白皓亮，劉寶昌*，王如生，彭 莉，蔡繼雄

（1.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026； 2.自然資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，吉林 長春 130026；3.中地裝（無錫）鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214100）

0 引言

南極大陸常年被巨厚的冰層覆蓋，人類對冰下地質環(huán)境的認識十分有限。排除南極地區(qū)上覆粒雪層、冰層、冰巖夾層干擾，直接獲取冰下基巖樣品，對了解全球氣候變化的規(guī)律和機制，研究地層演變規(guī)律、地震活動與板塊活動歷史，揭露地球早期生命特征和生活環(huán)境等具有重要意義［1-6］。

南極冰層力學性質差異大，常規(guī)鉆進時孔壁穩(wěn)定性差、冰屑返排困難、鉆具易卡堵、鉆進效率低［7-9］。設計極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿，采用空氣反循環(huán)與水力反循環(huán)鉆進技術來開展南極復雜冰層的鉆進工作，可以大幅度降低井下復雜事故發(fā)生率，減少非鉆進時間，實現(xiàn)復雜冰層安全高效鉆進。

當遇可鉆性較高粒雪層、冰層等地層，需要以較高的機械鉆速鉆進時，可以利用極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿實現(xiàn)空氣反循環(huán)鉆進；當遇可鉆性較低的深層冰、冰巖夾層和冰下基巖等地層，需要利用低溫鉆井液冷卻和潤滑孔內鉆具、高效排出孔底冰巖碎屑時，可以利用極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿實現(xiàn)水力反循環(huán)鉆進；當遇到需要提取巖心的冰巖夾層和冰下基巖地層時，也可以將極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿的內管拆出，將外管單獨作為繩索取心鉆桿使用，在其中下入繩索取心鉆具，便可以快速地直接獲取巖心，既可以減少起下鉆的輔助時間、提高鉆進效率、降低鉆進成本，又能提高巖心采取率、保證巖心質量［10-11］。

目前，利用雙壁鉆桿進行反循環(huán)鉆進的技術多用于地礦系統(tǒng)、水文水井鉆探、工程勘察、基礎工程施工、油氣鉆井工程等領域［12］，而用于極地鉆探工程的雙壁鉆桿尚處于研究與試驗階段［13-14］。為使雙壁鉆桿可以滿足極地上覆粒雪層、冰層、冰巖夾層和冰下基巖等不同地層的空氣反循環(huán)、水力反循環(huán)、與繩索取心鉆進相配合等鉆進需求，需要對雙壁鉆桿內、外管材料進行甄選，以滿足極地低溫適應性的技術需求。

使用鋁合金作為鉆桿管體材料，可有效降低地上鉆機的負荷，減少運輸鉆桿所帶來的能源損耗；鋁合金還是良好的低溫材料，相比于鋼材明顯的低溫脆性，鋁合金在低溫環(huán)境下的抗拉強度、屈服強度和材料韌性等物理力學性能均有不同程度的提高，使其可以更好的服役于極地鉆探工作；同時，由于鋁合金暴露在空氣中會迅速與氧氣反應形成致密的氧化層，可使鋁合金鉆桿更好地抵御酸性氣體的侵蝕［15-19］。

1 鋁合金雙壁鉆桿材料選擇與結構設計方案

1.1 材料選擇

為了實現(xiàn)極地鉆具的輕量化，保證鉆具的安全和壽命，選定7075 鋁合金為雙壁鉆桿內、外管材料、40CrMn 合金結構鋼為雙壁鉆桿鋼接頭材料。利用LE5105 型萬能試驗機配合ETE-GDW-20L 型高低溫環(huán)境箱進行鋁合金材料低溫拉伸試驗，分別測量7075 鋁合金在25、0、-25、-50 ℃下的抗拉強度與屈服強度，試樣的抗拉強度、屈服強度與斷后伸長率等數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 7075 鋁合金材料拉伸試驗結果Table 1 7075 aluminum alloy material tensile test results

試驗結果表明：隨著溫度的降低，7075 鋁合金材料在-50 ℃環(huán)境下的抗拉強度較25 ℃環(huán)境下提升4.3%，屈服強度提升5.3%。從材料屈服強度、抗拉強度的角度出發(fā)，7075 鋁合金可以適應極地鉆探低溫環(huán)境，可以作為極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿內、外管材料使用。

1.2 結構設計

根據(jù)在鉆進粒雪層、冰層、冰巖夾層與冰下基巖等不同地層時，對雙壁鉆桿的尺寸與性能要求，以及鉆進深度為1000 m、取心直徑為38 mm 的項目要求，確定雙壁鉆桿外管、內管及其連接形式的結構設計方案。極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿結構示意如圖1 所示，鉆桿單根有效長度為3 m，雙壁鉆桿外管規(guī)格為?102 mm×11 mm，與其相適配的內管規(guī)格為?50 mm×6 mm。

