水平定向钻进(HDD)用钻杆探讨.doc

水平定向钻进（HDD）用钻杆探讨来源：非开挖技术 作者：耿瑞伦 胡远彪 日期：2009年09月22日 访问次数：一、水平定向钻进技术应用领域非开挖铺设地下管线技术（“TT”）已有百余年历史，但其迅速发展始于20世纪50年代。非开挖技术不仅能施工许多高难度地下管线工程，而且是一项有利于环境保护的技术，与21世纪联合国议程目标相一致，从而获得许多国家政府和公用事业的支持。最明显的是于1986年9月在英国伦敦成立了国际非开挖技术协会（ISTT）。迄今已有包括中国（含香港和台湾地区）共28个国家和地区参加，并成立了各自的非开挖技术协会，拥有千余家公司会员和近两千名个人会员。每年都有国际性技术交流会和展览活动。出版有专门国际性刊物NO DIG INTERNATIONAL。非开挖技术已被视为一项新兴的、包括设备制造与工程施工的产业，亦是很多基础设施地下管线工程不可缺少的技术。不仅有广阔持久的发展前景，而且其技术本身也发展特别快，应用领域日益拓宽。据估计，目前全世界从事非开挖技术的制造商已超过400家；从事非开挖技术施工的承包商已超过4000家。队伍还在继续扩大。在非开挖铺设管线技术中除气动矛、夯管锤和微型隧道外，水平定向钻进技术（HDDHorizontal Directional Drilling）一直是主要增长发展快的领域。正因为其有以下主要优点和应用领域：1.HDD的主要优点：（1）可以按照工程需要设计的钻孔轨迹，在非固结地层和岩层中准确施工水平孔或弧形孔和弯曲孔；（2）可以先施工较小直径先导孔，然后经一次或两次以上扩孔施工较大直径的钻孔，铺设大直径管线；（3）可以一次钻孔并铺设管线，超长管线亦可以分段接力施工；。（4）可以穿越江河、沼泽、公路、铁路、机场、城市建筑物和禁止破坏地面区带以及绕障施工各类管线；（5）技术较易掌握，作业安全迅速，可比成本较低；（6）有利于保护环境，不影响交通，噪音低。2.HDD的主要应用领域：（1）管道给水管道：用于生活、工业、农业、牧业、养殖、绿化、消防等。l排水管道：用于生活与工业污水、自然降水等。l降水管道：用于降低湖泊与地下水水位。l集水管道：用于大口径集水井和坑内集水。l油气管道：用于石油、天然气、煤气、燃油、液化天然气等。l热力管道：用于热水和蒸汽。l工业管道：用于工业浆液、煤浆、粉（颗粒）状物质输送。l环境监测管道：用于地下水、土壤污染监测与处理。l特种用途管道：如塌坑救险等。l（2）缆线：含量大、面广的电力、照明、通讯、广播、电视、光纤网络缆线等。二、水平定向钻进技术发展与新成就伴随着社会发展需求的促进、相关技术的进步、HDD应用领域的拓宽，加上本项技术行业界的努力创新，推动HDD技术不断向前发展，日新月异，呈现一派繁荣景象。新的成就主要有：1.设计制造了从超小型到超大型一系列HDD用配套装备。包括能满足不同孔径、铺管直径、不同距离和不同工况管线铺设施工要求。表1列出了国外用于水平定向钻进钻机的若干性能参数（摘录自15家主要HDD钻机制造商提供的134种钻机数据）。2.研究制造出一系列高分辨率地下管线探测仪和探地雷达（Interrogator, Ground Penetration Radar）。目前探测有效深度从5m发展到20m左右。可以在施工前探明原有管线及障碍物，防止HDD施工时发生破坏性事故。