浅谈石油钻井用钢丝绳技术变化趋势 发布时间：2015-04-24
1 前言
在石油用钢丝绳中，消耗量最大、对油田作业最具影响、油田用户和钢丝绳生产企业最为关注的是钻井钢丝绳。基于钻井工况条件，钻井钢丝绳一直被列为特殊用途钢丝绳，不仅ISO3178有明确提示，一些国家和组织还制定了专门技术标准，如ГОСТ16853、DIN5881/1、APISpec9A，其中由美国石油协会制定的标准已上升为该国国家标准和国际标准，即目前的ANSI/API9A（ISO10425）。本企业是国内石油用钢丝绳制造基地，根据数十年生产经验与了解、掌握的相关信息，本文就钻井钢丝绳技术变化趋势问题进行探讨。
2 对问题的分析
2.1 钻井用钢丝绳绳芯钢芯化已成定势
APIRP9B第6版，钻井钢丝绳按照绳芯材质分为金属芯和纤维芯两种结构，但在第10版，却只保留金属芯结构。
在相当长时期内，钻井钢丝绳一直是金属芯与纤维芯两种结构并存，且以纤维芯结构为主。本公司1965年5000吨石油钢丝绳生产线引进和1982年对原有石油钢丝绳进行技术改造时，绳芯钢芯化似乎并未引起足够重视，即使第10版已明确钻井钢丝绳应选择钢芯结构，这也没有从根本上改变纤维芯钢丝绳普遍使用的实际现状。2000年后，本公司根据引进北美钢丝绳设计制造技术、产品出口信息和对同绳芯材质钢丝绳市场质量反映分析，积极实施钻井钢丝绳绳芯钢芯化，逐渐使钢丝绳结构趋于合理，也达到了提高产品使用寿命的预期目的。
事实上，相对纤维芯，钢芯最大优点是其更能保持钢丝绳结构稳定，同时赋予钢丝绳相对较强的抗挤压能力和较高的破断拉力。大量实践证明：如果不是有特别要求，选择钢芯比选择纤维芯能使钢丝绳使用效果更优。针对钻井钢丝绳的绕绳方式，这决定了即使不考虑绳芯对钢丝绳最小破断拉力的影响，也应选择金属芯结构，从目前国内外钻井钢丝绳使用情况看，绳芯钢芯化已成定势。
2.2 钻井用钢丝绳质量级别EIPS已十分普遍
在ANSI/API9A颁布前，钢丝绳按钢级概念分级，有IPS、EIPS和EEIPS等级别，只是在ANSI/API9A中才增加了按抗拉强度数值概念分级，对应级别有1770MPa、1960MPa、2160MPa。长期一来，国内钻井钢丝绳通常以IPS级为主、EIPS级为辅，几乎不用使用抗拉强度数值表示级别的钢丝绳。本公司1999年开始实施钻井钢丝绳质量升级战略，批量生产破断拉力满足EIPS级、组绳钢丝韧性满足IPS级钢丝绳，使用取得明显效果。从2000年后EIPS级钢丝绳用量迅速增多，已发展到目前普遍使用，国外相关资料和出口国外钻井钢丝绳也显示了与之相同的情况，如美国钢丝绳联合公司（unionrope）给出6×19类普通钻井钢丝绳级别为EIPS级、EEIPS级。从实际情况看EEIPS级钢丝绳，目前使用情况很少，但也不排除未来可能得到普遍使用的可能性。
2.3 6×19S-IWRC占据钻井钢丝绳结构主体地位但已不再唯一
2.3.1 6×19S-IWRC占据钻井钢丝绳结构主体地位
西鲁式钢丝绳最大优点是具有好的耐磨性，基于钻井钢丝绳主要失效形式，长期以来，该结构自然成了其主体结构，最典型、应用最普遍的是6×19S-IWRC、6×19S-FC，也有少量的6×21S–IWRC，另外，还有6×26WS–IWRC和6×25F–IWRC等较好突出耐磨损性能钢丝绳在标准中也被推荐。
2.3.2 钻井钢丝绳结构多元化
2.3.2.1 8股钢丝绳被推荐使用
