發布時間：2020-01-08所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：國家的三深一土規劃確定全面開展深地探測，而在深地探測中鉆柱是最重要的連接紐帶，其長期在充滿鉆井液的井眼內工作，受力十分復雜，且受腐蝕、磨 損、溫 度 等 影 響，極易發生鉆柱失效事故，造成重大經濟損失。研究發現，振動是引起鉆柱失效的主要原
摘要：國家的“三深一土”規劃確定全面開展深地探測，而在深地探測中鉆柱是最重要的連接紐帶，其長期在充滿鉆井液的井眼內工作，受力十分復雜，且受腐蝕、磨 損、溫 度 等 影 響，極易發生鉆柱失效事故，造成重大經濟損失。研究發現，振動是引起鉆柱失效的主要原因，但是深部地質鉆探中除了振動引起鉆柱失效外，還包括鉆柱質量因素、人為因素、鉆井質量、套管下入因素、測斜因素以及鉆井液因素引起的鉆柱失效，本文針對這些影響因素提出了對應的預防措施。同時隨著地質鉆探井深的不斷加深，地質鉆探鉆柱動力學研究會變得越來越重要，這 就 需 要 地 質鉆探人員在充分考慮地質鉆探鉆柱失效影響因素的前提下，加大對地質鉆探鉆柱動力學的研究，以更好地保證深部地質鉆探的順利進行。
關鍵詞：地質鉆探;鉆柱動力學;振動;鉆柱失效
0 引言
習近平同志在全國科技創新大會上指出：“向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題”。向地球深部進軍不僅是解決地學重大基礎理論問題的迫切需要，同時也是保證我國能源安全、擴展經濟社會發展空間的重大需求。地球深部蘊藏了絕大部分的資源和能源，是維系萬物生存的物質和能量基礎。通過深地探測，開展戰略性礦產勘查，搞清資源家底，建立完善國家能源和礦產資源戰略儲備體系，做到“手握儲量、心里不慌”。而在深部地質取心鉆探工作中，鉆柱是必不可少的一個部分，它是連接鉆井設備和井底取心工具的重要紐帶，是鉆進工作能否順利進行的關鍵所在。在深井取心鉆進中，鉆柱具有超細長比的特征，在充滿鉆井液的狹長井眼里做旋轉運動，受拉、壓、彎、扭和內外鉆井液壓力等復雜載荷的作用，同時還受到腐蝕、磨損、溫度等的影響，面對如此復雜的工程服役條件，極易發生鉆柱失效事故，造 成 重 大 的 經 濟 損 失[1-2]。因 此 開 展 深 部地質鉆探鉆柱失效原因和機理研究，對于提高鉆柱壽命，解決和 預 防 井 下 鉆 柱 失 效 事 故，節 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，歸納起來可以總結為3類[3]。
1.1 過量變形
鉆桿接頭在受載的情況下螺紋部分伸長;鉆桿本體超過極限的彎曲和扭轉。
1.2 斷裂斷
裂 事 故 是 鉆 柱 失 效 當 中 比 較 常 見 的 一 種 事故，占比較大，產生的危害比較嚴重，主要包括以下幾種斷裂形式。
(1)過載斷裂。在起下鉆的過程中遇阻或遇卡時，由于操作不當，引起的斷裂;或者是鉆進過程中由于憋鉆產生斷裂。
(2)低應力脆性斷裂。低應力脆斷主要是因為鉆柱在使用過程中疲勞損傷所導致，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，具有不可預知性的特點，是最危險的斷裂方式之一。
(3)應 力 腐 蝕 斷 裂。是 鉆 柱 失 效 的 常 見 形 式。例如鉆柱在含有硫化氫的環境中工作時產生的硫化物應力腐蝕斷裂;或者是接觸到腐蝕性介質時產生應力腐蝕開裂。
(4)氫脆斷裂。工作環境中存在過多的氫時，在拉應力作用下可使材料發生氫脆。實際上，硫化氫和鹽酸引起的鉆具應力腐蝕斷裂也是由于氫的作用造成的。
