王志剛， 梁 健， 劉秀美

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)科技創(chuàng)新大會(huì)上指出：“向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問(wèn)題”。向地球深部進(jìn)軍不僅是解決地學(xué)重大基礎(chǔ)理論問(wèn)題的迫切需要，同時(shí)也是保證我國(guó)能源安全、擴(kuò)展經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展空間的重大需求。地球深部蘊(yùn)藏了絕大部分的資源和能源，是維系萬(wàn)物生存的物質(zhì)和能量基礎(chǔ)。通過(guò)深地探測(cè)，開(kāi)展戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查，搞清資源家底，建立完善國(guó)家能源和礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備體系，做到“手握儲(chǔ)量、心里不慌”。而在深部地質(zhì)取心鉆探工作中，鉆柱是必不可少的一個(gè)部分，它是連接鉆井設(shè)備和井底取心工具的重要紐帶，是鉆進(jìn)工作能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵所在。在深井取心鉆進(jìn)中，鉆柱具有超細(xì)長(zhǎng)比的特征，在充滿鉆井液的狹長(zhǎng)井眼里做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，受拉、壓、彎、扭和內(nèi)外鉆井液壓力等復(fù)雜載荷的作用，同時(shí)還受到腐蝕、磨損、溫度等的影響，面對(duì)如此復(fù)雜的工程服役條件，極易發(fā)生鉆柱失效事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此開(kāi)展深部地質(zhì)鉆探鉆柱失效原因和機(jī)理研究，對(duì)于提高鉆柱壽命，解決和預(yù)防井下鉆柱失效事故，節(jié)約鉆井成本，提高鉆探效益具有非常重要的意義。

1 鉆柱失效的類型

鉆柱失效的形式多種多樣，歸納起來(lái)可以總結(jié)為3類[3]。

1.1 過(guò)量變形

鉆桿接頭在受載的情況下螺紋部分伸長(zhǎng)；鉆桿本體超過(guò)極限的彎曲和扭轉(zhuǎn)。

1.2 斷裂

斷裂事故是鉆柱失效當(dāng)中比較常見(jiàn)的一種事故，占比較大，產(chǎn)生的危害比較嚴(yán)重，主要包括以下幾種斷裂形式。

(1)過(guò)載斷裂。在起下鉆的過(guò)程中遇阻或遇卡時(shí)，由于操作不當(dāng)，引起的斷裂；或者是鉆進(jìn)過(guò)程中由于憋鉆產(chǎn)生斷裂。

(2)低應(yīng)力脆性斷裂。低應(yīng)力脆斷主要是因?yàn)殂@柱在使用過(guò)程中疲勞損傷所導(dǎo)致，是主要的失效形式，例如鉆桿焊接處的脆性斷裂或者接頭螺紋處的脆性斷裂，具有不可預(yù)知性的特點(diǎn)，是最危險(xiǎn)的斷裂方式之一。

(3)應(yīng)力腐蝕斷裂。是鉆柱失效的常見(jiàn)形式。例如鉆柱在含有硫化氫的環(huán)境中工作時(shí)產(chǎn)生的硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂；或者是接觸到腐蝕性介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

(4)氫脆斷裂。工作環(huán)境中存在過(guò)多的氫時(shí)，在拉應(yīng)力作用下可使材料發(fā)生氫脆。實(shí)際上，硫化氫和鹽酸引起的鉆具應(yīng)力腐蝕斷裂也是由于氫的作用造成的。

(5)疲勞斷裂。一般發(fā)生在鉆桿接頭和轉(zhuǎn)換接頭螺紋部位等截面變化區(qū)域或因表面損傷而造成的應(yīng)力集中區(qū)，在鉆井過(guò)程中鉆柱承受著復(fù)雜的交變應(yīng)力，很容易在螺紋根部和劃傷等缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，使缺陷處產(chǎn)生了裂紋并快速擴(kuò)展，直到斷裂。

(6)腐蝕疲勞斷裂。腐蝕疲勞斷裂占鉆柱失效的80%，與普通斷裂一樣，腐蝕疲勞斷裂裂紋產(chǎn)生在應(yīng)力集中比較嚴(yán)重的部位或表面產(chǎn)生腐蝕坑，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。

1.3 表面損傷

(1)腐蝕。包括均勻腐蝕(如鉆具銹蝕)、小孔腐蝕(即點(diǎn)蝕，鉆桿存放或使用過(guò)程中，內(nèi)外表面的點(diǎn)蝕)和焊縫腐蝕(如鉆桿表面皺折處的鉆井液腐蝕，外螺紋接頭處嚙合部位的腐蝕等)。

