淺析鉆井鋼絲繩技術變化趨勢

吳根柱,閆保國,秦萬信

(咸陽寶石鋼管鋼繩有限公司,陜西咸陽712000)

淺析鉆井鋼絲繩技術變化趨勢

吳根柱,閆保國,秦萬信

(咸陽寶石鋼管鋼繩有限公司,陜西咸陽712000)

從鋼絲繩繩芯材質、質量等級、結構變化和填塑工藝使用以及特殊鉆機鋼絲繩用量增加等方面探討了石油鉆井鋼絲繩技術變化趨勢。

鉆井鋼絲繩;鋼芯;結構;特殊鉆機

鉆井鋼絲繩在鉆機提升系統中的受力分析非常復雜[1],因關系到鉆井設備、油氣井和操作人員的安全而一直受到油田用戶和鋼絲繩生產企業的高度關注,且一直被列為特殊用途鋼絲繩,不僅在ISO2408—1985《一般用途鋼絲繩-特性》標準中作了相關規定,而且國外一些國家和組織還制定了專門技術標準,例如 Г О С Т16853—1988《開采和深勘探鉆井用滑車鋼絲繩技術條件》、DIN5881/1—1990《石油工業鋼絲繩和繩索傳動鋼絲繩》、API Spec 9A《鋼絲繩規范》等,其中,后者即目前的 ANSI/ API 9A—2004《鋼絲繩技術條件》(ISO10425:2003《石油和天然氣工業用鋼絲繩——最低要求和驗收條件》)。咸陽寶石鋼管鋼繩有限公司(以下簡稱咸陽鋼繩)是國內石油用鋼絲繩制造基地。根據數十年生產經驗和了解、掌握的相關信息,本文就鉆井鋼絲繩技術變化趨勢進行探討。

1 繩芯鋼芯化

在API RP 9B《油田用鋼絲繩選用、維護和推薦做法》早期版本中,鉆井鋼絲繩按照繩芯材質分為金屬芯和纖維芯2種結構,且在很長一個時期內一直是金屬芯與纖維芯2種結構并存,并以纖維芯結構為主,但在1996年第10版及以后的版本[2]和相關資料[3]中只保留金屬芯結構。咸陽鋼繩1985年引進的5 000 t石油鋼絲繩生產線和1992年對原石油鋼絲繩進行技術改造時,繩芯鋼芯化并未引起足夠重視。2000年以后,根據引進加拿大鉆井鋼絲繩設計制造技術、產品出口信息和對不同材質繩芯鋼絲繩的質量分析,積極實施鉆井鋼絲繩繩芯鋼芯化,使鋼絲繩結構趨于合理,達到了提高產品使用壽命的目的。

與纖維芯鋼絲繩相比,鋼芯鋼絲繩的最大優點是能夠保持鋼絲繩結構穩定,同時具有較強的抗擠壓能力和較高的破斷拉力。實踐證明,如果需要插接使用的鋼絲繩,選擇鋼芯比選擇纖維芯能使鋼絲繩使用效果更優。從目前國內外鉆井鋼絲繩的使用情況看出,鉆井鋼絲繩的繞繩方式也決定了應選擇鋼芯結構鋼絲繩,且繩芯鋼芯化已成定勢。

2 質量分級

在ANSI/API9A頒布以前,鉆井鋼絲繩按鋼級分級,分為 IPS、EIPS、EEIPS等級別,直到頒布ANSI/API9A時才增加了按抗拉強度概念分級,對應級別有1 770、1 960、2 160 MPa。長期以來,國內鉆井鋼絲繩通常以IPS級為主、EIPS級為輔,基本不使用抗拉強度表示級別的鋼絲繩。咸陽寶石鋼管鋼繩有限公司1999年開始實施鉆井鋼絲繩質量升級戰略,批量生產破斷拉力滿足 EIPS級和組繩鋼絲韌性滿足IPS級的鋼絲繩,2000年以后 EIPS級鋼絲繩用量迅速增多,目前已普遍使用。國外相關資料和出口國外鉆井鋼絲繩的情況與之完全相同,美國鋼絲繩聯合公司(Union Wire Rope Corporation)給出的6×19類普通鉆井鋼絲繩相關參數如表1。EEIPS級鋼絲繩目前很少使用。

表1 美國鋼絲繩聯合公司6×19類普通鉆井鋼絲繩參數

3 結構多元化

3.1 6×19S-IWRC鉆井鋼絲繩

鉆井鋼絲繩主要有磨損失效和疲勞失效2種形式。西魯式鋼絲繩最大的結構優勢是耐磨性高。長期以來,該結構一直是鉆井鋼絲繩的主體結構,最典型、應用最普遍的是6×19S-IWRC,也有少量的6× 21S–IWRC,另外,6×26WS–IWRC和6×25F–IWRC等耐磨損性能較好的鋼絲繩在標準中也被推薦。

