红外线测速仪郭青;芦苇;肖丽辉
【摘 要】At present, beryllium copper non-magnetic drilling rod material is used for horizontal directional drilling in coal mine tunnel both in China and abroad.Because of the low elongation of this alloy material, the drilling rod is easy to be bro-ken.In order to solve this problem, high strength titanium alloy drill rod is developed;the material selection and the drill pipe thread structure design were discussed.The tests on upsetting process show that the strength is up to the design goal and the field tests verify the application effect of the drilling rod.%目前，国内外煤矿坑道水平定向钻探用无磁钻杆材料均选用铍铜QBe2（ C17200），该合金材料的延伸率低，钻杆易出现断裂事故。为解决这一问题，研究了高强度钛合金钻杆，探讨了钻杆的材料选择及螺纹结构设计。试验了钻杆的加厚工艺，其强度达到了设计要求，并通过现场试验验证了钻杆的使用效果。 【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》
电子元器件样品【年(卷),期】螺杆钻具2014(000)003
【总页数】4页(P52-55)
【关键词】煤矿;定向钻进;加厚工艺;钛合金;无磁钻杆;工业试验
【作 者】郭青;芦苇;肖丽辉
【作者单位】晋城煤业集团寺河矿，山西晋城048205;晋城煤业集团寺河矿，山西晋城048205;中煤科工集团重庆研究院，重庆400039; 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400039
【正文语种】中 文
【中图分类】P634.4
0 引言
鉴于近水平定向钻进技术在国外的成功应用，自20世纪90年代中期，我国很多煤矿陆续从美国、澳大利亚引进了定向钻进装备近30套，分别在松藻、铁法、淮南、抚顺、平顶山、晋城等矿区试用［1］。中煤科工集团西安研究院和中煤科工集团重庆研究院也相继开发了
用于水平定向钻进的钻探机具及其配套工艺，使我国煤矿坑道水平钻孔的钻探能力很快达到了1000 m。在煤矿开采领域，利用定向技术施工瓦斯抽放孔，可以在煤炭开采前对煤层进行瓦斯抽采，同时该技术还可用于探测岩浆侵入和瓦斯突出，可减少煤矿严重事故的发生。
在定向钻进系统中，为保证测量系统的测量效果及定位精度，需将测斜仪器放置于一定长度的无磁钻杆内［2］，并需在其前后端连接上、下无磁钻杆，为测量系统创造无磁环境。目前，国内外煤矿坑道水平定向钻探用无磁钻杆均选用铍铜QBe2(C17200)，其具有良好的无磁性，该合金时效处理后强度较高，但断裂延伸率低，即合金的断裂韧性差，造成了实际钻孔过程中铍铜无磁钻杆断裂事故［3］。在晋城煤业集团寺庄矿和成庄矿进行水平定向钻孔施工过程中，由澳大利亚VLD公司和中煤科工集团西安研究院生产的铍铜无磁钻杆均发生过多次断裂事故，使得螺杆钻具和测斜仪器掉落孔底，造成巨大的经济损失。针对该问题，需寻求一种更优良的无磁材料，研制出煤矿坑道水平定向钻探用高强度无磁钻杆，以减少无磁钻杆断裂事故。
1 无磁钻杆材料的选择
中央供氧在煤矿坑道水平定向钻进中，无磁钻杆一方面作为测量系统的载体，另一方面，无磁钻杆与定向钻杆一样，在钻进的过程中需承受着孔内复杂的受力，其性能直接决定了施工的安全性。为此，应对煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆材料提出以下要求。
(1)为避免磁场干扰，确保测量效果及定位精度，钻杆用无磁材料需具有良好的无磁性。航空母舰模型
(2)由于煤矿坑道水平定向钻进的工况复杂，无磁钻杆在孔内受到拉、压、弯、扭等多种作用，还会受到振动及冲击载荷的影响，要求钻杆用无磁材料需有较高的强度及较好的综合机械性能。
(3)为保证煤矿生产安全，根据《煤矿用金属材料摩擦火花安全性试验方法和判定规则》(GB 13813－2008)的规定，用于无磁钻杆的材料需具备碰击时不产生火花的性能。
(4)无磁钻杆应具有极好的耐腐蚀性。
钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，是力学、物理、化学综合性能良好的一种合金，其密度、强度和使用温度介于铝和钢之间，且比强度、韧性优于铍铜，并具有优异的抗腐蚀性能及无磁性。铍铜和钛合金两类无磁材料基本参数的对比见表1。
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表1 无磁材料性能参数表无磁性铍铜(C17200) 8.3 460 1.35×105 3材 料 密度/(g·cm－3)屈服强度/MPa弹性模量/MPa延伸率/%良好钛合金(TC4) 4.5 827 1.17×105 ≥12良好
与铍铜无磁材料相比，钛合金无磁材料具有密度低、屈服强度高、冲击韧性好及更耐腐蚀和磨蚀等特性。由表1可知，钛合金无磁材料的韧性为铍铜的1.15倍，强度质量比为铍铜的1.8倍，延伸率为铍铜的4倍多，延伸率能达到120钢级的水平。目前，用于超短半径钻井的钛合金钻杆已经研制成功，可用于曲率半径＜18.3 m的老井侧钻作业的需要，在使用过程中表现出可靠性好、使用寿命长等特性［4］。因此，选用钛合金代替铍铜加工无磁钻杆，可极大地提高无磁钻杆的综合机械性能，降低无磁钻杆断裂的可能性，减少煤矿坑道水平定向钻孔孔内事故的发生。
2 钛合金无磁钻杆的研制
2．1 钛合金无磁钻杆的结构设计
矿用钛合金无磁钻杆与常规钢钻杆相同，由3个基本要素组成:钻杆本体、钻杆公接头、钻杆母接头(见图1)。
图1 钛合金无磁钻杆示意图
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