鉆探施工中鉆桿折斷事故原因分析及預(yù)防建議

龐少青，李國東，姜彬霖

(1.華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066013;2.云南旅游職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650221)

鉆探施工中，經(jīng)常會發(fā)生孔內(nèi)鉆桿、鉆具折斷事故，這將直接影響施工進(jìn)度，如處理不當(dāng)還會造成鉆探進(jìn)尺報(bào)廢及管材的損失，由此造成大量人力物力的浪費(fèi)，使生產(chǎn)成本增高，而不能夠順利按計(jì)劃完成生產(chǎn)任務(wù)。由此，分析鉆桿折斷的原因及預(yù)防處理鉆桿折斷事故就顯得尤為重要。

1 華勘四隊(duì)近幾年斷鉆事故情況統(tǒng)計(jì)

在華勘四隊(duì)近幾年鉆探施工中，因鉆桿折斷造成管材損失，鉆孔報(bào)廢現(xiàn)象每年都有發(fā)生，同時(shí)也造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。近年鉆桿折斷事故統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 2008～2011年鉆桿折斷情況統(tǒng)計(jì)

因此，如何延長鉆桿使用壽命，減少或避免鉆桿折斷事故，制定有效的預(yù)防措施，把事故消滅在萌芽狀態(tài)是我們鉆探工作者必須解決的問題。

2 斷鉆事故實(shí)例分析

造成鉆桿折斷的原因無外乎二大因素。一是鉆進(jìn)的客觀主體即地層因素造成的，即鉆進(jìn)松散、超徑地層，以及裂隙巖溶地層容易發(fā)生斷鉆事故。二是鉆桿在加工、儲藏、運(yùn)輸、使用及保管等過程中，給鉆桿本身造成了性能傷害，而導(dǎo)致鉆桿使用性能及壽命的降低，造成鉆桿折斷。但就某一具體斷鉆事故，可能是一種或多種因素造成的。因此，造成事故的原因往往是各種因素的疊加、相互關(guān)聯(lián)的作用。下面就我們近年來各工地發(fā)生的斷鉆事故舉例說明并加以分析。

2.1 實(shí)例一:內(nèi)蒙古新巴爾虎右旗鉛鋅礦鉆探工程ZK21－2鉆孔

2.1.1 施工概況

ZK21－2鉆孔設(shè)計(jì)孔深550 m，設(shè)計(jì)傾角85°，于2008年9月1日開始施工，2008年9月26日鉆至井深450 m時(shí)，在206 m處發(fā)生斷鉆事故，處理無效，鉆孔報(bào)廢。

地層情況:0～25 m為第四系砂性粘土夾少量砂礫石;25～350 m為泥質(zhì)白云巖及角閃巖，350 m以深為花崗巖斑巖及角閃巖。

設(shè)備及鉆具配置:XY－4型鉆機(jī)，冶金部五一五隊(duì)鉆具廠生產(chǎn)的71 mm×5 mm普通繩索取心鉆桿，75.5 mm金剛石鉆頭，S75繩索取心鉆具。

鉆進(jìn)參數(shù):鉆壓2～3 kN，轉(zhuǎn)速574和819 r/min，泵量75 L/min(二速)。

沖洗液類型:無固相沖洗液。

2.1.2 事故發(fā)生過程

鉆進(jìn)至井深453 m時(shí)，班長操作發(fā)現(xiàn)無進(jìn)尺，泵壓無明顯變化(正常工作時(shí)泵壓為3.5 MPa)，工作電流由50 A降為30 A，隨后停鉆下打撈器打撈內(nèi)管，提拉內(nèi)管時(shí)在井深205 m處有憋卡現(xiàn)象，最后決定上鉆，上鉆后發(fā)現(xiàn)在206 m處鉆桿接手折斷，孔內(nèi)殘留247 m鉆桿。

2.1.3 事故處理過程

(2)開泵循環(huán)沖洗液，人工扭轉(zhuǎn)鉆桿，輕微串動(dòng)至井深206 m處接觸到鉆桿事故上頭;

(3)人工扭轉(zhuǎn)鉆桿上扣，吃扣20 mm左右，提拉鉆桿;