一种新开发的被称作真空抽吸挖掘法（Vacuum Excavation）已被用来在土层中成孔（Potholing），以揭露地下原有管线，特别是用在如具危险性的电力缆线、光缆、煤气管道等。这种真空抽吸挖掘法不会破坏原有管线，通过反循环吸出被破碎之土屑而形成孔穴，可以直接观察到地下有无管线的真实情况。地下管线探测技术已发展成为TT技术分支，并已在国外成立了专业技术协会。3.开发了完善的HDD导向“前视”系统。含发射器、接收器、钻头定位视屏、远程显示器、数据实时记录视图系统等。在深度较大或地表不能有效跟踪钻孔轨迹或难以保证精度时，则采用了有缆导向系统，信号通过专门设计的钻杆向地表实时传输（MWD）。4.HDD施工实现高度机械化、自动化。发展了一系列现场机械化和自动化操作控制系统，包括钻机移动就位，搬移和拧卸钻杆，涂螺纹润滑脂、给进与回拉扩孔、铺设管线等。5.研究开发了适应不同地层条件HDD用循环介质。由于HDD大多在非固结地层施工，要求钻进循环介质有良好防塌、护孔、防渗漏、润滑减阻、减少泥包、降低回转扭矩和回拖力等作用。与比同时，推出了一系列高效泥浆制备与处理系统。6.开发了多种钻进工艺。除软地层采用水力喷射回转钻进外，在硬岩和漂砾层成功采用了液动和气动潜孔冲击器。在长距离钻孔施工时为减少摩擦阻力发展了双管套洗（跟套管）钻进工艺。当推拉力偏小时则因地制宜采用分段施工法、回拉加顶推或辅以绞车作业法。7.不断研究改进HDD用孔内钻具。包括钻杆、钻头、扩孔钻头、旋转接头、多管回拉头等。特别是钻杆及其连接的研究与改进（本文拟就此进行重点探讨）。8.开发了HDD钻孔设计跟踪与管理、培训软件。如美国Vermeer公司的“Atlas Boreplanner”钻孔设计软件。在汇集了已有地下信息和工程要求数据后可以给出理想的钻孔轨迹设计和采用相关的钻进参数，如钻杆直径和长度、钻孔直径和深度、扩孔直径、拉入管子直径和允许曲率半径等；还可按照施工中获得的信息及时修改。相关的管理特别是人员上岗培训软件正不断被开发完善。9.如今在TT领域里已成立了“定向穿越承包商协会（DCCA）”，并由该协会制定了一系列标准、规范和指南等。三、水平定向钻进用钻杆钻杆在所有钻探工程施工中都是最重要的常规、高成本配备和消耗器材。由于HDD技术应用日广，工况不一，施工条件（如铺管直径、长度、曲率半径、钻遇地层及障碍物、地面交通环境气候等）复杂多变，差异甚大。因此，施工对钻机能力以及与之相匹配的钻杆规格、结构、性能及其使用寿命要求甚严。在HDD施工中，钻杆直接影响工程的施工顺利与否。如果在孔内发生钻杆折落事故，常会造成工程失败，产生时间与经济乃至信誉的损失。1.HDD钻杆之功用与载荷HDD的应用领域如上述，主要施工水平和弧形乃至多弯曲钻孔，并进行铺设管线。施工中钻杆的功用和常规矿产钻探不完全相似。其主要功用如下：（1）传递和调整钻机给予钻头之轴向压力。（2）传递钻进和扩孔时钻机对钻头施加之扭矩。（3）回扩和拖拉铺设管线时承受钻机施加之拉张力和扭矩。（4）承受经常扭卸钻杆接头时的扭应力，以及钻进时瞬间突然增大的扭矩（Peak torque）。（5）承受钻头碎岩、钻具与孔壁摩擦产生的震动和冲击载荷。（6）承受在弯曲钻孔内推拉与回转时的弯曲疲劳载荷。（7）钻进时压力介质（液体或气体）由钻杆内输向孔底工作面。（8）当用有缆传输孔底信号时，信号缆线由专门设计的钻杆内接续。