氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝高發(fā)鉆鋌折斷事故分析

王松珍

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450045)

0 引言

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝有很多優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也是顯而易見的，比如鉆鋌容易折斷，對(duì)于經(jīng)常使用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝施工的工程人員來(lái)說(shuō)，弄清反循環(huán)施工中鉆鋌易折斷的原因，避免鉆鋌折斷顯得尤為重要。本文對(duì)鉆鋌折斷事故原因進(jìn)行了分析，提出了事故的預(yù)防措施。

1 反循環(huán)工藝的主要優(yōu)點(diǎn)

1.1 能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)撈樣工作

氣舉反循環(huán)鉆井液在鉆具內(nèi)上返流速快，攜帶巖屑能力強(qiáng)，遲滯時(shí)間短且?guī)r樣清晰；尤其是在漏失地層鉆進(jìn)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一些正循環(huán)施工工藝很難完成的地質(zhì)撈樣工作[1]。

1.2 漏失地層鉆進(jìn)效率高

鉆遇全漏失地層采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)(正循環(huán)鉆進(jìn)必須堵漏)，在沉沒(méi)比合適的條件下，可以不間斷施工。且鉆頭處的鉆井液會(huì)對(duì)井底產(chǎn)生抽汲作用，巖屑會(huì)被及時(shí)帶走，減少巖屑的重復(fù)破碎，能提高機(jī)械鉆進(jìn)速度，提高鉆井效率[2]。

1.3 節(jié)約造漿材料費(fèi)用

鉆遇漏失地層采用反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，在沉沒(méi)比足夠地層穩(wěn)定的條件下，可以采用清水鉆進(jìn)，節(jié)約造漿材料費(fèi)用，有效降低施工成本[3]。

1.4 提高洗井效率

在水文水井施工中，巖石地層施工可用清水作為循環(huán)介質(zhì)，施工結(jié)束，洗井隨之結(jié)束，極大地提高施工效率。

2 反循環(huán)鉆進(jìn)工藝的主要缺點(diǎn)

(1)設(shè)備繁雜、起下鉆具麻煩[4]。

(2)對(duì)于地層的穩(wěn)定性及沉沒(méi)比要求較高[5]。

(3)設(shè)備加工精度要求高[6]。

(4)清水介質(zhì)施工中鉆鋌易折斷。

3 鉆鋌易折斷的原因分析

3.1 問(wèn)題發(fā)現(xiàn)

對(duì)于清水反循環(huán)施工中鉆鋌折斷事故頻發(fā)，很多施工人員是有親身體會(huì)的，但卻比較難以理解其中的原因。在河南新鄉(xiāng)云夢(mèng)山施工2200 m地?zé)峋畷r(shí)，鉆具折斷近20次，斷口位置均在公扣根部全新平口斷裂，如定點(diǎn)折斷一樣。

該鉆孔結(jié)構(gòu)為：0～40 m下入保護(hù)管，40～1000 m鉆孔直徑為311 mm，1000～2200 m鉆孔直徑為216 mm。

地質(zhì)結(jié)構(gòu)：(1)太古界(Ar)登封群(Ard)，鉆孔揭露864.2～2251.48 m，巖性主要為片麻巖、石英砂巖。隱伏于蓋層之下，為本區(qū)中朝準(zhǔn)地臺(tái)的結(jié)晶基底，受青羊口斷層影響，地層深部構(gòu)造裂隙發(fā)育。(2)寒武系(∈-)，鉆孔揭露184.1～864.2 m，下部巖性為肉紅色石英砂巖、紫紅色頁(yè)巖夾泥灰質(zhì)白云巖；中部見紫紅色粉砂巖、頁(yè)巖；上部見紫紅色頁(yè)巖、粉砂巖，以深灰色厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主。(3)奧陶系(O) 鉆孔揭露20.5～184.1 m，為厚層細(xì)晶或粗晶白云巖，巖溶以溶孔為主，分布均勻。(4)新近系(N) 0～20.5 m，為棕紅色、淺黃色及雜色(棕紅、灰綠、灰白)砂質(zhì)粘土及砂礫石層。該孔正循環(huán)鉆進(jìn)至345.2 m鉆遇巖溶裂隙泥漿全部漏失，自然水位84.5 m。幾次堵漏均未成功，考慮到下面有可能還會(huì)漏失，為節(jié)約造漿材料費(fèi)用和減少堵漏時(shí)間，經(jīng)研究改用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝。

