煤田勘探中钻杆断裂原因研究和预防措施探析

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1、煤田勘探中钻杆断裂原因研究和预防措施探析　　【摘要】文章介绍了在遇见溶洞、地层破碎等复杂地层情况下钻杆断裂的危害，分析钻杆断裂的原因，并提出了预防措施。【关键词】复杂地层；孔内事故；钻杆断裂1概述在煤田钻探施工过程中，钻杆断裂尤为普遍，因此，分析钻杆断裂发生原因，研究更好的解决措施就有了十分重要的意义。2勘探区地层特点巫山勘探区位于渝东偏北部的巫山县官渡镇与湖北省建始县接壤处，地层“从上至下”主要分为中生界的三叠系下统嘉陵江组T1j、大冶组T1d和古生界的二叠系上、中统大隆组P3d、长兴组P3c、吴家坪组P3w、孤峰组P2g、茅口组P2m、栖霞组

2、P2q组成。区内三叠系嘉陵江组为灰色薄层块状溶角砾岩，其岩溶破碎裂隙发育，泥质灰岩夹白云质灰岩，含燧石，其下大冶组T1d、大隆组P3d、吴家坪组P3w为深灰色页岩、黑色钙质泥岩、砂质泥岩、燧石灰岩夹硅质灰岩、泥灰岩、燧石呈团块状产出，是易垮、塌、掉块、流砂涌漏的主要层段。73钻杆断裂的危害ZK212是勘探区内一钻孔，设计孔深815m，使用XY-5型钻机，采用金刚石钻进，开孔孔径φ170mm，终孔孔径φ75mm，钻孔施工的过程中，事故繁多，大大小小共计发生了20次左右，其中有一半的事故是属于钻杆、钻具断裂。钻杆断裂带来的危害是很大的，其危害主要表现

3、在：（1）浪费人力、物力，贻误工期，增大钻探成本由于该孔事故次数多，处理事故时间长，使得整个孔施工工期长达一年之久，浪费人力、物力，延误工期，增大了钻探成本。（2）危及人身安全在事故发生和处理过程中，由于起下钻具频繁，常忙中出错，极易导致人身安全事故，事故频发的时候更是如此，操作人员心情过于急躁，操作失误导致提引器碰伤人、管钳忘记取下弹回伤人等一系列的人生安全事故。（3）造成质量事故钻杆断裂事故，有时一旦处理不当，除了打偏心孔以外，还可能直接导致钻孔报废，造成极其严重的质量事故。综上所述，由于钻杆断裂事故有如此多危害，分析钻杆断裂发生的原因以及采

4、取预防措施，提高钻杆质量，降低钻孔事故率，保证正常钻进就具有了十分重要的意义。4几种常见的钻探生产现场钻杆断裂形式75钻杆断裂原因分析5.1材质原因由于钻杆本身质量问题，导致钻杆在使用过程中容易发生钻杆弯曲、丝扣抢扣等现象的发生，在使用过程中，提钻时为了更容易使丝扣松动，往往使用手锤猛敲钻杆丝扣处，造成钻杆裂纹、结疤等危害，见图4。5.2加工工艺的原因5.2.1公扣、母扣同轴度差由于材料加工工艺等原因，公扣、母扣螺纹同轴度往往很差。由于两端连接螺纹同轴度超差过大，导致钻杆在连接处发生弯曲。在钻进过程中，钻杆不但要承受正常的轴向负荷，而且螺纹连接处

5、还要承受很大的径向载荷。另外在遇到溶洞或超径等条件下，往往产生更大的离心力，几种应力的叠加最终导致钻杆的最薄弱处公扣接头螺纹尾部发生疲劳裂纹而断裂；5.2.2钻杆危险断面应力集中当材料受力时材料表面及内部缺陷处的应力远大于平均应力的现象称为应力集中现象，简称应力集中。钻杆的肩部和退刀槽底由于没有倒圆角和倒角，产生应力集中现象，这样容易导致钻杆丝扣处断裂。5.3孔径级配不合理7该孔下入Φ168mm孔口管13m，Φ146mm的套管37m，Φ127mm套管68m，Φ108mm套管326m，但由于地层原因，无法下入Φ89mm的套管，使得孔内环空间隙较大，

6、加上孔内出现溶洞，地层破碎严重，出现超径的现象，当钻杆所受的离心力超过钻杆的强度极限时，就有可能发生钻杆断裂的现象。5.4危险应力的影响（1）钻杆合成应力受弯曲应力的影响较大，因此，当钻孔严重弯曲时，钻杆折断频繁，次数急剧增加；（2）因地层破碎，漏失严重，使钻杆长期处于干摩擦状态，钻杆在回转时得不到润滑和冷却，增加了摩擦阻力，使钻杆寿命大大减少。5.5疲劳破坏由于操作工艺的不当，如压力过大，在软硬互层或硬岩层中压力过大或不适当的高转速过快造成钻杆扭矩增大，钻进时，作用于钻头的扭矩式中：—岩石抗压强度；m—钻头切削组数；h—给进量，cm；F—孔底环

7、状面积，cm?；c—钻头与孔壁摩擦系数；f—钻头与孔底摩擦系数；—给进压力，Kn；R—切削钻具外径，cm；r—切削钻具内径，cm。7由上式可以看出，作用于钻头的扭矩与岩石的抗压强度，钻头几何尺寸、切削具组数、给进量、给进压力都有关系。钻头直径增大，切削具数量增多，给进量与给进压力增高均会增大作用于钻头上的扭矩，从而也就增大了作用于钻杆的扭矩。当超过钻杆的极限强度时，就会产生疲劳破坏。6钻杆断裂的规律上面分析到短杆断裂的原因，除了材质的原因、使用操作不当外，大多数时候都与钻杆所受的应力有关。在钻进中，钻杆是一弹性体，受轴向力、离心力、扭转力等力的同

8、时作用，即合成应力。钻杆在钻进时受合成应力P作用下弯曲断裂，如图5所示。有材料力学可知，钻杆最容易折断处为最大的弯曲应力，弯曲应力式中：