地質鉆桿失效原因及加強措施淺析

張濤

（寧波浙東地質器材制造有限責任公司，浙江 寧波315012）

1 前言

鉆桿在鉆進過程中具有舉足輕重的作用，它將鉆機扭矩傳遞給鉆頭，實現鉆進。在鉆孔中，鉆桿承受著非常復雜的載荷，幾乎同時承受了拉、壓、扭轉、彎曲等應力，并且鉆桿柱本身是一個彈性系統，鉆進過程中鉆井液的循環和鉆桿柱的振動使得鉆桿柱承受了很大的動載。因此，鉆桿不可避免地會出現失效。鉆桿的早期失效，嚴重影響了鉆進速度，拖延了鉆進周期，以致造成巨大的經濟浪費。于是，如何保證鉆桿的質量，避免早期失效，確保鉆進的順利進行變得至關重要。

2 鉆桿的失效形式

鉆桿常見失效有以下形式：桿體折斷、漏水、螺紋處失效等。桿體折斷和漏水主要是因為桿體材料自身存在缺陷，在復雜的受力情況下疲勞產生。由于螺紋特殊的結構形式，截面形狀復雜，容易出現應力集中，螺紋部位成為鉆桿的薄弱環節。據統計，螺紋處失效約占鉆桿失效的80%以上。圖1即為螺紋處斷裂的鉆桿。

3 失效原因分析及防范措施

3．1 鉆桿材質因素

鉆桿桿體應有較高的抗拉強度，較好的抗彎性能和沖擊韌性，材料應選用中碳合金結構無縫鋼管。目前國內普遍使用STM－R780（42Mn Mo7）無縫鋼管生產普通地質鉆桿，根據Q／BQB2003－2009標準要求，鋼的化學成分要求如表1，桿體力學性能應滿足表2要求。

圖1 螺紋處斷裂的鉆桿

此外，鉆桿原材料不允許存在折疊、裂縫、夾雜等缺陷，否則在井下受力復雜的服役環境下，缺陷被不斷擴大，極易引發斷裂、鉆井液刺穿鉆桿等失效事故。

表1 STM－R780鋼材化學成分

表2 鉆桿桿體力學性能

3．2 鉆桿機加工因素

如在機加工中，螺紋的錐度、螺距、牙型角等中任一項有誤差，都將導致螺紋嚙合困難，引起鉆進過程中的失效。因此，鉆桿及接頭（接箍）的螺紋應在數控車床上用成型刀片加工，保證牙型角的統一，提高螺紋表面質量。同時，必須要控制合理的螺紋松緊度以利互換，并降低表面粗糙度，以減少機加工產生的應力集中。良好的螺紋嚙合情況如圖2所示。

圖2 鉆桿與接頭（接箍）螺紋嚙合

3．3 地層因素

地層可鉆性差，比如卵礫石層，鉆進過程中易發生憋、跳現象，加劇鉆桿的震動，大大增加了發生疲勞失效的概率。

3．4 鉆孔結構及鉆具級配因素

鉆孔結構及鉆具級配不合理導致鉆桿與孔壁間隙過大，鉆桿的彎曲程度隨之變大，螺紋部位受交變彎曲應力加速了螺紋的疲勞損壞。

3．5 絲扣油的使用

質量好的絲扣油能有效防止鉆桿粘扣，減小卸扣扭矩，減少螺紋表面磨損，而不當使用絲扣油，如涂抹時混入雜質或加機油稀釋使得絲扣油附著困難等，均會造成螺紋無法進行有效密封和潤滑而發生粘扣。

3．6 鉆井液的因素

在地層鉆進中采用泥漿作鉆井液，不但能夠冷卻鉆頭，還能在孔壁形成一層薄而韌的泥皮，保護孔壁，同時減少鉆具與孔壁的摩擦力，能有效延長鉆桿使用壽命。在石油鉆探中，鉆井液的消耗占到了鉆孔總成本的14%，可見鉆井液的配比和使用對鉆桿的使用壽命關系重大。

4 提高螺紋強度措施

4．1 螺紋載荷分析

鉆桿公扣與接頭（接箍）母扣組成的螺旋副的相對運動可以簡化為繩索纏繞于一圓柱滾子做運動，應用撓性件摩擦理論研究載荷分布規律，即可知螺紋上的應力分布情況：靠近螺紋根部的前五扣承擔了超過90%的載荷，且越近根部，螺紋受力越大。石油鉆探研究人員也曾使用半解析——有限元分析方法對螺紋在預緊和工作狀態下的接觸應力場進行分析，得出的結論是：對于公扣來講，螺紋嚙合部位的根部第一扣是最易損壞的。

對鉆桿與接頭（接箍）螺紋副的優化分析表明：按照一定的螺紋上扣扭矩值預緊螺紋是合理的，不論在預緊階段還是工作階段螺紋的應力應變場均處于彈性狀態，不會失效。

4．2 加強措施

（1）改變螺紋高度

根據鉆桿與接頭（接箍）螺紋副優化分析可知：鉆桿螺紋靠近根部的5扣承擔了絕大多數的載荷，且越近根部，受力越大。因此，可考慮適當依次降低根部幾扣的螺紋高度，則應力集中情況將會得到明顯改善。有計算表明，當公扣第一個螺紋高度降低70%時，其承擔的載荷比原來減少32%，被減少的負荷將自然分配至其他螺紋上。

（2）接頭（接箍）螺紋表面進行氮化處理

氮化處理能有效防止粘扣，還能提高螺紋的耐磨性，從而提高其使用壽命。氮化層深度一般在0．2～0．3mm，過厚螺紋容易崩裂，厚度不夠則防粘扣效果不明顯。

（3）規范操作使用

鉆桿與接頭（接箍）聯接前須將螺紋清理干凈，并均勻涂抹好絲扣油，純粹由于缺乏絲扣油而造成的螺紋表面損壞，會使鋼表面粘合在一起。旋扣前，要保證接頭（接箍）不搖擺，無卡阻現象；旋扣之后，還應用大鉗（雙鉗）按規定的扭矩緊扣，否則會增加螺紋損壞的可能性。

規定上扣扭矩的目的是為了保證鉆桿與接頭（接箍）的聯接強度不低于鉆桿本體的強度。如果上扣扭矩太小，在受拉狀態下會導致脫扣；反之，如果上扣扭矩過大，因為公扣部分的抗拉強度在上扣扭矩超過一定值后，會隨上扣扭矩的增加而減少，如果公扣部分的抗拉強度低于鉆桿本體，則會導致公扣先于鉆桿本體破壞。

5 結語

鉆桿的早期失效原因多樣，實際工作中應作具體分析。加強鉆工的培訓，規范操作很重要；同時，鉆桿生產廠家也要從源頭抓起，保證原材料的前提下，在加工方面作相應調整。

［1］ 高連新，史交齊，金燁．上扣扭矩對圓螺紋套管連接強度的影響［J］．天然氣工業，2005（2）．

［2］ 閆鐵，范森，石德勤．鉆鋌螺紋聯接處載荷分布規律研究［J］．石油學報，1996（3）．

［3］ 張焱，曹里民，劉坤方，等．一種計算鉆柱螺紋彈塑性接觸應力的新方法［J］．石油鉆采工藝，1999（5）．