深孔绳索取心钻探技术现状及研发工作思路

孙建华,张永勤,梁健,刘秀美,王汉宝

(中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊065000)

1 国外绳索取心钻探技术发展概况

绳索取心钻进技术起源于石油钻井。1947年,美国长年 (Longyear)公司成功地将绳索取心钻进技术引入到地质岩心钻探领域。后经不断改进完善,到上世纪末成功开发了适合不同地层需要的系列化绳索钻杆、钻具。这些产品覆盖了3000m以浅固体矿产勘探的需要。上世纪70～90年代,美国、加拿大和澳大利亚等国的金刚石岩心钻探中,绳索取心钻探工作量占到85～90%。世界绳索取心钻孔深度纪录为5423m(1988年),钻孔位于南非某金矿,施工采用了铝合金绳索取心钻柱。

进入21世纪,伴随数控精密加工、合金钢冶炼、热处理及有限元分析、计算机辅助设计等领域科学技术的进步,西方工业国家的绳索钻杆、钻具制造工艺和优化研究工作取得了较大进展,一批新技术成果陆续出现。如德法合资的瓦卢瑞克-曼内斯曼钢管公司的Drilma×850等高性能、高几何精度绳索钻杆管材;宝长年公司的RQ负角防脱扣螺纹绳索钻杆、V-WALL系列高强度薄壁绳索钻杆和超高胎体长寿命金刚石绳索取心钻头;法国Technidrill DGA公司的3000m加重摩擦焊绳索钻杆以及新结构绳索取心钻具、辅助工具等产品。

同时,宝长年公司设在加拿大北湾市的制造工厂在直联Q系列绳索钻杆的制造方面基本实现了自动化,钻杆制造精度和效率大幅提高,成本显著降低,产品更具竞争力。

2 宝长年公司绳索钻杆分析

多年来,宝长年公司的绳索取心技术和产品一直处于国际领先地位,引领了国外绳索取心产品发展趋势,其规格系列得到较多国家的认可。

宝长年公司绳索钻杆以直联式为主,这与西方发达国家劳动力成本高,专业分工明确,钻杆生产自动化程度较高有关。同时,该公司放弃了影响较大的CHD系列的加强型绳索钻杆的制造和销售。目前,宝长年公司绳索钻杆螺纹型式主要有:

(1)Q(r)螺纹,齿形半角为15°的普通梯形螺纹,螺纹副锥度半角为1°,螺距为每英寸3扣。拧卸方便,价格较低,使用普遍。

(2)RQ(r)螺纹,负角防脱扣螺纹,强度大大增加,有效减少了绳索钻杆螺纹副拉脱概率,钻进深度能力明显提高。

(3)HD螺纹,不对称梯形螺纹,承载面角度变小,旋合面角度增大。主要用于大直径加强型绳索钻杆。该型式的绳索钻杆螺纹开发应用晚于国内。

宝长年公司还新推出了V-WALL钻杆,为该公司CQ系列的升级产品。V-WALL绳索钻杆的含义为不等壁厚 (内加厚)绳索钻杆,其特点如下:

(1)采用了高精度几何尺寸及耐腐蚀性好的管材;

(2)端部为内部加厚;

(3)杆体内径增大 2mm,重量下降 22%(NQ),钻机钻深能力可增加30%;

(4)钻杆的柔韧性更好;