正循環(huán)鉆進(jìn)鉆具組合：?311 mm三牙輪鉆頭+?203 mm×9500 mm鉆鋌+?89 mm鉆桿+方鉆桿。

反循環(huán)鉆具組合：?311 mm三牙輪鉆頭+?203 mm×9500 mm鉆鋌8根+?89 mm鉆桿+?114 mm雙壁鉆桿200～300 m+方鉆桿。

三開反循環(huán)鉆具組合：?216 mm三牙輪鉆頭+?159 mm×9500 mm鉆鋌8根+?89 mm鉆桿+?114 mm雙壁鉆桿200～300 m+方鉆桿。

同一套鉆具在相同直徑(?311 mm)相同結(jié)構(gòu)鉆井施工中正循環(huán)無(wú)鉆具折斷事故，反循環(huán)工藝施工時(shí)鉆鋌折斷事故明顯偏高，但孔底干凈打撈容易。為了找到其中的原因，在同樣的地質(zhì)條件下，展開了正反循環(huán)兩種不同施工工藝的對(duì)比試驗(yàn)。在河南省汝州市溫泉鎮(zhèn)某項(xiàng)目施工時(shí)(地層為火山巖)，1000 m下完?245 mm套管后采用氣舉反循環(huán)施工(鉆具組合：?216 mm三牙輪鉆頭+?159 mm×9500 mm鉆鋌8根+?89 mm鉆桿+?114 mm雙壁鉆桿200～300 m+方鉆桿。鉆壓80 kN ，轉(zhuǎn)速40～65 r/min)，2周內(nèi)鉆鋌折斷4次，(本來(lái)想節(jié)約泥漿費(fèi)用但是鉆鋌折斷太頻繁)改用正循環(huán)施工，施工1個(gè)月鉆鋌折斷僅1次。在洛陽(yáng)市洛龍區(qū)某工地施工時(shí)，正循環(huán)施工3個(gè)月無(wú)鉆具折斷事故，反循環(huán)施工僅1周鉆鋌折斷(施工地層為太古界汝陽(yáng)群組砂巖，孔口回灌清水)；然后改用正循環(huán)，鉆具工作正常。依據(jù)以上幾個(gè)工地同一套鉆具組合(?216 mm鉆頭+?159 mm×9500 mm鉆鋌8根)在同樣的地質(zhì)條件和施工參數(shù)下(鉆壓為鉆鋌重的80%、80 kN左右，轉(zhuǎn)速為40～65 r/min)，兩種工藝的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，氣舉反循環(huán)工藝下鉆鋌更易折斷。

3.2 原因分析

依據(jù)以上幾個(gè)工地鉆具折斷事故統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)均為鉆鋌折斷而非鉆桿折斷，其原因有以下幾點(diǎn)。

3.2.1 鉆孔擴(kuò)徑大

因反循環(huán)施工鉆進(jìn)時(shí)鉆頭內(nèi)腔周圍的壓力明顯低于周圍地層壓力，沖洗液循環(huán)時(shí)對(duì)鉆頭周圍具有抽吸作用，導(dǎo)致鉆頭周圍壓力相對(duì)較低。在反循環(huán)工藝下施工，往往低于周圍地下水壓力，地下水進(jìn)入孔內(nèi)，尤其在裂隙、破碎地段鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔直徑與泥漿正循環(huán)施工對(duì)比相對(duì)較大。

