摘要：目前在高鋼級無縫管材、螺紋副及接頭硬化處理、摩擦焊接工藝、非對稱梯形螺紋及負角防脫扣螺紋優化設計、螺紋精密仿形梳刀加工等方面開展的研究工作，取得了重要進展，本文著重對這方面進行了論述。
　　關鍵詞：地質鉆探；新技術；研究
　　1 復雜地層深孔繩索取心鉆探技術研究
　　1.1鉆桿接頭螺紋副優化分析
　　鉆桿接頭螺紋副優化受到鉆探界的廣泛關注。多年來，一些學者從理論角度研究了鉆柱的連接強度。石油鉆探研究人員通常將螺紋聯接“簡化”為繩索繞滾子遠動模型，應用撓性件摩擦理論研究載荷分布規律，可得到螺紋錐度、螺紋距、螺紋牙的相對彈性系數對載荷分布規律的影響關系。應用二維接觸有限方法可定量分析聯接螺紋在預緊和工作狀態下的接觸應力場。研究人員還用能考慮螺紋接觸邊界存在大變形和大滑移條件的有限元程度，對深井、水平井套管螺紋接頭滑脫失效影響參數進行了有限元模擬。模擬結果表明螺紋錐度大小對滑脫影響很小，材料性能對滑脫影響最大；滑脫的開始位置在接箍的端部。此外，根據套管螺紋接頭的結構和受載特點，在先期建立的套管接頭螺紋旋合接觸的有限元分析模型和分析程序的基礎上，國內有關部門研究了因加工誤差而造成套管接頭內、外螺紋螺距不一致時對其載荷傳遞特性的影響；給出了在內、外螺紋具有不同的螺距配合時，載荷在套管接頭各扣螺紋上的分布規律曲線，為設計時合理選擇套管接頭內、外螺紋的螺距公差提供了依據。
　　多家研究機構合作，嘗試利用有限元方法優化鉆桿接頭螺紋副，目前已經建立了鉆桿柱和接頭螺紋的力學分析模型，并按照實際工況對繩索取心鉆桿柱進行受力分析。
　　1.2深孔復雜地層用繩索取心鉆桿形式
　　勘探隊針對深孔繩索取心鉆進應用中存在的主要技術問題，同時結合我國現有管材材質、機加工精度及熱處理水平、鉆探設備現狀、現場工人操作水平等實際情況，以提高鉆探施工效率，提高深孔及復雜地層應用的可靠性為目標，制定了技術方案。方案在鉆桿結構方面的主要改進如下：
　　（1） 由于常規繩索取心鉆桿斷裂部位主要發生在鉆桿接頭螺紋根部第二扣（公扣占大多數），確定通過調整鉆桿體及接頭螺紋根部厚度、螺紋高度、錐度及長度等參數達到優化目的。將鉆桿接頭螺紋長度由42mm增加到50mm,提高了螺紋連接處密封可靠性。鉆桿接頭扣高由0.75mm增加到1.00～1.25mm，降低了鉆桿脫扣的可能性。
　　（2） 減少孔內鉆桿柱接頭數目，可減少接頭螺紋副應力（根據鉆柱孔內彎曲正弦波形分析得出），降低鉆桿折斷幾率。同時，鉆探設備運輸趨于機械（車輛）化，車輛趨向大型化，為長鉆具的運輸提供了條件。在綜合考慮鉆桿加工工藝、鉆探設備參數與鉆進工藝的基礎上，將鉆桿單根長度由常見的0.3m增加為4.5m。
　　（3） 目前野外施工單位機修加工車間基本取消，為了便于鉆桿接頭損壞后更換，國產材料的鉆桿體和接頭之間采取螺紋連接，螺紋間使用粘結劑粘固。鉆桿接頭螺紋有負角度面防脫扣螺紋、不對稱梯形螺紋等形式，采用高精度硬質合金仿形梳刀加工。
　　（4） 鉆桿接頭可增設墊叉切開，采用摯叉支撐鉆桿的方式，提高了加接鉆桿孔口夾持的可靠性。
　　SQ77深孔復雜地層用繩索取心鉆桿的技術參數如下：
　　① 材質：國產鉆桿體選用45MnMoB，接頭選用30CrMnSi-A，進口鉆桿為Drilmax850（德國，整體式）。
　　② 鉆桿尺寸：鉆桿體Φ71×5mm,兩端鐓粗內加厚到Φ58mm。
　　③ 接頭外徑：Φ73mm。
　　④ 鉆桿定尺長度：4.5m。
　　⑤ 鉆桿最小內徑：Φ58mm。
　　⑥ 螺紋長度：50mm。
　　⑦ 接頭螺紋扣高：1.00～1.25mm。
　　⑧ 鉆桿螺紋扣高：1.00mm。
　　⑨ 鉆頭直徑（內∕外）：77∕46mm。
　　⑩ 鉆桿抗拉強度：＞70t。
　　1.3繩索取心鉆桿接頭螺紋副加工精度確定