(5)疲勞斷裂。一般發生在鉆桿接頭和轉換接頭螺紋部位等截面變化區域或因表面損傷而造成的應力集中區，在鉆井過程中鉆柱承受著復雜的交變應力，很容易在螺紋根部和劃傷等缺陷部位產生應力集中，使缺 陷 處 產 生 了 裂 紋 并 快 速 擴 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 生在應力集中比較嚴重的部位或表面產生腐蝕坑，產生裂紋并擴展。
1.3 表面損傷
(1)腐蝕。包括均勻腐蝕(如鉆具銹蝕)、小孔腐蝕(即點蝕，鉆桿存放或使用過程中，內外表面的點蝕)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(如鉆桿接頭和轉換接頭螺紋部分的磨損)、磨料磨損(如鉆井液和井壁對鉆柱的磨損、螺紋脂中的雜質對螺紋的磨損)和沖蝕磨損(如鉆桿的內外表面及連接螺紋受到鉆井液的沖蝕磨損)。
(3)機械損傷。如表面碰傷、燒傷及其它工具的壓痕等。
2 深部地質鉆探鉆柱失效原因分析
2.1 振動引起的鉆柱失效
鉆柱振動對于深部地質鉆探極為不利。首先鉆柱振動造成鉆頭所受鉆壓不均勻，容易損壞鉆頭，振動還會引起鉆頭激烈的跳動跳離井底，損傷鉆桿接頭螺紋，影響鉆進進度。其次振動會產生噪音污染，對于施工人員的聽力產生極大的影響。最后振動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，振動還有可能造成卡鉆或者埋鉆事故。鉆柱振動是鉆柱失效的最主要原因[4-9]。
2.1.1 橫向振動引起的鉆柱失效
橫向振動是導致鉆柱不穩定和失效的主要因素之一。井深越深，鉆柱橫向振動越嚴重，這一點可以通過提鉆檢查鉆具組合或者通過安裝鉆頭記錄儀來證明。橫向振動主要發生于中和點以下的鉆桿上，中和點以下的鉆桿受壓，非常容易發生靜力失穩，產生二次屈曲。鉆柱在轉動的過程中由于旋轉阻力的作用，會使鉆柱由二次屈曲轉變為空間螺旋屈曲，加上離心力的存在，鉆柱中和點以下鉆桿會產生劇烈的橫向振動，造成中和點下部鉆桿失效，損壞連接螺紋，縮短鉆頭使用周期。
2.1.2 縱向振動引起的鉆柱失效
縱向振動在深部地質鉆探中十分常見，特別是在堅硬地層更容易發現。在鉆進的過程中，鉆頭在動載荷的作用下，頻繁的跳離井底或者猛烈的撞擊井底，且轉速開的越快，現象越明顯。發生縱向振動時，鉆柱跳動現象明顯，噪音加大�？v向振動不僅使鉆頭使用壽命降低，還會對井架及其他地面設備產生影響，如果 不 采 取 措 施 進 行 干 預，危 害 將 十 分 嚴重。
2.1.3 扭轉振動引起的鉆柱失效
扭轉振動也叫扭簧振動，就像鐘表內的扭簧帶動擺輪，左右扭動一樣，如圖1所示。在深部地質鉆探中十分常見。鉆柱產生扭轉振動后，井底對鉆頭的阻力不斷變化，鉆頭時而停轉，時而加速，嚴重時還會出現憋鉆。鉆機開的轉速越高，現象越明顯，如果不采取措施進行干預，會產生鉆柱扭斷、接頭螺紋損壞，鉆頭連接部扭斷等井下事故。
2.1.4 渦動引起的鉆柱失效
鉆柱渦動是所有振動中危害性最大的，是目前鉆柱力學研究領域的一個重點。鉆柱在繞著自身軸線進行自轉的同時，還會繞著井眼軸線進行公轉，這時就產生了渦動，如圖2所示。渦動也可以稱為行星運動，有正向和反向兩種渦動形式。鉆柱渦動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，容易引發鉆桿彎曲疲勞損害，提高了鉆進功率，使得鉆柱橫向振動頻率加大，孔內事故發生概率增加。
2.2 其他因素引起的鉆柱失效
