繩索取心鉆桿折斷事故的原因、預(yù)防與處理措施

李 寬， 李鑫淼， 梁 健

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

繩索取心鉆進(jìn)具有鉆進(jìn)效率高、取心質(zhì)量好、勞動(dòng)強(qiáng)度低、鉆頭壽命長(zhǎng)、鉆孔事故率低等突出優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于固體礦產(chǎn)勘查、科學(xué)鉆探、油氣資源地質(zhì)調(diào)查、海洋地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域。繩索取心鉆進(jìn)中，鉆桿除了要為鉆頭傳遞碎巖的鉆壓、扭矩外，還要為繩索打撈巖心提供運(yùn)行通道，因此鉆桿多為內(nèi)平結(jié)構(gòu)，壁厚相對(duì)較薄。

鉆桿在孔內(nèi)受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)、拉壓及腐蝕等作用，遇到復(fù)雜情況可能發(fā)生鉆桿折斷事故。鉆桿折斷不但影響施工效率，如處理不當(dāng)，還可能導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，造成施工周期延遲、鉆探綜合成本大幅升高；嚴(yán)重時(shí)，還可能發(fā)生鉆探設(shè)備和人身傷亡事故[1]。

2010年至今，筆者先后參與陸域天然氣水合物科學(xué)鉆探、頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查鉆探、大陸科學(xué)鉆探等，多次遇到鉆桿折斷事故，采取相應(yīng)技術(shù)措施均打撈成功。本文從鉆桿材質(zhì)優(yōu)選、鉆桿加工工藝和熱處理工藝、螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化和精細(xì)處理、鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆具級(jí)配優(yōu)化、護(hù)壁堵漏技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)程等方面對(duì)鉆桿折斷的原因、預(yù)防及處理措施進(jìn)行歸納與總結(jié)，希望能為今后地質(zhì)鉆探施工提供一些參考。

1 鉆桿折斷原因

1.1 鉆桿連接方式與加工質(zhì)量

1.1.1 鉆桿連接方式的原因

目前，最常用的繩索取心鉆桿是接頭連接式，螺紋連接部位壁厚相對(duì)較薄，再加上螺紋的牙底和尾部產(chǎn)生的應(yīng)力集中，螺紋部位成為整個(gè)鉆桿柱中最薄弱的環(huán)節(jié)[2]。鉆桿接頭經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等機(jī)械性能要比鉆桿體高近1倍，理論上鉆桿體螺紋是薄弱點(diǎn)。實(shí)際加工裝配中，鉆桿體外螺紋與接頭內(nèi)螺紋之間涂抹環(huán)氧樹脂粘接劑，高強(qiáng)度粘接劑抗剪強(qiáng)度可達(dá)24 MPa，橫向載荷分布均勻，受彎曲應(yīng)力接觸面積大；相比較，鉆桿接頭螺紋副反復(fù)擰卸，受緊密距大小的影響，抗剪截面有時(shí)很小，造成接頭螺紋斷裂[3]。在實(shí)踐中也證明了這一點(diǎn)，采用預(yù)扭矩?cái)Q緊并用粘結(jié)劑粘接的鉆桿，折斷一般發(fā)生在接頭螺紋處，現(xiàn)場(chǎng)更換接頭的鉆桿(無(wú)膠粘或預(yù)緊力不足)折斷一般發(fā)生在鉆桿體與接頭螺紋處。

1.1.2 材質(zhì)方面的原因

常用的國(guó)產(chǎn)繩索取心鉆桿用冷拔無(wú)縫鋼管有45MnMoB、30CrMnSiA等[4]，對(duì)折斷的鉆桿進(jìn)行金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硫化物、氧化物等非金屬夾雜物，材料中的有害元素，如As、Sn、Sb、Pb、Bi、P、S、O、N、H等含量控制不嚴(yán)格，純凈度不夠高。這些非金屬夾雜物造成鉆桿和接頭在熱處理淬火時(shí)微觀應(yīng)力集中，降低鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能，冷熱加工性能變差，導(dǎo)致許多缺陷的產(chǎn)生，易造成鉆桿、接頭斷裂[5-7]。