上图说明了HDD施工中钻杆作业工况与受力状态，亦说明HDD用钻杆的材质性能必须严格要求。图1只是侧面投影，实际还有水平投影，钻孔轨迹应是三维的。当钻孔愈长、弯曲幅度愈大、钻杆与钻孔环隙愈大以及钻孔有超径现象时，钻杆受力状态愈恶劣。2.HDD钻杆常见损坏原因地质岩心钻探用钻杆正常消耗有物化劳动消耗定额和生产积累的数据可寻。例如国外优质金刚石绳索取心钻进用钻杆使用寿命按钻进工作量计达到1500021000m。但HDD用钻杆消耗数据具体报导甚少。分析其损坏报废原因主要为：（1）钻杆疲劳折断。HDD钻孔除水平孔工况较简单外，都在三维空间承受复杂交变的压、拉、扭、弯曲、震动等载荷，加上磨损、腐蚀等作用在经过一定时效后即在应力集中或薄弱环节部位（很多发生在靠近公、母螺纹根部二、三扣）折断。主要表现为疲劳折断，而且弯曲与扭转应力起重要作用（图2）。国外有公司进行实验表明钻杆在施加不同弯曲应力下所得老化时效亦即疲劳强度明显不同，实验用持续回转的转数进行表示（图3）。（2）钻杆超负荷作业。如表1所列HDD钻机性能参数范围甚大，显然要求与其相匹配的钻杆。并有一定安全系数。但对不同规格钻杆在不同曲率半径弯曲孔段如何采用相对许可的扭矩和轴向载荷，这一点至关重要。举美国HACKER公司生产的HDD钻杆提供的资料，就推荐工作扭矩为3000ft/lbs、上扣扭矩为25003000ft/lbs的60.3mm钻杆而言，当钻杆回转和不回转作业时所能适应的曲率半径和轴向载荷分别示于图4和图5（3）钻杆过度磨损。包括钻杆和接头径向磨损和螺纹磨损。径向磨损多发生在有弯曲变形部位，并多呈偏磨损现象。有资料表明，当用88.9mm( 3.5”)钻杆其外径磨损0.8mm时，其强度即开始下降，当磨损3.175mm时，钻杆就面临报废。螺纹和台肩部位过度磨损结果会造成泄漏和冲蚀乃至连接不牢现象。（4）非正常操作维护。包括超负荷作业，夹持与拧卸工具不合式，没有采用优质螺纹润滑脂和经常合理润滑螺纹，搬运储存不当而变形锈蚀等。（5）发生孔内折落事故。如泥浆护孔失效、钻具卡埋、折断、落扣后无法处理。3.提高HDD钻杆使用效果的途径对如何提高HDD钻杆使用效果若干年来经过多家制造商和工程承包商共同努力，其主要经验不外乎规格尺寸系列优化设计，高强度钢材，端部连接结构、螺纹类型与加工和现场合理使用维护等。（1）采用合理规格尺寸。一是钻杆直径与钻孔直径和轴向载荷相适应。有资料介绍钻杆外径与钻孔直径比宜为1：1.52.0。施工大直径钻孔显然从强度和通水载面考虑，宜用大直径钻杆，并用扩孔方法。例如见诸HDD采用钻杆最大直径已达273mm。外径从小到大品类繁多，如25.4、38、42、48.3、52.4、60.3、73、76、82、88.9、102、114.3、127、139.7、168.2、175、203、273mm等。其中最多用的是38127mm。第二是钻杆壁厚。主要考虑强度与操作轻便。一种直径钻杆可以有23种壁厚供用户选择，如60.3mm钻杆采用壁厚可以为4.85mm和6.65mm；两者的载面积分别为8.41cm2和11.89cm2；抗拉强度和抗扭断面系数（Wp）显然不同。第三是钻杆单根长度。常随机配备并任客户挑选。钻杆长度与作业空间、钻机规格与施工钻孔长度相关而灵活采用。单根较长钻杆自然减少接头数量；降低接头加工成本；降低拧卸作业时间消耗（特别当采用信号缆时）；减低泥浆在接头处的泵压损失，相对提高泵送流量。