先导孔——绳索取心钻杆管材选用及螺纹副优化

发布网友 发布时间：2022-04-26 00:36

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热心网友 时间：2023-05-27 05:59

目前，地质钻探技术一方面是其应用领域不断扩展，如地热钻探、海洋钻探及海底取样、深海采矿等；另一方面是其工作难度持续增加，尤其对于科学超深井的实施，包括先导孔绳索取心钻探工艺应用，由于井深深度的增加，相应配套设备及器具须及时跟进。根据对国内外有关硬岩取心钻进的经验及相关研究来看，为了能使科学超深井钻进作业顺利进行，先导孔的设计工作具有重要的意义。在此项工作中，绳索取心钻柱研究更显其重要性，其既要使钻头保持足够的钻压，又不能是钻柱出现弯曲变形。因此，钻杆的各种机械性能就构成了重要的设计准则，尤其是抗拉强度。

4.2.1 绳索取心钻杆管材选用

对于钻柱的选材来讲，传统的材料力学设计观点只考虑材料的屈服强度σ_s，或极限强度σ_b，而σ_s、σ_b数值越大，则该种材料越能承受更大的载荷。但对于科学超深井钻探工程来讲，不仅要考虑σ_s、σ_b这些性能指标，同时还需考虑其他性能参数，应综合强度、韧度等多方面因素对管材进行综合评价。如果单方面考虑选用高强度材料，但其韧度值较低，则有可能产生低应力脆性破坏。因此，当材料强度提高后需密切考虑其韧度的变化，综合强度与韧度等因素去考虑选材的方法称之为“强韧比”选材法。

4.2.1.1 模糊数学法

（1）确定评判对象集

根据不同材质管材的功能和预计的行为及工作环境，详细规定管材的性能要求，并将其分为硬要求和软要求，以硬要求为准进行筛选，可得到一组初步淘汰后的备选材料，以被选材料中每种材料为元素，建立评判对象集X。

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

（2）确立因素集

为了选定最优材料，必须根据设计要求对备选材料进行评判，即令这些性能要求为选材的评判标准，从而建立评判因素集U。

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（3）单因素评判

评判因素集U确定后，对各因素U_j建立评判计算公式，求出r_ij，r_ij表示对象X_i对U_j的评判结果，且0≤r_ij≤1。

其评判公式可取：（x_jmax为因素集U_j的最大值）。故建立单因素评价矩阵R。

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（4）权数确定

考虑到各评判因素对评判结果影响大小不一，需对各评判因素赋予相应的权数。赋权数的方法有数学方法和专家估测法。如对评价因素U=［U₁U₂…U_n］，现有m个专家就U中因素做出权数判定，结果如表4.8所示。根据表4.5产生的权重分配矩阵T。

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（5）综合评判

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表4.8 权数判定

4.2.1.2 管材机械性能试验

试验材料选用国内绳索取心钻杆（杆体、接头、内外岩心管等）用冷拔无缝钢管，最常用的有45MnMoB、30CrMnSiA、XJY850（42CrMo）、XJY950（37CrMnMoA）四种材质。本专题以先导孔绳索取心钻探工艺应用为例，对四种管材进行了相关的室内试验研究。

（1）剖样抗拉试验

试验采用箱式电炉，对不同材质管材进行热处理后（热处理条件以产品出厂标准为准），按标准规定的几何尺寸切割剖样，在将剖样置于WA-1000C型电液伺服万能试验机上进行抗拉试验，试验后读取其屈服强度、抗拉强度以及测量断后伸长率，试验严格遵循国家标准GB/T 208—2002进行。

（2）表面硬度测量

对不同材质管材进行热处理后，将每种试样进行两组16个点的表面硬度测量，求其平均值，得出表面硬度值。

（3）拉-拉疲劳试验

常温常压下，选用高频疲劳试验机，并选取四种材质管材，按标准规定的几何尺寸切割剖样后置于试验机上进行拉-拉疲劳试验。

相关试验结果见表4.9及表4.10。

表4.9 四种管材疲劳寿命比对试验

表4.10 四种材质管材机械性能表

4.2.1.3 模糊数学综合评判计算

对于科学超深井钻柱材料需对其进行综合研究，除机械性能外还应考虑经济因素，而运用模糊数学的方法则能较全面地对管材进行综合评述，以进行最后的选用。钻柱材料评判可以具体按以下方法进行：

