地質鉆探外絲鉆桿的失效形式分析

王玉吉，王建華，李慶彬

（山東省地質探礦機械廠，山東濟南 250014）

地質鉆探外絲鉆桿的失效形式分析

王玉吉，王建華，李慶彬

（山東省地質探礦機械廠，山東濟南 250014）

結合生產(chǎn)和使用實踐經(jīng)驗，總結分析了地質鉆探外絲鉆桿及鎖接頭的失效形式，并給出了預防鉆桿及接頭失效的處理手段和方法。

鉆桿;鎖接頭;失效;預防

1 概述

鉆桿是鉆探施工中必不可少的工具，是用來連接鉆頭、用以傳遞扭矩和鉆壓的桿件。其內孔是輸送沖洗液和取出巖心的通道，是水龍頭和鉆頭之間的關鍵連接件。我廠是原地礦部指定鉆探工具生產(chǎn)廠家，從事鉆桿生產(chǎn)50多年，生產(chǎn)的大量的鉆桿在全國各個礦區(qū)使用。根據(jù)筆者近幾年的跟蹤研究，結合生產(chǎn)實際，總結了一點淺知拙見，希望能給廣大從事與鉆探行業(yè)有關的同仁提供借鑒。文中提到的鉆桿包含與其連接的鎖接頭，也稱有細扣鉆桿，是《地質鉆探用鋼管》（YB 235-70）和《地質鉆探鉆桿鎖接頭》（DZ 25-83）所涉及到的產(chǎn)品。

根據(jù)鉆桿用途，要求鉆桿必須能夠承受巨大的內外壓、扭曲、彎曲和振動。在鉆探施工過程中，鉆桿可以多次使用。

2 鉆桿使用工況及受力分析

鉆桿失效原因大致是由以下一些因素引起的:鉆進時鉆桿的基本力學工況，鉆具的組合及鉆井工藝，鉆孔規(guī)則性，偏磨，螺紋密封脂，鉆井液，鉆桿結構和材料，地層因素，井內腐蝕介質等，以上因素交互作用的結果導致鉆桿失效。

（1）鉆桿在內外充滿鉆井液的狹長鉆孔里工作，通常承受壓、彎、扭、液力等載荷。當鉆桿所受應力小于材料許用值時，鉆桿雖經(jīng)過無數(shù)次的彎曲，也不會產(chǎn)生疲勞裂紋。鉆探施工時鉆桿承受彎曲、扭轉和拉伸應力組成的復合應力很大，特別是在大位移定向井及水平井中扭矩極大。

（2）除旋轉向下的運動，同時還有鉆桿的各種振動和渦動。鉆桿作為一個旋轉的細長彈性桿件，有其固有振動頻率，鉆具的組合決定了此固有頻率。鉆桿旋轉時還會產(chǎn)生縱向、橫向和扭轉3種形式的振動，當它們的頻率與固有頻率相吻合時則產(chǎn)生共振。共振的結果會在原來鉆桿疲勞應力的基礎上附加一個額外的疲勞應力，加速鉆桿的失效。

（3）井徑不規(guī)則或擴徑嚴重的井段，鉆桿的彎曲程度隨之相應增大，鉆桿旋轉時連接螺紋部位受交變彎曲應力加速鉆桿疲勞失效，同時螺紋連接受力復雜化，加劇了螺紋疲勞損壞。

（4）井下鉆桿旋轉時存在著自轉、公轉、自轉和公轉共存3種形式。自轉引起鉆桿的均勻磨損，公轉引起鉆桿的偏磨，磨損后使鉆桿強度下降。

（5）地層構成不同，對鉆桿尤其是對鉆桿接箍的研磨程度也不同。地層可鉆性差，地層不均質性強，在鉆進過程中易發(fā)生憋、跳現(xiàn)象，加劇了鉆桿縱向振動，使鉆桿發(fā)生疲勞失效的概率增加。

3 鉆桿失效形式及原因分析

鉆探時，經(jīng)常會遇到鉆桿出現(xiàn)腐蝕、掉塊、偏磨、脫扣、亂扣、粘扣、拉斷、裂隙等現(xiàn)象，怎樣判斷鉆桿能否繼續(xù)使用是預防鉆探事故的關鍵問題之一。

3.1 鉆桿腐蝕

鉆桿腐蝕是指鉆桿及接頭表面出現(xiàn)麻窩狀凹坑的現(xiàn)象，出現(xiàn)的原因是由于泥漿酸堿度過低或過高時造成的電解腐蝕。由于鉆井液中含有一定量游離氧、CO2以及添加劑產(chǎn)生的H2S，都會對鉆桿表面造成腐蝕。另外，鉆桿遇卡后注入強酸解卡時，也會對鉆桿造成嚴重的腐蝕。而鉆井液中的其它離子如Cl-等，和H2S、CO2共同作用加速鉆桿表面的腐蝕。當前使用的鉆井液體系中的化學物質，如高鹵水鉆井液、酸性鉆井液、鐵礦粉加重材料系等也會造成鉆桿的腐蝕。

