。

模擬鍛件采用標(biāo)準(zhǔn)壁厚進(jìn)行鐓鍛模擬，方案1的鐓鍛效果比較理想。但在實(shí)際軋管過程中，鋼管廠為防止壁厚低于下限，通常實(shí)際壁厚會(huì)大于標(biāo)準(zhǔn)壁厚，這導(dǎo)致了在方案1 的鐓鍛過程中出現(xiàn)了加熱不充分所導(dǎo)致的管端缺肉；對(duì)于方案2，因?yàn)榧訜衢L(zhǎng)度、溫度和時(shí)間的增加，使得管體加熱得更加充分，得到了較好的鐓鍛效果；方案3 由于加熱長(zhǎng)度的增加，導(dǎo)致管體縮量過大，最終多余的縮量全部堆積在過渡帶上，形成了過陡的過渡帶；方案4 由于加熱時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致管端的流動(dòng)性過大，大量金屬向后流動(dòng)，最終在過渡帶上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀突起，影響了過渡帶的質(zhì)量。方案1～4 的鐓鍛效果如圖5 所示。

表4 Φ149.2 mm 鉆桿管體鐓鍛參數(shù)

圖4 鍛件模擬結(jié)果

方案2 通過手電筒照射觀察，內(nèi)過渡帶未出現(xiàn)陰影，內(nèi)過渡帶平緩且無任何凸起，鐓鍛成型情況比較理想，因此按照方案2 的參數(shù)進(jìn)行了連續(xù)生產(chǎn)條件下的試鐓，冷卻后，鐓鍛成型工藝尺寸見表5。

1.4 螺紋接頭結(jié)構(gòu)研究

1.4.1 雙臺(tái)肩接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)

目前國(guó)際各個(gè)鉆桿公司均采用雙臺(tái)肩的結(jié)構(gòu)來提高接頭抗扭強(qiáng)度，這也是目前所證實(shí)的比較可靠的螺紋形式。但是由于Φ149.2 mm 鉆桿的管體抗扭能力達(dá)到165.5 kN·m，使得普通的雙臺(tái)肩接頭也無法滿足管體對(duì)接頭的需求，因此必須對(duì)雙臺(tái)肩接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 方案1～4 的鐓鍛效果

表5 鐓鍛成型工藝尺寸 mm

1.4.2 螺紋接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

螺紋牙型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)從降低應(yīng)力集中和提高抗扭強(qiáng)度兩方面進(jìn)行。

首先是降低應(yīng)力集中，鉆桿螺紋接頭結(jié)構(gòu)犬齒交錯(cuò)，在其截面突變部位必定存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)材料力學(xué)，螺距越大、牙側(cè)角越大、截底高越大，螺紋接頭截面形狀變化越平緩，應(yīng)力集中因數(shù)越低；理論牙高越大，螺紋接頭截面形狀變化越急劇，應(yīng)力集中因數(shù)越高。

其次是提高抗扭強(qiáng)度，可通過增大主臺(tái)肩外徑、副臺(tái)肩外徑和螺紋中徑以及減小錐度、外螺紋長(zhǎng)度、鏜孔直徑和內(nèi)徑的方法來提高雙臺(tái)肩接頭的抗扭強(qiáng)度。

1.4.3 螺紋正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了盡可能地減小螺紋的應(yīng)力集中，重新設(shè)計(jì)了螺紋的牙型結(jié)構(gòu)，以采用非對(duì)稱牙型設(shè)計(jì)將應(yīng)力由牙底轉(zhuǎn)移到牙側(cè)提高螺紋的安全性。螺紋牙型尺寸見表6。

表6 螺紋牙型尺寸

考慮到適合在Φ215.9 mm 井眼內(nèi)鉆進(jìn)，將接頭外徑定在177.8 mm 以盡可能地增加環(huán)空間隙；將接頭內(nèi)徑提高到104.8 mm，以更好地減小鉆井液循環(huán)壓耗；主臺(tái)肩起到密封作用，受此限制螺紋中徑如果太大就會(huì)影響密封效果，因此只能將螺紋中徑增加到144.78 mm，以最大限度地提高螺紋抗扭性能；而考慮到有效扣數(shù)是保證螺紋不脫扣的重要參數(shù)，受其限制將螺紋長(zhǎng)度定為158.2 mm。最終，通過調(diào)整螺紋錐度方式使其抗扭強(qiáng)度與管體達(dá)到了最佳平衡。正交優(yōu)化因素見表7。

表7 正交優(yōu)化因素

根據(jù)表7 抗扭參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1 ∶8 錐度所得到的接頭抗扭強(qiáng)度偏低；采用1 ∶16 錐度時(shí)，接頭與管體的抗扭強(qiáng)度達(dá)到了相對(duì)平衡的0.8 左右；而采用1 ∶24 錐度會(huì)出現(xiàn)接頭抗扭強(qiáng)度過大，不利于接頭與管體強(qiáng)度的平衡，且如果需要修扣，就會(huì)損失大量的大鉗空間，不利于實(shí)際應(yīng)用。BHDX57 最終接頭數(shù)據(jù)見表8。BHDX57 超高抗扭螺紋牙型如圖6 所示。

