繩索取心鉆桿的受力與失效分析

姜光忍 李忠 王獻斌 徐新綠

(河北省地礦局第一地質大隊 河北邯鄲 056001)

1 前言

繩索取心鉆進技術在我國應用已非常廣泛,其鉆進效率高、勞動強度低、鉆進成本低的優勢已被廣大施工單位所接受。繩索取心鉆進工藝和普通金剛石巖心鉆進有所不同,具有鉆桿柱內撈取巖心并具有鉆桿壁薄,鉆頭唇部壁厚、鉆桿與孔壁間隙小等特點。施工單位應該根據繩索取心鉆進的特點和具體的施工條件,設計合理的鉆孔結構,確定合理的鉆進技術參數。

2 不同鉆具級配下的鉆桿受力與失效理論分析

2.1 鉆桿受力狀態分析

鉆桿是整個鉆桿柱的關鍵和主要組成部分,由鉆桿組成的鉆桿柱在鉆孔中承受著拉、壓、彎、扭等及其復雜的受力工況。包括由鉆桿自重、卡埋鉆、鉆機給進壓力引起的軸向拉、壓力;由鉆機提供的扭矩,用于克服孔壁、沖洗液對鉆桿回轉的阻力,和鉆頭克取巖石的力;以及鉆桿在離心力及軸向壓力作用下產生的彎曲應力。

在拉、壓、彎、扭受力中,彎曲應力對鉆桿的工作影響極大。當鉆桿柱在孔內回轉時,鉆趕柱作為一個柔性體運動,彎曲的鉆桿柱圍繞本身的軸回轉,鉆桿內產生交變的彎曲應力,在鉆具級配合理時,這種應力較小,對鉆桿影響較小;當鉆具級配不合理或鉆孔超徑過大時,彎曲應力增加而引起鉆桿的疲勞破壞,嚴重影響鉆桿的強度和壽命。

在繩索取心鉆進中,大部分鉆進狀態為減壓鉆進,受力狀態復雜,分析減壓鉆進狀態下的鉆桿受力最有代表性。在減壓鉆進中,鉆桿柱上部鉆桿受拉力、扭矩最大,隨著孔深增加,拉力逐漸變小,到零再至受壓狀態,扭矩則越變越小,至孔底時,扭矩滿足鉆頭克服巖石即可。鉆具級配合理時,彎曲應力較小,當鉆具級配不合理時,彎曲應力急劇增大,成為引起鉆孔事故的主要原因。下面就分析一下鉆桿在不同鉆孔結構及不同孔段的受力情況。我們選取鉆桿柱中的最上部、中和點、底部三個危險部位。

常見的巖心鉆探施工時鉆具級配如圖1和圖2所示。

圖1 合理的鉆具級配

圖2 不合理的鉆具級配

2.2 不同鉆具級配條件下的鉆桿受力計算

我們以孔深1500m,使用Φ71加厚繩索取心鉆桿,鉆機功率40kW,轉速 400r/min,鉆壓 800kg情況下,不考慮沖洗液浮力,在不同鉆具級配下的受力分析。鉆桿的推薦許用疲勞強度為σ-1許=104MPa,疲勞極限強度σ-1=306MPa,許用剪切應力τ許=196MPa,許用拉伸應力σ許=540MPa。

2.2.1 合理鉆具級配受力計算

(1)鉆桿柱上部受力計算

①拉力計算

鉆桿每米重量為q=8.2kg

②最大剪切應力

扭矩M=9550×40/n=955N·m

n為動力機轉速

τ=M/W,其中W為鉆桿斷面模量

彎曲應力為0

由于此處無彎曲應力,合成應力遠遠小于許用拉伸應力,此處是安全的。

(2)鉆桿柱中和點受力計算

鉆桿柱中和點就是鉆桿柱拉壓應力的分界面,也稱零點斷面。此處拉應力為零,由于鉆壓為800kg,鉆桿柱中和點應在距鉆孔底部約L1=100m處。

①孔底剪應力計算

鉆進功率為 P=N1+N2+N3

式中:N1為破巖所需的功;N2為克服鉆頭與孔底巖石摩擦所需的功;N3為回轉鉆桿所需的功。

②彎曲應力計算

式中:f=(D-d)/2,l為半波長

計算半波長的薩爾基索夫公式

式中:l半波長(m),d鉆桿外徑(cm),f彎曲的最大撓度(cm),w角速度,Z距中和點距離,q每米鉆桿重量。

中和點半波長理論計算為l=1.63m

σw=80.17MPa

(3)鉆桿柱底部受力計算

孔底半波長理論計算為l=1.10m

通過計算,整個鉆探系統中,鉆桿柱底部不安全,可通過調整轉速和鉆壓解決,采取輕壓慢轉,應調整為鉆壓800kg,轉速300r/min左右,使鉆桿受力在鉆桿許用范圍內,小于推薦的許用疲勞強度。