3.2 6股和8股鋼絲繩

6圓股鉆井鋼絲繩應用最廣泛,國外一些鋼絲繩生產技術強勢企業也將8股鋼絲繩推向石油鉆機,如圖1～2的凱撒鋼絲繩。8股鋼絲繩替代6股鋼絲繩的出發點是通過增加鋼絲繩柔軟性和組股鋼絲根數來改善其疲勞性能,還可增加鋼絲繩與匹配輪槽接觸面積,如圖3～4。

圖1 8×25F-EPIWRC鋼絲繩

圖2 8×K17S-EPIWRC鋼絲繩

圖3 6股鋼絲繩與輪槽接觸

圖4 8股鋼絲繩與輪槽接觸

3.3 壓實股鋼絲繩

除8股圓鋼絲鋼絲繩用于石油鉆井外,壓實股鋼絲繩(如圖2、圖5～7)也被推薦為鉆井鋼絲繩,雖然目前還未大面積推廣應用,但咸陽鋼繩?35 mm、6×K19S-IWRC和?38 mm、6×K26WS-IWRC二種結構規格鋼絲繩在國內不同油田試用成功,表明其蘊含巨大潛力。

圖5 6×K19S-EPIWRC鋼絲繩

圖6 6×K36WS-EPIWRC鋼絲繩

圖7 6×25F-6IWRC6鋼絲繩

a) 壓實股鋼絲繩更加適合多層纏繞 石油鉆機輕型化導致了纏繞鉆井鋼絲繩滾筒尺寸受限,故鋼絲繩在滾筒必須多層纏繞。壓實股鋼絲繩相對圓鋼絲組股鋼絲繩可較好地解決多層纏繞過程中相鄰股鋼絲的“干涉”問題,從而保持鋼絲繩結構穩定,減小鋼絲之間的磨損。普通股與壓實股鋼絲繩股之間鋼絲接觸對比如圖8。壓實股鋼絲繩的這種特性在國外早已被認同。

圖8 普通股與壓實股鋼絲繩股之間鋼絲接觸對比

b) 壓實股鋼絲繩具有高的破斷拉力 鉆井作業載荷高,而鉆機輕型化的設計思想又力求鉆井鋼絲繩直徑盡可能小,所以作業安全系數較低。采用壓實股鋼絲繩,鋼絲繩金屬填充系數增大,在不改變鋼絲繩直徑的情況下,可以提高其破斷拉力,增加作業安全性。

c) 壓實股鋼絲繩具有更良好的耐磨性 磨損是鉆井鋼絲繩主要失效方式之一,采用壓實股組繩不僅可增加多層纏繞時鋼絲繩結構的穩定性和減小相鄰股鋼絲之間的摩擦,而且可以通過增大鋼絲繩與匹配輪槽接觸面積改善自身及與之匹配輪槽的耐磨性。壓實股鋼絲繩和普通股鋼絲繩與輪槽接觸對比如圖9～10。

3.4 組合平行捻股鋼絲繩

隨著鉆井深度增加,鋼絲繩直徑隨之加大,提高其耐磨性仍是重點考慮的因素。除了西魯式結構外,對于?38 mm鋼絲繩,通常采用6×19S-IWRC比較理想,且尺寸規格繼續增大。由于高品質組股外層鋼絲生產比較困難,因此出現了組股外層鋼絲數目相對較少但耐磨性良好的其他結構鋼絲繩,例如6×26SW-IWRC、6×31SW-IWRC組合平行捻股鋼絲繩,6×26SW-IWRC鋼絲繩與國內20世紀90年代進口的 9 000 m鉆井隨機配套的 6×21SIWRC鋼絲繩股具有相同的耐磨性[4]。基于此,英國波萊頓(BRIDON)推薦鉆井鋼絲繩為6×19類和6×36類(前者是捻制股鋼絲繩,后者是壓實股鋼絲繩),而不是6×19S-IWRC一種結構,對應不同直徑鋼絲繩結構與表1相同。

圖9 壓實股鋼絲繩與輪槽接觸

圖10 普通股鋼絲繩與輪槽接觸

4 特殊鉆機鋼絲繩

4.1 深井鉆機鋼絲繩

近幾年,國內石油鉆機迅速向大型化發展,目前已制造出9 000、10 000、12 000 m不同型號深井鉆機,對鋼絲繩要求相應提高,其生產也受到重視,咸陽鋼繩為國內首臺12 000 m鉆機成功研發了?48 mm、6×31WS-IWRC、EEIP級鋼絲繩。從國內行業看,7 000 m以上鉆機鋼絲繩用量增加迅速,其直徑通常不小于?35 mm。

