梁 健, 孫建華, 張永勤, 劉秀美

(中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000)

繩索取心鉆桿管材的模糊綜合評價

梁 健, 孫建華, 張永勤, 劉秀美

(中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000)

從國內(nèi)外有關(guān)硬巖取心鉆進的經(jīng)驗及相關(guān)研究來看，科學超深井先導孔的設(shè)計工作具有重要的意義，在此項工作中，繩索取心鉆柱的研究更顯其重要性，主要涉及鉆桿管材的選擇及高強度鉆柱的設(shè)計。本文針對國內(nèi)四種繩索取心鉆桿用冷拔無縫鉆探管材，進行了室內(nèi)力學性能測試；同時，采用模糊數(shù)學方法對其進行了評價與選用方法的初步探討。

繩索取心 管材 力學性能 模糊綜合評價

Liang Jian, Sun Jian-hua, Zhang Yong-qin, Liu Xiu-mei. A fuzzy comprehensive evaluation of steel pipe materials used to wire-line drill rods[J]. Geology and Exploration, 2014, 50(3):0572-0576.

1 引言

科學超深井鉆探工程作為研究深部地質(zhì)的重要方法之一，其理論研究和實施過程是一項超復雜的系統(tǒng)工程，包括完善的基礎(chǔ)理論研究、先進的技術(shù)裝備研制、適宜的鉆進工藝優(yōu)化、豐富的實踐經(jīng)驗積累、科學的工程管理運用等(劉廣志，1996；孫友宏，1996；劉振鐸，2005；劉廣志，2005；張金昌等，2010；梁健等，2011)。從國內(nèi)外有關(guān)硬巖取心鉆進的經(jīng)驗及相關(guān)研究來看，為使科學超深井鉆井作業(yè)順利進行、減小施工風險及降低成本，先導孔的設(shè)計工作具有重要意義(張偉，1998；王達，2002；王達等，2005)。在此項工作中，應用的繩索取心鉆進技術(shù)是深部鉆探工程施工的重要技術(shù)方法，具有提高鉆進效率、延長鉆頭壽命、減輕勞動強度、降低孔內(nèi)事故、減少管材及設(shè)備消耗等優(yōu)點(張春波，1995；孫建華等，2006)。與一般的地質(zhì)巖心鉆探相比，科學超深井先導孔設(shè)計井深一般在3000m～5000m，其井深深度大、鉆柱自重大、鉆桿所處工況復雜，因此針對繩索取心鉆桿的研究顯得尤為重要，主要涉及鉆桿管材的選擇及高強度鉆柱的設(shè)計。對于鉆桿管材的選擇，傳統(tǒng)材料力學觀點只考慮了材料的屈服強度σs或極限強度σb，因σs、σb數(shù)值越大，該種材料越能承受更大的載荷。但對于科學超深井先導孔繩索取心鉆探技術(shù)來講，還需考慮其他的性能參數(shù)，應綜合強度、韌度等多方面因素對管材進行綜合評價。如單方面考慮選用高強度材料，但其韌度值較低，則有可能產(chǎn)生低應力脆性破壞。因此，當管材自身強度提高后，需密切關(guān)注其沖擊功、韌度等多種性能的變化，以降低相應的鉆井風險。利用模糊綜合評價原理可重點考核評價指標間的相互關(guān)系以及對評價結(jié)果的影響，較好地解決了定量處理評價過程中的模糊因素，從而使評價結(jié)果更加科學合理(張愛林等，1995；肖辭源，2004；陳科等，2007；張強等，2008)。因此，本文針對國內(nèi)四種繩索取心鉆桿用冷拔無縫鉆探管材進行了室內(nèi)力學性能測試；同時，采用模糊數(shù)學方法對其進行了評價與選用方法的初步探討。

