鉆桿修復工藝和技術研究

王建國，徐能惠,杜學斌,胡 洪,高 璐

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室 陜西 西安 710032;2.中國重型機械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

鉆桿修復工藝和技術研究

王建國1,2，徐能惠1,2,杜學斌1,2,胡 洪2,高 璐1,2

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室 陜西 西安 710032;2.中國重型機械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

鉆桿修復可以使舊鉆桿得到充分利用，減少因鉆桿質量導致的鉆井事故。在研究鉆桿修復工藝的基礎上對鉆桿矯直、鉆桿清洗、無損檢測、耐磨帶焊接和鉆桿修扣等關鍵技術進行了分析，并根據具體生產技術要求設計了鉆桿修復生產線，該生產線生產率可達50～70根/小時。

鉆桿修復；關鍵技術；生產線設計

0 前言

在現代鉆井施工中，鉆桿大多都在非常惡劣的工況下工作，尤其是在定向井、水平井的鉆進中，鉆桿要承受彎曲、扭轉和拉伸的復合載荷作用，同時，還要經受鉆井液的腐蝕、沖蝕作用。在處理卡鉆等井下事故時，鉆桿要受到滿負荷的提拉作用力，在這些載荷的反復作用下鉆桿將出現疲勞裂紋、管體磨損或者腐蝕坑等；鉆桿接頭的內外螺紋也會因各種原因發生刺漏、脹扣或者脫扣現象。以上提到的鉆桿質量問題如果不能及時地發現并處理，將會導致井下事故，嚴重時會發生鉆桿斷裂甚至卡鉆事故，造成重大的經濟損失[1]。所以，在石油鉆桿使用之前對其質量缺陷進行探測檢查并對有質量問題的鉆桿進行相應的缺陷修復就是非常有意義的，這個過程就是鉆桿修復。

1 鉆桿修復工藝過程

鉆桿修復時，首先要對有問題的鉆桿進行初步分類，初步挑選出報廢不嚴重的鉆桿進行校直，將校直后的鉆桿清洗干凈后進行無損檢測探傷。經過探傷挑選出管體沒有質量問題的鉆桿，根據需要將鉆桿接頭完好或可直接修復的鉆桿重新修復螺紋，再對鉆桿接頭耐磨帶磨損或者脫落的鉆桿補焊耐磨帶，最后將修復合格的鉆桿進行噴標、打標和收集等。

另外，配備有摩擦焊設備的工廠還可以對鉆桿接頭報廢、管體合格的鉆桿進行接頭切割工序，然后重新焊接鉆桿接頭，這類似于鉆桿生產的工藝過程[2]。

鉆桿修復的一般工藝流程如圖1所示。

圖1 鉆桿修復工藝流程圖Fig.1 Process flowsheet of drill pipe repairing

鉆桿修復主要工藝過程簡介如下：

(1)初步分類檢查并矯直。首先通過對需要修復的鉆桿進行初步分類，挑選出報廢不嚴重的鉆桿。將彎曲變形的鉆桿進行矯直處理。

(2)除銹清洗。將校直達標的鉆桿通過外壁清洗機組進行鉆桿外壁低壓水清洗，外壁清洗完的鉆桿移送至鉆桿鉆通線進行內壁鉆通除油除垢，再移送至高壓水射流內壁清洗線進行內壁清洗，再由氣體吹掃裝置進行內壁吹干鉆桿內壁。內壁清洗干凈的鉆桿，移送至鉆桿兩端桿頭清洗線，進行鉆桿公扣端與母扣端刷洗。