表8 BHDX57 最終接頭數(shù)據(jù)

圖6 BHDX57 超高抗扭螺紋牙型

1.4.4 有限元結(jié)果分析

API 5 1/2FH 螺紋接頭應(yīng)力分布及其螺紋面上壓力分布如圖7 所示，在相同的邊界條件和相同的載荷作用下，API 5 1/2FH 螺紋接頭應(yīng)力分布及其螺紋面上壓力分布如圖7（a）所示，API 5 1/2FH 螺紋最大應(yīng)力分別發(fā)生在外螺紋大端第一扣根部和內(nèi)螺紋大端第一扣根部，且最大值為961.7 MPa，而圖8 所示BHDX57 螺紋接頭螺紋的應(yīng)力集中點(diǎn)從牙底轉(zhuǎn)移到螺紋承載面，且應(yīng)力最大值為905.5 MPa。另外從圖7（b）中螺紋承載面上的接觸壓力來分析可知，API 5 1/2FH 螺紋小端第一牙承載面上的壓力最大，最大接觸壓力為1 827 MPa；而圖8 所示BHDX57 螺紋上的各個(gè)螺紋牙承載面壓力分布較均勻，且最大接觸壓力為1 198 MPa，API 5 1/2 FH 螺紋承載面上的最大接觸壓力為BHDX57螺紋的1.525 倍?？梢夿HDX57 螺紋結(jié)構(gòu)能更好地改善接頭內(nèi)的應(yīng)力分布，有利于提高螺紋接頭的抗疲勞壽命。

最終證明，BHDX57 螺紋可以有效地提高接頭的抗扭強(qiáng)度，同時(shí)將牙底的應(yīng)力轉(zhuǎn)化到了牙側(cè)，大幅度降低了接頭在牙底薄弱處出現(xiàn)斷裂的幾率，保證了鉆桿的管體接頭抗扭比，提高了整個(gè)鉆桿的安全性。

2 產(chǎn)品性能

Φ149.2 mm V150 鉆桿與 Φ139.7 mm S135 鉆桿的參數(shù)對(duì)比見表9（計(jì)算結(jié)果均采用最小屈服強(qiáng)度得到）。Φ149.2 mm V150 鉆桿理化性能見表10。

圖7 API 5 1/2FH 螺紋接頭應(yīng)力分布及其螺紋面上壓力分布

圖8 BKDX57 應(yīng)力分布及其螺紋面上壓力分布

表9 Φ149.2 mm V150 鉆桿與Φ139.7 mm S135 鉆桿對(duì)比數(shù)據(jù)

表10 Φ149.2 mm V150 鉆桿理化性能

由表10 可以看出，Φ149.2 mm V150 鉆桿與Φ139.7 mm S135 鉆桿相比，鉆桿抗拉強(qiáng)度提升25%，抗扭強(qiáng)度提升20.7%，鉆桿內(nèi)容積提升16%，8 000 m 井深時(shí)鉆桿內(nèi)壓耗降低28%，Φ149.2 mm V150 鉆桿能夠更好滿足8 000 m 以上超深井安全鉆探需求。

3 鉆桿應(yīng)用

Φ149.2 mm V150 鉆桿其創(chuàng)新的管體外徑和高管體強(qiáng)度，使其解決了Φ139.7 mm S135 鉆桿抗拉強(qiáng)度過低以及Φ168.3 mm S135 鉆桿環(huán)空過小的問題。其特殊螺紋以及特有的內(nèi)過渡帶設(shè)計(jì)大大提高了鉆井的安全性，尤其在超深井的開采過程中這一點(diǎn)就顯得尤為重要。由于井深的原因，超深井的起下鉆時(shí)間是普通井1～4 倍，鉆桿失效對(duì)超深井的影響更大，而Φ149.2 mm V150 鉆桿通過鉆桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使鉆桿受力分布更加合理，大大降低了鉆桿失效的幾率。Φ149.2 mm V150 鉆桿研制成功后應(yīng)用于中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司高風(fēng)險(xiǎn)探井輪探1 井，在鉆進(jìn)中表現(xiàn)優(yōu)異，保證鉆井安全性的同時(shí)，大大提高了鉆井效率，該井成功鉆至8 882 m，創(chuàng)造了亞洲陸上第一深井勘探新紀(jì)錄。

4 結(jié) 語

通過開發(fā)高強(qiáng)度高韌性V150 鋼級(jí)管體，采用特有的管體鐓鍛工藝及超高抗扭螺紋BHDX，研制出了Φ149.2 mm V150 鉆桿，該鉆桿滿足了8 000 m 以上超深井安全鉆探和高效鉆探的需求，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。