(5)钻杆内径增大,同时配置专用的绳索取心内管总成,投放打捞速度可提高50%左右。

宝长年公司制造的绳索钻杆规格和主要参数见表1～4。

表1 宝长年公司绳索取心钻杆部分参数

表2 UPSET RQHP绳索取心钻杆部分参数

表3 宝长年公司绳索取心钻杆钻深能力和最低上扣扭矩要求

表4 V-WALL绳索取心钻杆部分参数

3 国内绳索取心钻探技术发展概况

国内金刚石绳索取心技术的研究试验工作始于上世纪70年代。1974年,由勘探技术研究所设计,无锡钻探工具厂等工厂试制的S56绳索取心钻具,在北京市101地质队、102地质队和河南省第九地质队进行了试验,取得了明显的效果。1976年初,S56绳索取心技术通过鉴定验收。到80年代中期,我国绳索取心钻具初步形成系列,同时小口径金刚石高转速钻机、绳索取心打捞绞车等装备配套基本完成。绳索取心钻进技术得到大范围推广应用,取得了钻探成本下降,钻进效率提高,钻探质量改善,劳动强度降低等突出的技术经济效果。截至上世纪90年代,我国绳索取心钻探工作量累计完成数千万米,绳索取心钻进技术在地质岩心钻探中逐步占据主导地位。

但是,受当时无缝钢管性能、质量和钻杆尺寸系列的限制,国产常规绳索钻杆在孔深超过1500m时,常常发生断钻杆、脱扣,母螺纹变形成“喇叭口”状以及冲洗液循环阻力大、泵压偏高等问题。为了解决上述问题,我国技术人员曾做了大量的试验研究工作,取得了一定的进展。2001年,在中国地质调查局的支持下,勘探技术研究所开展了中深孔复杂地层绳索取心钻探技术的研究工作。在SQ77绳索钻杆的设计中,大胆采用了更适合我国国情的钻杆镦粗工艺。试制中研究了以往普通钻杆镦粗工艺特点,使钻杆镦粗技术首次成功应用到小直径绳索钻杆制造中。目前,镦粗加强型绳索钻杆已经取代等厚壁加强型绳索钻杆。地质岩心钻孔施工深度可超过2500m。

2008年7月,依托国家863重点项目《2000m地质岩心钻探关键技术与装备》的支持,勘探技术研究所与新纪元钢管公司合作研制出了综合性能更佳的XJY 850高钢级精密无缝管材 (42CrMoA)。该管材坯料采用专供出口的高品质石油钻杆接头用钢,由江阴兴澄特种钢铁有限公司炼制。钢坯采用连铸连轧工艺生产,钢洁净度高;同时,钢中硫、磷有害元素和A s、Sn、Sb、Pb、Bi五害元素的含量控制严格,其中S含量低于0.007%,P含量低于0.013%;钢中气体含量也达到很好的控制水平,氧含量小于12ppm,氢含量小于1.2ppm,氮含量小于60ppm。该钢种较大幅度的提高了钻杆螺纹副的疲劳寿命。钢管采用多次精密冷拔工艺制造,外形尺寸、形位公差精度高于国内同类产品。

与此同时,勘探技术研究所还与无锡钻探工具厂合作进行了深孔高强度钻杆螺纹优化分析、高压水密拉伸试验、钻杆破坏性试验、表面磨损对比试验、螺纹副不同几何尺寸 (齿高、圆角等)强度对比试验等工作,取得了宝贵的技术数据。研究设计了高强度双密封不对称梯形扣绳索钻杆,完成了高强度绳索钻杆材料热处理优化试验,确定了钻杆量产制造工艺流程和技术参数。研制的新型高强度H、N规格绳索钻杆在乳山金青顶矿区与进口钻杆混合使用,H规格绳索钻杆创造国内同规格绳索钻杆应用孔深记录 (1461.90m),N规格绳索钻杆应用孔深达到2212.80m。试验证明,研制的绳索钻杆强度高、耐磨性好、卸扣扭矩低、密封性明显改善,价格仅为进口产品的50%左右。

此后 (2009年),无锡钻探工具厂经过不断探索,在国内率先突破了绳索钻杆负角梯形扣加工和仿形梳刀制造技术。研制的负角梯形扣绳索钻杆在安徽霍邱进行了试验,终孔深度达到2706.68m(N级口径),创目前国内小口径金刚石 (绳索取心)钻探深度纪录。

