鉆桿失效分析與預防

孫道彬

（黑龍江科技大學，哈爾濱150022）

0 引言

煤礦瓦斯災害在我國尤其是東北地區尤為嚴重，采用鉆孔抽取瓦斯是保證安全生產最直接的手段，也最有效果；然而，鉆探中鉆桿的失效是一個很常見并且很嚴重的問題。當鉆桿磨損到一定程度的時候，就必須更換新的鉆桿，防止事故的發生。目前對鉆桿磨損程度的檢測還不能實現自動化，大多數的煤礦企業是依靠技術人員在現場進行目測，但當地質條件發生劇烈變化，鉆桿磨損較為嚴重，而未被技術人員注意的時候，易發生鉆桿折斷的事故。對于深孔鉆探，打撈折斷的鉆桿尤其困難，浪費大量的時間，耗費大量的財力，造成較大的經濟損失。因此如何提高鉆桿的可靠性成為學者研究的重點。本文對鉆桿的失效因素進行了重點分析，并針對這些因素提出了預防措施［1-4］。

1 鉆桿失效的影響因素

鉆桿在極其復雜的環境下運行，其影響因素非常多，包括內在和外在的，具體主要影響因素如下：

1）鉆桿自身因素。從材質的方面來看，鉆桿內部或多或少地存在一定的缺陷。尤其是在鉆桿熱處理過程中，熱處理的溫度、時間都要進行嚴格的控制，熱處理狀態應該是淬火+回火組織,正常情況下應該是回火索氏體,具有較高的塑性。但是回火溫度對材料組織和性能有重要影響,在不同的溫度區間出現不同的回火脆性。在用高倍的電子顯微鏡下觀察會發現晶粒之間存在雜質或空洞缺陷。當鉆桿受力不大時，這些缺陷對其影響不大，當達到一定的作用力，鉆桿就會在有缺陷的位置撕裂并延伸，以至鉆桿斷裂。從鉆桿的結構方面看，鉆桿接頭是承受彎曲應力集中區。應根據地質不同、工況不同設計合理的接頭結構。設計不合理會直接導致鉆桿失效。尤其是接頭螺紋處，大多數的鉆桿失效都是螺紋處引起的，如接頭螺紋斷裂、接頭螺紋刺漏、內螺紋接頭縱裂、接頭螺紋磨損、內螺紋接頭脹大、外螺紋接頭拉長等。因此設計時應對螺紋處予以足夠的重視，并提高其安全系數。此外，鉆桿高速旋轉時會出現陀螺效應，設計時應予以考慮［5-7］。

2）鉆桿的受力因素。鉆桿工作中受力是極其復雜的。首先鉆桿將圓周方向的扭矩作用力和軸向壓力傳遞給鉆頭進行鉆探，在鉆探中，鉆桿并不是豎直或者水平的，會有一定的彎曲，因此鉆桿也會受到彎曲應力的作用。對現有鉆桿斷裂事故的分析中多發現鉆桿的彎扭應力是重要誘因。此外鉆桿還會受到鉆井液壓力、自身重力、與介質的摩擦力等。總之鉆桿在工況中受力是非常復雜的［8］。

3）鉆具組合及鉆井工藝因素。鉆井深度淺則三四百米深則達到一兩千米，因此鉆桿被看作一根旋轉著的細長彈性桿件，它會產生3種本質不同的振動：縱向振動、橫向振動和扭轉振動。固有頻率是鉆桿組合后具有的固有特性，當3個方向的振動合成的頻率與鉆桿固有頻率相同或相近時就會發生共振。如果發生共振則會加速鉆桿的失效。另外，鉆井過程中，司鉆應認真負責，要對各種參數下鉆井情況進行分析，時刻注意觀察水的顏色，鉆進速度不能過快，鉆桿轉速也因地質不同選用不同的轉速。另外鉆井液的選用也要根據工況條件進行合理的選擇。目前常用鉆井液有清水、泥漿、乳狀液和泡沫等。清水是最簡便、使用最多、使用最早的鉆井液，它無需處理，使用方便，適用于完整的煤（巖）層，但清水鉆井液也有一定的弊端，煤層會因清水的長期沖刷而膨脹和軟化，變得松散，容易造成堵孔和塌孔。另外，泥漿也是使用比較廣泛的鉆井液，它主要適用于孔壁不穩定煤（巖）層，但由于煤層的不穩定，泥漿沖洗液中存在的固相顆粒，可能結合煤渣堵塞鉆孔，使得扭矩增大造成鉆桿的失效［2-3，7，9］。

