煤田勘探中钻杆断裂原因分析与预防措施的探讨【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概述在煤出钻探施工过程中，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耍的意义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T1 j、大冶组Tld 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、茅口组卩2叭栖霞组卩2q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Tld、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3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ei70nrni,终孔孔径e 75mm,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5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45.2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孔径级配不合理该孔下入①168mm孔口管13m,①146mm的套管37m,①127mm套管68m,①108mm套管326m,但由于地层原因，无法下入①89mm的套管，使得 孔内环空间隙较大，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人，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，使钻杆寿命大人减少。
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：一岩石抗压强度；m —钻头切削组数；h —给进量，cm； F — 孔底环状面积，cm?； c —钻头与孔壁摩擦系数；f —钻头与孔底摩擦系 数；一给进压力,Kn； R —切削钻具外径,cm； r —切削钻具内径,cmo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：1—为半波长度，f—钻进时钻杆弯曲的最大挠度，仁（D-d） /2； D一孔径，mm； d一钻杆直径，mm。
由上式可知，在钻杆材质一定的情况下，影响最大弯曲应力的主要因 索是钻杆弯曲的半波长度、最大挠度及钻杆直径由于弯曲应力与半波长度的平方成反比，因此钻杆弯曲的半波长度增加时，弯曲应力可大幅度 减小但由萨尔基索夫公式可知，半波长度还与转速有关系，所以控制一 定的转速可减小弯曲应力7预防钻杆断裂的措施根据以上分析，要防止或者减少钻杆断裂，应从加工与使用两方面采 取措施：（1） 保证钻杆使用的材料质量和止确的热处理工艺，使钻杆的机械 强度符合承载要求；（2） 钻孔时正确合理地使用扶正器，减少钻孔的偏斜量；（3） 钻具级配要合理，正确选用钻杆和钻头，减小钻孔环状间隙， 减小钻杆弯曲挠度和弯曲应力，增加半波长度，降低钻杆断裂频率；（4） 针对不同岩性、钻孔深度和钻孔直径的要求，合理选用钻进参 数，防止钻杆过载；（5） 钻杆要分级使用，不能新III混用钻杆断裂总是在钻杆最薄弱 的部位发生因此，钻杆连接时要尽量做到等强度，按钻杆新旧程度分级, 统一调配使用，不能新旧混用6） 钻杆在使用时不应猛敲、猛打，在每冋次时应对钻杆加强检验, 查找有裂缝筹不良现象的钻杆，并用新钻杆替换7） 在遇到溶洞或地层坍塌时，应及时有效地处理，防止钻杆弯曲 应力增大，增大钻杆折断的系数。
8结语在勘探区其余钻孔的施工中，根据地层特点有效地采取了预防措施，舍弃了使用时间过长的钻杆，新增了质量耍求合格的钻杆，严格按照《岩 心钻探规程》进行施工，合理选择钻进参数，在遇到问题时及时有效地处 理，使得这些钻孔较之前施工的钻孔减少了钻杆断裂的发生，从而降低了 钻探成本，钻孔质量得到很大的提高参考文献：[1] 王清峰，陈松林•煤矿用坑道钻机钻杆断裂原因分析及采取的措 施[J] •煤矿机械，2007.[2] 郑林•钻杆加工工艺探讨[J].机械工程师，2009.[3] 刘鸿文.材料力学[M]•高等教育出版社，1997・作者简介：赵得全（1966. 8—）,男（汉族），重庆人，毕业于陕西煤炭工业学 校，煤炭钻探专业，高级工程师，从事钻探现场技术管理工作。