地質鉆桿斷裂的原因及加強措施探析

郭國瑞

（甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，甘肅蘭州 730100）

1.鉆桿的失效形式

鉆桿在地質鉆探工作中起到紐帶作用，通過鉆桿連接鉆頭進行工作，鉆桿常年應用過程中會受到各類因素的影響，使用壽命會降低，從而導致了鉆桿功效的丟失。鉆桿在工作的過程中常見失效形式一共有3種，分別如下：桿體折斷、漏水、螺紋處失效。每種失效形式形成的原因各有不同，如果是鉆桿斷裂或者漏水問題，主要原因是鉆桿自身材料的問題，在受到外界較為大的壓力下，材質影響因素導致了鉆桿的劈裂和漏水現象。而螺紋處失效主要原因是因為截面問題，截面形狀具有復雜性的特點，受力集中現象時有發生，所以會導致螺紋部位出現問題，同時也成為了鉆桿中最為薄弱的環節。根據相關數據總結，地質鉆探工作80%的故障問題是由螺紋處失效引起的。

2.失效原因和防范措施

2.1 材質影響因素

地質鉆探鉆桿為了提高工作效能，需要具備較強的拉力，并且具備抗彎能力和沖擊韌性，所以在材料的選擇上，盡量選擇含有碳合金結構的無縫鋼管進行使用，此類型鉆桿能夠承受較大的壓力，并且在施工過程中還能提高使用壽命。一般情況下含有碳合金材料的鉆桿整體性能較好，所以在應用過程中降低了斷裂事故的發生概率，針對目前我國地質鉆探工作選擇的鉆桿而言，大部分工作會選擇STM—R780無縫鋼管，此類鋼管具有一定應用優勢，更適合鉆探工作[1]。

2.2 鉆桿機加工因素

鉆桿機在加工的過程中各個步驟不能出現問題，比如說螺紋方面，螺紋的錐度和螺距直接影響著鉆桿機的使用質量，同時其中一項因素出現了誤差，都會導致螺紋嚙合困難，從而導致鉆桿螺紋部分失去應用效果，影響鉆進工作的進度，也讓鉆桿在鉆進工作中失去了效能。綜上所述，鉆桿在進行制作過程中需要重視螺紋問題，提升制作螺紋方面的質量。在鉆桿和接頭部分的制作工作，需要數控基礎使用成型刀片進行操作，確保螺紋型角的統一，從而提升螺紋表面的質量。在制作鉆桿螺紋時，還需嚴格控制螺紋的松緊度，確保螺紋表面粗糙程度，讓其逐漸符合使用需求，降低應力集中事故的發生[2]。

2.3 地層因素

鉆桿引起斷裂問題還有可能是地層問題的影響，比如說地層的可鉆性差原因，很多地層由于條件不同，自身堅硬度較大，比如說卵礫石層，在進行施工的過程中很容易出現憋跳現象，提高鉆桿振動的頻率，并且加大了鉆桿的振動力量，在超出鉆桿承受能力之后，鉆桿會因承受不住大的壓力而斷裂[3]。

2.4 鉆孔結構和鉆具

在進行鉆探工作之前相關工作人員需要合理選擇鉆探工具，比如說鉆孔和鉆具方面，鉆具應該與鉆孔型號相對，如若在鉆探的過程中鉆孔與鉆具之間間隙過大，在施工的過程中會導致鉆桿出現扭曲變形，長期高負荷工作會嚴重影響螺紋部位問題，速度的提升嚴重導致了螺紋的疲勞損壞。

2.5 絲扣油

絲扣油是鉆探工作中必不可少的輔助材料，在鉆探工作進行的過程絲扣油用來降低鉆桿粘黏現象，應用之后減少了卸扣扭矩，并且降低了螺紋表面的磨損情況，提高螺紋工作的質量；在應用過程中相關工作人員應該根據實際需求，選擇質量好的絲扣油進行工作，確保在涂抹的過程能夠讓設備完全吸收，提高整體附著力，避免螺紋的無效性，從而降低粘扣問題的發生。

2.6 鉆井液

鉆井液也是鉆探工作必不可少的輔助材料，一般情況下鉆探工作會選擇泥漿作為鉆井液，主要目的是為了降低鉆探工具的溫度，并且在孔壁的位置還能形成一層保護膜，降低摩擦力而造成的損壞，同時鉆井液的應用也是保護鉆桿的一種方式。在地質鉆探工作中鉆井液是高消耗品，所以我們不難看出鉆井液對于鉆探工作的重要性，同時它也是一種延長鉆桿使用壽命的工具。

