張濤

（寧波浙東地質(zhì)器材制造有限責(zé)任公司，浙江 寧波315012）

1 前言

鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中具有舉足輕重的作用，它將鉆機(jī)扭矩傳遞給鉆頭，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。在鉆孔中，鉆桿承受著非常復(fù)雜的載荷，幾乎同時(shí)承受了拉、壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等應(yīng)力，并且鉆桿柱本身是一個(gè)彈性系統(tǒng)，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆井液的循環(huán)和鉆桿柱的振動(dòng)使得鉆桿柱承受了很大的動(dòng)載。因此，鉆桿不可避免地會(huì)出現(xiàn)失效。鉆桿的早期失效，嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)速度，拖延了鉆進(jìn)周期，以致造成巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。于是，如何保證鉆桿的質(zhì)量，避免早期失效，確保鉆進(jìn)的順利進(jìn)行變得至關(guān)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?yàn)闂U體材料自身存在缺陷，在復(fù)雜的受力情況下疲勞產(chǎn)生。由于螺紋特殊的結(jié)構(gòu)形式，截面形狀復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，螺紋部位成為鉆桿的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(zhì)因素

鉆桿桿體應(yīng)有較高的抗拉強(qiáng)度，較好的抗彎性能和沖擊韌性，材料應(yīng)選用中碳合金結(jié)構(gòu)無(wú)縫鋼管。目前國(guó)內(nèi)普遍使用STM－R780（42Mn Mo7）無(wú)縫鋼管生產(chǎn)普通地質(zhì)鉆桿，根據(jù)Q／BQB2003－2009標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼的化學(xué)成分要求如表1，桿體力學(xué)性能應(yīng)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(fù)雜的服役環(huán)境下，缺陷被不斷擴(kuò)大，極易引發(fā)斷裂、鉆井液刺穿鉆桿等失效事故。

表1 STM－R780鋼材化學(xué)成分

表2 鉆桿桿體力學(xué)性能

3．2 鉆桿機(jī)加工因素

如在機(jī)加工中，螺紋的錐度、螺距、牙型角等中任一項(xiàng)有誤差，都將導(dǎo)致螺紋嚙合困難，引起鉆進(jìn)過(guò)程中的失效。因此，鉆桿及接頭（接箍）的螺紋應(yīng)在數(shù)控車床上用成型刀片加工，保證牙型角的統(tǒng)一，提高螺紋表面質(zhì)量。同時(shí)，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(jī)加工產(chǎn)生的應(yīng)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(jìn)過(guò)程中易發(fā)生憋、跳現(xiàn)象，加劇鉆桿的震動(dòng)，大大增加了發(fā)生疲勞失效的概率。

3．4 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具級(jí)配因素

鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具級(jí)配不合理導(dǎo)致鉆桿與孔壁間隙過(guò)大，鉆桿的彎曲程度隨之變大，螺紋部位受交變彎曲應(yīng)力加速了螺紋的疲勞損壞。

3．5 絲扣油的使用

質(zhì)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(dāng)使用絲扣油，如涂抹時(shí)混入雜質(zhì)或加機(jī)油稀釋使得絲扣油附著困難等，均會(huì)造成螺紋無(wú)法進(jìn)行有效密封和潤(rùn)滑而發(fā)生粘扣。

3．6 鉆井液的因素

在地層鉆進(jìn)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(hù)孔壁，同時(shí)減少鉆具與孔壁的摩擦力，能有效延長(zhǎng)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(duì)鉆桿的使用壽命關(guān)系重大。

4 提高螺紋強(qiáng)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(duì)運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為繩索纏繞于一圓柱滾子做運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用撓性件摩擦理論研究載荷分布規(guī)律，即可知螺紋上的應(yīng)力分布情況：靠近螺紋根部的前五扣承擔(dān)了超過(guò)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(duì)螺紋在預(yù)緊和工作狀態(tài)下的接觸應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，得出的結(jié)論是：對(duì)于公扣來(lái)講，螺紋嚙合部位的根部第一扣是最易損壞的。

對(duì)鉆桿與接頭（接箍）螺紋副的優(yōu)化分析表明：按照一定的螺紋上扣扭矩值預(yù)緊螺紋是合理的，不論在預(yù)緊階段還是工作階段螺紋的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)均處于彈性狀態(tài)，不會(huì)失效。

4．2 加強(qiáng)措施

（1）改變螺紋高度

根據(jù)鉆桿與接頭（接箍）螺紋副優(yōu)化分析可知：鉆桿螺紋靠近根部的5扣承擔(dān)了絕大多數(shù)的載荷，且越近根部，受力越大。因此，可考慮適當(dāng)依次降低根部幾扣的螺紋高度，則應(yīng)力集中情況將會(huì)得到明顯改善。有計(jì)算表明，當(dāng)公扣第一個(gè)螺紋高度降低70%時(shí)，其承擔(dān)的載荷比原來(lái)減少32%，被減少的負(fù)荷將自然分配至其他螺紋上。

（2）接頭（接箍）螺紋表面進(jìn)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(guò)厚螺紋容易崩裂，厚度不夠則防粘扣效果不明顯。

（3）規(guī)范操作使用

鉆桿與接頭（接箍）聯(lián)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(huì)使鋼表面粘合在一起。旋扣前，要保證接頭（接箍）不搖擺，無(wú)卡阻現(xiàn)象；旋扣之后，還應(yīng)用大鉗（雙鉗）按規(guī)定的扭矩緊扣，否則會(huì)增加螺紋損壞的可能性。

規(guī)定上扣扭矩的目的是為了保證鉆桿與接頭（接箍）的聯(lián)接強(qiáng)度不低于鉆桿本體的強(qiáng)度。如果上扣扭矩太小，在受拉狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致脫扣；反之，如果上扣扭矩過(guò)大，因?yàn)楣鄄糠值目估瓘?qiáng)度在上扣扭矩超過(guò)一定值后，會(huì)隨上扣扭矩的增加而減少，如果公扣部分的抗拉強(qiáng)度低于鉆桿本體，則會(huì)導(dǎo)致公扣先于鉆桿本體破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

鉆桿的早期失效原因多樣，實(shí)際工作中應(yīng)作具體分析。加強(qiáng)鉆工的培訓(xùn)，規(guī)范操作很重要；同時(shí)，鉆桿生產(chǎn)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(yīng)調(diào)整。

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

［2］ 閆鐵，范森，石德勤．鉆鋌螺紋聯(lián)接處載荷分布規(guī)律研究［J］．石油學(xué)報(bào)，1996（3）．

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