(4)提拉力達(dá)到50 kN時(shí)，鉆桿脫開彈起，隨后上鉆;

(5)上鉆后絲錐與事故鉆桿脫開，分析為絲錐扣老化，決定換新的絲錐下井繼續(xù)處理;

(6)鉆桿接上新絲錐下入井內(nèi)，人工上扣;

(7)提拉鉆桿，上提壓力達(dá)到50 kN時(shí)仍無反應(yīng)，隨后加大提升拉力，液壓表壓力達(dá)到80 kN時(shí)，鉆桿彈起，隨后上鉆;

(8)上鉆后發(fā)現(xiàn)鉆桿在150 m處鉆桿接手脫扣，更換新的接手后繼續(xù)下入井內(nèi)處理;

(9)對上扣后，提拉鉆桿，鉆桿分別在89、160、178 m等3處出現(xiàn)鉆桿接手脫扣現(xiàn)象;

(10)因現(xiàn)場無反絲鉆桿，事故處理宣告失敗，孔內(nèi)鉆桿最終殘留306 m鉆桿，報(bào)廢450 m鉆探工作量。

2.1.4 認(rèn)識和分析

(1)因本礦區(qū)施工多為400～500 m鉆孔，在選用鉆桿時(shí)我們采用的是舊鉆桿。這批鉆桿已累計(jì)施工了8000 m以上，多數(shù)鉆桿出現(xiàn)偏磨、彎曲等現(xiàn)象，且在庫房放置時(shí)間2年以上，大部分鉆桿露天存放，銹蝕現(xiàn)象較多，雖然部分配置了新的鉆桿接手，但多數(shù)鉆桿仍存在偏磨及絲扣老化現(xiàn)象。因此，施工中一旦井內(nèi)出現(xiàn)異常，斷鉆事故是不可避免的，同時(shí)大大增加了事故處理的難度。

(2)針對不同的礦區(qū)鉆孔施工，應(yīng)有針對性的選擇使用好鉆桿，決不能盲目使用。使用鉆桿前應(yīng)對鉆桿的規(guī)格、材質(zhì)及現(xiàn)狀進(jìn)行檢測，對舊鉆桿應(yīng)進(jìn)行分類保管，對偏磨及絲扣老化的鉆桿進(jìn)行重新加工處理或報(bào)廢處理。

(3)造成本鉆孔鉆桿損失及鉆孔報(bào)廢的主要原因就是選用鉆桿不合格。因此，選用合格的鉆桿、鉆具及加強(qiáng)鉆桿的用后管理是非常必要的。

2.2 實(shí)例二:剛果(金)銅鈷礦鉆探工程DK51－3鉆孔

2.2.1 施工概況

DK51－3鉆孔設(shè)計(jì)深度450 m，終孔口徑≮75 mm。該孔于2009年11月5日開鉆施工，至2009年11月18日因斷鉆事故終止鉆進(jìn)，報(bào)廢71 mm鉆桿194 m，報(bào)廢鉆探工作量283 m。

地層情況:0～13 m為雜填土;13～75 m為粉砂、中粒砂性土;75～148 m為灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖;148～283 m為白云巖、角閃巖。

沖洗液:低固相泥漿及無固相沖洗液，保證了良好的護(hù)壁效果，無坍塌、擴(kuò)徑現(xiàn)象。2.2.2 事故發(fā)生過程

鉆進(jìn)孔深至185～250 m孔段過程中，先后發(fā)生斷鉆事故4次，斷鉆部位在100～130 m處，下入75 mm事故絲錐都順利將殘留井內(nèi)鉆具取出。2009年11月15日，鉆進(jìn)至孔深283 m時(shí)，操作人員發(fā)現(xiàn)不進(jìn)尺，且動(dòng)力機(jī)負(fù)載變小，判定為鉆桿折斷，隨即上鉆，經(jīng)丈量鉆具驗(yàn)證，鉆桿折斷部位為148 m處。

2.2.3 事故處理經(jīng)過

(2)提鉆，將下部連接絲錐的鉆桿人工彎曲(憑經(jīng)驗(yàn)彎曲1°～2°)，繼續(xù)下鉆處理，人工扭轉(zhuǎn)鉆桿尋找對接鉆桿事故頭，處理一天均無效;