1）设评判对象为若干型号钢种：

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2）设因素集：

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3）找评判矩阵：

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因i，j已知可逐一找出r_ij的值，即建立各因素的u_j的隶属函数，以u_j（u_j）表示u_j的隶属函数。选择隶属函数要根据因素集中各因素的特征进行。根据以上分析，确定的备选材料对象、性能及其单因素评判结果见表4.11。

表4.11 材料性能及单因素评判结果

4）找出评判函数，列出评判结果：

由此建立单因素评判矩阵；

并依据专家估测法得出各因素的权数，由此再得到相应的权重分配矩阵T=［0.50 0.05 0.10 0.10 0.25］；

则评语B=R·T^T=［0.765 0.984 0.803 0.766］^T。由B可知，37CrMnMoA合金钢管材为首选材料。

4.2.2 螺纹副参数优化

对于先导孔绳索取心钻进工艺来讲，其钻杆螺纹副优化是一项亟待解决的问题。相关文献表明，有限元仿真可在一定程度上代替室内试验模拟螺纹副滑脱过程。本小节以非线性有限元理论为基础，运用大型通用有限元软件对不同扣型不同参数下深孔超深孔绳索取心钻杆螺纹副在拉伸及拉扭条件下的抗拉脱能力进行了分析计算，获得了螺纹副在两种工况条件下的拉脱力大小及螺纹副周围的应力和变形分布特征。

4.2.2.1 有限元模型

目前，深孔超深孔绳索取心钻杆螺纹副结构主要有3种类型，即对称梯形扣、不对称梯形扣、负角度梯形扣，见图4.1。

图4.1 三种螺纹副结构示意图

（1）几何模型

本节按自行设计直连式Ф89×5mm薄壁绳索取心钻杆，接头螺纹副锥度为1∶16、1∶22、1∶30，牙高为1mm，螺距为8mm的3种不同扣型：15°～15°对称梯形扣，3°～45°不对称梯形扣，-5°～45°负角度梯形扣。接头螺纹公、母扣的三维实体模型，如图4.2所示。

图4.2 接头螺纹实体模型

（2）材料参数

绳索取心钻杆接头螺纹副有限元分析合金钢材料参数，见表4.12。

表4.12 钻杆接头合金钢材料参数

（3）网格选择及划分

绳索取心钻杆接头螺纹副采用六面体网格划分，由于分析是一个非线性（几何非线性、接触和材料非线性、弹塑性）过程，因此，分析单元选择C3D8R类型，即线性减缩积分单元。公接头管体网格平均三向尺寸为2.6mm、2.0mm、1.4mm，螺纹网格平均三向尺寸为1.0mm、0.5mm、0.6mm，见图4.3；母接头管体网格平均三向尺寸为2.8mm、1.8mm、1.1mm，螺纹网格平均三向尺寸为1.0mm、0.5mm、0.7mm，见图4.4。模型总单元数为42288。

图4.3 公接头螺纹有限元网格划分

图4.4 母接头螺纹有限元网格划分

4.2.2.2 计算方法

（1）非线性有限元

非线性方程通常采用如下形式表示：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

式中：{a}为单元节点位移列向量；［K（{a}）］为与单元节点位移{a}相关的系数矩阵；{f}为等效节点载荷列向量。

其中，非线性方程的主要解法有：直接迭代法、Newton-Raphson法、修正的Newton-Raphson法及增量法等。

（2）屈服准则

当材料中一点的应力分量满足一定关系时，此点将进入塑性变形阶段，开始发生不可恢复的塑性变形。本专题中将采用V.Mises屈服准则，屈服条件为：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

