牙轮钻机钻杆的强度分析

牙轮钻机钻杆的强度分析

刘景华 勾瑞元

内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司内蒙古包头市 014080

摘要：研究高强度柔性钻杆，提升柔性钻杆抗拉、抗扭强度及耐磨性，提高柔性钻杆使用寿命，才能使柔性钻杆应用更广泛，为矿产资源开采发挥更大作用。

关键词：牙轮钻机；钻杆；强度

前言

通用采用柔性钻具与常规钻井设备相结合的方式实现超短半径侧钻水平井，柔性钻具由数十或数百节活动短节连接组成，单节钻具长0．15～0．20m，每节可弯曲3°～5°。活动短节的可靠性直接关系到该项技术的成败，常规柔性钻具采用的虎克十字万向节存在传动过程中不等速、造斜成功率低、承扭能力差、无法重复利用、使用成本高等问题，因此一直未能实现大范围应用。

1用常见钻杆类型

随着我国工业技术的发展，制造钻杆的能力逐渐完善，产品质量也有飞跃性的提升，我国很早就实现了自给自足，因此，钻杆生产厂商的数量快速增长，由最初的几家钻杆生产厂商，到如今数百家企业。据统计，国内钻杆加工产能已达到历史之最，并在国际上形成了一定的出口能力。由于我国不同地区存在差异的原因，因此，根据情况及用途选择合适的钻杆。目前国内钻杆主要有：高强度外平钻杆、螺旋钻杆、随钻传输钻杆等。高强度外平钻杆采用摩擦焊工艺焊接而成，钻杆的整体力学性能好，使用寿命长，除此之外，钻杆接头螺纹具有较高的强度，其抗粘扣性能较好。这类钻杆主要适用于井下底层条件较好的各类钻孔施工工况，也可适用于矿山、地质、水电等行业的钻孔施工，钻杆强度高，既适用于常规钻进，又适用于在冲击条件下进行回转钻进。随着超深钻孔技术的不断发展，超高强度钻杆的使用迫在眉睫。某公司率先采用高科技技术，用我国生产的原材料和卓越前沿的墩粗、摩擦焊接工艺，成功研究出了高性能、高水平的钻杆产品，这使我国在高强度钻杆领域上取得了空前绝后的成功，并使我国钻杆制造能力大幅提高。螺旋钻杆是基于普通钻杆的高扭矩性能，采用单螺旋叶片或双螺旋叶片，经预应力缠绕工艺加工焊接而成。钻杆杆体和钻头所选用的材料为高性能合金钢，对其进行调制处理工序，极大地提高了钻杆的抗疲劳强度等综合性能。最后采用先进的摩擦焊焊接生产工序，使其具有较强的抗弯强度，因此具有较好的综合力学性能。其螺旋翼片连续，在工作的过程中排粉效果好，钻孔成型快，不易卡钻等。除此之外，钻杆在钻孔过程中无需冲洗介质，减少了配置和输送冲洗液的辅助工作。这类钻杆适用于施工强度低、瓦斯含量较高、解吸速度快、透气性较差、硬度系数小于0.5、成孔较难的松软突出瓦斯抽放孔及救援孔，除此之外，在水电、铁路等岩土施工等领域也被广泛应用。不适用于具有动力倾向的松软层、有结核和夹矸层、小构造层、含水层或者是极硬层等。随钻传输钻杆采用摩擦焊焊接工艺焊接而成，钻杆整体力学性能好，使用寿命长，接头螺纹具有较高的强度，抗粘扣性能好。钻杆内部设计部分有信号传输装置，可实现孔底测量探管与孔口防爆计算机之间的双向实时通讯，传输效率高。

2柔性钻杆设计

超短半径侧钻水平井技术是采用由柔性钻杆，配合定向装置，进行超短距离侧钻水平井施工的技术方法。在研究中，我们深入剖析常规柔性钻具的“致命伤”，创新设计了传动销柔性传动结构，从原理和机械结构上解决了原有虎克十字万向节钻杆存在的弯曲传动不等速的致命缺陷，避免了钻具末端周期性剧烈振动产生的疲劳破坏，不仅将最大承受扭距由10kN·m提升至15kN·m，还将单节钻杆零部件数量由9件减少为4件，钻具的使用寿命也得到了显著提升。

2.1结构设计

柔性钻杆主要由柔性传动系统和高压传输系统两部分组成。高压传输系统包括塞管、锥套、涨紧套、高压胶管等部分，塞管、锥套、涨紧套主要起保证高压胶管的固定及连接时的密封作用，便于高压胶管更好发挥其传输功能。柔性传动系统各单节之问通过球节和连接轴由特殊螺纹组成刚性连接。每个单节包括连接轴、球节、锁紧球套、传动销4部分，其中连接轴和锁紧球套以及锁紧球套和传动销之问也是通过特殊螺纹刚性连接，连接轴、传动销和球节的连接均为柔性连接。柔性传动系统是保证柔性钻杆实现高强度和传递扭矩的关键部分。柔性钻杆在起下钻时受拉伸，造斜段只承受扭矩，水平钻进时承受钻杆轴向力和扭矩同时作用。设计中采用传动销柔性传动结构，并且单节柔性钻杆在任意方向上最大弯曲度不小于3，在钻进过程中，既能传递扭矩和钻压，又能满足柔性钻杆曲率半径要求。

2.2关键零部件的优化设计

试制过程中发现柔性钻杆单节在扭矩试验台上测试扭矩达到13～14kN·m时，球节会发生转动不灵活现象。分析其原因，虽然传动销采用柱形头，强度高、传递扭矩大，但受强力后，柱形头与球头凹槽之间会因为受力不均匀而发生变形，导致球头转动不灵活。为解决这个问题，最终采用了将传动销改为球形头，与之相配合的球头凹槽也改为球形，同时，为了保证强度及传递的扭矩，采取了增大传动销外形尺寸以及增加传动销数量相结合的方法。

3实际应用及改进优化

120型高强度柔性钻杆在河北省邢台市某铁矿止水井施工中应用，采用超短半径侧钻水平井工艺，成功实现一井多分支，扩大了单井的止水范围、提升了止水效果，并可减少钻孔数量80％以上，实现了高效、经济钻井。试验井深度200m，井孔直径216mm，在钻孔195～198m段实施4口超短半径侧钻水平井，钻孔挡圈直井段采用常规，钻至200m后下人直径178mm技术套管，下人定向装置，采用143mm侧钻单牙轮钻头连接120型高轻度柔性钻杆进行超短半径侧钻水平井施工，水平井段进尺3m，径向均布4口侧钻水平井，成井后进行注浆止水试验，止水范围较常规直井增加300％。在提钻后发现柔性钻杆各别短节上的传动销螺纹有松动现象，经分析为钻井过程中的高扭矩及冲击载荷造成的，长时间使用有传动销脱落的风险。给转动销增加防脱设计，在传动销孔增加了卡簧防脱结构，解决了脱落风险，经下井试验该装置安全可靠。

结束语

通过优化设计开发的高强度柔性钻杆解决了原结构柔性钻杆强度低、使用寿命短、使用成本高的问题，使其不再是超短半径水平井施工工艺推广的制约因素。将超短半径水平井施工工艺从最早的油气井开采和注水井施工，扩展到页岩气开采，固体矿止水等领域，随着钻具的成熟，该工艺必将在矿产资源开发中发挥更大作用。

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