2 管材力學性能室內(nèi)試驗

2.1 試驗材料

試驗選用了四種常用的國產(chǎn)繩索取心鉆桿用冷拔無縫鋼管，即42CrMoA、37CrMnMoA、45MnMoB、30CrMnSiA四種管材。

2.2 試驗方法

(1) 管材抗拉試驗

試驗采用箱式電爐，對四種材質(zhì)管材進行熱處理后(熱處理條件以產(chǎn)品出廠標準為準，即達到其最優(yōu)力學性能)，按相關(guān)標準規(guī)定的幾何尺寸切割剖樣，在將剖樣置于WA-1000C型電液伺服萬能試驗機上進行抗拉試驗，試驗后讀取其屈服強度、抗拉強度以及測量斷后伸長率，試驗嚴格遵循國家標準(GB/T 208-2002，2002)進行。

(2) 管材表面硬度測量

對四種材質(zhì)管材進行熱處理后，將每種試樣進行兩組16個點的表面硬度測量，求其平均值，得出表面硬度值。

(3) 夏比擺錘沖擊試驗

試驗按規(guī)定的幾何形狀及尺寸制作試樣，并置于試驗機上，缺口背向打擊面放置，擺錘一次打擊式樣后，測定試樣室溫狀態(tài)下的吸收能量，試驗嚴格遵循國家標準(GB/T 229-2007，2007)進行。

(4) 管材疲勞P-S-N曲線測試試驗

試驗試樣保持四種管材內(nèi)外壁表面不進行任何處理，保持原始狀態(tài)。采用常溫常壓條件下電磁諧振的拉-拉疲勞試驗方法，力為正弦波，應力比R=0.1，加載頻率f=115～119Hz，6級疲勞試驗載荷點選取相對材料抗拉強度的系數(shù)為0.75、0.70、0.65、0.62、0.59、0.55，試驗嚴格遵循國家標準(GB/T 3075-2008，2008)進行。

2.3 試驗結(jié)果

表1及圖1～圖4分別是四種管材的力學性能參數(shù)及其P-S-N疲勞曲線圖?？梢钥闯觯?2CrMoA管材的伸長率、沖擊功性能最好，37CrMnMoA管材的屈服強度、屈強比、硬度性能最好，其他的性能參數(shù)四種管材互有上下。因此，從中很難評價四種管材哪種管材的綜合性能最優(yōu)。

表1 四種管材的基本力學性能參數(shù)

圖1 42CrMoA管材P-S-N疲勞曲線Fig.1 P-S-N fatigue curves of 42CrMoA material

圖2 37CrMnMoA管材P-S-N疲勞曲線Fig.2 P-S-N fatigue curves of 37CrMnMoA material

圖3 45MnMoB管材P-S-N疲勞曲線Fig.3 P-S-N fatigue curves of 45MnMoB material

鋼種屈服強度屈強比硬度伸長率沖擊功疲勞強度(存活率99%)MPari1%ri2HRCri3%ri4Jri5MPari642CrMo8310.87787.00.95930.50.91016.41.000431.0003650.88837CrMnMoA9481.00090.71.00033.51.00013.80.842420.9774111.00045MnMoB8600.90789.30.98531.50.94015.30.933360.8373820.92930CrMnSiA8120.85786.80.95729.50.88114.80.902400.9303710.903

圖4 30CrMnSiA管材P-S-N疲勞曲線Fig.4 P-S-N fatigue curves of 30CrMnSiA

3 模糊綜合評價計算

運用模糊數(shù)學的方法能較全面的對管材進行綜合評述，以進行最后的選用。鉆桿管材的模糊綜合評價可按以下方法進行計算。

3.1 設(shè)評判對象

針對先導孔繩索取心鉆進技術(shù)要求，并根據(jù)不同材質(zhì)管材的性能匹配程度進行篩選，得到一組備選材料，并以被選材料中每種材料為元素，建立評判對象集X。