(2)磨損。包括粘著磨損(如鉆桿接頭和轉(zhuǎn)換接頭螺紋部分的磨損)、磨料磨損(如鉆井液和井壁對(duì)鉆柱的磨損、螺紋脂中的雜質(zhì)對(duì)螺紋的磨損)和沖蝕磨損(如鉆桿的內(nèi)外表面及連接螺紋受到鉆井液的沖蝕磨損)。

(3)機(jī)械損傷。如表面碰傷、燒傷及其它工具的壓痕等。

2 深部地質(zhì)鉆探鉆柱失效原因分析

2.1 振動(dòng)引起的鉆柱失效

鉆柱振動(dòng)對(duì)于深部地質(zhì)鉆探極為不利。首先鉆柱振動(dòng)造成鉆頭所受鉆壓不均勻，容易損壞鉆頭，振動(dòng)還會(huì)引起鉆頭激烈的跳動(dòng)跳離井底，損傷鉆桿接頭螺紋，影響鉆進(jìn)進(jìn)度。其次振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪音污染，對(duì)于施工人員的聽(tīng)力產(chǎn)生極大的影響。最后振動(dòng)使得鉆桿與孔壁的碰撞接觸幾率增加，縮短了鉆桿的使用壽命，在破碎地層或者松散地層，振動(dòng)還有可能造成卡鉆或者埋鉆事故。鉆柱振動(dòng)是鉆柱失效的最主要原因[4-9]。

2.1.1 橫向振動(dòng)引起的鉆柱失效

橫向振動(dòng)是導(dǎo)致鉆柱不穩(wěn)定和失效的主要因素之一。井深越深，鉆柱橫向振動(dòng)越嚴(yán)重，這一點(diǎn)可以通過(guò)提鉆檢查鉆具組合或者通過(guò)安裝鉆頭記錄儀來(lái)證明。橫向振動(dòng)主要發(fā)生于中和點(diǎn)以下的鉆桿上，中和點(diǎn)以下的鉆桿受壓，非常容易發(fā)生靜力失穩(wěn)，產(chǎn)生二次屈曲。鉆柱在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中由于旋轉(zhuǎn)阻力的作用，會(huì)使鉆柱由二次屈曲轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g螺旋屈曲，加上離心力的存在，鉆柱中和點(diǎn)以下鉆桿會(huì)產(chǎn)生劇烈的橫向振動(dòng)，造成中和點(diǎn)下部鉆桿失效，損壞連接螺紋，縮短鉆頭使用周期。

2.1.2 縱向振動(dòng)引起的鉆柱失效

縱向振動(dòng)在深部地質(zhì)鉆探中十分常見(jiàn)，特別是在堅(jiān)硬地層更容易發(fā)現(xiàn)。在鉆進(jìn)的過(guò)程中，鉆頭在動(dòng)載荷的作用下，頻繁的跳離井底或者猛烈的撞擊井底，且轉(zhuǎn)速開(kāi)的越快，現(xiàn)象越明顯。發(fā)生縱向振動(dòng)時(shí)，鉆柱跳動(dòng)現(xiàn)象明顯，噪音加大?？v向振動(dòng)不僅使鉆頭使用壽命降低，還會(huì)對(duì)井架及其他地面設(shè)備產(chǎn)生影響，如果不采取措施進(jìn)行干預(yù)，危害將十分嚴(yán)重。

2.1.3 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的鉆柱失效

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)也叫扭簧振動(dòng)，就像鐘表內(nèi)的扭簧帶動(dòng)擺輪，左右扭動(dòng)一樣，如圖1所示。在深部地質(zhì)鉆探中十分常見(jiàn)。鉆柱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)后，井底對(duì)鉆頭的阻力不斷變化，鉆頭時(shí)而停轉(zhuǎn)，時(shí)而加速，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)憋鉆。鉆機(jī)開(kāi)的轉(zhuǎn)速越高，現(xiàn)象越明顯，如果不采取措施進(jìn)行干預(yù)，會(huì)產(chǎn)生鉆柱扭斷、接頭螺紋損壞，鉆頭連接部扭斷等井下事故。

