钻杆失效分析与预防

孙道彬

（黑龙江科技大学，哈尔滨150022）

0 引言

煤矿瓦斯灾害在我国尤其是东北地区尤为严重，采用钻孔抽取瓦斯是保证安全生产最直接的手段，也最有效果；然而，钻探中钻杆的失效是一个很常见并且很严重的问题。当钻杆磨损到一定程度的时候，就必须更换新的钻杆，防止事故的发生。目前对钻杆磨损程度的检测还不能实现自动化，大多数的煤矿企业是依靠技术人员在现场进行目测，但当地质条件发生剧烈变化，钻杆磨损较为严重，而未被技术人员注意的时候，易发生钻杆折断的事故。对于深孔钻探，打捞折断的钻杆尤其困难，浪费大量的时间，耗费大量的财力，造成较大的经济损失。因此如何提高钻杆的可靠性成为学者研究的重点。本文对钻杆的失效因素进行了重点分析，并针对这些因素提出了预防措施［1-4］。

1 钻杆失效的影响因素

钻杆在极其复杂的环境下运行，其影响因素非常多，包括内在和外在的，具体主要影响因素如下：

1）钻杆自身因素。从材质的方面来看，钻杆内部或多或少地存在一定的缺陷。尤其是在钻杆热处理过程中，热处理的温度、时间都要进行严格的控制，热处理状态应该是淬火+回火组织,正常情况下应该是回火索氏体,具有较高的塑性。但是回火温度对材料组织和性能有重要影响,在不同的温度区间出现不同的回火脆性。在用高倍的电子显微镜下观察会发现晶粒之间存在杂质或空洞缺陷。当钻杆受力不大时，这些缺陷对其影响不大，当达到一定的作用力，钻杆就会在有缺陷的位置撕裂并延伸，以至钻杆断裂。从钻杆的结构方面看，钻杆接头是承受弯曲应力集中区。应根据地质不同、工况不同设计合理的接头结构。设计不合理会直接导致钻杆失效。尤其是接头螺纹处，大多数的钻杆失效都是螺纹处引起的，如接头螺纹断裂、接头螺纹刺漏、内螺纹接头纵裂、接头螺纹磨损、内螺纹接头胀大、外螺纹接头拉长等。因此设计时应对螺纹处予以足够的重视，并提高其安全系数。此外，钻杆高速旋转时会出现陀螺效应，设计时应予以考虑［5-7］。

2）钻杆的受力因素。钻杆工作中受力是极其复杂的。首先钻杆将圆周方向的扭矩作用力和轴向压力传递给钻头进行钻探，在钻探中，钻杆并不是竖直或者水平的，会有一定的弯曲，因此钻杆也会受到弯曲应力的作用。对现有钻杆断裂事故的分析中多发现钻杆的弯扭应力是重要诱因。此外钻杆还会受到钻井液压力、自身重力、与介质的摩擦力等。总之钻杆在工况中受力是非常复杂的［8］。

3）钻具组合及钻井工艺因素。钻井深度浅则三四百米深则达到一两千米，因此钻杆被看作一根旋转着的细长弹性杆件，它会产生3种本质不同的振动：纵向振动、横向振动和扭转振动。固有频率是钻杆组合后具有的固有特性，当3个方向的振动合成的频率与钻杆固有频率相同或相近时就会发生共振。如果发生共振则会加速钻杆的失效。另外，钻井过程中，司钻应认真负责，要对各种参数下钻井情况进行分析，时刻注意观察水的颜色，钻进速度不能过快，钻杆转速也因地质不同选用不同的转速。另外钻井液的选用也要根据工况条件进行合理的选择。目前常用钻井液有清水、泥浆、乳状液和泡沫等。清水是最简便、使用最多、使用最早的钻井液，它无需处理，使用方便，适用于完整的煤（岩）层，但清水钻井液也有一定的弊端，煤层会因清水的长期冲刷而膨胀和软化，变得松散，容易造成堵孔和塌孔。另外，泥浆也是使用比较广泛的钻井液，它主要适用于孔壁不稳定煤（岩）层，但由于煤层的不稳定，泥浆冲洗液中存在的固相颗粒，可能结合煤渣堵塞钻孔，使得扭矩增大造成钻杆的失效［2-3，7，9］。