1.1.3 熱處理工藝方面的原因

調(diào)質(zhì)處理是淬火加高溫回火的雙重?zé)崽幚砉に?，借助高溫回?500～650 ℃)使材料的晶粒度細(xì)密，金相組織變成均勻回火索氏體，材料的綜合性能更佳，是提高無(wú)縫鋼管綜合機(jī)械性能最經(jīng)濟(jì)有效的辦法。鉆桿生產(chǎn)過程中，因熱處理設(shè)備和技術(shù)條件的限制，調(diào)質(zhì)處理時(shí)淬火和回火的溫度控制不夠準(zhǔn)確，從而影響了熱處理的效果。

1.1.4 機(jī)加工方面的原因

調(diào)質(zhì)處理后的桿體需要用液壓校直機(jī)進(jìn)行校直以保證直線度，高精度校直機(jī)資金投入大，而普通校直機(jī)由于工人操作原因很難保證每一根鉆桿都能達(dá)到直線度要求，所以導(dǎo)致鉆桿絲扣在加工時(shí)出現(xiàn)橢圓[8]，鉆桿桿體與接頭同心度也會(huì)存在一定誤差，進(jìn)而導(dǎo)致鉆桿、接頭的絲扣和密封錐面同軸性差，使鉆桿連接后發(fā)生偏斜。

1.2 復(fù)雜地層條件

1.2.1 孔壁不穩(wěn)定地層

不穩(wěn)定地層一般分為兩大類，第一類為力學(xué)不穩(wěn)定地層，鉆桿高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對(duì)孔壁進(jìn)行震動(dòng)、敲擊和刮削，孔壁失穩(wěn)，圍巖剝落，孔徑增大；第二類為遇水不穩(wěn)定地層，與沖洗液接觸引起分散、造漿、溶脹、剝落、溶解等，表現(xiàn)為鉆孔縮徑、超徑或垮塌等[9]。隨著鉆孔直徑的增大，鉆桿回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力也增大，當(dāng)鉆桿所受的應(yīng)力超過鉆桿的屈服應(yīng)力時(shí)，容易發(fā)生鉆桿折斷事故[10]。

1.2.2 漏失地層

鉆遇漏失地層，如不能采取有效的堵漏措施，頂漏鉆進(jìn)時(shí)上部鉆桿處于干摩擦狀態(tài)，回轉(zhuǎn)時(shí)得不到潤(rùn)滑與冷卻，扭矩明顯增大，接頭局部過熱，易出現(xiàn)折斷。

1.2.3 裂隙發(fā)育硬地層或軟硬交互地層

在裂隙發(fā)育的花崗巖、石英斑巖等硬地層或軟硬交互地層鉆進(jìn)時(shí)，易出現(xiàn)憋跳卡滑問題，導(dǎo)致孔底鉆具轉(zhuǎn)速與扭矩頻繁的急劇變化，使鉆桿發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和縱向震動(dòng)，導(dǎo)致鉆桿疲勞破壞[11]。

1.3 鉆孔彎曲

鉆桿在離心力及軸向壓力的作用下會(huì)發(fā)生彎曲，內(nèi)部產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，鉆桿合成應(yīng)力受彎曲應(yīng)力的影響最大。打斜孔或孔斜時(shí)，彎曲應(yīng)力增大，鉆桿柱內(nèi)生成交變應(yīng)力，引起鉆桿疲勞，嚴(yán)重影響鉆桿的強(qiáng)度和使用壽命。

1.4 腐蝕作用

鉆井液中存在游離態(tài)氧和大量的Ca2+、Mg2+等元素，易發(fā)生吸氧腐蝕，形成碳酸鹽結(jié)垢。鉆桿出井后，由于重力作用，鉆井液易在鉆桿接頭和鉆桿體的過渡區(qū)滯留，造成過渡區(qū)嚴(yán)重點(diǎn)蝕。管材中Cr、Mo、Ni元素能提高碳鋼的耐均勻腐蝕和耐點(diǎn)蝕能力，化學(xué)成分顯示，鉆桿接頭中這些元素的含量均高于鉆桿體中的含量，所以出現(xiàn)鉆桿體腐蝕程度大于接頭腐蝕程度的現(xiàn)象，腐蝕作用造成的鉆桿折斷或失效一般也都出現(xiàn)在鉆桿體螺紋根部[12-13]。