3.提高螺紋強度的措施

3.1 螺紋荷載分析

鉆桿在工作的過程中需要扣與扣之間相互作用，比如說鉆桿公扣與接頭母扣之間的作用，二者的組合加強了螺旋副的相對運動，并且也簡化纏繞柱的運動，從整體工作來看，此項工作環節之間的相互作用，具有摩擦理論的依據，同時也是載荷分布的規律。目前我國相關工作使用的鉆探工具螺紋一般情況下的荷載力在90%以上，此類荷載力屬于螺紋根部進行承擔，離螺紋根部越近承載力越強同時承受的壓力越大，螺紋所受的沖擊越大。我國地質鉆探工作人員在常年的工作經驗中總結出一下結論：根據相關數據表明，鉆探人員可以選擇利用半解析的方式對螺紋的工作狀態進行應力分析，并且分析了螺紋在預緊狀態下的應力場，所得出的結論如下：在進行鉆探過程中螺紋部位最容易遭受損壞的是公扣，尤其是公扣的第一節。隨后研究人員又對鉆桿和接頭部分的螺紋進行研究，通過分析內容我們得出了以下結論：根據螺紋扣的扭矩值對比，在鉆探過程中螺紋預緊內容是合理的，并且無論在任何施工階段，預緊問題的應力場都會處于彈性狀態，并且在此過程中螺紋的應用價值不會失效。

3.2 加強措施

研究人員根據自身經驗對鉆桿和接頭部分的承載力進行了分析，根據分析內容得出了以下對于螺紋部分的加強措施。分析結果如下：鉆桿螺紋靠近根部的部分，所承受的荷載力較大，并且與根部越靠近，承受的力就越大，對螺紋造成的影響就越大。所以改善措施需要從螺紋根部進行研究，根據螺紋的高度，并且結合應力理論，不斷改善集中現象的發生，在螺紋工作的過程中將所有力分散開來，提高鉆桿承接力的能力。此項研究經過了計算，計算結果表明，螺紋在設計加工的過程中對公扣第一個螺紋在進行去除不完整扣處理，高度降低70%之后，它所承受的荷載要比原先降低30%，負荷有被均勻分配的現象。

在鉆探工作中，粘扣的現象時有發生，所以為了降低粘扣問題的發生，相關工作人員可以選擇用氮化處理的方式對粘扣現象進行處理。氮化處理方式在一定基礎之上還能提高螺紋的整體耐磨性，提高了鉆桿工具的使用壽命，控制了鉆桿的成本問題。氮化處理工作中的氮化層要保持在0.2mm左右，如果氮化層厚度不在標準范圍內，會提高鉆桿斷裂事故發生的概率，如果在操作的過程中厚度不滿足標準值，整體防粘扣作用會降低，所以氮化層的控制工作至關重要。

鉆桿在與接頭部分相互連接時，需要確保螺紋部分的清潔，清潔過后還需涂抹絲扣油，防止螺紋部分表面造成損壞，并且絲扣油的使用也降低了粘合問題。在進行安裝工作時，相關施工人員需要確保接頭不搖擺，將其固定之后再進行旋扣工作，接頭的不穩定性會直接導致卡阻現象，所以在組裝過程中接頭的穩定性較為重要。旋扣之后，應該將扭矩扣緊，利用大鉗進行后續操作，降低螺紋損壞的可能性。

固定扣扭矩的目的起到了對鉆桿和接頭之間的保護作用，通過連接強度讓其不低于鉆桿本體的強度。如果在操作的過程中發現扣扭矩較小，操作力度加大之后會發生脫扣現象，相反，如果扣扭矩較大，公扣部分拉力在不斷加強的情況下，扭矩會超出規定值，扭矩也會隨著操作的距離不斷進行變化，與本體脫離的概率加大。如果操作過程中公扣部分的抗拉力較大，就會引起后續公扣和鉆桿本體之間的損壞。

4.結論

鉆桿的斷裂因素根據操作步驟的不同，具有多樣化的特征，要根據操作過程中的實際需求進行合理分析。為了避免鉆桿出現斷裂現象，需要加強工作的嚴謹性，并且對鉆工進行培訓，嚴格規范操作步驟。