在深部地質鉆探中，振動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致鉆柱失效，主要包括鉆柱質量因素、人為因素、鉆井質量因素、套管下入因素、測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 鉆 柱 失 效，發 生 井 內 事故。
2.2.1 鉆柱質量因素引起的鉆柱失效
材料成分不恰當，本身存在雜質，易引起脆性斷裂。在加工過程中，冶煉、調質和加工工藝不當，出現應力集中或裂紋，造成鉆柱失效。
2.2.2 人為因素引起的鉆柱失效
目前地質鉆探現場工作人員來自于全國各地的地質隊，其中除機長以外絕大多數人員為臨時招聘，文化程度不高，再加上缺少相應的其他福利待遇和激勵措施，造成這些臨時工作人員消極怠工情緒嚴重，機臺人員流動較大，許多現場工作人員沒有經過嚴格的上崗培訓就開始工作，不懂得如何進行鉆柱搭配，下鉆前沒有及時的對鉆桿進行嚴格檢查，使用已經出現彎曲的鉆桿進行鉆進;為了拿到進尺費，盲目追求鉆進效率，轉速過快;提鉆后不對鉆柱進行檢查處理，鉆柱已經被腐蝕仍然下井使用;人工擰卸鉆桿時，操作不當，在鉆桿表面產生劃傷。這些人為因素都會引起鉆柱失效，發生井內事故。
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2.2.3 鉆井質量因素引起的鉆柱失效
深部地質鉆探主要以全井取心為主，在鉆探過程中很少使用鉆鋌、扶正器、減震器等工具，因此振動嚴重很容易發生井斜，經過糾斜以后在井下形成 “大肚子”，造成井內鉆柱在“大肚子”位置發生卡鉆、彎曲應力集中和疲勞損壞，最后導致井壁坍塌或者鉆桿斷裂�？ㄣ@事故發生后，計算和測量卡點位置是關鍵，如果處理得當可以有效避免井壁坍塌和鉆柱失效事故 的 發 生[10]。由 于 鉆 井 質 量 引 發 的 鉆 桿斷裂事故在深部地質鉆探中十分常見，必須加以重視，盡量避免井下產生“大肚子”
2.2.4 套管下入因素引起的鉆柱失效
深部地質鉆探多為地質調查井，不作為生產井使用。一般采用三開鉆進方式，一開下入地質薄壁套管進行護壁，采用水泥固井。二開也下入地質套管護壁，但是為了節省經費，通常情況下二開套管在鉆井完畢后會進行起拔回收，因此二開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。深部地質鉆探套管下入時不在套管上安裝扶正器，因此很難保持套管垂直，在三開鉆進時如不對二開套管進行矯正，很容易發生井斜，引起鉆桿斷裂事故。
2.2.5 測斜因素引起的鉆柱失效
深部地質鉆探現場使用的測斜儀器多為單點測斜儀，在下入井內后只能測定一個位置的井斜，通常的鉆探要求是在整百米、下入套管、進入和穿出目的層時要進行測斜。由于采用單點測斜儀間隔百米進行測斜時，井內可能已經產生鍵槽和“大肚子”。再加上為了防止測斜儀掉入井內，鉆井工作人員通常情況下會在鉆桿內進行測斜，造成所得的井斜數據失真。測斜 不 及 時 或 者 不 準 確 很 容 易 影 響 鉆 井 質量，進而引起鉆柱失效事故。
2.2.6 鉆井液因素引起的鉆柱失效
地質鉆探的目的是進行地質調查，而是不是進行工業生產，因此地質鉆探對于儲層保護研究比較少，現場沒有配備專門的鉆井液工程師，井隊在配漿時主要以經驗為主，不同的地質鉆探隊伍所配的鉆井液并不相同。這就造成有些隊伍所配的鉆井液性能腐蝕性較強，在井下時鉆井液對鉆桿進行腐蝕和沖蝕，如不能及時進行提鉆檢查，容易引起鉆柱失效事故。
3 預防鉆柱失效的措施
根據深部地質鉆探鉆柱失效的類型、原因，從優化鉆柱內部組織性能和外部使用方法出發提出以下幾條預防鉆柱失效的措施。