6圆股钢丝绳应用最为广泛，钻井钢丝绳长期以来也是如此。然而世界一些钢丝绳生产技术强势企业也将8股钢丝绳推向石油钻机，如凯撒图1、图2。8股钢丝绳代替6股钢丝绳基本出发点是通过增加钢丝绳柔软性、组股钢丝根数改善钢丝绳疲劳性能，除之,还可增加钢丝绳与匹配轮槽接触面积。
2.3.2.2 压实股钢丝绳被技术强势企业推荐且通过实践验证
除圆钢丝8股钢丝绳被推荐用于钻井钢丝绳外，压实股钢丝绳也被推荐，如图2、图5、图6、图7，虽然目前压实股钻井钢丝绳还未大面积推广，但本公司相应钢丝绳在国内不同油田试用成功实践的事实表明其确实蕴含巨大潜力。
2.3.2.2.1 压实股钢丝绳更加适合多层缠绕
石油钻机轻型化导致了缠绕钻井钢丝绳卷筒尺寸受限，故钢丝绳在卷筒必须采用多层缠绕。压实股钢丝绳相对圆钢丝组股钢丝绳可较好解决好其多层缠绕过程中的“干涉”问题，从而保持钢丝绳结构稳定与钢丝之间小的磨损。，注意，压实股钢丝绳的这种特性虽并不被国内钢丝绳制造者深刻认识，但英国、德国、美国不同企业资料对此早有说明。
2.3.2.2.2 压实股钢丝绳具有高的破断拉力
尽管钻井作业载荷高，而钻机轻型化的设计思想力求钻井钢丝绳直径又尽可能小，所以作业安全系数较低，采用压实股钢丝绳，钢丝绳金属填充系数增大，显然在不改变钢丝绳直径情况下，可以提高其破断拉力，相应增加作业安全性。
图8 不同股钢丝绳股间钢丝接触对比
2.3.2.2.3 压实股钢丝绳具有更良好的耐磨性
磨损是钻井钢丝绳主要失效方式之一，压实股组绳，不仅可以增加多层缠绕时钢丝绳结构稳定性，而且可以通过增大钢丝绳与匹配轮槽接触面积改善自身与匹配轮槽的耐磨性.
2.3.2.3 组合平行捻股钢丝绳更加适合较大规格钢丝绳
钻井深度增加带来钢丝绳直径随之加大，但其耐磨性仍需放在突出位置予以考虑，但西鲁式结构已不再唯一。如直径38mm以下时，采用6×19S-IWRC比较理想，规格继续增大，由于高品质组股外层钢丝生产比较困难，于是组股外层钢丝数目相对较少继续突出耐磨性的其他结构钢丝绳出现了，如6×26SW-IWRC、6×31SW-IWRC钢丝绳（注：6×26SW-IWRC钢丝绳与国内早期进口9000m钻井随机配套6×21S-IWRC钢丝绳股具有相同的耐磨性）。英国推荐钻井钢丝绳为6×19类、6×36类而不是6×19S-IWRC恐怕也是如此（注：6×19类是捻制股钢丝绳，6×36类是压实股钢丝绳），其中7/8～1"、1/8～11/2"、15/8～2"不同直径钢丝绳对应结构依次为6×26WS-IWRC、6×19S-IWRC、6×26WS-IWRC，这与unionrope完全相同。
2.4 特殊钻机钢丝绳日渐受到重视
2.4.1 深井钻机用钢丝绳
近几年，国内石油钻机迅速向大型化发展，目前国内已制造出9000米、10000米、12000米不同型号深井钻井，对钢丝绳要求相应提高，其生产也受到重视，如本公司为国内首台12000米钻机成功研发了直径48mm的6×31WS-IWRC、EEIP级钢丝绳，从国内行业看，7000米以上钻机钢丝绳用量增加迅速，其直径通常在35mm以上。
2.4.2 极地钻机用钢丝绳
随着国内钻机制造水平的不断提高和对国外钻机升级换代时机的适时把握，近几年有相当数量、不同型号钻机出口高寒地区（注：该钻机俗称极地钻机）。基于特殊的使用环境，对钢丝绳也提出了新的要求----应具有良好低温性能，而关于低温环境下钢丝绳生产，国内企业研究不多。
2.5 填塑工艺日渐受到重视