(3)無損檢測。清洗干凈的鉆桿移送至無損探傷檢測線進行管端、螺紋和管體無損探傷檢測。

(4)修扣。經過校直、清洗、探傷之后挑選出管體合格的鉆桿，根據需要將接箍頭完好并且可直接修復的鉆具，用車絲機重新修扣。

(5)耐磨帶補焊。檢驗鉆桿耐磨帶是否完好，將耐磨帶需要修補的鉆桿進行耐磨帶補焊處理。

(6)噴標打標和打包。修復合格的鉆桿進行噴標示，轉入打包工序。

2 鉆桿修復關鍵技術分析

2.1 鉆桿矯直技術

鉆桿主要是由桿體和焊接在桿體兩端的鉆桿接頭組成，由于接頭的外徑要比桿體外徑大很多，所以鉆桿是個中間細兩頭粗的結構，這就使得鉆桿不方便在輥式矯直機上進行矯直。

目前鉆桿矯直一般采用壓力矯直設備，也叫點式矯直機。點式矯直機采用三點式校直原理，用大噸位液壓油缸點壓鉆桿的彎曲部位進行校直，點壓機構可移動并連續的校直鉆桿的各個彎曲部位，其主要包括移動式主機、旋轉機構、上料機構、機架以及可移動式支座等[3，4]。

鉆桿矯直時，首先將彎曲變形的鉆桿放在可移動式支座的兩個支點之間，用移動式主機上的壓頭對準鉆桿彎曲最大處進行反向壓彎，加壓到反彎量與鉆桿的彈復量相等時停止壓下，壓下力撤消后鉆桿的彎曲部位將變直。不過，通過一次反彎矯直不能達到較好的效果，一般需要操作2～3次。第一次反彎矯直后要檢測壓彎量和彈復量的差值，據此設定下次反彎的壓彎量，進行第二次矯直并檢測，直到符合鉆桿直線度要求。

2.2 除銹清洗技術

舊鉆桿在探傷之前要清洗鉆桿上附著的泥垢、銹垢或油脂垢等，以提高鉆桿無損探傷的精確性與可靠性，對鉆桿后續的修扣等處理和使用創造有利條件。

鉆桿清洗設備一般分為外壁清洗裝置、內壁清洗裝置和內外螺紋清洗裝置。

外壁清洗裝置一般采用機械鋼絲刷進行鉆桿外壁低壓水刷洗的工藝[5]。外壁清洗時，鉆桿螺旋前進通過外壁清洗裝置。外壁清洗裝置的基座上一般有多組外刷洗輪和噴嘴。刷洗輪具有浮動功能，根據管徑不同，自由浮動，自動壓緊鉆桿，能夠保證鉆桿在有接箍、接頭等局部變徑條件下，刷輪始終與外壁緊密壓緊刷洗，同時自動順利通過。在刷洗的同時，低壓水沖洗鉆桿完成清洗鉆桿外壁的目的。

鉆桿內壁采用高壓水射流清洗。清洗時，端頭帶有高壓噴嘴的清洗桿穿過鉆桿內孔然后反向回退回，當高壓水射流作用在鉆桿內壁的泥垢、銹垢上的壓力大于泥垢等本身的抗壓強度極限時，泥垢等即開始破裂，在水射流的持續作用下，污垢等便脫離物體表面，從而完成清洗作業。內壁清洗有兩種方式，一種為鉆桿固定，清洗桿在驅動裝置的作用下穿過鉆桿內孔；另外一種是清洗桿固定，鉆桿螺旋前進使清洗桿穿過鉆桿內孔。另外，為了使內外壁清洗生產節奏較為匹配，內壁清洗時采用雙管清洗模式，同一臺設備，同時清洗兩根鉆桿，增加了內壁噴洗時間，保證了清洗效果，也提高了清洗效率[6，7]。