3.1 建立鉆柱彎曲點的計算模型
根據鉆柱在井內的受力和運動情況，建立鉆柱彎曲點的計算模型，針對現場施工條件計算出鉆柱彎曲點，每次起鉆以后，上下倒換鉆桿進行使用，避免同一鉆桿在同一位置多次出現彎曲和應力集中，造成鉆柱失效。
3.2 加強鉆柱質量的檢驗和探傷
鉆柱應嚴格按照質量要求進行加工生產，存在質量問題的鉆柱一律不能出廠。同時還要做好現場鉆柱的探傷工作，特別是在下鉆時，要對所使用的鉆柱進行嚴格檢查。
3.3 嚴控鉆井質量
鉆 井 質 量 的 優 劣 對 于 井 內 鉆 柱 的 安 全 影 響 巨大，因此在鉆井過程中要嚴控鉆井質量，避免因過分追求鉆井速度而忽略鉆井質量的狀況出現，并且要加強對鉆井工作人員的培訓，使司鉆能夠根據地質條件的不同及時的調整鉆壓和鉆速，控制井斜，同時應將原有的測 斜 密 度 增 加 到 每30 m 測 斜 一 次，出現井斜以后及時進行糾斜，杜絕井內出現嚴重的“狗腿”度超標狀況。在深井測斜時，必須按照測斜要求進行測斜，但是要重視測斜儀的防掉和防埋保護。
3.4 及時矯正套管
根據地質鉆探套管下入的特點，應及時對二開套管進行矯正�？稍诓挥绊懱坠芷鸢蔚那疤嵯孪氯敕稣h扶正，同時在三開鉆進之前使用鉆桿輕敲套管，保證套管在井內處于垂直的狀態。
3.5 優化鉆柱使用
使用過的鉆桿不再進行修扣使用，可以切掉原有舊扣從新進行車扣，消除疲勞源;限定鉆桿的使用時間，使用時間達到后應及時進行報廢;縮短對鉆桿的探傷時間，及時發現問題及時進行更換，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 深部地質鉆探鉆柱力學研究存在的主要問題
4.1 研究人員不足
目前，對于鉆柱力學的研究主要集中于石油領域，在地質鉆探領域主要集中于研究鉆柱靜力學問題，很少有人研究鉆柱動力學問題[11]。實際上深部地質鉆探無論是在鉆探設備，鉆柱、鉆頭還是鉆進工藝上都與石油鉆探存在很大的區別，石油鉆柱動力學研究成果不能夠完全適應于深部地質鉆探，因此必須加強深部地質鉆探鉆柱動力學研究。
4.2 研究方向單一
與鉆柱靜力學研究相比，地質鉆探鉆柱動力學研究研究方向比較單一，研究最多的是鉆柱橫向振動、扭轉振動和縱向振動單一振動形式，沒有深入地對地質鉆探鉆柱渦動行為進行研究，更別提非線性耦合振動問題的研究，在研究方式上多套用石油鉆探鉆柱力學數學模型，且沒有形成體系研究。
4.3 缺少定量分析和現場應用
現有的地質鉆探鉆柱動力學研究主要為理論研究，很少進行定量分析，也很少進行現場應用研究，整體仍然處于起步階段。
5 結論
(1)鉆柱的失效類型有過量變形、斷裂和表面損傷三類，其中斷裂是最主要的失效類型。
(2)振動分為橫向振動、縱向振動、扭轉振動和渦動，在石油鉆井中振動是引起鉆柱失效的主要原因，深部地質鉆探在鉆井過程中同樣會產生振動問題，因此振動引起的鉆柱失效問題同樣不能忽視，但是深部地質鉆探與石油鉆探有一定的區別，除了振動引起鉆柱失效外，還有包括鉆柱質量因素、人為因素、鉆井質量因素、套管下入因素、測斜因素以及鉆井液因素引起的鉆柱失效問題。
(3)依據深部地質鉆探鉆柱失效的原因提出了建立鉆柱彎曲點的計算模型、加強鉆柱質量的檢驗和探傷、嚴控鉆井質量、及時矯正套管和優化鉆柱使用5條預防鉆柱失效的措施，可以有效地減少鉆柱失效事故的發生。(4)深部地質鉆探在鉆柱力學方面的研究較少。出現這樣問題的原因主要是由于在前期階段，地質鉆探主要以淺井取樣為主，鉆柱力學研究不能體現出研究價值，因此很少有人進行研究，且研究方向也比較單一。但隨著深部地質鉆探工程的開展，地質鉆探鉆柱動力學研究開始受到重視。
SCISSCIAHCI
