信息摘要：
我國(guó)石油鉆井鋼絲繩從1987年開(kāi)始全面采用線接觸鋼絲繩，鋼絲繩服役壽命大幅提升，成為鉆井鋼絲繩第一次技術(shù)升級(jí)。1996年開(kāi)始，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，在確保鋼絲繩韌性指標(biāo)不降低的情況
我國(guó)石油鉆井鋼絲繩從1987年開(kāi)始全面采用線接觸鋼絲繩，鋼絲繩服役壽命大幅提升，成為鉆井鋼絲繩第一次技術(shù)升級(jí)。1996年開(kāi)始，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，在確保鋼絲繩韌性指標(biāo)不降低的情況下，強(qiáng)度級(jí)別由IPS級(jí)提升到EIP級(jí)，實(shí)現(xiàn)鉆井鋼絲繩第二次技術(shù)升級(jí)。近幾年隨著油田深井、超深井?dāng)?shù)量的增加，EEIP超高級(jí)鉆井鋼絲繩的研發(fā)成為發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)可為實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)輕型化提供技術(shù)支持。隨著針對(duì)壓實(shí)股鉆井鋼絲繩及高強(qiáng)度制繩鋼絲展開(kāi)深入研究，為超高強(qiáng)度石油鉆井鋼絲繩開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)，壓實(shí)股鋼絲繩與高強(qiáng)度制繩鋼絲研究相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出全新性能的EEIP級(jí)壓實(shí)股鋼絲繩，可滿足輕型化鉆機(jī)的需求。
1概況
鋼絲繩是鉆機(jī)必備配件之一，在一定程度上對(duì)鉆機(jī)輕型化起到一定作用。石油鉆井鋼絲繩一般由6根外股和1根鋼芯組成，結(jié)構(gòu)截面見(jiàn)圖1，普通鉆井鋼絲繩組繩鋼絲為圓鋼絲。采用壓實(shí)工藝對(duì)外層6根股通過(guò)專用工裝進(jìn)行壓實(shí)加工，經(jīng)壓實(shí)后組股鋼絲為異形，增大股內(nèi)金屬面積，由壓實(shí)股捻制的鉆井鋼絲繩稱為壓實(shí)股鉆井鋼絲繩，結(jié)構(gòu)截面見(jiàn)圖2、圖3。與同規(guī)格、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度級(jí)別的普通鋼絲繩相比，壓實(shí)股鉆井鋼絲繩金屬填充系數(shù)增加20%，鋼絲繩破斷載荷提高12%以上，抗磨損性能增加1倍，安全系數(shù)提高一個(gè)等級(jí)。對(duì)照API9A《石油用鋼絲繩規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，采用壓實(shí)股鉆井鋼絲繩可將現(xiàn)用鉆井鋼絲繩規(guī)格尺寸下移一檔（例如用38mm代替42mm），在保證生產(chǎn)安全作業(yè)基礎(chǔ)上使鉆機(jī)設(shè)備的卷筒體積縮小和質(zhì)量減輕，以此實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)輕型化，同時(shí)為鉆機(jī)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。
將鋼絲繩級(jí)別由EIP提升到EEIP級(jí)難度較大，需要從材料、鋼絲工藝和捻制工藝取得重大突破，基于國(guó)內(nèi)治金技術(shù)和盤條品質(zhì)的限制，單純提升強(qiáng)度會(huì)引起鋼絲韌性指標(biāo)急劇下降，疲勞壽命降低，實(shí)際鋼絲繩使用壽命較短。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝試驗(yàn)、采用壓實(shí)股工藝等手段有效提升了鋼絲繩性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩從EIP到EEIP的技術(shù)升級(jí)。
2EEIP壓實(shí)鉆井鋼絲繩研制
2.1產(chǎn)品設(shè)計(jì)
產(chǎn)品設(shè)計(jì)圍繞超高強(qiáng)度鉆井鋼絲繩結(jié)構(gòu)優(yōu)選、捻制參數(shù)設(shè)計(jì)、壓實(shí)股壓縮量設(shè)計(jì)、股壓實(shí)前鋼絲間隙設(shè)計(jì)、高強(qiáng)度鋼絲性能設(shè)計(jì)等問(wèn)題開(kāi)展工作。
2.2鋼絲繩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
考慮到超高強(qiáng)度韌性指標(biāo)，鋼絲繩應(yīng)達(dá)到EEIP級(jí)對(duì)應(yīng)的破斷拉力，要求組繩鋼絲強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到1960MPa以上，同時(shí)保證鋼絲韌性指標(biāo)達(dá)到AIP9A要求，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)直徑不小于38mm的壓實(shí)股鋼絲繩采用減小鋼絲直徑、增加鋼絲數(shù)量的設(shè)計(jì)方案，保證鋼絲繩具有良好的使用性能。
壓實(shí)股鉆井鋼絲繩參數(shù)采用《鋼絲繩設(shè)計(jì)軟件》，壓實(shí)股的壓下量根據(jù)金屬填充面積應(yīng)占圓股截面面積90%以上計(jì)算，設(shè)計(jì)中引入接觸角，改善了鋼絲之間的接觸狀態(tài)，提高了鋼絲繩疲勞性能和使用壽命。
3高強(qiáng)度鋼絲用盤條篩選
制繩鋼絲選用國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)硬線盤條，并對(duì)金相組織進(jìn)行分析，最后經(jīng)過(guò)熱處理和拉拔后機(jī)械性能分析，確定出最佳原材料牌號(hào)。
