鉆井鋼絲繩

1  前言
在石油用鋼絲繩中，消耗量**、對油田作業有影響、油田用戶和鋼絲繩生產企業*為關注的是鉆井鋼絲繩?；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，一些國家和組織還制定了專門技術標準，如ГОСТ16853、DIN5881/1、APISpec9A，其中由美國石油協 會制定的標準已上升為該國國家標準和國際標準，即目前ANSI/API9A（ISO10425）。本企業是國內石油用鋼絲繩制造基地，根據數五十年生產經 驗與了解、掌握的相關信息，本文就鉆井鋼絲繩技術變化趨勢問題進行探討。

 

2  對問題的分析
2.1 鉆井用鋼絲繩繩芯鋼芯化已成定勢
          APIRP9B第6版，鉆井鋼絲繩按照繩芯材質分為金屬芯和纖維芯兩種結構，但在第10版，卻只保留金屬芯結構。
在相當長時期內，鉆井鋼絲繩一直是金屬芯與纖維芯兩種結構并存，且以纖維芯結構為主。本公司1985年5000噸石油鋼絲繩生產線引進和1992年對原有石油鋼絲繩進行技術改造時，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選擇鋼芯結構，這也沒有從根本上改變纖維芯鋼絲繩普遍使用的實際現狀。2000年后，本公司根據引進北美鋼絲繩設計制造技術、產品出口信息和對同繩芯材質鋼絲繩市場質量反映分析，積極實施鉆井鋼絲繩繩芯鋼芯化，逐漸使鋼絲繩結構趨于合理，也達到了提高產品使用壽命的預期目的。
        事實上，相對纖維芯，鋼芯**優點是其更能保持鋼絲繩結構穩定，同時賦予鋼絲繩相對較強的抗擠壓能力和較高的破斷拉力。大量實踐證明：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。針對鉆井鋼絲繩的繞繩方式，這決定了即使不考慮繩芯對鋼絲繩*小破斷拉力的影響，也應選擇金屬芯結構，從目前國內外鉆井鋼絲繩使用情況看，繩芯鋼芯化已成定勢。
 
2.2  鉆井用鋼絲繩質量級別EIP已十分普遍
          在ANSI/API9A頒布前，鋼絲繩按鋼級概念分級，有IPS、EIPS和EEIPS等級別，只是在ANSI/API9A中才增加了按抗拉強度數值概念分級，對應級別有1770MPa、1960MPa、2160MPa。長期一來，國內鉆井鋼絲繩通常以IPS級為主、EIPS級為輔，幾乎不用使用抗拉強度數值表示級別的鋼絲繩。本公司1999年開始實施鉆井鋼絲繩質量升級戰略，批量生產破斷拉力滿足EIPS級、組繩鋼絲韌性滿足IPS級鋼絲繩，使用取得明顯效果。從2000年后EIPS級鋼絲繩用量迅速增多，已發展到目前普遍使用，國外相關資料和出口國外鉆井鋼絲繩也顯示了與之相同的情況，如美國鋼絲繩聯合公司（unionrope）給出6×19類普通鉆井鋼絲繩級別為EIPS級、EEIPS級。從實際情況看EEIPS級鋼絲繩，目前使用情況很少，但也不排除未來可能得到普遍使用的可能性。
 
2.3  6×19S-IWRC占據鉆井鋼絲繩結構主體地位但已不再**
          2.3.1 6×19S-IWRC占據鉆井鋼絲繩結構主體地位
西魯式鋼絲繩**優點是具有好的耐磨性，基于鉆井鋼 絲繩主要失效形式，長期以來，該結構自然成了其主體結構，*典型、應用*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準中也被推薦。

                                            2.3.2 鉆井鋼絲繩結構多元化

2.3.2.1 8股鋼絲繩被推薦使用

6圓股鋼絲繩應用*為**，鉆井鋼絲繩長期以來也是如此。然而世界一些鋼絲繩生產技術強勢企業也將8股鋼絲繩推向石油鉆機。8股鋼絲繩代替6股鋼絲繩基本出發點是通過增加鋼絲繩柔軟性、組股鋼絲根數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 壓實股鋼絲繩被技術強勢企業推薦且通過實踐驗證

除圓鋼絲8股鋼絲繩被推薦用于鉆井鋼絲繩外，壓實股鋼絲繩也被推薦，雖然目前壓實股鉆井鋼絲繩還未大面積推廣，但本公司相應鋼絲繩在國內不同油田試用成功實踐的事實表明其確實蘊含巨大潛力。

2.3.2.2.1 壓實股鋼絲繩更加適合多層纏繞
石油鉆機輕型化導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。壓實股鋼絲繩相對圓鋼絲組股鋼絲繩可較好解決好其多層纏繞過程中的“干涉”問題，從而保持鋼絲繩結構穩定與鋼絲之間小的磨損。不同股鋼絲繩股間鋼絲接觸對比，注意，壓實股鋼絲繩的這種特性雖并不被國內鋼絲繩制造者深刻認識，但英國、德國、美國不同企業資料對此早有說明。