4）地層因素。地層結構不同，尤其是地質的不均勻對鉆井造成很大的麻煩。地質層較硬時，鉆進參數不合適會加劇鉆桿的振動，加劇了鉆桿的失效。地質層較軟時，容易發生堵塞事故。還有的地質層有較為嚴重的腐蝕性，從而使鉆桿失效。

因此，從以上因素來看，鉆桿的失效是各個因素綜合的結果。應具體問題具體分析，從失效鉆桿的特征中分析提煉出使鉆桿失效的主要因素，并采取相應的措施。

2 預防鉆桿失效的措施

1）提高鉆桿的制造水平。

a.改善焊接工藝：在焊接時存在夾渣容易引起鉆桿的失效，因此要選擇合適的焊接材料，降低其S、P的含量，并嚴格控制電流的大小和焊接時的速度。焊接完成后要對其進行應力消除，并進行焊接探傷，嚴格控制因焊接問題出現的鉆桿失效現象。

b.提高加工水平：比如在鐓粗加工時要嚴格控制其變形溫度，否則變形量過大，會形成高應力區，其組織的不穩定性是鉆桿斷裂的潛在威脅；改善材料的熱處理方法，使其具有較高的塑性；機械加工時要提高其表面質量［1-4］。

2）合理選擇鉆桿材料，加強鉆桿部件的性能。

a.如在鉆進較差的地區可以選擇較好材質的鋼材，或提高其安全系數；

b.增強鍵的耐磨性；

c.從現場來看，鉆桿的失效大多數是在鉆桿接頭處，因此鉆桿的接頭尤為重要，在設計時要提高其安全系數；

3）改善鉆桿的受力狀態，降低鉆桿的振動。

鉆桿的失效50%以上都是由于彎扭力矩太大和共振引起的失效，因此：

a.改善鉆桿的結構形式：視情況可以把鉆桿改為三棱鉆桿或螺旋鉆桿以改善鉆孔的直線性，同時也降低了鉆桿的振動［6］。

b.在不同的鉆孔階段，可以選用不同類型的鉆頭，以改善鉆桿的受力狀態。例如金剛石內凹式鉆頭鉆進能力強，具有較好的穩定性可用于鉆孔保直鉆進，而在軟煤巖或易發生鉆孔坍塌和埋鉆地層應采用金剛石刮刀鉆頭，該鉆頭排屑空間大，在軟煤巖中鉆進效率極高，切削自由面多，造壁能力較強［6］。

c.鉆桿的受力和振動非常復雜，在設計時需要考慮到鉆桿的動態特性，做平衡分析并進行反向分析，避免出現對鉆桿有害的力矩。

4）加強管理，提高打鉆人員的素質。

a.建立鉆桿反饋系統：例如當遇到比較硬的煤層或巖石時,自動降低鉆桿加壓力和旋挖扭矩,以保證鉆桿質量。

b.提高司鉆的素質和鉆工的責任意識，提高安全生產責任意識。

c.加強現場管理，施工過程相互進行監督、相互提醒。

［1］ 房舟.鉆桿的失效分析［D］.成都：西南石油學院,2006.

［2］ 孔德功.水平定向鉆機鉆桿振動特性研究［D］.長沙：中南大學,2012.

［3］ 張震.旋挖鉆機鉆桿失效研究［D］.西安：長安大學，2010.

［4］ 葉遠林.大型旋挖鉆機關鍵部件的結構動力分析［D］.長春：吉林大學，2002.

［5］ 舒曉勇.2000m水井鉆機的鉆桿仿真研究［D］.武漢：中國地質大學，2003.

［6］ 王二鵬，王大鵬.煤礦井下超長鉆孔常見事故原因分析及處理方法［J］.煤炭科學技術,2012,40（7）：58-61.

［7］ 馮強.千米鉆機孔內掉鉆具原因及打撈技術［J］.化學工程與裝備,2011（5）：86-87.

［8］ 梁豐廷，張家鎖.千米鉆機卡鉆事故分析及預防措施［J］.能源技術與管理，2011（2）：111-113.

［9］ 黃麟森，刁文慶，王清峰.鉆桿接頭螺紋結構形式的有限元分析［J］.礦山機械,2009，39（11）：38-40.