浅析钻井钢丝绳技术变化趋势

吴根柱,闫保国,秦万信

(咸阳宝石钢管钢绳有限公司,陕西咸阳712000)

浅析钻井钢丝绳技术变化趋势

吴根柱,闫保国,秦万信

(咸阳宝石钢管钢绳有限公司,陕西咸阳712000)

从钢丝绳绳芯材质、质量等级、结构变化和填塑工艺使用以及特殊钻机钢丝绳用量增加等方面探讨了石油钻井钢丝绳技术变化趋势。

钻井钢丝绳;钢芯;结构;特殊钻机

钻井钢丝绳在钻机提升系统中的受力分析非常复杂[1],因关系到钻井设备、油气井和操作人员的安全而一直受到油田用户和钢丝绳生产企业的高度关注,且一直被列为特殊用途钢丝绳,不仅在ISO2408—1985《一般用途钢丝绳-特性》标准中作了相关规定,而且国外一些国家和组织还制定了专门技术标准,例如 Г О С Т16853—1988《开采和深勘探钻井用滑车钢丝绳技术条件》、DIN5881/1—1990《石油工业钢丝绳和绳索传动钢丝绳》、API Spec 9A《钢丝绳规范》等,其中,后者即目前的 ANSI/ API 9A—2004《钢丝绳技术条件》(ISO10425:2003《石油和天然气工业用钢丝绳——最低要求和验收条件》)。咸阳宝石钢管钢绳有限公司(以下简称咸阳钢绳)是国内石油用钢丝绳制造基地。根据数十年生产经验和了解、掌握的相关信息,本文就钻井钢丝绳技术变化趋势进行探讨。

1 绳芯钢芯化

在API RP 9B《油田用钢丝绳选用、维护和推荐做法》早期版本中,钻井钢丝绳按照绳芯材质分为金属芯和纤维芯2种结构,且在很长一个时期内一直是金属芯与纤维芯2种结构并存,并以纤维芯结构为主,但在1996年第10版及以后的版本[2]和相关资料[3]中只保留金属芯结构。咸阳钢绳1985年引进的5 000 t石油钢丝绳生产线和1992年对原石油钢丝绳进行技术改造时,绳芯钢芯化并未引起足够重视。2000年以后,根据引进加拿大钻井钢丝绳设计制造技术、产品出口信息和对不同材质绳芯钢丝绳的质量分析,积极实施钻井钢丝绳绳芯钢芯化,使钢丝绳结构趋于合理,达到了提高产品使用寿命的目的。

与纤维芯钢丝绳相比,钢芯钢丝绳的最大优点是能够保持钢丝绳结构稳定,同时具有较强的抗挤压能力和较高的破断拉力。实践证明,如果需要插接使用的钢丝绳,选择钢芯比选择纤维芯能使钢丝绳使用效果更优。从目前国内外钻井钢丝绳的使用情况看出,钻井钢丝绳的绕绳方式也决定了应选择钢芯结构钢丝绳,且绳芯钢芯化已成定势。

2 质量分级

在ANSI/API9A颁布以前,钻井钢丝绳按钢级分级,分为 IPS、EIPS、EEIPS等级别,直到颁布ANSI/API9A时才增加了按抗拉强度概念分级,对应级别有1 770、1 960、2 160 MPa。长期以来,国内钻井钢丝绳通常以IPS级为主、EIPS级为辅,基本不使用抗拉强度表示级别的钢丝绳。咸阳宝石钢管钢绳有限公司1999年开始实施钻井钢丝绳质量升级战略,批量生产破断拉力满足 EIPS级和组绳钢丝韧性满足IPS级的钢丝绳,2000年以后 EIPS级钢丝绳用量迅速增多,目前已普遍使用。国外相关资料和出口国外钻井钢丝绳的情况与之完全相同,美国钢丝绳联合公司(Union Wire Rope Corporation)给出的6×19类普通钻井钢丝绳相关参数如表1。EEIPS级钢丝绳目前很少使用。

表1 美国钢丝绳联合公司6×19类普通钻井钢丝绳参数

3 结构多元化

3.1 6×19S-IWRC钻井钢丝绳

钻井钢丝绳主要有磨损失效和疲劳失效2种形式。西鲁式钢丝绳最大的结构优势是耐磨性高。长期以来,该结构一直是钻井钢丝绳的主体结构,最典型、应用最普遍的是6×19S-IWRC,也有少量的6× 21S–IWRC,另外,6×26WS–IWRC和6×25F–IWRC等耐磨损性能较好的钢丝绳在标准中也被推荐。