见诸报导的钻杆单根长度有1.0、1.8、2.0、3.0、4.5、5.0、6.0、8.0、10.0m等。（2）采用优质高强度钢材。钻杆强度习惯用屈服强度标志其钢级，并采用石油钻井和矿产岩心钻探所用钢级标准（图6）。历史上曾长期使用E级钢钻杆，嗣后逐渐发展到X95、G105、S135、U170等，途径是用优质合金钢同时进行调质（淬火十回火）处理。如今不少HDD钻杆制造商如意大利ColliDrill、英国 Drillgear、美国 Drilltube日本 Y.S.M.公司等生产S135钢级钻杆，所用钢种如AISI4140，属于40铬钼调质钢。图7表明用不同钢级制造的60.34.85mm m和60.36.65m两种壁厚钻杆的抗拉屈服强度和抗扭屈服强度。HDD钻杆由于使用工况决定要求有良好的综合性能，既要高强度、又要良好弹性，不少制造商还提出其产品的良好坚韧性或柔韧性（Flexibility）。S135钢级和AISI4140合金调质钢符合上述技术要求。（3）采用钻杆端部内加厚或焊接接头。为增加接头螺纹部位的有效断面积，达到与钻杆体等强度或超过钻杆强度目的。石油钻井曾有提出接头的扭转强度应比钻杆大1320作为安全系数。钻杆接头的厚度为了加工螺纹必须远大于钻杆体厚度，并且可以采取不同加厚和焊接方法：一体式锻造法：在钻杆两端分别加热锻造加厚，而后整体经过调质热处理再加工公母螺纹，成为一（整）体式锻造钻杆（Forged one piece drill pipe）。这样保证管体和连接部位强度一致，并有良好的强度与坚韧性（弹性）不易永久变形（图8A）。英国著名的HDD钻杆制造商Drillgear公司即用S135钢级制作42.16、48.26、52.4、60.3、70.0、88.9mm等规格的一体式钻杆并供给美国的Vermeer公司配套应用。美国一家拥有专利的HDD钻杆制造商HACKER工业公司制造的称作高扭矩弹性钢钻杆（High Torgue Flex Steel Drill Pipe）。声称能承受较大的弧形钻孔的弯曲应力。其特点同样是采用一体式锻造和热处理调质钢管制造（One Single Piece of Forged Heat Treated Steel）。其加厚部分外径可以是外平的，如今采用的多数是略大于钻杆体，实际是内外加厚（例如 的钻杆加厚部为 ）；其加厚部分长度可以满足重复修理二次加工螺纹。钻杆长度从10至34英尺不等。整体式冷拔法：是日本Sanwo公司专利权的采用冷作加厚法（Cold drawn upset）加厚钻杆端部的“SSDR”钻杆。能保持接头部分与钻杆体等强度，并且可任选加厚长度、厚度、内壁光滑而且平缓过渡，减低泥浆流动阻力，利于重复修理加工螺纹（图8C）。其产量每月8001200t，畅销美、加、澳、南非、印度、等十多个国家。美长年公司绳索取心钻杆亦用之。这种70mm的钻杆在南非钻孔深度超过5000m。最近日本有资料称其生产的S135钢级钻杆其管体与接头屈服强度均能达到940Nmm2。应该说这种冷拔一体式钻杆对HDD使用是有独特优点的。闪光和亚弧焊接法：曾是油气井和水井钻杆的常规制造方法，闪光焊接(Flash Welding)或亚弧焊接（Sub-Arc Welding）可用已调质热处理的成品接头将其与管体焊接成一体，但其焊缝部位强度会有所减弱，现今已少用之。