其中：σ_so为材料的初始屈服应力；s_ij=σ_ij-σ_mδ_ij为偏斜应力张量分量；（σ₁₁+σ₂₂+σ₃₃）为平均正应力；

δ_ij为Kronecker（克罗内克）符号，即：

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且，有以下关系存在：

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其中：σ-为等效应力；J₂为第二应力不变量。

4.2.2.3 边界条件及计算结果

在拉伸条件下，母接头螺纹端固定，公接头螺纹端沿杆体轴向准静态加载位移20mm，见图4.5；在拉扭条件下，母接头螺纹端固定，首先在公接头螺纹端缓慢加载2000N·m的常幅扭矩，然后在公接头螺纹端沿杆体轴向准静态加载位移10mm，见图4.6。

图4.5 拉伸条件下钻杆接头螺纹有限元分析模型

从图4.7中我们可以看出，螺纹副锥度相同时，负角度梯形扣的抗拉脱能力最强，不对称梯形扣次之。与对称梯形扣相比，负角度梯形扣的抗拉脱力提升范围在10.3%～13.6%之间，这是由于负角度梯形扣相对于对称梯形扣来讲，承载面的法线与螺纹轴线之间的夹角变小，在轴向拉开位移相同的情况下，公螺纹和母螺纹都将会产生较大的横向位移，而横向位移的增大，导致螺纹管体根部的弯矩变大，此时由于充分发挥了螺纹自身的抗弯能力从而有效提升了螺纹的拉脱力水平及抵抗变形的能力。这也证实了Board Long-year（2009）和练章华（2008）等的分析结果。

图4.6 拉扭条件下钻杆接头螺纹有限元分析模型

在同一扣型条件下，锥度由1∶16变为1∶22，再由1∶22变为1∶30时，即螺纹副锥角逐渐减小，螺纹副的抗拉脱力呈现出先降后升的变化趋势。这是因为，当锥度由1∶16变为1∶22时，由于螺纹副锥角变小，其危险断面面积减小，故螺纹副的抗拉脱能力有所下降；当锥度由1∶22变为1∶30时，尽管螺纹副锥角变小，但由于此时螺纹副承载面的法线与螺纹轴线之间的夹角变小，螺纹自身的抗弯能力及抵抗变形的能力超过了危险断面面积减小给螺纹拉脱力带来的负面影响，从而使得其抗拉脱能力又有所增加。这也与冯清文（1995）对绳索取心钻杆螺纹锥度与强度关系及应力进行的室内试验结果是一致的。

图4.7 不同工况下拉脱力曲线

随着负角度的不断增大，负角度梯形扣螺纹的防脱能力有所增加，但趋势逐渐放缓，见图4.8。当角度达到-9°时，如继续增大负角度对于提升螺纹的抗拉脱能力已经没有更大的意义，因为在此情形下，螺纹副已不能拉脱，这个名义上的“拉脱力”反映的本质是其“失效拉断力”。同时，从图4.7、图4.8中还可以看出，与拉伸相比，拉扭条件下螺纹副受力较为复杂，其抗拉脱能力略有降低，这是因为在有常扭矩条件下，螺纹副在拉脱过程中有一个旋紧的趋势，螺纹两端起始部位接触条件变化较为明显，变形较为剧烈，并伴有局部的失效与破坏。

图4.8 不同角度梯形扣螺纹拉脱力曲线

综上所述，可以得出如下结论：

1）螺纹副锥度相同时，负角度梯形扣的抗拉脱能力最强，不对称梯形扣的抗拉脱能力次之；

2）在同一扣型条件下，锥角变小时，螺纹副拉脱力呈现出先降后升的变化趋势；

3）随着负角度的不断增大，负角度梯形扣螺纹的防脱能力有所增加。当角度达到-9°时，如继续增大负角度对于提升螺纹的抗拉脱能力已经没有更大的意义；

4）与拉伸相比，拉扭条件下螺纹副受力较为复杂，其的抗拉脱能力略有降低。