4.2 極地鉆機鋼絲繩

隨著國內鉆機制造水平的不斷提高和對國外鉆機升級換代時機的適時把握,近幾年有相當數量不同型號鉆機出口高寒地區,即極地鉆機。基于特殊的使用環境,對鋼絲繩也提出了新的要求,應具有良好低溫性能,而關于低溫環境下鋼絲繩的生產技術,國內研究企業目前還不多。

5 填塑工藝

采用輔助填塑工藝能夠提高鋼絲繩使用壽命,其他行業如電鏟鋼絲繩、集裝箱起重機鋼絲繩等已有應用。

a) 保持股之間的合理間隙 填塑將股與股強制隔離,減少鋼絲繩受力后股與股之間相互擠壓和因滑動而引起的摩擦,這是該技術改善鋼絲繩使用壽命最突出的優點。

b) 減少沖擊和振動載荷對鋼絲繩使用壽命的影響 鋼絲繩在使用中不可能一直受到平穩載荷的作用,瞬時沖擊和振動載荷會嚴重影響其使用壽命。填塑形成彈性墊,能夠有效削減瞬時沖擊和振動載荷在鋼絲繩中引起的瞬時應力峰值。

c) 具有纖維芯和鋼芯鋼絲繩的共同優點 填塑鋼絲繩均為金屬芯結構,填料不僅將鋼芯與外層股機械隔離,而且在一定程度上具有纖維芯鋼絲繩使主股易彎曲的優點,因此可以將填塑鋼絲繩看成是增加了柔軟性的金屬芯鋼絲繩,也可以看成是增加了剛性的纖維芯鋼絲繩。

d) 鋼絲繩結構更加穩定 填塑鋼絲繩相對于普通工藝生產的鋼絲繩結構穩定,不僅因為其繩芯為金屬芯,也基于填料對股幾何位置的固定作用。

e) 減少有害環境介質對繩芯的腐蝕 鋼芯與外股、外股與外股之間孔隙被塑料填充,可防止有害環境介質進入鋼絲繩內部,保護繩芯不被腐蝕。另外,包裹金屬芯表面的填料層能夠對繩芯油脂起封存作用,保護繩芯油脂不會流失或減少流失。

目前,填塑工藝鋼絲繩用于石油鉆井還不普遍,但由于鉆井鋼絲繩使用工況特殊性,研究填塑工藝十分重要。

6 結語

石油鉆井鋼絲繩是特殊用途的鋼絲繩,近幾年技術進步趨勢明顯。繩芯材質鋼芯化已成定勢; EIP級應用已很普遍;6×19S-IWRC雖然繼續占據鋼絲繩結構主導地位,但鋼絲繩結構已發展為多樣化;壓實股鋼絲繩和填塑鋼絲繩在提高鋼絲繩壽命上取得了顯著效果;特殊鉆機鋼絲繩日益受到生產企業重視。隨著鋼絲繩技術的不斷進步與鉆機制造技術的不斷發展,對鉆井鋼絲繩的適應性要求也越來越高,特別是低溫環境下的鋼絲繩的壽命問題,應給予充分重視。

[1] 葉哲偉,梁 政,吳 冰,等.鉆機鋼絲繩提升系統力學模型及分析[J].石油礦場機械,2008,37(1):32-35.

[2] API RP9B—2002.油田用鋼絲繩的選用、保養和使用的推薦方法[S].11版.北京:兵器工業出版社,2002.

[3] SY/T 6666—2006.石油天然氣工業用鋼絲繩的選用和維護的推薦做法[S].

[4] 曹家麟.重型鉆機提升用鋼絲繩的品種與結構評析[J].石油機械,2007,35(8):63.

Discussion of Technique Tendency of Drilling Wire Rope

WU Gen-zhu,YAN Bao-guo,QIN Wan-xin
(Xianyang Bomco Steel Tube&Wire Rope Co.,Ltd.,Xianyang712000,China)

Discussion of technology tendency of wire core is presented,in the aspects of core material,quality grade,configuration,polymer filling and special wire rope for drilling rig.

drilling wire rope;metal core;structure special rig

1001-3482(2010)04-0033-04

TE923

A

2009-10-16

吳根柱(1968-),男,陜西西安人,高級工程師,碩士,主要從事石油鉆采設備生產與技術管理工作。