在日常存放過程中如果遇到酸雨或者存放環(huán)境潮濕，也會出現(xiàn)表面腐蝕現(xiàn)象。一般這種表面腐蝕對使用效果沒有太大影響，但是如果絲扣部分腐蝕比較嚴重，就會造成密封不好，使用壽命會大大降低，甚至會出現(xiàn)絲扣沖蝕或局部循環(huán)，引起燒鉆、斷鉆事故。

預防鉆桿腐蝕要求選用與鉆桿材料相適應的泥漿酸堿度，或在使用后立即用清水沖洗，避免腐蝕加重。另外，在鉆桿存放時注意通風干燥，長期存放可在鉆桿表面涂油防止氧化。

3.2 鉆桿掉塊

鉆桿掉塊是指鉆桿或接頭端部出現(xiàn)規(guī)則或不規(guī)則脫落的現(xiàn)象，多發(fā)生在鎖接頭公扣最前端或者鉆桿鐓粗末端（如圖1所示）。出現(xiàn)的原因是接頭或鉆桿在制造過程中熱處理不均勻，或者新舊鉆桿混用。預防掉塊問題的主要措施是:（1）在生產(chǎn)過程中控制好熱處理工藝，控制好加熱溫度、時間和鐓制過程;（2）加工時注意螺紋起點和終點處進退刀控制;（3）使用時注意新舊鉆桿盡量不混用，新舊鉆桿如果混用應該注意更換鎖接頭，因為鎖接頭在使用過程過會出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，母扣磨損后會造成螺絲錐度變大，也就是“喇叭”口變大，這時如果擰進公接頭會造成公接頭只有端部兩三扣吃勁，使用時受交變應力作用就會產(chǎn)生端部因受力太大而損壞。磨損嚴重的公接頭擰入新的母接頭雖然不會造成掉塊但是由于受力不均，會加劇母接頭“喇叭”口，因此新鉆桿不能與磨損較嚴重的舊鉆桿混合使用，否則會加劇新鉆桿的磨損。

3.3 鉆桿偏磨

圖1 鉆桿及接頭掉塊圖

鉆桿偏磨是指鉆桿使用后鎖接頭或鉆桿磨損不均勻的現(xiàn)象，如圖2所示。一般鉆桿外徑都小于接頭外徑，在使用中接頭因其可更換性，允許有一定量的磨損，出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象的原因主要是鉆桿不直、鉆壓過大或者鉆孔局部傾斜等。預防偏磨首先選用鉆桿直線度滿足要求的鉆桿，其次是注意選用合適的鉆進參數(shù)，第三選用較好潤滑性的泥漿，第四控制或者糾正孔斜。

圖2 鎖接頭偏磨圖

3.4 鉆桿脫扣

鉆桿脫扣是指鉆桿在使用過程中出現(xiàn)連接螺紋脫開的現(xiàn)象。螺紋是整個鉆柱上最薄弱的環(huán)節(jié)，其壽命一般難于同鉆桿本體相抗衡，在承受復雜交變應力（疲勞）頻繁作用時，就會發(fā)生鉆桿（接頭）脫扣。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因多為鉆桿或接頭磨損嚴重，連接強度達不到許用值造成的。預防脫扣主要注意及時更換磨損的接頭或鉆桿，接鉆桿前檢查連接螺紋磨損情況，盡量選擇無明顯磨損的鉆桿，另外在使用中選擇合適的鉆壓，盡量避免受壓和受拉點處于鉆桿接頭連接部位，形成鉆進或停車時脫扣。

3.5 鉆桿亂扣

鉆桿亂扣是指接頭螺紋沒有按正常順序旋合而形成螺紋損壞的現(xiàn)象，如圖3所示。亂扣產(chǎn)生的原因多是在接頭剛對上時，上鉆桿沒有豎直造成的，這種情況往往發(fā)生在機械擰管時（人工擰管沒有那么大的力量擰入）。預防這類事故主要是涂抹絲扣油，司鉆注意控制好下降和提升的量，并且注意擰管扭矩和旋合順暢程度，完全擰入后不要急于下入孔內，要觀察一下接合面是否基本對齊、鉆桿垂直度等。

3.6 鉆桿粘扣

鉆桿粘扣是指鉆桿與接頭或接頭與接頭之間的螺紋連接后擰卸不開，即使擰開了，也會因螺紋損壞而不能繼續(xù)使用的現(xiàn)象，如圖3所示。鉆桿粘扣產(chǎn)生的原因是在互相旋合前螺紋上面粘有氧化皮、砂石、泥巴等雜質，沒有清理干凈就強行連接造成的。這種問題一般發(fā)生在鎖接頭上，鎖接頭加工過程中要經(jīng)過多道熱處理工序，在內孔壁難免會存留氧化皮，施工中鉆桿接頭往往在地上拖行，灌入泥砂在所難免。使用或涂抹方法不當，如用柴油清洗鉆桿絲扣、螺紋密封脂不加蓋混入鉆井液、雜質或加機油稀釋使螺紋密封脂附著困難、螺紋密封脂涂抹量少或涂抹不到位等，造成鉆桿螺紋連接時不能進行有效的密封和潤滑而發(fā)生絲扣粘結。