(4)開泵循環(huán)沖洗液沖孔，回轉(zhuǎn)鉆具，仍不能下至事故上頭;

(7)事故處理至11月20日，該孔事故已處理5天，仍無效，最終請示地質(zhì)人員報(bào)廢重新開孔。

2.2.4 認(rèn)識與分析

(1)本鉆孔多次發(fā)生斷鉆事故，應(yīng)引起機(jī)臺人員高度重視，分析原因采取措施，以避免事故的重復(fù)發(fā)生，但現(xiàn)場人員未采取任何有效措施，這是造成鉆孔報(bào)廢的主要人為因素。

(2)從事故處理過程分析來看，一方面是由于孔內(nèi)坍塌擴(kuò)徑，造成孔內(nèi)鉆桿偏斜至孔內(nèi)一側(cè)，致使下入的事故絲錐無法與鉆桿斷頭對接;另一方面是由于處理時(shí)間過長，孔內(nèi)事故孔段出現(xiàn)掉塊、沉淀等現(xiàn)象，沉淀物將事故上頭掩埋，增大了處理難度，這也是造成鉆孔損失的直接原因。

(3)井身結(jié)構(gòu)不合理，是造成斷鉆事故的根本原因。本孔78.6～153 m孔段為91 mm裸孔，未下入89 mm套管封隔，造成鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙較大，正常鉆進(jìn)過程中，鉆桿橫向擺幅較大，使鉆桿承受較大的交變應(yīng)力，造成鉆桿在接手處疲勞斷裂;另一方面由于鉆桿橫向振動(dòng)，不斷敲打孔壁，致使孔壁擴(kuò)大，橫向振幅增大，由此形成惡性循環(huán)，造成頻繁的斷鉆事故。

(4)設(shè)計(jì)選擇合理井身結(jié)構(gòu)，配置合理的鉆進(jìn)參數(shù)，將會大大降低斷鉆事故的發(fā)生。

2.3 實(shí)例三:青龍縣狼杖子鐵礦鉆探工程

2.3.1 施工概況

2011年9月，我們承接了青龍縣狼杖子鐵礦鉆探工程的勘探任務(wù)，該礦區(qū)設(shè)計(jì)3個(gè)鉆孔，單孔設(shè)計(jì)深度均在1000 m以深，甲方要求年底完工，為此，我們投入了2臺XY－5型鉆機(jī)、一臺XY－6B型鉆機(jī)進(jìn)行鉆探施工。至2011年底，本礦區(qū)只完成一個(gè)鉆孔1283 m，其余2臺鉆機(jī)均因斷鉆事故而未完成鉆探任務(wù)，造成鉆桿損失823余米，鉆探進(jìn)尺報(bào)廢458 m，給單位造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。

地層情況:本礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，0～300 m為灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖夾角閃巖;300 m以深為硅質(zhì)白云巖、泥頁巖及角閃巖、閃長巖。鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)漏失、掉塊等現(xiàn)象，巖石呈硬、脆、碎特性。

2.3.2 斷鉆發(fā)生情況及處理結(jié)果(表2)

表2 斷鉆發(fā)生情況及處理結(jié)果

2.3.3 認(rèn)識與分析

(1)本礦區(qū)施工斷鉆發(fā)生次數(shù)之多是我隊(duì)在以往鉆探施工中從未有過的，斷鉆部位多數(shù)發(fā)生在兩種不同規(guī)格鉆桿的連接手處。因此，造成多次斷鉆事故的發(fā)生與兩種不同規(guī)格鉆桿的混合使用是有直接關(guān)系的。

(2)不同材質(zhì)、不同規(guī)格的鉆桿其機(jī)械性能、抗疲勞強(qiáng)度等肯定有差異。我們在該礦區(qū)使用的鉆桿又是兩個(gè)廠家加工生產(chǎn)的，鉆桿絲扣的加工精度、公母扣的配合公差也存在較大的差異。即使是同一廠家而不同批次的鉆桿，也有性能及配合的差異。當(dāng)兩種鉆桿與孔內(nèi)承受載荷時(shí)，整個(gè)鉆桿柱就呈現(xiàn)出受力不均勻，具體體現(xiàn)在兩種鉆桿的連接處，長時(shí)間的工作會造成連接接手絲扣的折斷。