4 国内绳索取心钻探技术研究应用思路

目前,绳索取心钻进已经成为地质岩心钻探的主流技术方法。除部分煤田和沉积岩复杂地层外,绳索取心钻探技术已经在深孔固体矿产资源勘查施工中得到普及。国内有关研究机构、钻探用户及生产企业一直在积极关注深孔、特深孔绳索取心钻探技术的优化和完善工作,开发新产品,研究深孔钻探工艺。为此,针对目前深孔、特深孔绳索取心钻探技术研究工作,提出以下工作思路或建议:

(1)绳索钻杆的优化研究应成为长期和重要的技术工作方向

绳索钻杆承受着地面钻机传递的回转扭矩和自身重量产生的拉力,同时是输送高压冲洗介质、捞取岩矿心和投放内管总成的通道,具有薄壁和基本内平的特点。在地质钻探设备和器具中,回转的绳索钻杆的受力情况和工作条件最为复杂和恶劣。绳索钻杆的优化研究应作为最重要的技术工作长期坚持下去。应选用高强度优质合金管材,优化设计螺纹类型,重视钻杆和接头螺纹副的加工、热处理和表面处理工艺。

(2)应使绳索钻杆钻具的研发与标准化工作适当衔接,相互联动

目前,国内绳索钻杆螺纹型式不一,不具互换性。同时,不同厂家的产品现场使用后肉眼和卡尺测量无法区别,甚至是不拧到最后一扣不能确定是否是一套图纸加工的,给钻探施工带来极大隐患,施工单位意见极大。国内绳索钻杆主要生产企业应联合统一制定不对称梯形、负角梯形螺纹加强型绳索钻杆产品标准,并尽快面向行业发布实施。

特深孔金刚石岩心钻探用管材、钻杆、钻具应有更严格的技术要求,规格尺寸亦与常规产品有所不同,应重视特深孔钻具标准的研究制定。目前,多个部门和单位已经开展了特深孔钻杆、钻具的研究开发工作。钻探技术标准工作应主动与科研项目衔接,开展国内外调研和前期基础性研究,为产品开发提供咨询服务。同时,应创新科研工作机制,使特深孔钻具开发与钻探标准化工作联动起来。

可喜的是,由勘探技术研究所主持的《金刚石岩心钻探钻具》标准制定工作已经于2010年5月率先启动。该标准是对 GB/T16950-1997和 GB/T16951-1997标准的修订,是绳索取心和金刚石钻探技术标准中的“基础性”标准之一。在新钻具标准制修订中,无锡钻探工具厂等单位以社会责任和用户利益为重,从大局出发,主动公开技术数据,为制定高水平、统一互换的钻杆技术标准做出了积极努力。其他专业生产企业亦表示鼎力支持绳索钻杆制定统一的可互换的产品标准。

(3)开发高性能绳索钻杆用管材,重视材料的测试比对研究

在成功开发2000m以上大深度钻孔用高强度绳索钻杆用管材XJY850的基础上,对钻杆管材的化学成分、制造工艺、热处理方式、钻杆加工和钻探施工要求等方面进行全面分析和总结,尝试开发XJY950冷拔合金无缝钢管。应进一步提高绳索取心管材材料的综合机械性能,从强调“高强度”为主,向“高强度、高性能”方向发展。

应有序淘汰成分组配不合理、有害元素较高、热加工性能较差的部分地质管材,逐步向与高性能石油钻井管材 (材质)靠拢。同时,改进提高管材的淬透性,增强管材弹性 (韧性)、抗疲劳性、抗磨蚀性和抗冲击性能,改善金相组织结构,使研发的新型管材基本达到3500～4500m特深孔绳索取心钻探施工要求。目前,勘探技术研究所与有关单位合作,对新旧钢种的冷拔无缝钢管最佳热处理条件下的常温冲击韧性、低温冲击韧性、空气中高频应力疲劳特性及疲劳寿命进行了测试比对,取得了大量有价值的试验数据。