3.1盤條化學(xué)成分及機(jī)械性能對(duì)國(guó)內(nèi)3家生產(chǎn)的盤條化學(xué)成分對(duì)比，其中寶鋼盤條化學(xué)成分較均勻，含碳量變化范圍小，硫、磷等有害化學(xué)成分含量較少，控制范圍嚴(yán)格；原材料機(jī)械性能方面比較，選擇的硬線盤條抗拉強(qiáng)度較高，斷面收縮率值高。
3.2盤條金相組織分析
分析比較盤條原始金相組織和鉛浴淬火后金相組織（圖4），盤條經(jīng)鉛浴淬火后索氏體組織達(dá)到96%，晶粒更加細(xì)化，具有較好的綜合機(jī)械性能。
4壓實(shí)股加工方法研究
超高強(qiáng)度壓實(shí)股鉆井鋼絲繩與常規(guī)鉆井鋼絲繩制造最大的不同點(diǎn)是增加了由高強(qiáng)度鋼絲組成的壓實(shí)股工序。壓實(shí)股制造方法有3種，分別是模拉法、輥軋法和鍛打法，其中效率高、品質(zhì)好的是輥軋法，簡(jiǎn)單易行的是模拉法，鍛打法與其相比效率低、成本高。對(duì)于超高強(qiáng)度壓實(shí)股采用模拉法需要更大的牽引力，對(duì)捻股設(shè)備要求較高。分析目前的設(shè)備情況，采用模拉法會(huì)對(duì)設(shè)備的使用壽命造成影響，因此，在確定研究?jī)?nèi)容時(shí)重點(diǎn)研究輥軋法。
輥軋法關(guān)鍵技術(shù)是軋輥孔型曲線的設(shè)計(jì)，根據(jù)壓實(shí)股減面率及對(duì)比法設(shè)計(jì)出適合超高強(qiáng)度壓實(shí)股生產(chǎn)的輥軋孔型，設(shè)計(jì)軋輥孔型包角160°~164°，開(kāi)口角18~20°（圖5）。
5壓實(shí)股用油脂選用
油脂對(duì)鋼絲繩起到潤(rùn)滑作用，可有效延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命，生產(chǎn)鋼絲繩時(shí)首先要對(duì)股進(jìn)行充分潤(rùn)滑。
壓實(shí)股在成形過(guò)程中，由于組股鋼絲發(fā)生塑性變性會(huì)產(chǎn)生較多變形熱，測(cè)量出模口股表面溫度在65~75℃之間，股在變形過(guò)程中受到較大壓力和摩擦力，一般的鋼絲繩潤(rùn)滑油脂由于滴點(diǎn)較低，經(jīng)過(guò)模具變形，在高溫下出現(xiàn)揮發(fā)或流出，對(duì)壓實(shí)股起不到潤(rùn)滑效果。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，提出壓實(shí)股用油脂條件，要求油脂滴點(diǎn)大于80℃，其次黏度要高，具有良好附著力。
經(jīng)性能參數(shù)比較，CH-6、ELASKON 20、ELASKON Unolitl30、ELASKON SK-U4種油脂的技術(shù)指標(biāo)可滿足壓實(shí)股要求。進(jìn)行油脂性能對(duì)比試驗(yàn)，ELASKON SK-U油脂在壓實(shí)股表面附著力較強(qiáng)，為暗茶褐色，性價(jià)比較高，油脂滴點(diǎn)可達(dá)110℃，低溫脆點(diǎn)-45℃，適用于超高強(qiáng)度壓實(shí)股生產(chǎn)，實(shí)際使用效果良好。
6性能驗(yàn)證
通過(guò)對(duì)超高強(qiáng)度鉆井鋼絲繩性能和試用效果驗(yàn)證，性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期效果。
6.1疲勞性能驗(yàn)證
在彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)模擬鉆井工況對(duì)壓實(shí)股鉆井鋼絲繩進(jìn)行疲勞測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示：
（1）高強(qiáng)度壓實(shí)股鉆井鋼絲繩實(shí)測(cè)破斷拉力比同級(jí)別普通鉆井鋼絲繩提高了12.4%~25%。
（2）鋼絲繩疲勞次數(shù)26000次，是同級(jí)別普通鉆井鋼絲繩（15000次）的1.7倍，提高70%，鋼絲繩磨損量較小，斷絲數(shù)量未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求（一個(gè)捻距出現(xiàn)4根斷絲）。
（3）鋼絲繩磨損性能提高了1倍以上。
6.2用戶現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證
壓實(shí)股鉆井鋼絲繩先后在新疆、大慶等油田試用，大慶油田試用結(jié)果為普通鉆井鋼絲繩鉆井累計(jì)進(jìn)尺6000~7000m，壓實(shí)股鉆井鋼絲繩累計(jì)進(jìn)尺13000m，使用壽命延長(zhǎng)1.8倍以上；新疆油田試用結(jié)果為普通鉆井鋼絲繩平均累計(jì)鉆井進(jìn)尺為7000m，壓實(shí)股鉆井鋼絲繩累計(jì)進(jìn)尺11000m，壽命延長(zhǎng)1.5倍，應(yīng)用效果良好。
7結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)超高強(qiáng)度制繩鋼絲、超高強(qiáng)度壓實(shí)股技術(shù)突破，開(kāi)發(fā)出了全新性能的EEIP級(jí)壓實(shí)股鉆井鋼絲繩，隨著輕型化鉆機(jī)用鋼絲繩和超高強(qiáng)度鋼絲繩的需求越來(lái)越多，普通鉆井鋼絲繩已不能滿足超深井鉆井需求，超高強(qiáng)度壓實(shí)股鉆井鋼絲繩具有安全系數(shù)高，抗擠壓和耐磨損性能良好，使用性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，將成為我國(guó)鉆井鋼絲繩升級(jí)換代產(chǎn)品。
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