圖1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

2.1.4 渦動(dòng)引起的鉆柱失效

鉆柱渦動(dòng)是所有振動(dòng)中危害性最大的，是目前鉆柱力學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)。鉆柱在繞著自身軸線進(jìn)行自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還會(huì)繞著井眼軸線進(jìn)行公轉(zhuǎn)，這時(shí)就產(chǎn)生了渦動(dòng)，如圖2所示。渦動(dòng)也可以稱為行星運(yùn)動(dòng)，有正向和反向兩種渦動(dòng)形式。鉆柱渦動(dòng)造成鉆桿偏心距加大，與井壁碰撞、摩擦幾率加大，加快了鉆桿磨損的速度，容易引發(fā)鉆桿彎曲疲勞損害，提高了鉆進(jìn)功率，使得鉆柱橫向振動(dòng)頻率加大，孔內(nèi)事故發(fā)生概率增加。

圖2 渦動(dòng)

2.2 其他因素引起的鉆柱失效

在深部地質(zhì)鉆探中，振動(dòng)是鉆柱失效的主要原因，除此之外還有一些其他原因也可導(dǎo)致鉆柱失效，主要包括鉆柱質(zhì)量因素、人為因素、鉆井質(zhì)量因素、套管下入因素、測(cè)斜因素以及鉆井液因素，這些因素如果不加以重視，也可誘發(fā)鉆柱失效，發(fā)生井內(nèi)事故。

2.2.1 鉆柱質(zhì)量因素引起的鉆柱失效

材料成分不恰當(dāng)，本身存在雜質(zhì)，易引起脆性斷裂。在加工過(guò)程中，冶煉、調(diào)質(zhì)和加工工藝不當(dāng)，出現(xiàn)應(yīng)力集中或裂紋，造成鉆柱失效。

2.2.2 人為因素引起的鉆柱失效

目前地質(zhì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作人員來(lái)自于全國(guó)各地的地質(zhì)隊(duì)，其中除機(jī)長(zhǎng)以外絕大多數(shù)人員為臨時(shí)招聘，文化程度不高，再加上缺少相應(yīng)的其他福利待遇和激勵(lì)措施，造成這些臨時(shí)工作人員消極怠工情緒嚴(yán)重，機(jī)臺(tái)人員流動(dòng)較大，許多現(xiàn)場(chǎng)工作人員沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的上崗培訓(xùn)就開(kāi)始工作，不懂得如何進(jìn)行鉆柱搭配，下鉆前沒(méi)有及時(shí)的對(duì)鉆桿進(jìn)行嚴(yán)格檢查，使用已經(jīng)出現(xiàn)彎曲的鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)；為了拿到進(jìn)尺費(fèi)，盲目追求鉆進(jìn)效率，轉(zhuǎn)速過(guò)快；提鉆后不對(duì)鉆柱進(jìn)行檢查處理，鉆柱已經(jīng)被腐蝕仍然下井使用；人工擰卸鉆桿時(shí)，操作不當(dāng)，在鉆桿表面產(chǎn)生劃傷。這些人為因素都會(huì)引起鉆柱失效，發(fā)生井內(nèi)事故。

2.2.3 鉆井質(zhì)量因素引起的鉆柱失效

深部地質(zhì)鉆探主要以全井取心為主，在鉆探過(guò)程中很少使用鉆鋌、扶正器、減震器等工具，因此振動(dòng)嚴(yán)重很容易發(fā)生井斜，經(jīng)過(guò)糾斜以后在井下形成“大肚子”，造成井內(nèi)鉆柱在“大肚子”位置發(fā)生卡鉆、彎曲應(yīng)力集中和疲勞損壞，最后導(dǎo)致井壁坍塌或者鉆桿斷裂?？ㄣ@事故發(fā)生后，計(jì)算和測(cè)量卡點(diǎn)位置是關(guān)鍵，如果處理得當(dāng)可以有效避免井壁坍塌和鉆柱失效事故的發(fā)生[10]。由于鉆井質(zhì)量引發(fā)的鉆桿斷裂事故在深部地質(zhì)鉆探中十分常見(jiàn)，必須加以重視，盡量避免井下產(chǎn)生“大肚子”。

2.2.4 套管下入因素引起的鉆柱失效

深部地質(zhì)鉆探多為地質(zhì)調(diào)查井，不作為生產(chǎn)井使用。一般采用三開(kāi)鉆進(jìn)方式，一開(kāi)下入地質(zhì)薄壁套管進(jìn)行護(hù)壁，采用水泥固井。二開(kāi)也下入地質(zhì)套管護(hù)壁，但是為了節(jié)省經(jīng)費(fèi)，通常情況下二開(kāi)套管在鉆井完畢后會(huì)進(jìn)行起拔回收，因此二開(kāi)套管不采用水泥固井，而是直接“坐在”基巖上，并在井口采用夾板固定。深部地質(zhì)鉆探套管下入時(shí)不在套管上安裝扶正器，因此很難保持套管垂直，在三開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)如不對(duì)二開(kāi)套管進(jìn)行矯正，很容易發(fā)生井斜，引起鉆桿斷裂事故。

