鉆井鋼絲繩

1  前言
在石油用鋼絲繩中，消耗量**、對(duì)油田作業(yè)有影響、油田用戶和鋼絲繩生產(chǎn)企業(yè)*為關(guān)注的是鉆井鋼絲繩?；阢@井工況條件，鉆井鋼絲繩一直被列為特殊用途鋼絲繩， 不*ISO3178有明確提示，一些國(guó)家和組織還制定了專門技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如ГОСТ16853、DIN5881/1、APISpec9A，其中由美國(guó)石油協(xié) 會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)已上升為該國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即目前ANSI/API9A（ISO10425）。本企業(yè)是國(guó)內(nèi)石油用鋼絲繩制造基地，根據(jù)數(shù)五十年生產(chǎn)經(jīng) 驗(yàn)與了解、掌握的相關(guān)信息，本文就鉆井鋼絲繩技術(shù)變化趨勢(shì)問(wèn)題進(jìn)行探討。

 

2  對(duì)問(wèn)題的分析
2.1 鉆井用鋼絲繩繩芯鋼芯化已成定勢(shì)
          APIRP9B第6版，鉆井鋼絲繩按照繩芯材質(zhì)分為金屬芯和纖維芯兩種結(jié)構(gòu)，但在第10版，卻只保留金屬芯結(jié)構(gòu)。
在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，鉆井鋼絲繩一直是金屬芯與纖維芯兩種結(jié)構(gòu)并存，且以纖維芯結(jié)構(gòu)為主。本公司1985年5000噸石油鋼絲繩生產(chǎn)線引進(jìn)和1992年對(duì)原有石油鋼絲繩進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，繩芯鋼芯化似乎并未引起足夠重視，即使第10版已明確鉆井鋼絲繩應(yīng)選擇鋼芯結(jié)構(gòu)，這也沒(méi)有從根本上改變纖維芯鋼絲繩普遍使用的實(shí)際現(xiàn)狀。2000年后，本公司根據(jù)引進(jìn)北美鋼絲繩設(shè)計(jì)制造技術(shù)、產(chǎn)品出口信息和對(duì)同繩芯材質(zhì)鋼絲繩市場(chǎng)質(zhì)量反映分析，積極實(shí)施鉆井鋼絲繩繩芯鋼芯化，逐漸使鋼絲繩結(jié)構(gòu)趨于合理，也達(dá)到了提高產(chǎn)品使用壽命的預(yù)期目的。
        事實(shí)上，相對(duì)纖維芯，鋼芯**優(yōu)點(diǎn)是其更能保持鋼絲繩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)賦予鋼絲繩相對(duì)較強(qiáng)的抗擠壓能力和較高的破斷拉力。大量實(shí)踐證明：如果不是有特別要求，選擇鋼芯比選擇纖維芯能使鋼絲繩使用效果更優(yōu)。針對(duì)鉆井鋼絲繩的繞繩方式，這決定了即使不考慮繩芯對(duì)鋼絲繩*小破斷拉力的影響，也應(yīng)選擇金屬芯結(jié)構(gòu)，從目前國(guó)內(nèi)外鉆井鋼絲繩使用情況看，繩芯鋼芯化已成定勢(shì)。
 
2.2  鉆井用鋼絲繩質(zhì)量級(jí)別EIP已十分普遍
          在ANSI/API9A頒布前，鋼絲繩按鋼級(jí)概念分級(jí)，有IPS、EIPS和EEIPS等級(jí)別，只是在ANSI/API9A中才增加了按抗拉強(qiáng)度數(shù)值概念分級(jí)，對(duì)應(yīng)級(jí)別有1770MPa、1960MPa、2160MPa。長(zhǎng)期一來(lái)，國(guó)內(nèi)鉆井鋼絲繩通常以IPS級(jí)為主、EIPS級(jí)為輔，幾乎不用使用抗拉強(qiáng)度數(shù)值表示級(jí)別的鋼絲繩。本公司1999年開(kāi)始實(shí)施鉆井鋼絲繩質(zhì)量升級(jí)戰(zhàn)略，批量生產(chǎn)破斷拉力滿足EIPS級(jí)、組繩鋼絲韌性滿足IPS級(jí)鋼絲繩，使用取得明顯效果。從2000年后EIPS級(jí)鋼絲繩用量迅速增多，已發(fā)展到目前普遍使用，國(guó)外相關(guān)資料和出口國(guó)外鉆井鋼絲繩也顯示了與之相同的情況，如美國(guó)鋼絲繩聯(lián)合公司（unionrope）給出6×19類普通鉆井鋼絲繩級(jí)別為EIPS級(jí)、EEIPS級(jí)。從實(shí)際情況看EEIPS級(jí)鋼絲繩，目前使用情況很少，但也不排除未來(lái)可能得到普遍使用的可能性。
 
