钻杆修复工艺和技术研究

王建国，徐能惠,杜学斌,胡 洪,高 璐

(1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室 陕西 西安 710032;2.中国重型机械研究院股份公司 陕西 西安 710032)

钻杆修复工艺和技术研究

王建国1,2，徐能惠1,2,杜学斌1,2,胡 洪2,高 璐1,2

(1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室 陕西 西安 710032;2.中国重型机械研究院股份公司 陕西 西安 710032)

钻杆修复可以使旧钻杆得到充分利用，减少因钻杆质量导致的钻井事故。在研究钻杆修复工艺的基础上对钻杆矫直、钻杆清洗、无损检测、耐磨带焊接和钻杆修扣等关键技术进行了分析，并根据具体生产技术要求设计了钻杆修复生产线，该生产线生产率可达50～70根/小时。

钻杆修复；关键技术；生产线设计

0 前言

在现代钻井施工中，钻杆大多都在非常恶劣的工况下工作，尤其是在定向井、水平井的钻进中，钻杆要承受弯曲、扭转和拉伸的复合载荷作用，同时，还要经受钻井液的腐蚀、冲蚀作用。在处理卡钻等井下事故时，钻杆要受到满负荷的提拉作用力，在这些载荷的反复作用下钻杆将出现疲劳裂纹、管体磨损或者腐蚀坑等；钻杆接头的内外螺纹也会因各种原因发生刺漏、胀扣或者脱扣现象。以上提到的钻杆质量问题如果不能及时地发现并处理，将会导致井下事故，严重时会发生钻杆断裂甚至卡钻事故，造成重大的经济损失[1]。所以，在石油钻杆使用之前对其质量缺陷进行探测检查并对有质量问题的钻杆进行相应的缺陷修复就是非常有意义的，这个过程就是钻杆修复。

1 钻杆修复工艺过程

钻杆修复时，首先要对有问题的钻杆进行初步分类，初步挑选出报废不严重的钻杆进行校直，将校直后的钻杆清洗干净后进行无损检测探伤。经过探伤挑选出管体没有质量问题的钻杆，根据需要将钻杆接头完好或可直接修复的钻杆重新修复螺纹，再对钻杆接头耐磨带磨损或者脱落的钻杆补焊耐磨带，最后将修复合格的钻杆进行喷标、打标和收集等。

另外，配备有摩擦焊设备的工厂还可以对钻杆接头报废、管体合格的钻杆进行接头切割工序，然后重新焊接钻杆接头，这类似于钻杆生产的工艺过程[2]。

钻杆修复的一般工艺流程如图1所示。

图1 钻杆修复工艺流程图Fig.1 Process flowsheet of drill pipe repairing

钻杆修复主要工艺过程简介如下：

(1)初步分类检查并矫直。首先通过对需要修复的钻杆进行初步分类，挑选出报废不严重的钻杆。将弯曲变形的钻杆进行矫直处理。

(2)除锈清洗。将校直达标的钻杆通过外壁清洗机组进行钻杆外壁低压水清洗，外壁清洗完的钻杆移送至钻杆钻通线进行内壁钻通除油除垢，再移送至高压水射流内壁清洗线进行内壁清洗，再由气体吹扫装置进行内壁吹干钻杆内壁。内壁清洗干净的钻杆，移送至钻杆两端杆头清洗线，进行钻杆公扣端与母扣端刷洗。

(3)无损检测。清洗干净的钻杆移送至无损探伤检测线进行管端、螺纹和管体无损探伤检测。

(4)修扣。经过校直、清洗、探伤之后挑选出管体合格的钻杆，根据需要将接箍头完好并且可直接修复的钻具，用车丝机重新修扣。

(5)耐磨带补焊。检验钻杆耐磨带是否完好，将耐磨带需要修补的钻杆进行耐磨带补焊处理。

(6)喷标打标和打包。修复合格的钻杆进行喷标示，转入打包工序。

2 钻杆修复关键技术分析

2.1 钻杆矫直技术

钻杆主要是由杆体和焊接在杆体两端的钻杆接头组成，由于接头的外径要比杆体外径大很多，所以钻杆是个中间细两头粗的结构，这就使得钻杆不方便在辊式矫直机上进行矫直。

目前钻杆矫直一般采用压力矫直设备，也叫点式矫直机。点式矫直机采用三点式校直原理，用大吨位液压油缸点压钻杆的弯曲部位进行校直，点压机构可移动并连续的校直钻杆的各个弯曲部位，其主要包括移动式主机、旋转机构、上料机构、机架以及可移动式支座等[3，4]。