清洗完成后，一般需要用壓縮空氣吹干管內的積水。

2.3 鉆桿無損檢測技術

鉆桿無損檢測也叫鉆桿探傷，是鉆桿修復中的關鍵工序，是檢測鉆桿缺陷的實際有效的方法。鉆桿探傷主要是對桿體、桿端加厚區、接頭和摩擦焊焊縫。

由于鉆桿本身結構的特殊性(例如變徑、變壁厚和斜面等)和缺陷形式的多樣性，其無損檢測需要根據實際情況采用多種檢測方法。

桿體探傷一般采用漏磁檢測，漏磁檢測一般用探頭固定，鉆桿縱向通過檢測設備的方式，其原理為：探頭前的磁化線圈產生的高能磁場先使桿體磁化到飽和或接近飽和，如果桿體有缺陷或者壁厚損失，桿體中的磁場就會泄露出來被探頭檢測到。漏磁探傷的主要特點是檢測速度快、效果好、操作簡單、抗干擾能力強[8]。

由于漏磁桿體探傷過程中存在桿端盲區，因此在桿體探傷后還要進行桿端探傷，桿端加厚區、接頭和摩擦焊焊縫采用超聲波探傷。超聲波探傷時將高頻聲波脈沖導入鉆桿，聲波在鉆桿中傳輸時如果碰到缺陷就會被反射回去，系統檢測到這些回波并進行信號轉化就可以知道缺陷情況[9]。

2.4 鉆桿修扣方法

鉆桿螺紋因腐蝕、劃傷或者磨損等造成的失效也是鉆桿缺陷的一種形式。缺陷不嚴重時一般采用螺紋修扣的方法進行鉆桿修復。

鉆桿螺紋為錐螺紋，以外螺紋為例(圖2)，修復時先將端面切掉一定長度L，同時臺肩面也對應切掉厚度為L的余量，然后再將直徑增大后的錐面按要求加工到合適的尺寸，最后再順著原來螺紋的軌跡把變淺的螺紋槽加工到規定深度，這樣就可以完成螺紋修復[10]。

圖2 鉆桿螺紋修復方法Fig.2 Repairing method of drill pipe thread

螺紋修扣與新鉆桿車扣一樣，也使用數控車絲機完成，只不過在原來的螺紋槽上用數控加工方法車螺紋難度要更大一些，需要解決工件欠定位和加工余量自動分配等問題。

2.5 鉆桿耐磨帶焊接技術

由于深井、超深井、定向井等技術的發展，鉆桿在鉆進過程中的摩擦扭矩、摩擦阻力大大增加，經常會造成鉆桿接頭過度磨損或者套管磨穿現象，從而造成嚴重損失。在鉆桿接頭上焊接耐磨帶是解決這一問題最經濟有效的方式。

目前，鉆桿接頭耐磨帶一般采用等離子堆焊或者等離子噴焊工藝加工。等離子粉末堆焊是以等離子弧作為熱源，應用等離子弧產生的高溫將合金粉末與基體表面迅速加熱并一起熔化、混合、擴散、凝固，等離子束離開后自激冷卻，形成一層高性能的合金層，從而實現鉆桿表面的強化與硬化的堆焊工藝。等離子粉末噴焊是利用等離子弧作為熱源，在鉆桿接頭表面形成熔池，然后利用送粉器把合金粉末吹到電弧中，合金粉末在電弧中被融化并噴射到熔池中去，隨著焊槍的不斷擺動和鉆桿的相對旋轉，合金熔池就會不斷冷卻凝固，通過調節參數就可以在在鉆頭表面圓周方向生成具有一定均勻寬度和厚度的耐磨帶[11，12]。

早期的耐磨帶材料一般選用鎢鈷系列硬質合金，近些年隨著技術發展，耐磨帶材料性能越來越優異， 美國安科公司研發的ARCON-100XT、ARCON-200XT和ARCON-300XT系列耐磨帶材料不僅具有相當的硬度，而且具有較小的摩擦系數。

耐磨帶硬度一般能達到55HRC左右，而且耐磨帶材料摩擦系數小，可以較好地保護鉆桿接頭，減少套管內壁磨損，同時降低了鉆柱的旋轉阻力。

3 鉆桿修復生產線設計

圖3為根據某企業的鉆桿修復生產線技術要求而設計的鉆桿修復生產線平面布置圖。該生產線是集機、電、液和計算機控制于一體的全自動化生產線，可對φ73～φ139.7 mm的鉆桿進行矯直、清洗、探傷、修扣、耐磨帶補焊和收集打包等自動化修復作業，最大生產率為50～70根/h。