2.3  6×19S-IWRC占據(jù)鉆井鋼絲繩結(jié)構(gòu)主體地位但已不再**
          2.3.1 6×19S-IWRC占據(jù)鉆井鋼絲繩結(jié)構(gòu)主體地位
西魯式鋼絲繩**優(yōu)點(diǎn)是具有好的耐磨性，基于鉆井鋼 絲繩主要失效形式，長(zhǎng)期以來(lái)，該結(jié)構(gòu)自然成了其主體結(jié)構(gòu)，*典型、應(yīng)用*普遍的是6×19S-IWRC、6×19S-FC，也有少量的6×21S– IWRC，另外，還有6×26WS–IWRC和6×25F–IWRC等較好突出耐磨損性能鋼絲繩在標(biāo)準(zhǔn)中也被推薦。

                                            2.3.2 鉆井鋼絲繩結(jié)構(gòu)多元化

2.3.2.1 8股鋼絲繩被推薦使用

6圓股鋼絲繩應(yīng)用*為**，鉆井鋼絲繩長(zhǎng)期以來(lái)也是如此。然而世界一些鋼絲繩生產(chǎn)技術(shù)強(qiáng)勢(shì)企業(yè)也將8股鋼絲繩推向石油鉆機(jī)。8股鋼絲繩代替6股鋼絲繩基本出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)增加鋼絲繩柔軟性、組股鋼絲根數(shù)改善鋼絲繩疲勞性能，除之,還可增加鋼絲繩與匹配輪槽接觸面。

2.3.2.2 壓實(shí)股鋼絲繩被技術(shù)強(qiáng)勢(shì)企業(yè)推薦且通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證

除圓鋼絲8股鋼絲繩被推薦用于鉆井鋼絲繩外，壓實(shí)股鋼絲繩也被推薦，雖然目前壓實(shí)股鉆井鋼絲繩還未大面積推廣，但本公司相應(yīng)鋼絲繩在國(guó)內(nèi)不同油田試用成功實(shí)踐的事實(shí)表明其確實(shí)蘊(yùn)含巨大潛力。

2.3.2.2.1 壓實(shí)股鋼絲繩更加適合多層纏繞
石油鉆機(jī)輕型化導(dǎo)致了纏繞鉆井鋼絲繩卷筒尺寸受限，故鋼絲繩在卷筒必須采用多層纏繞。壓實(shí)股鋼絲繩相對(duì)圓鋼絲組股鋼絲繩可較好解決好其多層纏繞過(guò)程中的“干涉”問(wèn)題，從而保持鋼絲繩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與鋼絲之間小的磨損。不同股鋼絲繩股間鋼絲接觸對(duì)比，注意，壓實(shí)股鋼絲繩的這種特性雖并不被國(guó)內(nèi)鋼絲繩制造者深刻認(rèn)識(shí)，但英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)不同企業(yè)資料對(duì)此早有說(shuō)明。

2.3.2.2.2 壓實(shí)股鋼絲繩具有高的破斷拉力
盡管鉆井作業(yè)載荷高，而鉆機(jī)輕型化的設(shè)計(jì)思想力求鉆井鋼絲繩直徑又盡可能小，所以作業(yè)安全系數(shù)較低，采用壓實(shí)股鋼絲繩，鋼絲繩金屬填充系數(shù)增大，顯然在不改變鋼絲繩直徑情況下，可以提高其破斷拉力，相應(yīng)增加作業(yè)安全性。
 
2.3.2.2.3 壓實(shí)股鋼絲繩具有更良好的耐磨性
磨損是鉆井鋼絲繩主要失效方式之一，壓實(shí)股組繩，不*可以增加多層纏繞時(shí)鋼絲繩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且可以通過(guò)增大鋼絲繩與匹配輪槽接觸面積改善自身與匹配輪槽的耐磨性，普通股鋼絲繩、壓實(shí)股鋼絲繩與輪槽接觸對(duì)比。

2.3.2.3 組合平行捻股鋼絲繩更加適合較大規(guī)格鋼絲繩
鉆井深度增加帶來(lái)鋼絲繩直徑隨之加大，但其耐磨性仍需放在突出位置予以考慮，但西魯式結(jié)構(gòu)已不再**。如直徑38mm以下時(shí)，采用6×19S-IWRC比較理想，規(guī)格繼續(xù)增大，由于***組股外層鋼絲生產(chǎn)比較困難，于是組股外層鋼絲數(shù)目相對(duì)較少繼續(xù)突出耐磨性的其他結(jié)構(gòu)鋼絲繩出現(xiàn)了，如6×26SW-IWRC、6×31SW-IWRC鋼絲繩（注：6×26SW-IWRC鋼絲繩與國(guó)內(nèi)早期進(jìn)口9000m鉆井隨機(jī)配套6×21S-IWRC鋼絲繩股具有相同的耐磨性）。英國(guó)推薦鉆井鋼絲繩為6×19類、6×36類而不是6×19S-IWRC恐怕也是如此（注：6×19類是捻制股鋼絲繩，6×36類是壓實(shí)股鋼絲繩），其中7/8～1"、1/8～11/2"、15/8～2"不同直徑鋼絲繩對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)依次為6×26WS-IWRC、6×19S-IWRC、6×26WS-IWRC，這與unionrope完全相同。
 