3.2 6股和8股钢丝绳

6圆股钻井钢丝绳应用最广泛,国外一些钢丝绳生产技术强势企业也将8股钢丝绳推向石油钻机,如图1～2的凯撒钢丝绳。8股钢丝绳替代6股钢丝绳的出发点是通过增加钢丝绳柔软性和组股钢丝根数来改善其疲劳性能,还可增加钢丝绳与匹配轮槽接触面积,如图3～4。

图1 8×25F-EPIWRC钢丝绳

图2 8×K17S-EPIWRC钢丝绳

图3 6股钢丝绳与轮槽接触

图4 8股钢丝绳与轮槽接触

3.3 压实股钢丝绳

除8股圆钢丝钢丝绳用于石油钻井外,压实股钢丝绳(如图2、图5～7)也被推荐为钻井钢丝绳,虽然目前还未大面积推广应用,但咸阳钢绳∅35 mm、6×K19S-IWRC和∅38 mm、6×K26WS-IWRC二种结构规格钢丝绳在国内不同油田试用成功,表明其蕴含巨大潜力。

图5 6×K19S-EPIWRC钢丝绳

图6 6×K36WS-EPIWRC钢丝绳

图7 6×25F-6IWRC6钢丝绳

a) 压实股钢丝绳更加适合多层缠绕 石油钻机轻型化导致了缠绕钻井钢丝绳滚筒尺寸受限,故钢丝绳在滚筒必须多层缠绕。压实股钢丝绳相对圆钢丝组股钢丝绳可较好地解决多层缠绕过程中相邻股钢丝的“干涉”问题,从而保持钢丝绳结构稳定,减小钢丝之间的磨损。普通股与压实股钢丝绳股之间钢丝接触对比如图8。压实股钢丝绳的这种特性在国外早已被认同。

图8 普通股与压实股钢丝绳股之间钢丝接触对比

b) 压实股钢丝绳具有高的破断拉力 钻井作业载荷高,而钻机轻型化的设计思想又力求钻井钢丝绳直径尽可能小,所以作业安全系数较低。采用压实股钢丝绳,钢丝绳金属填充系数增大,在不改变钢丝绳直径的情况下,可以提高其破断拉力,增加作业安全性。

c) 压实股钢丝绳具有更良好的耐磨性 磨损是钻井钢丝绳主要失效方式之一,采用压实股组绳不仅可增加多层缠绕时钢丝绳结构的稳定性和减小相邻股钢丝之间的摩擦,而且可以通过增大钢丝绳与匹配轮槽接触面积改善自身及与之匹配轮槽的耐磨性。压实股钢丝绳和普通股钢丝绳与轮槽接触对比如图9～10。

3.4 组合平行捻股钢丝绳

随着钻井深度增加,钢丝绳直径随之加大,提高其耐磨性仍是重点考虑的因素。除了西鲁式结构外,对于∅38 mm钢丝绳,通常采用6×19S-IWRC比较理想,且尺寸规格继续增大。由于高品质组股外层钢丝生产比较困难,因此出现了组股外层钢丝数目相对较少但耐磨性良好的其他结构钢丝绳,例如6×26SW-IWRC、6×31SW-IWRC组合平行捻股钢丝绳,6×26SW-IWRC钢丝绳与国内20世纪90年代进口的 9 000 m钻井随机配套的 6×21SIWRC钢丝绳股具有相同的耐磨性[4]。基于此,英国波莱顿(BRIDON)推荐钻井钢丝绳为6×19类和6×36类(前者是捻制股钢丝绳,后者是压实股钢丝绳),而不是6×19S-IWRC一种结构,对应不同直径钢丝绳结构与表1相同。

图9 压实股钢丝绳与轮槽接触

图10 普通股钢丝绳与轮槽接触

4 特殊钻机钢丝绳

4.1 深井钻机钢丝绳

近几年,国内石油钻机迅速向大型化发展,目前已制造出9 000、10 000、12 000 m不同型号深井钻机,对钢丝绳要求相应提高,其生产也受到重视,咸阳钢绳为国内首台12 000 m钻机成功研发了∅48 mm、6×31WS-IWRC、EEIP级钢丝绳。从国内行业看,7 000 m以上钻机钢丝绳用量增加迅速,其直径通常不小于∅35 mm。