1.5 其他影響因素

(1)鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆具級(jí)配不合理：鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙過大，導(dǎo)致鉆桿發(fā)生彎曲而折斷。

(2)鉆進(jìn)參數(shù)選擇不當(dāng)：未能根據(jù)孔內(nèi)情況正確選用鉆進(jìn)參數(shù)，盲目開高轉(zhuǎn)速或加大鉆壓。

(3)沖洗液性能差：沖洗液護(hù)壁與潤(rùn)滑性能不好，未能起到護(hù)壁減阻作用；遇水不穩(wěn)定地層，濾失性能控制差。

(4)質(zhì)量控制措施不完善：起下鉆時(shí)鉆桿檢查不細(xì)致，未能及時(shí)更換過度彎曲、磨損、腐蝕或有細(xì)微裂紋的鉆桿[14]。

2 鉆桿折斷預(yù)防措施

2.1 高精度鉆桿制造

(1)鉆桿管材選擇：選用正規(guī)廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量無(wú)縫鋼管，如我所與浙江新紀(jì)元公司聯(lián)合研發(fā)了適合深孔、特深孔應(yīng)用的XJY950高鋼級(jí)精密繩索取心鉆桿用冷拔無(wú)縫鋼管，具有純凈度高、淬透性高和綜合性能高的優(yōu)點(diǎn)，已達(dá)到國(guó)外繩索取心鉆桿用管材的最高鋼級(jí)的要求[15]。

(2)螺紋參數(shù)優(yōu)化：考慮到目前常用繩索鉆桿的螺紋牙高(母螺紋扣高1.20 mm、公螺紋扣高1.25 mm)、螺紋長(zhǎng)度(50 mm)已滿足正常情況下深孔鉆進(jìn)所需的抗拉、抗扭要求，為解決鉆桿螺紋強(qiáng)度遠(yuǎn)低于桿體強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性問題，對(duì)緊密距、錐度、牙側(cè)間隙等鉆桿螺紋參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，提高螺紋嚙合精度。一些鉆桿制造企業(yè)、使用單位等通過理論計(jì)算、臺(tái)架測(cè)試與生產(chǎn)性試驗(yàn)，確定了供生產(chǎn)實(shí)踐參考的螺紋參數(shù)為：鉆桿螺紋錐度1∶30；接頭螺紋錐度1∶22；緊密距0.8～3.0 mm；牙側(cè)間隙為0.20～0.35 mm；內(nèi)螺紋大徑小于外螺紋大徑0.05 mm，以保證徑向過盈，且內(nèi)螺紋大徑帶錐度，保證徑向過盈長(zhǎng)度[16]。

(3)螺紋表面硬化處理：接頭螺紋副進(jìn)行化學(xué)鍍鎳-磷合金處理，鎳-磷合金鍍層硬度HV850～950，厚度0.02～0.04 mm，處理后金屬表面具有良好的耐磨性、耐腐蝕性與非粘著性。

(4)加工質(zhì)量控制：選用先進(jìn)的設(shè)備和工藝進(jìn)行精細(xì)加工和調(diào)質(zhì)處理，一般要求優(yōu)質(zhì)繩索取心鉆桿彎曲度≯0.7 mm/m；調(diào)質(zhì)過后的鉆桿，金相組織要求回火索氏體含量≥85%，晶粒度≥7級(jí)，以此確保獲得較高的綜合機(jī)械性能[17]。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆具級(jí)配優(yōu)化

鉆桿與套管或孔壁環(huán)狀間隙過大，容易造成鉆桿折斷；環(huán)狀間隙過小，在保證沖洗液起到良好的清潔孔底、攜粉和冷卻鉆頭的前提下，鉆井液循環(huán)阻力增大，沖洗液上返速度快，沖刷力強(qiáng)，起下鉆具時(shí)抽吸作用和產(chǎn)生“激動(dòng)”壓力大，往往容易造成孔壁掉塊、坍塌等。