2.4 特殊鉆機(jī)鋼絲繩日漸受到重視
          2.4.1 深井鉆機(jī)用鋼絲繩
近幾年，國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)迅速向大型化發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)已制造出9000米、10000米、12000米不同型號(hào)深井鉆井，對(duì)鋼絲繩要求相應(yīng)提高，其生產(chǎn)也受到重視，如本公司為國(guó)內(nèi)首臺(tái)12000米鉆機(jī)成功研發(fā)了直徑48mm的6×31WS-IWRC、EEIP級(jí)鋼絲繩，從國(guó)內(nèi)行業(yè)看，7000米以上鉆機(jī)鋼絲繩用量增加迅速，其直徑通常在35mm以上。

         2.4.2 極地鉆機(jī)用鋼絲繩
隨著國(guó)內(nèi)鉆機(jī)制造水平的不斷提高和對(duì)國(guó)外鉆機(jī)升級(jí)換代時(shí)機(jī)的適時(shí)把握，近幾年有相當(dāng)數(shù)量、不同型號(hào)鉆機(jī)出口高寒地區(qū)（注：該鉆機(jī)俗稱極地鉆機(jī)）?；谔厥獾氖褂铆h(huán)境，對(duì)鋼絲繩也提出了新的要求----應(yīng)具有良好低溫性能，而關(guān)于低溫環(huán)境下鋼絲繩生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)研究不多。

2.5 填塑工藝日漸受到重視
輔助填塑工藝提高鋼絲繩使用壽命已得到不同行業(yè)認(rèn)可，如電鏟鋼絲繩、集裝箱起重機(jī)鋼絲繩。填塑改善鋼絲繩使用壽命基于：其一：保持股間合理間隙。填塑將股間強(qiáng)制隔離，減少鋼絲繩受力后股與股間相互擠壓和因?yàn)榛瑒?dòng)而引起的摩擦，這是該技術(shù)改善鋼絲繩使用壽命**優(yōu)點(diǎn)所在。其二，減少?zèng)_擊、振動(dòng)載荷對(duì)鋼絲繩使用壽命的影響。鋼絲繩在使用過(guò)程中不可能總是受到平穩(wěn)載荷的作用，瞬時(shí)沖擊、振動(dòng)載荷雖然作用時(shí)間不一定很長(zhǎng)，但卻嚴(yán)重影響其使用壽命，填塑形成彈性墊能夠?qū)⑦@種性質(zhì)載荷在鋼絲繩中引起的瞬時(shí)應(yīng)力峰值有效削減。其三，兼顧了纖維芯鋼絲繩與鋼芯鋼絲繩共同優(yōu)點(diǎn)。填塑鋼絲繩均為金屬芯結(jié)構(gòu)，填料不*將鋼芯與外股機(jī)械隔離，且在一定程度上使這種鋼芯鋼絲繩具有纖維芯鋼絲繩的優(yōu)點(diǎn)----使主股容易彎曲，從一定意義上看，填塑鋼絲繩既可以看成是增加了柔軟性的金屬芯鋼絲繩，也可以看成是增加了剛性的纖維芯鋼絲繩。其四：鋼絲繩結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。填塑鋼絲繩相對(duì)于一般工藝生產(chǎn)鋼絲繩結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定，并不**因?yàn)槠淅K芯為金屬芯，也基于填料對(duì)股幾何位置的固定作用。其五：減少有害環(huán)境介質(zhì)對(duì)繩芯的腐蝕。鋼芯與外股間、外股與外股間孔隙被塑料填 充，可防止有害環(huán)境介質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部，從而達(dá)到對(duì)繩芯腐蝕保護(hù)，另外，包裹金屬芯表面塑料層能夠?qū)K芯油脂起封存作用，保護(hù)繩芯油脂不會(huì)流失或少流失。
正是考慮到鉆井鋼絲繩使用工況特殊性，故研究填塑工藝十分重要。雖然目前該工藝鋼絲繩用于石油鉆井還不普遍，但并不否認(rèn)其合理性，需認(rèn)真對(duì)待。

3 結(jié)語(yǔ)
石油鉆井鋼絲繩是特殊用途的鋼絲繩，隨著鋼絲繩設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步與鉆機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，近幾年技術(shù)變化特征明顯，突出表現(xiàn)在：繩芯材質(zhì)鋼芯化已成定勢(shì)，EIP級(jí)應(yīng)用已經(jīng)普遍、6×19S-IWRC雖然繼續(xù)占據(jù)鋼絲繩結(jié)構(gòu)主體地位并可能繼續(xù)維持一定時(shí)間，但已不再一統(tǒng)天下，特殊鉆機(jī)鋼絲繩日漸受到生產(chǎn)企業(yè)重視，壓實(shí)股鋼絲繩、填塑鋼絲繩在鋼絲繩壽命效果上取得的成果需要國(guó)內(nèi)企業(yè)予以高度重視。