直連式繩索取心鉆桿軸向拉力分析

楊東河 張永春 徐丹

摘要：鉆桿軸向拉力是設計鉆桿的重要因素之一。本文通過分析直連式繩索鉆桿的軸向拉力情況，為直連式鉆桿的研制提供重要的指導依據。

關鍵詞：直連式鉆桿；不全絲扣；軸向拉力計算；破壞拉力試驗

繩索取心鉆進技術在我國應運已經非常普遍，由于繩索取心鉆進往往要鉆進幾天、十幾天甚至幾十天才能提鉆一次，所以對繩索取心鉆具的要求也越來越高。目前，國內繩索鉆具普遍采用的是螺紋連接公母接頭式鉆桿，這種鉆桿螺紋端數量多，容易造成失效，在鉆進過程中經常出現事故，因此結構更加合理、材質更好的直連式繩索鉆桿越來越受到市場的歡迎。

1. 概述

直連式繩索鉆桿與螺紋連接公母接頭式鉆桿在相同的工作條件下，其綜合機械性能應與螺紋連接公母接頭式鉆桿相當甚至更高，否則就很難滿足當前繩索鉆進條件下的使用要求。在鉆進過程中，鉆桿是整個鉆桿柱的關鍵和主要組成部分，受到多種力的影響，包括：軸向拉壓力、彎曲力、離心力等等，其中軸向拉壓力對鉆進影響極大，鉆具擁有足夠的軸向拉力，對科學鉆進具有重要的意義。因此，對直連式繩索鉆桿進行軸向拉力分析就顯得非常重要，這也是決定直連式鉆桿能否被市場接受的一個重要因素。

2. 鉆具軸向拉力理論分析

鉆具有多大的軸向抗拉力，對鉆進深度有直接的影響，準確掌握鉆具的軸向拉力，是科學鉆進的重要前提。對直連式鉆桿進行軸向拉力分析，首先要確定鉆桿在鉆進過程中軸向拉力會受到哪幾種因素的影響。一般說來，鉆桿在鉆進過程中，軸向拉力主要受兩方面的影響：一是重力作用的影響，鉆桿柱最下面的拉力為零，井口處的拉力最大；二是鉆柱與井壁之間的摩擦力。基于這兩種因素的影響，設計鉆桿時，軸向拉力必須要考慮一定的安全系數。

目前，國內常用的直連式繩索鉆桿多為NQ、HQ兩種，設計孔深大約在1000-1500米之間，下面我們將著重以NQ鉆桿為例，通過理論計算和實際拉力試驗分析其軸向拉力情況。

現階段，國內直連式繩索鉆桿材料一般選為XJY850，這種材質的管材綜合性能好，具有較高的強度和良好的工藝性能，甚至可與國外同類產品相媲美。XJY850與國內其它常用管材的力學性能對比見表1：

表1 地質管材力學性能對比表

鋼種 測試材料熱處理狀態 屈服強度 抗拉強度 伸長率 斷面收縮率 沖擊功 屈強比

MPa MPa % %

30CrMoA 調質 ≥735 ≥930 ≥12 ≥50 ≥71 0.79

30CrMnSiA 調質 ≥885 ≥1080 ≥10 ≥45 ≥39 0.81

45MnMoB 調質 ≥750 ≥920 ≥12 ≥48 ≥56 0.81

XJY850 調質 ≥950 ≥1020 ≥16 ≥52 ≥75 0.93

在確定NQ鉆桿的力學性能后，要分析NQ鉆桿的軸向拉力，還需要確定NQ鉆桿軸向拉力的薄弱點。從直連式繩索鉆桿的螺紋特性來看，薄弱點應位于螺紋的不全絲扣處，又由于內螺紋接頭截面比外螺紋接頭截面大，因此計算NQ鉆桿軸向拉力選擇外螺紋接頭不全絲扣處。計算NQ鉆桿外螺紋軸向拉力參數見圖1：

圖1 NQ鉆桿外螺紋拉力參數圖

從表1和圖1中可知，NQ鉆桿的抗拉強度為1020MPa，截面為φ64.368和φ60.3組成的圓環，因此NQ鉆桿的軸向拉力F計算如下：

F=σb*S=1020*（π*32.184 -π*30.15 ）=406.07KN

由于國內NQ鉆桿的設計深度大約都在1500米左右，其達到終孔深時自重重力約為120KN左右，而通過上述理論計算，NQ鉆桿的理論軸向拉力大約在406KN，由此可推出直連式繩索鉆桿軸向拉力的設計安全系數達到了2個以上。

3. 鉆具軸向拉力破壞試驗

為了驗證NQ鉆桿的軸向拉力理論數據和軸向拉力薄弱點，我公司委托山東建大工程鑒定加固研究所進行了NQ直連式鉆桿的軸向拉力破壞試驗。試驗共進行了三組，試樣拉斷后得到的數值分別為406KN、430KN、430KN，通過這三組數值可看出，鉆桿的實際數值達到了理論計算要求，而且從試樣拉斷后的狀態可以看出，鉆桿的薄弱點基本都位于不全絲扣處。拉斷后的試樣詳見圖2：

圖2 試樣拉斷后狀態

4. 結論

通過對NQ直連式繩索鉆桿的軸向拉力理論計算和實際拉力破壞試驗，從中可以看出，直連式繩索鉆桿的軸向拉力達到了設計使用要求，能夠滿足正常的鉆進深度需要。總之，對直連式繩索鉆桿進行軸向拉力分析，確定其軸向拉力的具體數值，對設計繩索鉆桿具有重要的指導依據，同時也是科學鉆進的重要前提，能有效降低鉆探事故。

5. 參考文獻

[1]況雪軍，孫建華. XJY850高強度精密地質管材的研制[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2009,36（6）：28-30.

作者簡介

楊東河（1982-），男（漢族），山東濟南人，助理工程師，現從事鉆機鉆具設計工作。