2.2.5 測(cè)斜因素引起的鉆柱失效

深部地質(zhì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)使用的測(cè)斜儀器多為單點(diǎn)測(cè)斜儀，在下入井內(nèi)后只能測(cè)定一個(gè)位置的井斜，通常的鉆探要求是在整百米、下入套管、進(jìn)入和穿出目的層時(shí)要進(jìn)行測(cè)斜。由于采用單點(diǎn)測(cè)斜儀間隔百米進(jìn)行測(cè)斜時(shí)，井內(nèi)可能已經(jīng)產(chǎn)生鍵槽和“大肚子”。再加上為了防止測(cè)斜儀掉入井內(nèi)，鉆井工作人員通常情況下會(huì)在鉆桿內(nèi)進(jìn)行測(cè)斜，造成所得的井斜數(shù)據(jù)失真。測(cè)斜不及時(shí)或者不準(zhǔn)確很容易影響鉆井質(zhì)量，進(jìn)而引起鉆柱失效事故。

2.2.6 鉆井液因素引起的鉆柱失效

地質(zhì)鉆探的目的是進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，而是不是進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，因此地質(zhì)鉆探對(duì)于儲(chǔ)層保護(hù)研究比較少，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有配備專門的鉆井液工程師，井隊(duì)在配漿時(shí)主要以經(jīng)驗(yàn)為主，不同的地質(zhì)鉆探隊(duì)伍所配的鉆井液并不相同。這就造成有些隊(duì)伍所配的鉆井液性能腐蝕性較強(qiáng)，在井下時(shí)鉆井液對(duì)鉆桿進(jìn)行腐蝕和沖蝕，如不能及時(shí)進(jìn)行提鉆檢查，容易引起鉆柱失效事故。

3 預(yù)防鉆柱失效的措施

根據(jù)深部地質(zhì)鉆探鉆柱失效的類型、原因，從優(yōu)化鉆柱內(nèi)部組織性能和外部使用方法出發(fā)提出以下幾條預(yù)防鉆柱失效的措施。

3.1 建立鉆柱彎曲點(diǎn)的計(jì)算模型

根據(jù)鉆柱在井內(nèi)的受力和運(yùn)動(dòng)情況，建立鉆柱彎曲點(diǎn)的計(jì)算模型，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工條件計(jì)算出鉆柱彎曲點(diǎn)，每次起鉆以后，上下倒換鉆桿進(jìn)行使用，避免同一鉆桿在同一位置多次出現(xiàn)彎曲和應(yīng)力集中，造成鉆柱失效。

3.2 加強(qiáng)鉆柱質(zhì)量的檢驗(yàn)和探傷

鉆柱應(yīng)嚴(yán)格按照質(zhì)量要求進(jìn)行加工生產(chǎn)，存在質(zhì)量問(wèn)題的鉆柱一律不能出廠。同時(shí)還要做好現(xiàn)場(chǎng)鉆柱的探傷工作，特別是在下鉆時(shí)，要對(duì)所使用的鉆柱進(jìn)行嚴(yán)格檢查。

3.3 嚴(yán)控鉆井質(zhì)量

鉆井質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)于井內(nèi)鉆柱的安全影響巨大，因此在鉆井過(guò)程中要嚴(yán)控鉆井質(zhì)量，避免因過(guò)分追求鉆井速度而忽略鉆井質(zhì)量的狀況出現(xiàn)，并且要加強(qiáng)對(duì)鉆井工作人員的培訓(xùn)，使司鉆能夠根據(jù)地質(zhì)條件的不同及時(shí)的調(diào)整鉆壓和鉆速，控制井斜，同時(shí)應(yīng)將原有的測(cè)斜密度增加到每30 m測(cè)斜一次，出現(xiàn)井斜以后及時(shí)進(jìn)行糾斜，杜絕井內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的“狗腿”度超標(biāo)狀況。在深井測(cè)斜時(shí)，必須按照測(cè)斜要求進(jìn)行測(cè)斜，但是要重視測(cè)斜儀的防掉和防埋保護(hù)。