(4)开展深孔、特深孔绳索取心钻探工艺研究,发现和解决新问题

全面客观分析绳索取心钻探技术利弊,确定合理的应用条件,选择适合的钻探工艺参数,是提高深孔钻探工艺水平,确保钻探施工安全和效率的重要工作。应在开发新型钻探装备、研制高性能绳索钻杆钻具的同时,加强深孔绳索取心钻探工艺技术的应用研究。

近几年来,绳索钻杆钻具性能和质量不断提高,深孔和特深孔中绳索钻杆折断、喇叭口及脱扣等问题逐渐减少,问题初步得到解决。但在某些矿区,绳索钻杆螺纹副粘扣、咬扣,卸扣扭矩过大、拧卸困难,钻杆杆体不耐磨等问题显得较为突出。另外,深孔尤其是特深孔绳索取心钻孔防斜控制技术要求亦越来越迫切。

因此,应从产品设计、制造工艺和现场使用等多方面入手,逐步减轻和解决出现的新问题。技术途径包括螺纹参数细节优化、合理公差控制、螺纹表面硬化、仿形刀具的推广以及新型丝扣油研制、研究钻杆预扭矩和过载扭矩控制方法等。

(5)重视绳索钻杆测试条件建设,改进试验和数据采集方法

应重视钻杆测试条件建设,试验室室内测试和野外试验工作相结合,开展绳索钻杆抗扭、疲劳、腐蚀、磨损等试验及磨损后性能测试试验工作,收集重要的技术数据,如杆体及螺纹副磨损形态、磨损速率,孔深、钻压、转速、钻速等钻进参数及钻孔弯曲度对钻杆磨损的影响,冲洗液性能对钻杆磨损、内壁结垢的影响程度,钻杆杆体钻机夹持适应性,钻杆螺纹副机械拧卸适应性,冬季低温施工钻杆特性变化,不同材质绳索钻杆性能对比、使用寿命等。

(6)研究和储备新型薄壁绳索钻杆和铝合金绳索钻杆设计和制造技术

目前,国内还不具备新型薄壁绳索钻杆和铝合金绳索钻杆制造条件,应用环境亦不成熟。在可能的情况下,应积极跟踪和储备相关技术,一旦研发条件具备和应用环境成熟,可迅速投入资源,加快技术开发步伐。新型薄壁绳索钻杆研制重点为耐腐蚀、高强度和冷加工性好的无缝钢管研制、杆体端部内孔冷缩径技术等。铝合金绳索钻杆研究重点为铝合金杆体耐磨损处理工艺、钢接头结构设计及组配工艺等。

(7)提高深孔绳索取心钻具可靠性,开发派生产品和孔底组合动力钻具

应设计合理的到位报信、堵塞报信机构和打捞投放装置,提高深孔、特深孔钻进或特殊钻探施工用绳索取心钻具可靠性。同时,为降低钻进回转扭矩,减轻绳索钻杆高速回转产生的磨损加剧和疲劳寿命下降等问题,应研究和开发绳索取心复合钻具或孔底动力绳索取心钻具,如液动冲击回转绳索取心钻具、孔底马达驱动绳索取心钻具、纳维钻(Navi-D rill)驱动绳索取心钻具、涡轮钻驱动绳索取心钻具、涡轮钻驱动反循环绳索取心钻具及螺杆钻不提钻换钻头绳索取心钻具等。

借助绳索钻杆、打捞器和辅助工具,可以较便利地实现不提钻换钻头工艺。可在大直径绳索取心钻进和套管钻进中,研究应用不提钻换钻头钻具。

(8)加强深孔绳索取心钻探工艺技术培训

绳索取心钻探技术已经成为常规、成熟和主流的钻探技术方法,但因技术、资金和其他因素,很多钻探施工单位并未充分其优势发挥。因此,加强深孔绳索取心钻探工艺技术培训仍具有重要的现实意义。

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