辅助填塑工艺提高钢丝绳使用寿命已得到不同行业认可，如电铲钢丝绳、集装箱起重机钢丝绳。填塑改善钢丝绳使用寿命基于：
其一：保持股间合理间隙。填塑将股间强制隔离，减少钢丝绳受力后股与股间相互挤压和因为滑动而引起的摩擦，这是该技术改善钢丝绳使用寿命最大优点所在。
其二，减少冲击、振动载荷对钢丝绳使用寿命的影响。钢丝绳在使用过程中不可能总是受到平稳载荷的作用，瞬时冲击、振动载荷虽然作用时间不一定很长，但却严重影响其使用寿命，填塑形成弹性垫能够将这种性质载荷在钢丝绳中引起的瞬时应力峰值有效削减。
其三，兼顾了纤维芯钢丝绳与钢芯钢丝绳共同优点。填塑钢丝绳均为金属芯结构，填料不仅将钢芯与外股机械隔离，且在一定程度上使这种钢芯钢丝绳具有纤维芯钢丝绳的优点----使主股容易弯曲，从一定意义上看，填塑钢丝绳既可以看成是增加了柔软性的金属芯钢丝绳，也可以看成是增加了刚性的纤维芯钢丝绳。
其四：钢丝绳结构更加稳定。填塑钢丝绳相对于一般工艺生产钢丝绳结构稳定，并不仅仅因为其绳芯为金属芯，也基于填料对股几何位置的固定作用。
其五：减少有害环境介质对绳芯的腐蚀。钢芯与外股间、外股与外股间孔隙被塑料填充，可防止有害环境介质进入内部，从而达到对绳芯腐蚀保护，另外，包裹金属芯表面塑料层能够对绳芯油脂起封存作用，保护绳芯油脂不会流失或少流失。正是考虑到钻井钢丝绳使用工况特殊性，故研究填塑工艺十分重要。虽然目前该工艺钢丝绳用于石油钻井还不普遍，但并不否认其合理性，需认真对待。
3 结语
石油钻井钢丝绳是特殊用途的钢丝绳，随着钢丝绳设计技术的不断进步与钻机制造技术的不断发展，近几年技术变化特征明显，突出表现在：绳芯材质钢芯化已成定势，EIP级应用已经普遍、6×19S-IWRC虽然继续占据钢丝绳结构主体地位并可能继续维持一定时间，但已不再一统天下，特殊钻机钢丝绳日渐受到生产企业重视，压实股钢丝绳、填塑钢丝绳在钢丝绳寿命效果上取得的成果需要国内企业予以高度重视。
1 前言
在石油用钢丝绳中，消耗量最大、对油田作业最具影响、油田用户和钢丝绳生产企业最为关注的是钻井钢丝绳。基于钻井工况条件，钻井钢丝绳一直被列为特殊用途钢丝绳，不仅ISO3178有明确提示，一些国家和组织还制定了专门技术标准，如ГОСТ16853、DIN5881/1、APISpec9A，其中由美国石油协会制定的标准已上升为该国国家标准和国际标准，即目前的ANSI/API9A（ISO10425）。本企业是国内石油用钢丝绳制造基地，根据数十年生产经验与了解、掌握的相关信息，本文就钻井钢丝绳技术变化趋势问题进行探讨。
2 对问题的分析
2.1 钻井用钢丝绳绳芯钢芯化已成定势
APIRP9B第6版，钻井钢丝绳按照绳芯材质分为金属芯和纤维芯两种结构，但在第10版，却只保留金属芯结构。
在相当长时期内，钻井钢丝绳一直是金属芯与纤维芯两种结构并存，且以纤维芯结构为主。本公司1965年5000吨石油钢丝绳生产线引进和1982年对原有石油钢丝绳进行技术改造时，绳芯钢芯化似乎并未引起足够重视，即使第10版已明确钻井钢丝绳应选择钢芯结构，这也没有从根本上改变纤维芯钢丝绳普遍使用的实际现状。2000年后，本公司根据引进北美钢丝绳设计制造技术、产品出口信息和对同绳芯材质钢丝绳市场质量反映分析，积极实施钻井钢丝绳绳芯钢芯化，逐渐使钢丝绳结构趋于合理，也达到了提高产品使用寿命的预期目的。