圖3 鉆桿修復生產線布置圖Fig.3 Arrangement plan of drill pipe repairing production line

4 結語

鉆桿修復技術的推廣及應用將實現舊鉆桿的科學分級，使長期閑置的舊鉆桿經過科學的檢測和修復得到充分的重復利用，這不但提高了舊鉆桿的維修質量，明顯也減少了因鉆桿質量而導致的鉆井事故，而且取得了極大的經濟效益和社會效益。

該自動化鉆桿修復生產線的應用也將極大促進鉆桿修復產業的發展。

[1] 尉春玲, 顧成林. 鉆桿的損壞原因及維護使用[J]. 西部探礦工程, 2008(5):59-60.

[2] 張玉英. 鉆桿修復工藝研究與應用[D]. 東營：中國石油大學(華東), 2005.

[3] 曹愛文, 熊國良. 壓力校直技術的發展[J]. 鍛壓裝備與制造技術, 2007,6(1):46-55.

[4] 張培安, 劉邦義, 王玉奎. 鉆鋌、套管和鉆桿壓力矯直機的設計[J]. 石油礦場機械, 2005,3(4):54-56.

[5] 任振聲, 張錢, 鄭金艷. 高壓水射流全自動油管清洗裝置[J]. 石油化工設備, 2011,40(2):81-83.

[6] 賴金榮, 徐依吉, 馬永乾. 高壓水射流技術在清洗鉆桿中的應用[J]. 清洗世界, 2013,41(8):16-20.

[7] 張建平, 何海星, 申強. 自動化鉆桿內外壁清洗機的設計與應用[J]. 石油機械, 2005,21(5):32-35.

[8] 張根旺, 王文智, 楊大平. 國產鉆桿管體失效分析[J].石油礦場機械. 2005,4(2): 77～78.

[9] 王趁強, 檀驚濤, 杜平,等. 無損檢測技術在鉆桿檢測中的應用[J]. 無損探傷, 2010,34(1):31-33.

[10]王永鋒, 劉濤. 管端自動超聲波探傷系統設計與實現[J]. 物理測試, 2014,32(4):32-34.

[11]張耀輝, 王啟民,王秀梅,等. 石油鉆桿接頭螺紋的數控修復加工方法[J]. 中國機械工程, 1999,10(6):633-635.

[12]張紹青,張東民. 加重鉆桿耐磨帶敷焊工藝研究[J]. 新技術新工藝, 2015,(2):60-62.

[13]李玉民, 李飛, 郭建軍,等. 鉆桿接頭PT100耐磨帶的敷焊工藝與應用[J]. 石油機械, 2003,31(5):20-22.

Research on process and technology for drill pipe repairing

WANG Jian-guo1,2, XU Neng-hui1,2, DU Xue-bin1,2, HU Hong2, GAO Lu1,2

(1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi’an 710032, China;2. China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China)

Drill pipe repairing can make full use of the used drill and reduce drilling accidents caused by poor drill quality. Based on the research ondrill pipe repairing process, straightening, cleaning, nondestructive testing, wearable zone welding, repairing screw thread and other key technologies are analyzed, and the production line of drill pipe repairing is designed according to the specific technology requirements, the productivity of the production line is 50～70 pieces/h.

drill pipe repairing; key technology; production line design

2016-02-26；

2016-03-29

陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2014KTCL01-01);陜西省重大科技成果轉化引導專項(2015KTCG01-02)

王建國(1987-)，男，工程師，主要從事油氣輸送裝備與工藝和重型鍛壓裝備的研究。

TE28

A

1001-196X(2016)06-0039-05