(3)加強(qiáng)鉆桿的分類保管及使用是十分必要的，嚴(yán)禁將不同類型、不同規(guī)格的鉆桿混合使用。

2.4 小結(jié)

綜上實(shí)例分析來看，鉆探施工中鉆桿折斷原因是多方面的，有地層因素也有人為因素，如搬運(yùn)及使用過程中的人為損害，操作者的規(guī)程參數(shù)、復(fù)雜地層的坍塌擴(kuò)徑等。要想最大限度的減少鉆桿折斷的發(fā)生次數(shù)，必須加強(qiáng)對所使用管材的系統(tǒng)管理。只有通過制定相應(yīng)的技術(shù)措施并認(rèn)真執(zhí)行，才能有效地減少或杜絕鉆桿折斷事故的發(fā)生概率。

3 預(yù)防或減少鉆桿折斷事故措施及建議

為了不發(fā)生或少發(fā)生折斷事故，必須做好對鉆桿的日常維護(hù)保養(yǎng)及管理工作，同時(shí)制定并實(shí)施有效的鉆進(jìn)工藝方案及技術(shù)措施。

3.1 鉆桿貯存

(1)建議將鉆桿貯存在架臺上，架臺木制或鐵制均可，離地面高度應(yīng)大于0.3 m，以防止水、潮氣、泥土等對鉆桿的銹蝕。

(2)鉆桿存放以少于或3層為宜，且層與層之間均勻墊以厚度均等的木板3根，以防止鉆桿存放過久產(chǎn)生自然彎曲。

(3)應(yīng)將鉆桿按不同規(guī)格，鋼質(zhì)，絲扣標(biāo)準(zhǔn)，用途等分別存放，并記錄編號，按具體工程需要分別使用。

(4)對倉庫內(nèi)長期存放的鉆桿，應(yīng)進(jìn)行涂抹防銹漆或采用其它方法進(jìn)行防腐處理工作。

(5)鉆桿入庫后，絲扣及臺肩部分要清洗干凈，涂上防銹油并戴好鉆桿護(hù)絲。

3.2 鉆桿的使用及維護(hù)

(1)在上下鉆加鉆桿或卸鉆桿過程中，應(yīng)注意嚴(yán)禁碰撞鉆桿接頭，應(yīng)由專人把持。

(2)鉆桿在連接前，應(yīng)嚴(yán)格檢查鉆桿絲扣，確認(rèn)沒有問題后，涂好絲扣油方可下入孔內(nèi)。

(3)在擰卸小口徑繩索取心鉆桿時(shí)，必須使用與鉆桿規(guī)格相同的自由鉗子，嚴(yán)禁使用管鉗子擰卸繩索取心鉆桿。

(4)當(dāng)施工較深鉆孔時(shí)(＞500 m)，最好使用長體鉆桿卡瓦，盡量避免使用短體卡瓦，以免擠傷鉆桿。

(5)在使用液壓夾持器夾持鉆桿時(shí)，操作手應(yīng)以中小油壓操作夾持器液壓手柄，嚴(yán)禁將手柄反復(fù)加壓而造成夾扁鉆桿情況的發(fā)生。

(6)擰卸鉆桿絲扣時(shí)，如有搖擺及遇阻現(xiàn)象，應(yīng)停下來仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)咬扣或滑絲現(xiàn)象應(yīng)重新更換接頭，嚴(yán)禁用大型鉗子硬上。

(7)上扣時(shí)必須將公母接頭臺肩靠緊，不能留有間隙。

(8)杜絕用立軸回轉(zhuǎn)來擰卸鉆桿。

(9)嚴(yán)禁使用彎鉆桿下井鉆進(jìn)施工。

(10)應(yīng)根據(jù)所使用鉆桿的屈服強(qiáng)度來提拉或扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁超負(fù)荷操作。

