摘要：钻杆轴向拉力是设计钻杆的重要因素之一。本文通过分析直连式绳索钻杆的轴向拉力情况，为直连式钻杆的研制提供重要的指导依据。
　　关键词：直连式钻杆；不全丝扣；轴向拉力计算；破坏拉力试验
　　绳索取心钻进技术在我国应运已经非常普遍，由于绳索取心钻进往往要钻进几天、十几天甚至几十天才能提钻一次，所以对绳索取心钻具的要求也越来越高。目前，国内绳索钻具普遍采用的是螺纹连接公母接头式钻杆，这种钻杆螺纹端数量多，容易造成失效，在钻进过程中经常出现事故，因此结构更加合理、材质更好的直连式绳索钻杆越来越受到市场的欢迎。
　　1. 概述
　　直连式绳索钻杆与螺纹连接公母接头式钻杆在相同的工作条件下，其综合机械性能应与螺纹连接公母接头式钻杆相当甚至更高，否则就很难满足当前绳索钻进条件下的使用要求。在钻进过程中，钻杆是整个钻杆柱的关键和主要组成部分，受到多种力的影响，包括：轴向拉压力、弯曲力、离心力等等，其中轴向拉压力对钻进影响极大，钻具拥有足够的轴向拉力，对科学钻进具有重要的意义。因此，对直连式绳索钻杆进行轴向拉力分析就显得非常重要，这也是决定直连式钻杆能否被市场接受的一个重要因素。
　　2. 钻具轴向拉力理论分析
　　钻具有多大的轴向抗拉力，对钻进深度有直接的影响，准确掌握钻具的轴向拉力，是科学钻进的重要前提。对直连式钻杆进行轴向拉力分析，首先要确定钻杆在钻进过程中轴向拉力会受到哪几种因素的影响。一般说来，钻杆在钻进过程中，轴向拉力主要受两方面的影响：一是重力作用的影响，钻杆柱最下面的拉力为零，井口处的拉力最大；二是钻柱与井壁之间的摩擦力。基于这两种因素的影响，设计钻杆时，轴向拉力必须要考虑一定的安全系数。
　　目前，国内常用的直连式绳索钻杆多为NQ、HQ两种，设计孔深大约在1000-1500米之间，下面我们将着重以NQ钻杆为例，通过理论计算和实际拉力试验分析其轴向拉力情况。
　　现阶段，国内直连式绳索钻杆材料一般选为XJY850，这种材质的管材综合性能好，具有较高的强度和良好的工艺性能，甚至可与国外同类产品相媲美。XJY850与国内其它常用管材的力学性能对比见表1：
　　表1 地质管材力学性能对比表
　　钢种 测试材料热处理状态 屈服强度 抗拉强度 伸长率 断面收缩率 冲击功 屈强比
　　 MPa MPa % %
　　30CrMoA 调质 ≥735 ≥930 ≥12 ≥50 ≥71 0.79
　　30CrMnSiA 调质 ≥885 ≥1080 ≥10 ≥45 ≥39 0.81
　　45MnMoB 调质 ≥750 ≥920 ≥12 ≥48 ≥56 0.81
　　XJY850 调质 ≥950 ≥1020 ≥16 ≥52 ≥75 0.93
　　在确定NQ钻杆的力学性能后，要分析NQ钻杆的轴向拉力，还需要确定NQ钻杆轴向拉力的薄弱点。从直连式绳索钻杆的螺纹特性来看，薄弱点应位于螺纹的不全丝扣处，又由于内螺纹接头截面比外螺纹接头截面大，因此计算NQ钻杆轴向拉力选择外螺纹接头不全丝扣处。计算NQ钻杆外螺纹轴向拉力参数见图1：
　　
　　图1 NQ钻杆外螺纹拉力参数图
　　从表1和图1中可知，NQ钻杆的抗拉强度为1020MPa，截面为φ64.368和φ60.3组成的圆环，因此NQ钻杆的轴向拉力F计算如下：
　　F=σb*S=1020*（π*32.184 -π*30.15 ）=406.07KN
　　由于国内NQ钻杆的设计深度大约都在1500米左右，其达到终孔深时自重重力约为120KN左右，而通过上述理论计算，NQ钻杆的理论轴向拉力大约在406KN，由此可推出直连式绳索钻杆轴向拉力的设计安全系数达到了2个以上。
　　3. 钻具轴向拉力破坏试验
　　为了验证NQ钻杆的轴向拉力理论数据和轴向拉力薄弱点，我公司委托山东建大工程鉴定加固研究所进行了NQ直连式钻杆的轴向拉力破坏试验。试验共进行了三组，试样拉断后得到的数值分别为406KN、430KN、430KN，通过这三组数值可看出，钻杆的实际数值达到了理论计算要求，而且从试样拉断后的状态可以看出，钻杆的薄弱点基本都位于不全丝扣处。拉断后的试样详见图2：
　　
　　图2 试样拉断后状态
　　4. 结论
　　通过对NQ直连式绳索钻杆的轴向拉力理论计算和实际拉力破坏试验，从中可以看出，直连式绳索钻杆的轴向拉力达到了设计使用要求，能够满足正常的钻进深度需要。总之，对直连式绳索钻杆进行轴向拉力分析，确定其轴向拉力的具体数值，对设计绳索钻杆具有重要的指导依据，同时也是科学钻进的重要前提，能有效降低钻探事故。
　　5. 参考文献
　　[1]况雪军，孙建华. XJY850高强度精密地质管材的研制[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2009,36（6）：28-30.
　　作者简介
　　杨东河（1982-），男（汉族），山东济南人，助理工程师，现从事钻机钻具设计工作。