　　有限元分析證明，繩索取心鉆桿接頭螺紋副加工公差，特別是手擰緊密距、螺紋錐度及偏差分布等指標對接頭連接強度、失效形式和使用壽命影響很大。勘探所以往曾按照繩索取心鉆桿、巖心管和套管的不同螺紋參數進行機械性能臺架試驗，測試螺紋副強度數據。試驗將S56繩索取心鉆桿螺紋按照不同錐度、不同手擰緊密距、不同齒高等參數加工了11種內、外螺紋副進行扭轉、拉伸和疲勞試驗結果表明：內、外螺紋錐度均為1：30，偏差單向分布，內螺紋為-3′、外螺紋為+3′的螺紋副3項試驗強度指標均大于1：32、1：28不同錐度螺紋。同時，加工了-1～-1.5、1～1.5、2.5～3mm三種緊密距試樣進行扭轉、拉伸和疲勞試驗。緊密距為1～1.5mm的強度最佳；緊密距為-1～-1.5mm的強度最低。勘探隊進一步試驗研究表明，鉆桿接頭螺紋副加工公差除對鉆桿連接強度產生重要影響外，還對鉆桿接頭耐壓密封性能產生很大影響。此外，鉆桿接頭螺紋副加工粗糙度等指標對鉆桿的疲勞壽命和磨損速率存在正相關關系。因此，勘探隊在繩索取心鉆桿接頭形式優化的基礎上根據當前機械加工水平和成本因素適當提高了粗糙度要求，重新確定了合理的錐度公差和緊密距指標，并采用了高精度硬質合金仿形梳刀加工鉆桿螺紋。
　　1.4繩索取心鉆桿接頭熱處理和表面處理
　　合理確定繩索取心鉆桿接頭熱處理及表面處理工藝，是進一步提高繩索取心鉆桿連接強度和耐磨性的技術途徑之一。為此，勘探隊接頭熱處理一調質工藝進行了改進。前期考慮到為提高鉆桿接手的耐磨性，部分試樣適當提高了調質硬度（HRC32-34）。由于國產合金鋼材質和化學成分穩定性差，提高了調質硬度的鉆桿接手在高寒地區冬季施工中曾發生裂縫甚至斷裂的情況，近期研究決定主要通過表面處理提高鉆桿接手螺紋副和接手外表面的抗磨性能，對離子沉淀薄膜技術、鹽浴氮碳共滲技術、火焰噴涂技術、電弧噴涂技術、等離子噴涂技術、化學鍍技術、激光表面改性技術、功能梯度材料技術等國內先進的表面硬化、耐磨處理工藝進行了調研。經過綜合對比確定非晶態鎳磷合金（Ni-P）化學鍍層和精確滲氮+硫化工藝，應用效果良好。
　　1.5繩索取心鉆桿鐓粗工藝
　　普通鉆桿鐓粗可大大提高鉆桿聯接強度，延長鉆桿使用壽命，因而在石油和地質鉆桿制造業中被普遍采用。繩索取心鉆桿壁非常薄（一般只有4～6mm），同時要求鉆桿內壁基本內平，采用鐓粗工藝成品合格率很低，因而繩索取心鉆桿鐓粗技術一直未正式應用。在SQ77型繩索取心鉆桿的設計中，勘探隊率先采用了鐓粗工藝。試制中認真研究了以往普遍鉆桿鐓粗工藝，設計加工了繩索取心鉆桿鐓制專用模具，并對工藝參數加以改進，使鉆桿鐓粗技術成功地應用到小直徑繩索取心鉆桿制造中。繩索取心鉆桿體可選用45MnMoB,正火狀態出廠，端部按照設計要求進行鐓鍛。鉆桿鐓粗采用電加熱，液壓沖擊鐓鍛。開始由于經驗不足，參數控制不穩定，部分鐓制的繩索取心鉆桿出現內孔縮徑超差，定尺長度不一，外表面凹陷等質量缺陷，繩索取心鉆桿鐓制合格率只有91%。為此，勘探隊與生產廠有關技術人員共同商定和調整了鐓粗工藝流程和參數，重新設計加工了鐓制模具（內模、外模）、夾具，使繩索取心鉆桿鐓粗一次合格率達到了99%以上。同時，鉆桿鐓制度生產效率明顯提高，繩索取心鉆桿單頭鐓制綜合成本明顯下降。
　　2 結語
　　復雜地層中深孔鉆探施工要達到安全、快速、經濟的目標，必須在采用新研制的高強度SQ系列繩索取心鉆具系統的同時，施行科學合理的鉆探工藝技術措施。勘探隊開發的適應深孔和復雜地層鉆探的SQ系列高強度繩索取心鉆桿首次采用了薄壁鉆桿內外鐓粗技術。同時，通過優化接頭螺紋參數，改進鉆桿接頭熱處理和表面處理工藝，完善鉆具結構等措施，使繩索取心鉆桿強度提高40%以上，使用壽命明顯增加。配套繩索取心鉆具的沖洗液過流阻力大幅降低，在地質條件復雜的深孔勘探區生產試驗和示范中，勘探隊與地礦、武警、煤田等地勘生產單位合作，詳細分析了國內典型礦區地層特點、裝備配置以及目前鉆探工人技術水平等情況，針對性能地研究制定了施工方案和技術措施，取得了鉆探效率提高，孔內事故率降低，施工成本下降以及勞動強度減輕等突出效果。