圖1 雙壁鉆桿結構示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of the double?wall drill pipe

雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭之間采用圓錐螺紋連接，并使用螺紋膠輔助粘接，以保證螺紋連接的可靠性，連接方式如圖2 所示。

圖2 雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭間的連接Fig.2 The connection between the outer pipe of the double?wall drill pipe with the male and female joints of the outer pipe

雙壁鉆桿內管與內管公、母接頭之間采用圓柱螺紋連接，連接方式如圖3 所示。

圖3 雙壁鉆桿內管與內管公、母接頭間的連接Fig.3 The connection between the inner pipe of the double?wall drill pipe with the male and female joints of the inner pipe

連接同一根雙壁鉆桿的內、外管時，將內管公接頭導正鍵推至外管母接頭凸臺處，再利用彈性擋圈限位，便可以阻止內、外管間的相對軸向運動，連接方式如圖4 所示。

圖4 同一根雙壁鉆桿內、外管間的連接Fig.4 The connection between the inner and outer pipes of the same double?walled drill pipe

連接兩根獨立的雙壁鉆桿總成時，兩根獨立外管之間依靠圓錐螺紋連接在一起；兩根獨立內管之間則依靠插接的方式進行連接，二者之間的密封圈可以防止鉆井液在內、外管之間滲漏，連接方式如圖5 所示。

圖5 兩根獨立的雙壁鉆桿總成間的連接Fig.5 The connection between two independent double?wall drill pipe assemblies

2 鋁合金雙壁鉆桿不同鉆進工況靜力學計算

在提鉆過程當中，極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿孔口斷面所承受的拉力最大；而在正常鉆進過程當中，雙壁鉆桿孔口斷面同時受到拉力和扭矩的作用，隨著鉆進深度的增加，孔口斷面處所承受的拉力和扭矩也不斷增大。針對雙壁鉆桿孔口斷面拉伸工況、拉扭組合工況兩種極限工況，開展靜力學計算與有限元分析工作，探究極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿設計方案是否滿足極地冰下基巖鉆進使用要求。

由鋁合金雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭組成的鋁合金雙壁鉆桿外管總成是承受高強度拉力、壓力、扭矩和彎矩的主要部分，故對不同鉆進工況下鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析也主要針對外管總成展開。

2.1 極限拉伸工況

在提鉆過程中，鉆桿孔口斷面所受到的拉力最大，引起拉應力的主要載荷是鉆桿的重力。當鉆進深度為1000 m 時，考慮到摩擦力影響的最大拉力值由下式確定［20-21］：

式中：GΠ——提升鉆桿的重力，N；KΠp——考慮提升時附加阻力的系數(shù)，與鉆孔彎曲率和鉆進地質技術條件有關；G——鉆桿重力，N；θcp——頂角平均值，（°）；f——摩擦系數(shù)。

式中：α——考慮連接件后鉆桿質量增加的系數(shù)；L——鉆桿長度，m；g——重力加速度，m/s2；q——鉆桿每米加權平均質量，kg/m。

當考慮連接件后鉆桿質量增加的系數(shù)α取1.05、鉆桿長度L取1000 m、鉆桿每米加權平均質量q為13.64 kg/m、重力加速度g取9.83 m/s2時，將數(shù)據(jù)代入式（2）可得鉆桿重力G=140813.90 N。

當考慮提升時附加阻力的系數(shù)KΠp取1.2、頂角平均值θcp取3°、摩擦系數(shù)f取0.3 時，將鉆桿重力計算結果代入式（1）可得考慮到摩擦力影響的鉆桿拉力值GΠ=171398.17 N。