(11)使用較高礦化度的沖洗液時(shí)，應(yīng)考慮加入少量防腐劑，如(NH4)2HPO4或K2HPO4，可抑制或延緩鉆井液對鉆桿的腐蝕，這點(diǎn)在煤及油氣勘探施工中效果較好。

(12)控制沖洗液pH值在9～10.5，可減少鉆井沖洗液對鉆具的腐蝕。

(13)用細(xì)鉆桿施工較大口徑鉆孔或斜孔施工時(shí)，可在鉆桿中間加放膠皮扶正箍。

3.3 對鉆桿(鉆具)的綜合管理

鉆桿的成本費(fèi)用在鉆探工程施工中占有相當(dāng)大的比重，因此合理使用鉆桿及延長鉆桿使用壽命，需制定一套鉆桿及鉆具的管理制度，才能使施工成本下降，經(jīng)濟(jì)效益提高。

(1)鉆桿鉆具實(shí)行分類統(tǒng)計(jì)管理，依鉆桿的規(guī)格、新舊及所需施工的具體工程要求，進(jìn)行分別出庫配置管理，并制定相應(yīng)合理的經(jīng)濟(jì)管理制度。

(2)制定并建立管材采購入庫的自檢制度，檢查其規(guī)格、材質(zhì)、扣型等是否滿足我們的施工要求，不合格者不予入庫使用。

(3)統(tǒng)一鉆桿鉆具的絲扣標(biāo)準(zhǔn)，制定統(tǒng)一的地勘管材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(4)建議實(shí)行上下鉆桿倒換制度，上邊倒下邊，下邊倒上邊，改變鉆桿的受力狀態(tài)，使全套鉆具受力均衡。

(5)實(shí)行錯(cuò)扣檢查制度，即在提拉立根時(shí)，這趟鉆卸第二根鉆桿，下趟鉆可卸第三根鉆桿，這樣，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)每個(gè)單根鉆桿的連接情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，減少鉆桿折斷的幾率。

(6)對長期連接的鉆桿鉆具應(yīng)制定定期擰卸檢查制度。

(7)地勘單位可根據(jù)自身的實(shí)際情況，統(tǒng)一對使用的管材進(jìn)行超聲波探傷，可宏觀上掌握鉆具的使用損壞情況。

(8)制定機(jī)臺現(xiàn)場的檢查制度，定期對鉆具進(jìn)行肉眼觀察，清洗及現(xiàn)場的存放。

3.4 鉆進(jìn)工藝技術(shù)防范措施

(1)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)及套管配置，是預(yù)防鉆桿折斷事故的主要措施。如75 mm繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，上部應(yīng)下89 mm×5 mm的套管，60 mm繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，上部配套應(yīng)為73 mm×5 mm的套管，這樣，可最大限度減小鉆桿與井壁的環(huán)狀間隙，減少鉆桿回轉(zhuǎn)時(shí)橫應(yīng)振動(dòng)力。

(2)應(yīng)根據(jù)地層情況及鉆孔結(jié)構(gòu)及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，切勿機(jī)械性、盲目性地加壓或升高轉(zhuǎn)速。

(3)根據(jù)所鉆巖石的性質(zhì)，選擇使用與地層相適用、時(shí)效較高的鉆頭。建議選擇底唇面為階梯、鋸齒等形狀的異型鉆頭，這種鉆頭鉆進(jìn)時(shí)所需的鉆壓相比普通的鉆頭要小，鉆桿所受得軸向力相對要小。

(4)配制使用潤滑性能好的沖洗液，減少鉆桿在鉆進(jìn)時(shí)的回轉(zhuǎn)阻力。

4 結(jié)語

鉆探施工中鉆桿折斷原因往往是多種因素造成，包括從鉆桿加工出廠直到現(xiàn)場的使用維護(hù)及管理等，但只要從源頭把關(guān)，每一環(huán)節(jié)都認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)格按規(guī)程、制度去執(zhí)行工作，根據(jù)施工情況合理制定鉆進(jìn)參數(shù)，杜絕違章操作，就能夠減少或防止此類事故的發(fā)生，降低施工成本，提高施工經(jīng)濟(jì)效率。

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