綜合考慮沖洗液性能及水力參數(shù)、鉆桿、孔壁安全、固井等因素，鉆具間隙建議：鉆頭與上一級(jí)套管間隙≥1.5 mm，套管與孔壁間隙≥3.0 mm，鉆桿環(huán)空間隙≥3.0 mm[18]。鉆孔直徑和套管內(nèi)徑與鉆桿直徑也有合理的比值，金剛石鉆進(jìn)宜控制在1.07～1.12。

2.3 鉆孔彎曲控制

(1)提高鉆探設(shè)備安裝質(zhì)量，保證鉆塔、底座、鉆機(jī)安裝底盤牢固、水平，鉆塔、立軸、井口三點(diǎn)一線。

(2)深孔施工中，在近鉆頭與鉆桿柱分別安裝扶正器，不僅能起到防斜作用，同時(shí)降低鉆桿柱彈性系統(tǒng)在孔內(nèi)的徑向振動(dòng)和橫向偏磨，改善鉆桿工作狀態(tài)。

(3)確定合理的孕鑲金剛石鉆頭底唇面類型，中硬-硬巖層以及破碎巖層、破碎與完整交錯(cuò)巖層，選擇階梯形底唇面金剛石鉆頭；沉積巖、變質(zhì)巖等含巖粉較多的地層，選擇圓弧狀底噴型或單階梯導(dǎo)向式底噴型鉆頭。

(4)采用繩索取心沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)，選擇小鉆壓、低轉(zhuǎn)速等規(guī)程參數(shù)，能夠改善鉆桿的工作狀態(tài)，有效的控制孔斜。

2.4 護(hù)壁堵漏技術(shù)措施

繩索取心鉆進(jìn)一般應(yīng)使用優(yōu)質(zhì)無(wú)固相或低固相沖洗液，要求具有良好的流變性、潤(rùn)滑性與濾失性。對(duì)于復(fù)雜地層，相應(yīng)調(diào)整沖洗液性能。

(1)松散不穩(wěn)定地層：采用防塌型沖洗液，可明顯增加砂、礫之間的膠結(jié)性；提高沖洗液的抑制性；采用物理化學(xué)方法封堵地層的層理和裂隙，防止沖洗液進(jìn)入地層，避免孔壁發(fā)生坍塌。

(2)水敏性地層：盡量降低沖洗液的濾失量，API濾失量應(yīng)控制在5 mL內(nèi)，避免大量自由水進(jìn)入地層。鉆進(jìn)蒙脫石含量較高的泥頁(yè)巖地層，向沖洗液中加入氯化鉀、有機(jī)胺等強(qiáng)抑制劑，維持較低的粘度。鉆進(jìn)孔隙、裂隙發(fā)育的分散剝落地層，應(yīng)及時(shí)添加成膜劑等抑制分散性材料、乳化瀝青及隨鉆封堵材料，保持較高的粘度和密度。

(3)水溶性地層：在沖洗液中加入與地層被溶物相同的材料，最常用的就是飽和鹽水泥漿，可有效抑制其溶解，降低沖洗液對(duì)地層的溶蝕性。

2.5 優(yōu)化鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

遇鉆孔結(jié)構(gòu)不合理或復(fù)雜地層時(shí)，鉆壓應(yīng)適當(dāng)偏小，轉(zhuǎn)速盡可能要慢，靠低鉆壓、低轉(zhuǎn)速等弱鉆進(jìn)規(guī)程技術(shù)參數(shù)來(lái)切屑破碎巖心。弱規(guī)程鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)可以使鉆桿的離心力降到最小，減緩鉆桿對(duì)孔壁的沖擊破壞，同時(shí)可以減輕孔壁對(duì)鉆桿的磨損[19]。

2.6 做好鉆桿使用與維護(hù)