等离子弧焊接法：这种等离子弧焊接法（PLASMA Arc Welding）是一种无焊料的焊接法。同样用经调质热处理（亦可在表面高频淬火和镀硬铬）的成品接头与管体焊接，其焊缝处用700800F火焰加热消除应力，使焊缝处之强度降低不超过1015。美国长年公司用55.6mm等离子弧焊接钻杆绳索取心钻进孔深超过3000m。摩擦焊接法：这种目今石油钻井最多采用的摩擦焊接法（Inertia Welding）已移植用于HDD钻杆制造。其特点是设备工艺简单而且可以精密程控。焊接时金属软化但未熔化。焊接时要杜绝杂质进入焊缝，并在修磨时不受损伤。焊缝用电磁感应热处理消除应力。当接头已过度磨损可以由焊缝切断重新焊接新接头。意大利Colli Drill公司用此法制造的称作“PCC”（Progressive controlled Collapse）的HDD钻杆广泛用于欧洲市场；占市场25份额的美国Drilltube公司亦主要采用摩擦焊（亦用锻造法）制造60.3273mmHDD钻杆（图8B）。(4)采用合理螺纹类型与加工。主要包括螺纹类型、螺旋角、锥度、密封台肩、应力消减槽和加工检测等。螺纹部分是钻杆最重要的应力集中和经受磨损的部位。除前述要增加其壁厚外，螺纹本身设计加工将直接影响钻杆使用效果。矿产钻探金刚石钻进长期以来用平螺纹，并用每英寸3扣、齿高1.51.75mm的矩形螺纹或斜角为5的梯形扣。绳索取心钻杆则用1：16乃至1：30锥度梯形螺纹。上述平螺纹对抗弯和疲劳强度要求较高的HDD钻杆少用之。对钻杆螺纹有几点共识被引入HDD钻杆设计选型。如轴向载荷和扭矩是选择螺纹角和螺距及齿形重要依据，降低锥度和旋旋角能增大抗扭强度；任何齿形加工时切忌齿底出现锐角现象（Sharp root Corner）；宜采用双台肩密封面（Tow Shoulder Seals）；在公扣台肩处应力集中区有应力消减槽（Relif groove）等。图9是常见的几种锥形螺纹扣形。其锥度变化各家制造商尚无统一标准。常见的有：1：4、1：6、1：12.5、1：16、1：20、1：30等，并视扣形而异。图10表明应力消减槽的作用。图11 是美国Hacker公司用高强度合金钢制造的端部加厚后经热处理而后进行螺纹加工的钻杆（High Torgue Flex Steel Drill Pipe）。其锻造加厚部位外径略大于管体外径。例如 钻杆其加厚处外径为 。螺纹采用API60“V”形螺纹，公母螺纹双台肩密封（Metal to meatl sealed），利于承受较大扭矩和弯曲应力。螺纹用数控机床加工，表面磷化处理，防止粘扣。产品采取全面质量管理并提供质保证书。图12则为60.3mmHDD钻杆的实际剖面，并特别重视公、母螺纹应力集中区抗弯强度值的合理比值。为提高螺纹表面耐磨性能，意大利Colli-Drill公司采取表面渗氮处理，能起到耐磨、防粘扣和防腐蚀作用。另外在钻杆使用前给予相当螺纹屈服强度60的预扭矩。此外，有资料介绍为提高螺纹耐磨性曾对钻杆接头公母螺纹采用了表面高频淬火，使其表面硬度达到HRC50以上。美国长年公司绳索取心钻杆接头和螺纹外表亦采用了高频表面淬火。（5）合理操作与维护。做到合理操作与维护可以大幅度延长钻杆使用寿命，杜绝事故。选购获得ISO9001/9002或API质量认证的优质品牌HDD钻杆（如美国Drillgear、Drilltube）。钻机制造商随机提供的钻杆首先要是优质产品。