2.2 極限拉扭組合工況

2.2.1 拉力

在正常鉆進過程當中，鉆桿孔口斷面所受最大拉力可由下式確定：

式中：GΙ——鉆桿孔口斷面所受拉力，N；G——鉆桿重力，N；θcp——頂角平均值，（°）；f——摩擦系數(shù)；PΠ——鉆壓，N。

當鉆壓PΠ取5000 N 時，將數(shù)據(jù)代入式（2）、（3）可得鉆桿孔口斷面所受拉力GΙ=137831.80 N。

2.2.2 扭矩

在正常鉆進過程當中，鉆桿孔口斷面所受最大扭矩可由下式確定：

式中：N——消耗的總功率，W；ω——鉆桿回轉的角速度，s-1。

式中：Nx?B——鉆桿旋轉產生的空轉功率，W；Nεαδ——鉆頭鉆進時破碎孔底巖石時所消耗的功率，W；NΗoΠ——附加功率，W。

鉆桿旋轉產生的空轉功率可由下式確定：

式中：Nx?B——鉆桿旋轉產生的空轉功率，W；n——鉆桿轉速，r/s；L——鉆桿長度，m。

當鉆桿轉速n取500 r/min、鉆桿長度L取1000 m 時，將數(shù)據(jù)代入式（6）可得鉆桿旋轉產生的空轉功率Nx?B=90100.90 W。

硬質合金和金剛石取心鉆頭鉆進時破碎孔底巖石時所消耗的功率可由下式確定：

式中：Nεαδ——硬質合金和金剛石取心鉆頭破碎孔底巖石時所消耗的功率，W；Ny——鉆頭鉆進時單位面積消耗的功率，W/m2；F3——孔底面積，m2。

當鉆頭鉆進時單位面積消耗的功率Ny取150×104W/m2、孔底面積F3取8.37×10-3m2時，將數(shù)據(jù)代入式（7）可得合金和金剛石取心鉆頭破碎孔底巖石時所消耗的功率Nεαδ=12555.00 W。

附加功率所消耗的功率可由下式確定：

式中：NΗoΠ——附加功率，W；a——經(jīng)驗系數(shù)，對于實際鉆進工況中近似于垂直且直徑＞93 mm 的鉆孔，a=4.56×10-2；PΠ——鉆壓，N。

當鉆壓PΠ取5000 N 時，將數(shù)據(jù)代入式（8）可得附加功率NΗoΠ=1900.00 W。

將所有計算結果重新代入式（5）可得，鉆進過程中消耗的最大總功率為104555.9 W，繼續(xù)代入式（4）可得，正常鉆進過程中鉆桿所受的最大扭矩為1990.56 N·m。

綜上所述，在極限拉扭工況下鉆桿孔口斷面所受拉力GΙ為137831.80 N，扭矩M為1990.56 N·m。

以上兩種鉆進工況下雙壁鉆桿靜力學計算結果如表2 所示。

表2 不同鉆進工況下雙壁鉆桿靜力學計算結果Table 2 Static calculation results of double?wall drill pipe under different drilling conditions

3 鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析

3.1 鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析過程

（1）創(chuàng)建模型。首先，采用SolidWorks 建立極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿外管總成的模型。同時，為了提高工作效率，對雙壁鉆桿外管總成中圓角、倒角與彈性擋圈槽等部位進行了簡化。并將模型導入ABAQUS 當中。

（2）定義材料屬性。分別為雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭定義材料屬性，鋁合金材料在室溫25 ℃下的彈性模量為70 GPa、泊松比為0.33、密度為2.85 g/cm3；鋼材彈性模量為200 GPa、泊松比為0.25、密度為7.85 g/ cm3。

（3）定義相互作用。將雙壁鉆桿外管與外管公、母接頭間螺紋連接處的接觸定義為面-面接觸，摩擦系數(shù)設置為0.17。并在雙壁鉆桿外管公接頭端面新建參考點，將參考點與該端面耦合。

（4）劃分網(wǎng)格。所采用的網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，外管最小網(wǎng)格單元尺寸為4 mm，網(wǎng)格數(shù)量為841730 個；公接頭最小網(wǎng)格單元尺寸同樣為4 mm，網(wǎng)格數(shù)量為79086 個；母接頭最小網(wǎng)格單元尺寸為4 mm，網(wǎng)格數(shù)量為66520 個。

3.2 鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析結果

3.2.1 極限拉伸工況

將外管母接頭端面固定，在外管公接頭端面為鋁合金雙壁鉆桿外管總成設置極限拉伸工況下的荷載邊界條件：承受的拉力為171398.17 N。創(chuàng)建模擬作業(yè)并提交運行。

該工況下的應力云圖如圖6 所示。

圖6 極限拉伸工況下雙壁鉆桿外管總成應力云圖Fig.6 Stress cloud diagram of double?wall drill pipe outer pipe assembly under extreme tensile conditions

最大應力點位于鋁合金雙壁鉆桿外管與鋼接頭連接處螺紋根部，其值為183.8 MPa。

3.2.2 極限拉扭組合工況

將外管母接頭端面固定，在外管公接頭端面為鋁合金雙壁鉆桿外管總成設置彎扭組合工況下的荷載邊界條件：承受的拉力為137831.80 N，扭矩為1990.56 N·m。創(chuàng)建模擬作業(yè)并提交運行。