X=[xi]，i=1,2,…,n

其中，

x1=42CrMo

x2=37CrMnMoA

x3=45MnMoB

x4=30CrMnSiA

3.2 設(shè)因素集

為選定最優(yōu)材料，須根據(jù)鉆桿設(shè)計要求對備選材料進行評判，即令這些性能要求為選材的評判標準，從而建立評判因素集U。

U=[uj]，j=1,2,…,n

其中，

u1=屈服強度σs

u3=硬度HRC

u4=斷后伸長率δ

u5=沖擊吸收功Ak

u6=疲勞強度σN

3.3 找評判矩陣

R=[rij]

根據(jù)以上分析，確定的備選材料對象、性能及其單因素評判結(jié)果見表2。

3.4 權(quán)數(shù)確定

考慮到各評判因素對評判結(jié)果影響不一，因而需對各評判因素賦予相應的權(quán)數(shù)。采用專家估測法對評價因素Uj進行權(quán)數(shù)判定，見表3所示，并根據(jù)表3產(chǎn)生權(quán)重分配矩陣T。

表3 權(quán)數(shù)判定Table 3 Weight determination

3.5 綜合評判

該模糊綜合評價問題，即是將評價因素集合U這一論域上的一個模糊集合X，經(jīng)過模糊關(guān)系R變化為模糊綜合評價結(jié)果集合B。

其中，bj(j=1，2，…，m)為模糊綜合評判指標。

并依據(jù)專家估測法得出各因素的權(quán)數(shù)，由此再得到相應的權(quán)重分配矩陣T，T=[0.50 0.10 0.05 0.05 0.10 0.20]；

則模糊綜合評價集合B=R·TT=[0.908 0.989 0.915 0.887]T；采用最大隸屬度原則，由集合B可知，37CrMnMoA合金鋼管材為首選最優(yōu)材料。

4 結(jié)論

本文將模糊綜合評價方法引入繩索取心鉆桿管材選用領(lǐng)域，運用模糊數(shù)學理論將一些邊界不清、不容易定量的因素定量化。采用模糊多目標決策方法，以四種典型的繩索取心鉆桿用管材進行了模糊綜合評價，研究結(jié)果表明：

(1) 37CrMnMoA合金鋼管材為最優(yōu)方案的模糊綜合評價結(jié)果與實際工程應用的情況吻合，驗證了評價體系和評價方法的可行性；

(2) 運用模糊綜合評估方法，可以得到更合理、更有效的結(jié)論，有利于鉆井工程決策的制定；

(3) 該模糊綜合評價方法具有計算簡便和分析直觀的優(yōu)點，在實際工作中具有較大的實用性。

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Fuzzy Comprehensive Evaluation of Steel Pipe Used to Wire-line Drill Rod

LIANG Jian, SUN Jian-hua, ZHANG Yong-qin, LIU Xiu-mei

(The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang, Hebei 065000)

Experience and researches of hard rock core drilling indicate that, the drilling operation design of pilot hole for science and ultra-deep well is of great significance. In this work, the study of wire-line coring drill string related to the choice of steel pipe and the design of high-strength drill string was more of its importance. This paper introduced the testing of mechanical properties about four kinds of domestic steel pipe used to wire-line drill rod and discussed the method of fuzzy comprehensive evaluation for it.

wire-line, steel pipe, mechanical properties, fuzzy comprehensive evaluation

2013-06-20；

2013-11-20；[責任編輯]郝情情。

國土資源部深部探測技術(shù)與實驗研究專項SinoProbe-05-06“科學超深井鉆探技術(shù)方案預研究”項目(編號 201011063)資助的成果；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項目“地質(zhì)勘查3500m特深孔繩索取心鉆桿開發(fā)應用”課題(編號 12120113016600)聯(lián)合資助。

梁 健(1980年-)，男，2009年畢業(yè)于蘭州大學，獲碩士學位，高級工程師，長期從事與鉆探工程有關(guān)的科研工作。E-mail：raul9942718@163.com。

P634.5

A

0495-5331(2014)03-0572-5