鉆鋌在孔內(nèi)靜置時(shí)可以簡(jiǎn)化看作兩端鉸支，其穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷依據(jù)歐拉公式計(jì)算：

Fcr=π2EI/l2

(1)

式中：Fcr——臨界載荷，N；E——彈性模量，Pa；I——慣性矩，m4；l——桿件長(zhǎng)度，m。

I=π(D4-d4)/64

(2)

式中：D——外徑，m；d——內(nèi)徑，m。

?159 mm鉆鋌的慣性矩I=3.14×(0.1594-0.0574)/64=30.8×10-6m4，E=200×109Pa。

長(zhǎng)度為l的?159 mm鉆鋌的臨界載荷Fcr=π2EI/l2=60.7×106/l2N。

假設(shè)鉆鋌6根時(shí)長(zhǎng)度57 m，F(xiàn)cr6=18.7 kN (Fcr6為6根鉆鋌的臨界載荷)。

假設(shè)鉆鋌為8根時(shí)長(zhǎng)度為76 m，F(xiàn)cr8=10.5 kN(Fcr8為8根鉆鋌的臨界載荷)。以上計(jì)算是在假設(shè)鉆鋌無(wú)縫連接的條件下得出的結(jié)果，考慮到實(shí)際為絲扣連接，絲扣直徑約為125 mm，那么慣性矩I=11.5×10-6m4，其臨界值Fcr=π2EI/l2=22.7×106/l2N。

Fcr5=π2EI/l2=10.06 kN(5根47.5 m鉆鋌絲扣部位的臨界載荷)。

Fcr6=π2EI/l2=6.98 kN(6根57 m鉆鋌絲扣部位的臨界載荷)。

Fcr8=π2EI/l2=3.93 kN(8根76 m鉆鋌絲扣部位的臨界載荷)。

?159 mm鉆鋌每根重12.7 kN，各點(diǎn)所承受的壓力自上而下呈線性增加，鉆鋌超過(guò)5根，就不能承受1根以上鉆鋌的壓力了(通常情況下為了保證鉆速，加8～10根鉆鋌給壓80～100 kN)，通過(guò)以上計(jì)算我們可以看出，鉆鋌在靜壓的條件下多于6根時(shí)受壓會(huì)失穩(wěn)，而鉆鋌在孔內(nèi)受孔壁的約束又重新獲得穩(wěn)定。那么鉆孔直徑越大，鉆鋌與孔壁的間隙也越大，鉆鋌在孔內(nèi)承受軸向壓力所產(chǎn)生的彎曲變形也越大，鉆鋌在孔內(nèi)所承受的彎曲應(yīng)力越大，彎曲變形越大鉆鋌一側(cè)所受的彎曲拉應(yīng)力越大[7]。

實(shí)際施工中鉆孔多多少少都存在偏斜，不可能是絕對(duì)垂直的，所以底部鉆鋌是受壓貼壁運(yùn)行的，鉆具在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)不能圍繞在一條軸線做平穩(wěn)的運(yùn)行，鉆具彎曲越大其在同等轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的離心力越大(f=mω2r)。鉆具回轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生離心力加大了鉆鋌一側(cè)的彎曲應(yīng)力。

鉆鋌在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡是非常復(fù)雜的，尤其是在不均質(zhì)地層施工中，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)情況出現(xiàn)很大的隨機(jī)性，其位移、速度和加速度時(shí)刻都在波動(dòng)變化，鉆鋌在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)會(huì)與井壁發(fā)生碰撞。在一定的轉(zhuǎn)速條件下，鉆鋌與孔壁的間隙越小，其碰撞力越??；反之，鉆孔直徑越大，鉆鋌與孔壁的間隙也越大，其位移、速度和加速度變化范圍越大，碰撞力越大[8]。這種碰撞使得本來(lái)受壓的一側(cè)變成受拉，受拉一側(cè)變成受壓側(cè)；這種碰撞對(duì)鉆鋌產(chǎn)生反復(fù)的彎折效應(yīng)，導(dǎo)致鉆鋌疲勞折斷[9]。