2.3.2.2.2 壓實股鋼絲繩具有高的破斷拉力
盡管鉆井作業載荷高，而鉆機輕型化的設計思想力求鉆井鋼絲繩直徑又盡可能小，所以作業安全系數較低，采用壓實股鋼絲繩，鋼絲繩金屬填充系數增大，顯然在不改變鋼絲繩直徑情況下，可以提高其破斷拉力，相應增加作業安全性。
 
2.3.2.2.3 壓實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，壓實股組繩，不*可以增加多層纏繞時鋼絲繩結構穩定性，而且可以通過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、壓實股鋼絲繩與輪槽接觸對比。

2.3.2.3 組合平行捻股鋼絲繩更加適合較大規格鋼絲繩
鉆井深度增加帶來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，但西魯式結構已不再**。如直徑38mm以下時，采用6×19S-IWRC比較理想，規格繼續增大，由于***組股外層鋼絲生產比較困難，于是組股外層鋼絲數目相對較少繼續突出耐磨性的其他結構鋼絲繩出現了，如6×26SW-IWRC、6×31SW-IWRC鋼絲繩（注：6×26SW-IWRC鋼絲繩與國內早期進口9000m鉆井隨機配套6×21S-IWRC鋼絲繩股具有相同的耐磨性）。英國推薦鉆井鋼絲繩為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類是壓實股鋼絲繩），其中7/8～1"、1/8～11/2"、15/8～2"不同直徑鋼絲繩對應結構依次為6×26WS-IWRC、6×19S-IWRC、6×26WS-IWRC，這與unionrope完全相同。
 
2.4 特殊鉆機鋼絲繩日漸受到重視
          2.4.1 深井鉆機用鋼絲繩
近幾年，國內石油鉆機迅速向大型化發展，目前國內已制造出9000米、10000米、12000米不同型號深井鉆井，對鋼絲繩要求相應提高，其生產也受到重視，如本公司為國內首臺12000米鉆機成功研發了直徑48mm的6×31WS-IWRC、EEIP級鋼絲繩，從國內行業看，7000米以上鉆機鋼絲繩用量增加迅速，其直徑通常在35mm以上。

         2.4.2 極地鉆機用鋼絲繩
隨著國內鉆機制造水平的不斷提高和對國外鉆機升級換代時機的適時把握，近幾年有相當數量、不同型號鉆機出口高寒地區（注：該鉆機俗稱極地鉆機）?；谔厥獾氖褂铆h境，對鋼絲繩也提出了新的要求----應具有良好低溫性能，而關于低溫環境下鋼絲繩生產，國內企業研究不多。

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認可，如電鏟鋼絲繩、集裝箱起重機鋼絲繩。填塑改善鋼絲繩使用壽命基于：其一：保持股間合理間隙。填塑將股間強制隔離，減少鋼絲繩受力后股與股間相互擠壓和因為滑動而引起的摩擦，這是該技術改善鋼絲繩使用壽命**優點所在。其二，減少沖擊、振動載荷對鋼絲繩使用壽命的影響。鋼絲繩在使用過程中不可能總是受到平穩載荷的作用，瞬時沖擊、振動載荷雖然作用時間不一定很長，但卻嚴重影響其使用壽命，填塑形成彈性墊能夠將這種性質載荷在鋼絲繩中引起的瞬時應力峰值有效削減。其三，兼顧了纖維芯鋼絲繩與鋼芯鋼絲繩共同優點。填塑鋼絲繩均為金屬芯結構，填料不*將鋼芯與外股機械隔離，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點----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：鋼絲繩結構更加穩定。填塑鋼絲繩相對于一般工藝生產鋼絲繩結 構穩定，并不**因為其繩芯為金屬芯，也基于填料對股幾何位置的固定作用。其五：減少有害環境介質對繩芯的腐蝕。鋼芯與外股間、外股與外股間孔隙被塑料填 充，可防止有害環境介質進入內部，從而達到對繩芯腐蝕保護，另外，包裹金屬芯表面塑料層能夠對繩芯油脂起封存作用，保護繩芯油脂不會流失或少流失。
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，但并不否認其合理性，需認真對待。

3 結語
石油鉆井鋼絲繩是特殊用途的鋼絲繩，隨著鋼絲繩設計技術的不斷進步與鉆機制造技術的不斷發展，近幾年技術變化特征明顯，突出表現在：繩芯材質鋼芯化已成定勢，EIP級應用已經普遍、6×19S-IWRC雖然繼續占據鋼絲繩結構主體地位并可能繼續維持一定時間，但已不再一統天下，特殊鉆機鋼絲繩日漸受到生產企業重視，壓實股鋼絲繩、填塑鋼絲繩在鋼絲繩壽命效果上取得的成果需要國內企業予以高度重視。