钻杆矫直时，首先将弯曲变形的钻杆放在可移动式支座的两个支点之间，用移动式主机上的压头对准钻杆弯曲最大处进行反向压弯，加压到反弯量与钻杆的弹复量相等时停止压下，压下力撤消后钻杆的弯曲部位将变直。不过，通过一次反弯矫直不能达到较好的效果，一般需要操作2～3次。第一次反弯矫直后要检测压弯量和弹复量的差值，据此设定下次反弯的压弯量，进行第二次矫直并检测，直到符合钻杆直线度要求。

2.2 除锈清洗技术

旧钻杆在探伤之前要清洗钻杆上附着的泥垢、锈垢或油脂垢等，以提高钻杆无损探伤的精确性与可靠性，对钻杆后续的修扣等处理和使用创造有利条件。

钻杆清洗设备一般分为外壁清洗装置、内壁清洗装置和内外螺纹清洗装置。

外壁清洗装置一般采用机械钢丝刷进行钻杆外壁低压水刷洗的工艺[5]。外壁清洗时，钻杆螺旋前进通过外壁清洗装置。外壁清洗装置的基座上一般有多组外刷洗轮和喷嘴。刷洗轮具有浮动功能，根据管径不同，自由浮动，自动压紧钻杆，能够保证钻杆在有接箍、接头等局部变径条件下，刷轮始终与外壁紧密压紧刷洗，同时自动顺利通过。在刷洗的同时，低压水冲洗钻杆完成清洗钻杆外壁的目的。

钻杆内壁采用高压水射流清洗。清洗时，端头带有高压喷嘴的清洗杆穿过钻杆内孔然后反向回退回，当高压水射流作用在钻杆内壁的泥垢、锈垢上的压力大于泥垢等本身的抗压强度极限时，泥垢等即开始破裂，在水射流的持续作用下，污垢等便脱离物体表面，从而完成清洗作业。内壁清洗有两种方式，一种为钻杆固定，清洗杆在驱动装置的作用下穿过钻杆内孔；另外一种是清洗杆固定，钻杆螺旋前进使清洗杆穿过钻杆内孔。另外，为了使内外壁清洗生产节奏较为匹配，内壁清洗时采用双管清洗模式，同一台设备，同时清洗两根钻杆，增加了内壁喷洗时间，保证了清洗效果，也提高了清洗效率[6，7]。

清洗完成后，一般需要用压缩空气吹干管内的积水。

2.3 钻杆无损检测技术

钻杆无损检测也叫钻杆探伤，是钻杆修复中的关键工序，是检测钻杆缺陷的实际有效的方法。钻杆探伤主要是对杆体、杆端加厚区、接头和摩擦焊焊缝。

由于钻杆本身结构的特殊性(例如变径、变壁厚和斜面等)和缺陷形式的多样性，其无损检测需要根据实际情况采用多种检测方法。

杆体探伤一般采用漏磁检测，漏磁检测一般用探头固定，钻杆纵向通过检测设备的方式，其原理为：探头前的磁化线圈产生的高能磁场先使杆体磁化到饱和或接近饱和，如果杆体有缺陷或者壁厚损失，杆体中的磁场就会泄露出来被探头检测到。漏磁探伤的主要特点是检测速度快、效果好、操作简单、抗干扰能力强[8]。

由于漏磁杆体探伤过程中存在杆端盲区，因此在杆体探伤后还要进行杆端探伤，杆端加厚区、接头和摩擦焊焊缝采用超声波探伤。超声波探伤时将高频声波脉冲导入钻杆，声波在钻杆中传输时如果碰到缺陷就会被反射回去，系统检测到这些回波并进行信号转化就可以知道缺陷情况[9]。