4.2 极地钻机钢丝绳

随着国内钻机制造水平的不断提高和对国外钻机升级换代时机的适时把握,近几年有相当数量不同型号钻机出口高寒地区,即极地钻机。基于特殊的使用环境,对钢丝绳也提出了新的要求,应具有良好低温性能,而关于低温环境下钢丝绳的生产技术,国内研究企业目前还不多。

5 填塑工艺

采用辅助填塑工艺能够提高钢丝绳使用寿命,其他行业如电铲钢丝绳、集装箱起重机钢丝绳等已有应用。

a) 保持股之间的合理间隙 填塑将股与股强制隔离,减少钢丝绳受力后股与股之间相互挤压和因滑动而引起的摩擦,这是该技术改善钢丝绳使用寿命最突出的优点。

b) 减少冲击和振动载荷对钢丝绳使用寿命的影响 钢丝绳在使用中不可能一直受到平稳载荷的作用,瞬时冲击和振动载荷会严重影响其使用寿命。填塑形成弹性垫,能够有效削减瞬时冲击和振动载荷在钢丝绳中引起的瞬时应力峰值。

c) 具有纤维芯和钢芯钢丝绳的共同优点 填塑钢丝绳均为金属芯结构,填料不仅将钢芯与外层股机械隔离,而且在一定程度上具有纤维芯钢丝绳使主股易弯曲的优点,因此可以将填塑钢丝绳看成是增加了柔软性的金属芯钢丝绳,也可以看成是增加了刚性的纤维芯钢丝绳。

d) 钢丝绳结构更加稳定 填塑钢丝绳相对于普通工艺生产的钢丝绳结构稳定,不仅因为其绳芯为金属芯,也基于填料对股几何位置的固定作用。

e) 减少有害环境介质对绳芯的腐蚀 钢芯与外股、外股与外股之间孔隙被塑料填充,可防止有害环境介质进入钢丝绳内部,保护绳芯不被腐蚀。另外,包裹金属芯表面的填料层能够对绳芯油脂起封存作用,保护绳芯油脂不会流失或减少流失。

目前,填塑工艺钢丝绳用于石油钻井还不普遍,但由于钻井钢丝绳使用工况特殊性,研究填塑工艺十分重要。

6 结语

石油钻井钢丝绳是特殊用途的钢丝绳,近几年技术进步趋势明显。绳芯材质钢芯化已成定势; EIP级应用已很普遍;6×19S-IWRC虽然继续占据钢丝绳结构主导地位,但钢丝绳结构已发展为多样化;压实股钢丝绳和填塑钢丝绳在提高钢丝绳寿命上取得了显著效果;特殊钻机钢丝绳日益受到生产企业重视。随着钢丝绳技术的不断进步与钻机制造技术的不断发展,对钻井钢丝绳的适应性要求也越来越高,特别是低温环境下的钢丝绳的寿命问题,应给予充分重视。

[1] 叶哲伟,梁 政,吴 冰,等.钻机钢丝绳提升系统力学模型及分析[J].石油矿场机械,2008,37(1):32-35.

[2] API RP9B—2002.油田用钢丝绳的选用、保养和使用的推荐方法[S].11版.北京:兵器工业出版社,2002.

[3] SY/T 6666—2006.石油天然气工业用钢丝绳的选用和维护的推荐做法[S].

[4] 曹家麟.重型钻机提升用钢丝绳的品种与结构评析[J].石油机械,2007,35(8):63.

Discussion of Technique Tendency of Drilling Wire Rope

WU Gen-zhu,YAN Bao-guo,QIN Wan-xin
(Xianyang Bomco Steel Tube&Wire Rope Co.,Ltd.,Xianyang712000,China)

Discussion of technology tendency of wire core is presented,in the aspects of core material,quality grade,configuration,polymer filling and special wire rope for drilling rig.

drilling wire rope;metal core;structure special rig

1001-3482(2010)04-0033-04

TE923

A

2009-10-16

吴根柱(1968-),男,陕西西安人,高级工程师,硕士,主要从事石油钻采设备生产与技术管理工作。