3.4 及時(shí)矯正套管

根據(jù)地質(zhì)鉆探套管下入的特點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)對(duì)二開(kāi)套管進(jìn)行矯正?？稍诓挥绊懱坠芷鸢蔚那疤嵯孪氯敕稣h(huán)扶正，同時(shí)在三開(kāi)鉆進(jìn)之前使用鉆桿輕敲套管，保證套管在井內(nèi)處于垂直的狀態(tài)。

3.5 優(yōu)化鉆柱使用

使用過(guò)的鉆桿不再進(jìn)行修扣使用，可以切掉原有舊扣從新進(jìn)行車扣，消除疲勞源；限定鉆桿的使用時(shí)間，使用時(shí)間達(dá)到后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行報(bào)廢；縮短對(duì)鉆桿的探傷時(shí)間，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行更換，減少鉆柱斷裂的幾率；建立鉆柱疲勞破壞壽命的檔案,在每次使用前查閱其剩余壽命,決定是否可以下井和采取那些必要措施。

4 深部地質(zhì)鉆探鉆柱力學(xué)研究存在的主要問(wèn)題

4.1 研究人員不足

目前，對(duì)于鉆柱力學(xué)的研究主要集中于石油領(lǐng)域，在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域主要集中于研究鉆柱靜力學(xué)問(wèn)題，很少有人研究鉆柱動(dòng)力學(xué)問(wèn)題[11]。實(shí)際上深部地質(zhì)鉆探無(wú)論是在鉆探設(shè)備，鉆柱、鉆頭還是鉆進(jìn)工藝上都與石油鉆探存在很大的區(qū)別，石油鉆柱動(dòng)力學(xué)研究成果不能夠完全適應(yīng)于深部地質(zhì)鉆探，因此必須加強(qiáng)深部地質(zhì)鉆探鉆柱動(dòng)力學(xué)研究。

4.2 研究方向單一

與鉆柱靜力學(xué)研究相比，地質(zhì)鉆探鉆柱動(dòng)力學(xué)研究研究方向比較單一，研究最多的是鉆柱橫向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和縱向振動(dòng)單一振動(dòng)形式，沒(méi)有深入地對(duì)地質(zhì)鉆探鉆柱渦動(dòng)行為進(jìn)行研究，更別提非線性耦合振動(dòng)問(wèn)題的研究，在研究方式上多套用石油鉆探鉆柱力學(xué)數(shù)學(xué)模型，且沒(méi)有形成體系研究。

4.3 缺少定量分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)有的地質(zhì)鉆探鉆柱動(dòng)力學(xué)研究主要為理論研究，很少進(jìn)行定量分析，也很少進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，整體仍然處于起步階段。

5 結(jié)論

(1)鉆柱的失效類型有過(guò)量變形、斷裂和表面損傷三類，其中斷裂是最主要的失效類型。

(2)振動(dòng)分為橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和渦動(dòng)，在石油鉆井中振動(dòng)是引起鉆柱失效的主要原因，深部地質(zhì)鉆探在鉆井過(guò)程中同樣會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題，因此振動(dòng)引起的鉆柱失效問(wèn)題同樣不能忽視，但是深部地質(zhì)鉆探與石油鉆探有一定的區(qū)別，除了振動(dòng)引起鉆柱失效外，還有包括鉆柱質(zhì)量因素、人為因素、鉆井質(zhì)量因素、套管下入因素、測(cè)斜因素以及鉆井液因素引起的鉆柱失效問(wèn)題。

(3)依據(jù)深部地質(zhì)鉆探鉆柱失效的原因提出了建立鉆柱彎曲點(diǎn)的計(jì)算模型、加強(qiáng)鉆柱質(zhì)量的檢驗(yàn)和探傷、嚴(yán)控鉆井質(zhì)量、及時(shí)矯正套管和優(yōu)化鉆柱使用5條預(yù)防鉆柱失效的措施，可以有效地減少鉆柱失效事故的發(fā)生。

(4)深部地質(zhì)鉆探在鉆柱力學(xué)方面的研究較少。出現(xiàn)這樣問(wèn)題的原因主要是由于在前期階段，地質(zhì)鉆探主要以淺井取樣為主，鉆柱力學(xué)研究不能體現(xiàn)出研究?jī)r(jià)值，因此很少有人進(jìn)行研究，且研究方向也比較單一。但隨著深部地質(zhì)鉆探工程的開(kāi)展，地質(zhì)鉆探鉆柱動(dòng)力學(xué)研究開(kāi)始受到重視。