2.2.2 不合理鉆具級配受力狀態

(1)鉆桿柱上部受力

不合理鉆孔鉆桿柱上部受力狀態和大小同合理鉆孔一樣,是符合安全系數的,不在重復計算。

(2)鉆桿柱中和點受力計算

受力分析分為鉆桿柱中和點未進入φ77鉆孔內和進入φ77鉆孔內兩種工況。

鉆桿柱中和點未進入φ77鉆孔時,

鉆桿柱中和點未進入 φ77鉆孔時,這時彎曲應力成為鉆桿主要受力,σ0仍遠遠大于鉆桿的推薦許用疲勞強度為σ-1許(104MPa),并且遠遠超過疲勞極限強度σ-1(306MPa),無法通過調整鉆探技術參數使鉆桿處于合理受力范圍,鉆桿斷裂在所難免。

鉆桿柱中和點進入 φ77鉆孔時,鉆桿直徑與孔壁間隙變小,撓度f變小。

2.2.3 鉆桿柱底部受力:

鉆桿柱中和點進入φ77鉆孔時,其中和點受力和鉆孔底部受力情況與合理鉆具級配相同,也就是說鉆桿柱中和點進入φ77鉆孔后,鉆桿柱中和點以下鉆桿工況與未進入時相比大有改善,但中和點以上的鉆桿柱受力依然不好,工況仍比合理鉆具級配下惡劣的多,仍有鉆桿失效的可能,尤其是深孔鉆探施工。

3 施工實例

施工單位使用我單位繩索取心鉆桿在內蒙古和河北滄州進行鉆探施工,鉆具級配為圖2所示。上述兩例應下Φ89×5套管而未下,直接在Φ108×5.5套管下鉆進,在Φ108×5.5套管下鉆進鉆桿所受彎曲應力為Φ89×5套管下鉆進的3.25倍。使用過程中,鉆桿折斷頻繁,尤其是更換口徑開始鉆進Φ77鉆孔時,更加明顯,隨Φ77鉆孔深度加深,情況有所緩解。

河北省地礦局第四地質大隊使用我單位繩索取心鉆桿進行 ZK2405孔施工,鉆探深度2010.26m,創造了小口徑巖心鉆探新記錄,但由于嚴格按照鉆具級配設計鉆孔結構,有效改善了鉆桿在鉆孔中受力,使用過程中,未發生鉆桿折斷事故。

以上施工實例驗證了鉆桿在不同鉆具級配下的受力與失效分析。

4 結語

(1)通過理論計算和實例分析,鉆具級配不合理,后果是嚴重的,此時整個鉆桿柱受力工況惡劣,交變的彎曲應力急劇增大并上升為主要受力,尤其是鉆孔剛變徑時,交變的彎曲應力引起鉆桿折斷事故頻繁發生,當鉆桿柱中和點進入到與鉆頭同孔內后,工況相對好轉,事故發生相對較少。鉆具級配不合理,受力遠遠大于鉆桿許用強度,無法通過調整鉆探技術參數保證鉆桿在許用強度下鉆進。合理的鉆具級配,在深孔及復雜鉆探條件下,可以通過調整鉆探技術參數保證鉆桿在許用強度下鉆進。

(2)鉆桿制造單位應加強鉆桿薄弱處鉆桿螺紋的研究,有效提高鉆桿抗彎曲應力的能力。

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2 張焱、劉坤芳,曹里民等.石油鉆鋌螺紋聯接失效的機理分析.探礦工程(巖土鉆掘工程),2000(6)

3 郭紹什等.鉆具級配對鉆桿折斷的影響.煤田地質與勘探,1987(6)

4 張春波.繩索取心鉆桿折斷原因的分析.探礦工程,1987(2)

5 吳福云.S75繩索取心鉆桿折斷事故的原因分析.西部探礦工程,2006(10)

6 姜光忍、李忠、王獻斌.繩索取心鉆探施工中鉆桿折斷原因分析及應對措施.探礦工程(巖土鉆掘工程),2009(3)