4）地层因素。地层结构不同，尤其是地质的不均匀对钻井造成很大的麻烦。地质层较硬时，钻进参数不合适会加剧钻杆的振动，加剧了钻杆的失效。地质层较软时，容易发生堵塞事故。还有的地质层有较为严重的腐蚀性，从而使钻杆失效。

因此，从以上因素来看，钻杆的失效是各个因素综合的结果。应具体问题具体分析，从失效钻杆的特征中分析提炼出使钻杆失效的主要因素，并采取相应的措施。

2 预防钻杆失效的措施

1）提高钻杆的制造水平。

a.改善焊接工艺：在焊接时存在夹渣容易引起钻杆的失效，因此要选择合适的焊接材料，降低其S、P的含量，并严格控制电流的大小和焊接时的速度。焊接完成后要对其进行应力消除，并进行焊接探伤，严格控制因焊接问题出现的钻杆失效现象。

b.提高加工水平：比如在镦粗加工时要严格控制其变形温度，否则变形量过大，会形成高应力区，其组织的不稳定性是钻杆断裂的潜在威胁；改善材料的热处理方法，使其具有较高的塑性；机械加工时要提高其表面质量［1-4］。

2）合理选择钻杆材料，加强钻杆部件的性能。

a.如在钻进较差的地区可以选择较好材质的钢材，或提高其安全系数；

b.增强键的耐磨性；

c.从现场来看，钻杆的失效大多数是在钻杆接头处，因此钻杆的接头尤为重要，在设计时要提高其安全系数；

3）改善钻杆的受力状态，降低钻杆的振动。

钻杆的失效50%以上都是由于弯扭力矩太大和共振引起的失效，因此：

a.改善钻杆的结构形式：视情况可以把钻杆改为三棱钻杆或螺旋钻杆以改善钻孔的直线性，同时也降低了钻杆的振动［6］。

b.在不同的钻孔阶段，可以选用不同类型的钻头，以改善钻杆的受力状态。例如金刚石内凹式钻头钻进能力强，具有较好的稳定性可用于钻孔保直钻进，而在软煤岩或易发生钻孔坍塌和埋钻地层应采用金刚石刮刀钻头，该钻头排屑空间大，在软煤岩中钻进效率极高，切削自由面多，造壁能力较强［6］。

c.钻杆的受力和振动非常复杂，在设计时需要考虑到钻杆的动态特性，做平衡分析并进行反向分析，避免出现对钻杆有害的力矩。

4）加强管理，提高打钻人员的素质。

a.建立钻杆反馈系统：例如当遇到比较硬的煤层或岩石时,自动降低钻杆加压力和旋挖扭矩,以保证钻杆质量。

b.提高司钻的素质和钻工的责任意识，提高安全生产责任意识。

c.加强现场管理，施工过程相互进行监督、相互提醒。

［1］ 房舟.钻杆的失效分析［D］.成都：西南石油学院,2006.

［2］ 孔德功.水平定向钻机钻杆振动特性研究［D］.长沙：中南大学,2012.

［3］ 张震.旋挖钻机钻杆失效研究［D］.西安：长安大学，2010.

［4］ 叶远林.大型旋挖钻机关键部件的结构动力分析［D］.长春：吉林大学，2002.

［5］ 舒晓勇.2000m水井钻机的钻杆仿真研究［D］.武汉：中国地质大学，2003.

［6］ 王二鹏，王大鹏.煤矿井下超长钻孔常见事故原因分析及处理方法［J］.煤炭科学技术,2012,40（7）：58-61.

［7］ 冯强.千米钻机孔内掉钻具原因及打捞技术［J］.化学工程与装备,2011（5）：86-87.

［8］ 梁丰廷，张家锁.千米钻机卡钻事故分析及预防措施［J］.能源技术与管理，2011（2）：111-113.

［9］ 黄麟森，刁文庆，王清峰.钻杆接头螺纹结构形式的有限元分析［J］.矿山机械,2009，39（11）：38-40.