(1)鉆桿連接前用鋼刷將螺紋清理干凈，均勻涂抹絲扣油，盡量采用繩索鉆桿液壓鉗緊扣，保證螺紋緊密嚙合。

(2)鉆桿出井后應(yīng)及時(shí)清理鉆桿表面滯留的沖洗液和腐蝕介質(zhì)，存放期間采取相應(yīng)的防腐措施。

(3)使用過程中，定期、分批次對(duì)鉆桿進(jìn)行檢查，包括螺紋、彎曲、腐蝕等外管檢查。同時(shí)，可采用超聲波探傷檢測(cè)技術(shù)對(duì)繩索取心鉆桿進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，最大限度地預(yù)判鉆桿強(qiáng)度[20]。

3 鉆桿折斷處理措施

發(fā)生繩索取心鉆桿折斷事故，應(yīng)根據(jù)鉆桿材質(zhì)、折斷部位、斷面形狀等選用合適的打撈工具、采取相應(yīng)的處理措施：

(1)鉆桿接頭或鉆桿體折斷，端面形狀規(guī)則、無(wú)裂紋，一般使用打撈公錐處理，為常用處理工具。將公錐下入井下折斷繩索取心鉆桿的內(nèi)孔，沖洗液循環(huán)，加適當(dāng)?shù)你@壓并轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，迫使打撈螺紋擠壓吃入落物內(nèi)壁進(jìn)行造扣。當(dāng)所造之扣能承受一定拉力和扭矩時(shí)，可緩慢回轉(zhuǎn)、上提，將落物撈出[21]。如鉆桿或接手經(jīng)過整體熱處理，硬度和強(qiáng)度較大，公錐無(wú)法在事故鉆桿內(nèi)壁造扣，引起公錐“打滑”等，持續(xù)增大鉆壓可能造成鉆桿事故頭劈裂，擠在孔壁上造成二次事故，這種情況不宜采用公錐處理。

(2)鉆桿接頭或鉆桿體折斷，端面形狀不規(guī)則、有裂紋，或鉆桿體劈裂，一般使用可退式撈矛處理。前面所述的管材強(qiáng)度大公錐無(wú)法造扣的情況，也可使用撈矛處理?？赏耸綋泼谑托袠I(yè)應(yīng)用較多，由芯軸、圓卡瓦、釋放圓環(huán)和引鞋等組成。自由狀態(tài)下圓卡瓦外徑略大于落物內(nèi)徑，當(dāng)撈矛進(jìn)入落物內(nèi)孔時(shí)，圓卡瓦被壓縮，產(chǎn)生一定的外脹力，使卡瓦貼近外落物孔壁。隨芯軸上行和提拉力的逐漸增加，芯軸、圓卡瓦上的鋸齒形螺紋互相吻合，卡瓦產(chǎn)生徑向力，使其咬住落物實(shí)現(xiàn)打撈[22-24]。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文以地質(zhì)鉆探中時(shí)常出現(xiàn)的鉆桿折斷問題為導(dǎo)向，綜合分析了鉆探折斷的諸多因素，并從鉆桿材質(zhì)優(yōu)選、鉆桿加工工藝和熱處理工藝、螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化和精細(xì)處理、鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆具級(jí)配優(yōu)化、護(hù)壁堵漏技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)程等方面進(jìn)行規(guī)范與指導(dǎo)，以提高整個(gè)鉆探體系的可靠性。

(2)建議利用數(shù)值模擬的手段計(jì)算繩索取心鉆桿的各部分應(yīng)力分布，與鉆桿材料進(jìn)行強(qiáng)度校核，采取彎曲變形嚴(yán)重部位安裝扶正環(huán)等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化鉆具級(jí)配和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的目的。

(3)鉆探生產(chǎn)與使用過程中，在嚴(yán)把外觀與內(nèi)在質(zhì)量的檢驗(yàn)的同時(shí)，更加注重對(duì)鉆桿的內(nèi)在缺陷，如腐蝕缺陷、裂紋等的檢測(cè)，以便有效預(yù)防和減少井下鉆具質(zhì)量事故的發(fā)生。