事实上，相对纤维芯，钢芯最大优点是其更能保持钢丝绳结构稳定，同时赋予钢丝绳相对较强的抗挤压能力和较高的破断拉力。大量实践证明：如果不是有特别要求，选择钢芯比选择纤维芯能使钢丝绳使用效果更优。针对钻井钢丝绳的绕绳方式，这决定了即使不考虑绳芯对钢丝绳最小破断拉力的影响，也应选择金属芯结构，从目前国内外钻井钢丝绳使用情况看，绳芯钢芯化已成定势。
2.2 钻井用钢丝绳质量级别EIPS已十分普遍
在ANSI/API9A颁布前，钢丝绳按钢级概念分级，有IPS、EIPS和EEIPS等级别，只是在ANSI/API9A中才增加了按抗拉强度数值概念分级，对应级别有1770MPa、1960MPa、2160MPa。长期一来，国内钻井钢丝绳通常以IPS级为主、EIPS级为辅，几乎不用使用抗拉强度数值表示级别的钢丝绳。本公司1999年开始实施钻井钢丝绳质量升级战略，批量生产破断拉力满足EIPS级、组绳钢丝韧性满足IPS级钢丝绳，使用取得明显效果。从2000年后EIPS级钢丝绳用量迅速增多，已发展到目前普遍使用，国外相关资料和出口国外钻井钢丝绳也显示了与之相同的情况，如美国钢丝绳联合公司（unionrope）给出6×19类普通钻井钢丝绳级别为EIPS级、EEIPS级。从实际情况看EEIPS级钢丝绳，目前使用情况很少，但也不排除未来可能得到普遍使用的可能性。
2.3 6×19S-IWRC占据钻井钢丝绳结构主体地位但已不再唯一
2.3.1 6×19S-IWRC占据钻井钢丝绳结构主体地位
西鲁式钢丝绳最大优点是具有好的耐磨性，基于钻井钢丝绳主要失效形式，长期以来，该结构自然成了其主体结构，最典型、应用最普遍的是6×19S-IWRC、6×19S-FC，也有少量的6×21S–IWRC，另外，还有6×26WS–IWRC和6×25F–IWRC等较好突出耐磨损性能钢丝绳在标准中也被推荐。
2.3.2 钻井钢丝绳结构多元化
2.3.2.1 8股钢丝绳被推荐使用
6圆股钢丝绳应用最为广泛，钻井钢丝绳长期以来也是如此。然而世界一些钢丝绳生产技术强势企业也将8股钢丝绳推向石油钻机，如凯撒图1、图2。8股钢丝绳代替6股钢丝绳基本出发点是通过增加钢丝绳柔软性、组股钢丝根数改善钢丝绳疲劳性能，除之,还可增加钢丝绳与匹配轮槽接触面积。
2.3.2.2 压实股钢丝绳被技术强势企业推荐且通过实践验证
除圆钢丝8股钢丝绳被推荐用于钻井钢丝绳外，压实股钢丝绳也被推荐，如图2、图5、图6、图7，虽然目前压实股钻井钢丝绳还未大面积推广，但本公司相应钢丝绳在国内不同油田试用成功实践的事实表明其确实蕴含巨大潜力。
2.3.2.2.1 压实股钢丝绳更加适合多层缠绕
石油钻机轻型化导致了缠绕钻井钢丝绳卷筒尺寸受限，故钢丝绳在卷筒必须采用多层缠绕。压实股钢丝绳相对圆钢丝组股钢丝绳可较好解决好其多层缠绕过程中的“干涉”问题，从而保持钢丝绳结构稳定与钢丝之间小的磨损。，注意，压实股钢丝绳的这种特性虽并不被国内钢丝绳制造者深刻认识，但英国、德国、美国不同企业资料对此早有说明。
2.3.2.2.2 压实股钢丝绳具有高的破断拉力
尽管钻井作业载荷高，而钻机轻型化的设计思想力求钻井钢丝绳直径又尽可能小，所以作业安全系数较低，采用压实股钢丝绳，钢丝绳金属填充系数增大，显然在不改变钢丝绳直径情况下，可以提高其破断拉力，相应增加作业安全性。
图8 不同股钢丝绳股间钢丝接触对比
2.3.2.2.3 压实股钢丝绳具有更良好的耐磨性
磨损是钻井钢丝绳主要失效方式之一，压实股组绳，不仅可以增加多层缠绕时钢丝绳结构稳定性，而且可以通过增大钢丝绳与匹配轮槽接触面积改善自身与匹配轮槽的耐磨性.