2.4 钻杆修扣方法

钻杆螺纹因腐蚀、划伤或者磨损等造成的失效也是钻杆缺陷的一种形式。缺陷不严重时一般采用螺纹修扣的方法进行钻杆修复。

钻杆螺纹为锥螺纹，以外螺纹为例(图2)，修复时先将端面切掉一定长度L，同时台肩面也对应切掉厚度为L的余量，然后再将直径增大后的锥面按要求加工到合适的尺寸，最后再顺着原来螺纹的轨迹把变浅的螺纹槽加工到规定深度，这样就可以完成螺纹修复[10]。

图2 钻杆螺纹修复方法Fig.2 Repairing method of drill pipe thread

螺纹修扣与新钻杆车扣一样，也使用数控车丝机完成，只不过在原来的螺纹槽上用数控加工方法车螺纹难度要更大一些，需要解决工件欠定位和加工余量自动分配等问题。

2.5 钻杆耐磨带焊接技术

由于深井、超深井、定向井等技术的发展，钻杆在钻进过程中的摩擦扭矩、摩擦阻力大大增加，经常会造成钻杆接头过度磨损或者套管磨穿现象，从而造成严重损失。在钻杆接头上焊接耐磨带是解决这一问题最经济有效的方式。

目前，钻杆接头耐磨带一般采用等离子堆焊或者等离子喷焊工艺加工。等离子粉末堆焊是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现钻杆表面的强化与硬化的堆焊工艺。等离子粉末喷焊是利用等离子弧作为热源，在钻杆接头表面形成熔池，然后利用送粉器把合金粉末吹到电弧中，合金粉末在电弧中被融化并喷射到熔池中去，随着焊枪的不断摆动和钻杆的相对旋转，合金熔池就会不断冷却凝固，通过调节参数就可以在在钻头表面圆周方向生成具有一定均匀宽度和厚度的耐磨带[11，12]。

早期的耐磨带材料一般选用钨钴系列硬质合金，近些年随着技术发展，耐磨带材料性能越来越优异， 美国安科公司研发的ARCON-100XT、ARCON-200XT和ARCON-300XT系列耐磨带材料不仅具有相当的硬度，而且具有较小的摩擦系数。

耐磨带硬度一般能达到55HRC左右，而且耐磨带材料摩擦系数小，可以较好地保护钻杆接头，减少套管内壁磨损，同时降低了钻柱的旋转阻力。

3 钻杆修复生产线设计

图3为根据某企业的钻杆修复生产线技术要求而设计的钻杆修复生产线平面布置图。该生产线是集机、电、液和计算机控制于一体的全自动化生产线，可对φ73～φ139.7 mm的钻杆进行矫直、清洗、探伤、修扣、耐磨带补焊和收集打包等自动化修复作业，最大生产率为50～70根/h。

图3 钻杆修复生产线布置图Fig.3 Arrangement plan of drill pipe repairing production line

4 结语

钻杆修复技术的推广及应用将实现旧钻杆的科学分级，使长期闲置的旧钻杆经过科学的检测和修复得到充分的重复利用，这不但提高了旧钻杆的维修质量，明显也减少了因钻杆质量而导致的钻井事故，而且取得了极大的经济效益和社会效益。

该自动化钻杆修复生产线的应用也将极大促进钻杆修复产业的发展。

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Research on process and technology for drill pipe repairing

WANG Jian-guo1,2, XU Neng-hui1,2, DU Xue-bin1,2, HU Hong2, GAO Lu1,2

(1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi’an 710032, China;2. China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China)

Drill pipe repairing can make full use of the used drill and reduce drilling accidents caused by poor drill quality. Based on the research ondrill pipe repairing process, straightening, cleaning, nondestructive testing, wearable zone welding, repairing screw thread and other key technologies are analyzed, and the production line of drill pipe repairing is designed according to the specific technology requirements, the productivity of the production line is 50～70 pieces/h.

drill pipe repairing; key technology; production line design

2016-02-26；

2016-03-29

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2014KTCL01-01);陕西省重大科技成果转化引导专项(2015KTCG01-02)

王建国(1987-)，男，工程师，主要从事油气输送装备与工艺和重型锻压装备的研究。

TE28

A

1001-196X(2016)06-0039-05