圖3 接頭粘扣、亂扣圖

預防粘扣的主要關鍵在于清理，在螺紋旋合前一定要確認沒有影響旋合的雜質。同時注意絲扣油涂抹方法。一旦發(fā)生粘扣現(xiàn)象，一定要更換鎖接頭，不能修復使用，否則會造成與其連接的螺紋再次損壞。

3.7 鉆桿斷裂

鉆桿斷裂是指鉆桿在提拉過程中出現(xiàn)桿體斷裂的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因多為強力起拔或者鉆桿材料缺陷。鉆桿材料中的缺陷是鉆桿中薄弱的環(huán)節(jié)，在鉆桿受力復雜的服役環(huán)境中，也易引發(fā)鉆桿斷裂事故。預防拉斷主要就是限制卷揚機提升力，提鉆過程中出現(xiàn)鉆具突重現(xiàn)象不強拉，判斷出原因后再進行操作。尤其是遇到埋鉆或縮徑時，更應該注意提升力的控制。

3.8 鉆桿裂隙

鉆桿裂隙是指鉆桿或接頭出現(xiàn)裂紋并且裂紋已經(jīng)透過壁厚形成縫隙的現(xiàn)象。首先鐓管加厚工序會使原材料存在的微裂紋進一步加大;鉆桿使用時與孔壁摩擦產(chǎn)生的振動會引起彎曲應力交變頻率成倍增加，多次彎曲后產(chǎn)生疲勞微裂紋。微裂紋產(chǎn)生后便不斷擴大延伸，此時如果具有腐蝕作用的高壓鉆井液進入微裂紋中，就會加速裂紋擴展，最終導致鉆井液刺穿鉆桿的失效事故。同時，鉆具系統(tǒng)的共振也會產(chǎn)生極大的沖擊載荷，加劇鉆桿疲勞。另外，公母接頭錐度不合適，公接頭將母接頭撐裂;接頭與鉆桿螺紋錐度不匹配，也會將接頭撐裂。

鉆桿裂隙的預防主要是避免不同廠家的鉆桿濫用和不同規(guī)格的產(chǎn)品濫用，避免新舊鉆桿混用等。

4 結語

綜上所述，鉆桿失效的因素繁多，鉆桿的失效是各因素綜合作用的結果。就具體每眼井或每次鉆桿失效來講，應根據(jù)鉆桿失效分析，提煉出主要影響因素并采取相應的措施預防。

［1］ 歐啟柳.鉆桿折斷原因與規(guī)律分析［J］.探礦工程，1982，（4）.

［2］ 張澤廉.鉆桿接頭［J］.鋼管，1980，（2）.

［3］ 周衛(wèi)東，夏柏如，李羅鵬，等.鉆井液對鉆桿接頭沖蝕規(guī)律的試驗研究［J］.石油機械，2011，（10）.

［4］ 王慧嶺，滿國祥.一種新型高強度鉆桿的研制［J］.地質裝備，2012，13（1）.

［5］ 孫建華，梁健，張永勤，等.地質鉆探高強度鋁合金鉆桿研制及其應用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（7）.

［6］ 杜飛.淺談鉆桿失效分析［J］.科技風，2010，（5）.

［7］ 江進國，舒曉勇，韋念龍，等.基于ANSYS軟件的鉆桿扭轉振動分析［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2003，（S1）.

［8］ 余世杰，袁鵬斌，魏立明.鉆桿接頭螺紋粘扣原因分析［J］.石油鉆采工藝，2011，（1）.

［9］ YB 235-70，地質鉆探用鋼管［S］.

［10］ DZ 25-83，地質鉆探鉆桿鎖接頭［S］.

Failure Mode Analysis on External Threaded Drill Rod for Geological Drilling

WANG Yu-ji，WANG Jian-hua，LI Qing-bin（Shandong Geological Prospecting Machinery Plant，Jinan Shandong 250014，China）

Based on the production and the application practice，the failure modes of external threaded drill rod and tool joint were analyzed with the processing means and methods of prevention.

drill rod;tool joint;failure;prevention

P634.8

B

1672-7428（2012）07-0034-03

2012-05-02;

2012-06-12

王玉吉（1974-），男（漢族），山東平原人，山東省地質探礦機械廠高級工程師，地質機械專業(yè)，從事鉆掘設備及器具技術研究工作，山東省濟南市燕子山路2-2號，wyj8005@163.com;王建華（1973-），男（漢族），山東魚臺人，山東省地質探礦機械廠工程師，機械工程專業(yè)，從事鉆掘設備及器具技術研究及生產(chǎn)工作;李慶彬（1979-），男（漢族），山東鄄城人，山東省地質探礦機械廠工程師，機械工程專業(yè)，從事鉆掘設備及器具技術研究工作。