所用钻杆规格性能（钻杆直径、壁厚及钢级）要能胜任工程施工的各项载荷。钻孔直径与轨迹设计和施工中改变轨迹要慎重考虑钻杆载荷能力，尽量采用较小出入土角、较大曲率半径、较少弯曲变化的钻孔轨迹设计；埋深不大的管线因地制宜采用工作坑设计有利于减少弯曲孔段施工。这都有利于减轻钻杆所受综合应力和磨损，特别是所受扭应力要在安全范围以内，以防止钻杆断裂，提高钻杆使用寿命。钻杆连接时扭矩恰到好处。防止过载粘扣或未拧满的现象。严防卡盘和管钳伤害钻杆。先进的钻机都有自动给进、提拉、搬移、对中、拧卸与涂螺纹脂机构。有直视参数仪表包括扭矩、转速和轴向载荷等，并有预警装置防止超负荷作业，利于保护钻杆。宜采用优质含软金属粉料的有固体润滑性质的螺纹润滑脂（Thread Compound）。如公认为含50锌粉（按重量比）的螺纹润滑脂，其作用有润滑，抗震及极压，防粘扣，防渗漏，防摩擦生热和磨损，延长螺纹使用寿命，防止在高温、高压和腐蚀等恶劣条件下对螺纹的腐蚀，有良好上扣系数（Coeffieient of make up），并且容易将接头拧开等。切忌用只有一层油膜的丝扣油（Slick）。图13是三种不同螺纹润滑脂使用时钻杆接头上扣扭矩与应力之关系，其中含锌50之螺纹脂上扣扭矩与应力均较低。图14则是采用七种不同螺纹脂时对钻杆螺纹卸扣扭矩相当于上扣扭矩的百分比对比。同样明显看出含锌50之螺纹脂卸扣扭矩最小，相当于上扣扭矩的8082。以上资料均是美国休斯公司提供的，值得重视。经常检查钻杆完好和磨损程度。决不采用有缺陷和过度磨损的钻杆，建立钻杆使用记录。弯曲变形的钻杆可用钻杆校直机（Straightener）校直。重新修理接头螺纹时严格按原产品要求进行，特别是螺纹尺寸形状和光洁度等，并有标准量规检测。暂时不用的钻杆严格清洗其外表、内壁和螺纹部分，并涂专用防锈油，要有螺纹保护塞、箍，妥善存放。现场操作人员要经过培训持证上岗。四、结论和问题探讨1.包含HDD在内的TT技术应用日广，技术不断进步，市场广阔，在世界范围内仍称得起朝阳行业。中国起步虽晚，但发展迅速。目前正处于：2HDD在TT技术内涵中应用尤广，发展最快。HDD技术包括机械装备、钻具、泥浆系统、测控系统、钻孔与扩孔铺设管线工艺等。对比国际先进水平，存在明显差距，中国TT界要针对差距，大力研发，要着眼国内外两个市场，大有可为。亦可走技术引进与国外企业合作道路。3.钻杆是HDD重要机具与消耗器材。首先要有完善的与国际多数国家采用的系列标准相接轨，其次要研发具有国际一流的S135钢级的钻杆是当务之急。我国曾用钢种其性能如下表所列，以资参考。调质热处理与校直被认为关键。* 相当于AISI4140，美国、日本及欧洲国家多用之，性能达S135钢级。4.为增强钻杆连接强度，端部锻造加厚、冷拔加厚、摩擦焊接都可异途同归。关键在于掌握其加工工艺，实现等强度。5.连接螺纹包括齿形、锥度、螺纹长度、台肩密封、应力消减槽等，现无公认标准。例如有“V”形扣和特殊梯形扣共存，其中每英寸4牙梯形扣采用渐广。台肩密封面有双平面者（图12），亦有公扣端呈平面、母扣端有斜角者。从发展看HDD钻杆包括直径、壁厚、长度、螺纹连接等应有标准系列可寻。其中大直径钻杆可借鉴石油钻杆。6.改变国产HDD钻杆生产面貌之关键要有设备精良、人员精干、经营管理精明的钻杆制造厂。吸取国外先进技术，利用国内成功经验，争取较短时期内生产供