2.3.2.3 组合平行捻股钢丝绳更加适合较大规格钢丝绳
钻井深度增加带来钢丝绳直径随之加大，但其耐磨性仍需放在突出位置予以考虑，但西鲁式结构已不再唯一。如直径38mm以下时，采用6×19S-IWRC比较理想，规格继续增大，由于高品质组股外层钢丝生产比较困难，于是组股外层钢丝数目相对较少继续突出耐磨性的其他结构钢丝绳出现了，如6×26SW-IWRC、6×31SW-IWRC钢丝绳（注：6×26SW-IWRC钢丝绳与国内早期进口9000m钻井随机配套6×21S-IWRC钢丝绳股具有相同的耐磨性）。英国推荐钻井钢丝绳为6×19类、6×36类而不是6×19S-IWRC恐怕也是如此（注：6×19类是捻制股钢丝绳，6×36类是压实股钢丝绳），其中7/8～1"、1/8～11/2"、15/8～2"不同直径钢丝绳对应结构依次为6×26WS-IWRC、6×19S-IWRC、6×26WS-IWRC，这与unionrope完全相同。
2.4 特殊钻机钢丝绳日渐受到重视
2.4.1 深井钻机用钢丝绳
近几年，国内石油钻机迅速向大型化发展，目前国内已制造出9000米、10000米、12000米不同型号深井钻井，对钢丝绳要求相应提高，其生产也受到重视，如本公司为国内首台12000米钻机成功研发了直径48mm的6×31WS-IWRC、EEIP级钢丝绳，从国内行业看，7000米以上钻机钢丝绳用量增加迅速，其直径通常在35mm以上。
2.4.2 极地钻机用钢丝绳
随着国内钻机制造水平的不断提高和对国外钻机升级换代时机的适时把握，近几年有相当数量、不同型号钻机出口高寒地区（注：该钻机俗称极地钻机）。基于特殊的使用环境，对钢丝绳也提出了新的要求----应具有良好低温性能，而关于低温环境下钢丝绳生产，国内企业研究不多。
2.5 填塑工艺日渐受到重视
辅助填塑工艺提高钢丝绳使用寿命已得到不同行业认可，如电铲钢丝绳、集装箱起重机钢丝绳。填塑改善钢丝绳使用寿命基于：
其一：保持股间合理间隙。填塑将股间强制隔离，减少钢丝绳受力后股与股间相互挤压和因为滑动而引起的摩擦，这是该技术改善钢丝绳使用寿命最大优点所在。
其二，减少冲击、振动载荷对钢丝绳使用寿命的影响。钢丝绳在使用过程中不可能总是受到平稳载荷的作用，瞬时冲击、振动载荷虽然作用时间不一定很长，但却严重影响其使用寿命，填塑形成弹性垫能够将这种性质载荷在钢丝绳中引起的瞬时应力峰值有效削减。
其三，兼顾了纤维芯钢丝绳与钢芯钢丝绳共同优点。填塑钢丝绳均为金属芯结构，填料不仅将钢芯与外股机械隔离，且在一定程度上使这种钢芯钢丝绳具有纤维芯钢丝绳的优点----使主股容易弯曲，从一定意义上看，填塑钢丝绳既可以看成是增加了柔软性的金属芯钢丝绳，也可以看成是增加了刚性的纤维芯钢丝绳。
其四：钢丝绳结构更加稳定。填塑钢丝绳相对于一般工艺生产钢丝绳结构稳定，并不仅仅因为其绳芯为金属芯，也基于填料对股几何位置的固定作用。
其五：减少有害环境介质对绳芯的腐蚀。钢芯与外股间、外股与外股间孔隙被塑料填充，可防止有害环境介质进入内部，从而达到对绳芯腐蚀保护，另外，包裹金属芯表面塑料层能够对绳芯油脂起封存作用，保护绳芯油脂不会流失或少流失。正是考虑到钻井钢丝绳使用工况特殊性，故研究填塑工艺十分重要。虽然目前该工艺钢丝绳用于石油钻井还不普遍，但并不否认其合理性，需认真对待。
3 结语
石油钻井钢丝绳是特殊用途的钢丝绳，随着钢丝绳设计技术的不断进步与钻机制造技术的不断发展，近几年技术变化特征明显，突出表现在：绳芯材质钢芯化已成定势，EIP级应用已经普遍、6×19S-IWRC虽然继续占据钢丝绳结构主体地位并可能继续维持一定时间，但已不再一统天下，特殊钻机钢丝绳日渐受到生产企业重视，压实股钢丝绳、填塑钢丝绳在钢丝绳寿命效果上取得的成果需要国内企业予以高度重视。