該工況下的應力云圖如圖7 所示。

圖7 拉扭組合工況下雙壁鉆桿外管總成應力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of the outer pipe assembly of double?wall drill pipe under tensile?torsional combined working conditions

綜上所述，針對雙壁鉆桿外管總成在極限拉伸工況、拉扭組合工況下的有限元分析結果表明：鉆桿孔口斷面在提鉆時產生的最大應力為183.8 MPa、在正常鉆進過程當中產生的最大應力為161.9 MPa，均遠小于鋁合金雙壁鉆桿外管材料的屈服強度489.99 MPa。故認為，極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿設計方案滿足極地鉆探強度方面的使用要求。

4 鋁合金雙壁鉆桿與鋼接頭連接試樣強度試驗

為了探究7075 鋁合金材料制得的鋁合金鉆桿與40CrMn 合金鋼材料制得的鋼接頭間的連接強度，制備了鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣，并利用WA-1000C 型萬能試驗機完成鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣的拉伸試驗、利用扭轉試驗機完成鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣的扭轉試驗［16］。

鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣中包含雙壁鉆桿外管公、母接頭各1 支，以及鋁合金雙壁鉆桿外管截取段2 支。連接后的試樣總長為400 mm，如圖8 所示。

圖8 鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣Fig.8 Sample of aluminum alloy drill pipe connected with steel joint

4.1 鋁合金雙壁鉆桿與鋼接頭連接試樣拉伸試驗

制得試樣后，利用WA-1000C 型萬能試驗機完成鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣拉伸試驗。圖9 展示的是斷裂后的鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣，圖10 展示的是鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣斷口。

圖9 斷裂的鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣Fig.9 Fractured sample connecting aluminum drill pipe to steel joints

圖10 鋁合金鉆桿與鋼接頭連接試樣斷口Fig.10 Fracture of sample connecting aluminum drill pipe to steel joints

試樣斷裂位置為鋁合金鉆桿外管公螺紋根部第一、第二螺紋牙之間；試樣破壞時的極限可承載拉力為399.5 kN，根據(jù)斷裂位置的橫截面積計算試樣的極限抗拉強度為477.73 MPa，略小于材料抗拉強度。由式（1）的計算結果可知，提升1000 m 長度的鋁合金雙壁鉆桿所需的最大拉力為208.11 kN，遠小于試驗中試樣破壞時可承載的極限拉力，表明極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿的設計方案可以滿足正常的起下鉆工作需求，如遇卡鉆、埋鉆需要進行強力起拔，則要控制起拔力不可超過399.5 kN。

4.2 鋁合金雙壁鉆桿與鋼接頭連接試樣扭轉試驗

利用扭矩試驗儀完成鋁合金鉆桿外管與鋼接頭連接試樣扭轉試驗，從零開始逐漸增大施加在試樣上的扭矩值，直至試樣發(fā)生破壞。增大扭矩至8264.7 N·m 時，鉆桿公螺紋密封面部分脫落，如圖11 所示，此時認為該狀態(tài)下鉆桿已發(fā)生破壞且無法正常完成鉆進工作。

圖11 鉆桿公螺紋密封面部分脫落Fig.11 Drill pipe male thread sealing surface partially detached

由式（4）的計算結果可知，在正常鉆進過程當中鉆桿所承受的最大扭矩為1990.56 N·m，小于試驗中試樣破壞時的極限扭矩值，同樣表明極地鉆探用雙壁鉆桿的設計方案可以滿足正常鉆進過程當中的扭矩使用需求。

5 結論

鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析結果表明：在極限拉伸工況下?102 mm 鋁合金雙壁鉆桿中的最大應力為183.8 MPa、在拉扭組合工況下最大應力為161.9 MPa，在以上兩種工況下鋁合金雙壁鉆桿中產生的最大應力均小于鋁合金材料的屈服強度489.99 MPa。

鋁合金雙壁鉆桿外管與鋼接頭連接試樣拉伸試驗與扭轉試驗表明：拉伸試樣破壞時的極限可承載拉力為399.5 kN，而提升1000 m 長度的鋁合金雙壁鉆桿所需的最大拉力為208.11 kN，遠小于試驗中試樣破壞時可承載的極限拉力；扭轉試樣破環(huán)時的極限可承載扭矩為8264.7 N·m，而鉆桿在正常鉆進過程當中所需承受的最大扭矩為1990.56 N·m，同樣小于試驗中試樣破壞時的極限扭矩值。

上述鋁合金雙壁鉆桿的有限元分析工作與雙壁鉆桿外管與鋼接頭連接試樣強度試驗均表明，極地鉆探用鋁合金雙壁鉆桿設計方案可以滿足極地鉆探使用要求。