總之，鉆鋌在孔內(nèi)因受壓而失穩(wěn)，受孔壁約束重新獲得穩(wěn)定，壓力使鉆鋌彎曲，回轉(zhuǎn)使得鉆鋌運(yùn)動(dòng)，鉆頭在孔底破巖時(shí)產(chǎn)生跳動(dòng)，使鉆鋌在孔內(nèi)做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。鉆孔直徑越大井壁與鉆鋌間隙越大，對(duì)鉆鋌的約束越差；在同一轉(zhuǎn)速下，其彎曲變形、離心力、位移、擺動(dòng)速度和加速度變化范圍越大，擺動(dòng)與孔壁碰撞力度越大，鉆鋌在孔內(nèi)彎曲應(yīng)力交互變化范圍越大，所以，鉆孔直徑增大是鉆鋌易于折斷的原因之一。

3.2.2 孔壁無(wú)泥皮保護(hù)層

選用氣舉反循環(huán)施工多是在出現(xiàn)漏失而且堵漏困難的地層。因鉆孔內(nèi)使用清水作為循環(huán)介質(zhì)，孔壁無(wú)泥皮，鉆鋌在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)與孔壁直接碰撞與摩擦，相當(dāng)于孔壁巖石敲擊鉆鋌，轉(zhuǎn)速越快鉆具在孔內(nèi)擺動(dòng)頻率越快，與孔壁的摩擦越嚴(yán)重。

從彈性模量的定義E=(F/S)/(dl/l)[10]可得出F=E(dl/l)/S，設(shè)單位變形量l=1，dl=x，單位面積S=1單位，那么要使單位體積的巖石產(chǎn)生復(fù)合變形量X，其作用力為F=EX。

鉆鋌M以速度v撞擊孔壁，撞擊能量為Mv2/2，假如鉆鋌與孔壁發(fā)生的是完全彈性碰撞，撞擊力被孔壁巖體吸收儲(chǔ)存為勢(shì)能，那么鉆鋌對(duì)孔壁所做的功為：EX2/2。

因?yàn)楣绞窃诶硐霠铙w下推導(dǎo)的，引入系數(shù)C：

(3)

式中：F——鉆鋌與孔壁的碰撞力，N；M——碰撞鉆鋌質(zhì)量，kg；E——碰撞地層的彈性模量，Pa；v——碰撞速度，m/s；C——常數(shù)(與物體的化學(xué)成分晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān))。

假如鉆鋌與孔壁發(fā)生的是塑性碰撞，鉆鋌的動(dòng)能在碰撞過(guò)程中主要產(chǎn)生變形和熱量：Mv2/2=EX2/2+W，Mv2=EX2+2W(W為熱量，J)。

(4)

式中：F——鉆鋌與孔壁的碰撞力，N；M——鉆鋌質(zhì)量，kg；W——鉆鋌與孔壁碰撞時(shí)產(chǎn)生的熱量，J；E——碰撞地層的彈性模量，Pa。

由于鉆鋌在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)發(fā)生的碰撞介于彈性碰撞和塑性碰撞之間，通過(guò)以上模擬計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論如下：

(1)與泥餅碰撞時(shí)近似發(fā)生塑性碰撞，受力較小。

(2)與巖石碰撞時(shí)可近似認(rèn)為發(fā)生完全彈性碰撞，鉆鋌與孔壁的碰撞力與碰撞速度成正比，與鉆鋌的質(zhì)量和地層彈性模量的積的0.5次方成正比；與地層的關(guān)系是地層越硬(也就是彈性模量越大)，越趨于彈性碰撞，撞擊力越大，地層越軟(彈性模量越小)，越趨于塑性碰撞，碰撞受力越小。

(3)孔壁有泥皮和無(wú)泥皮兩種不同的條件下，鉆鋌碰壁所承受的沖擊力相差很大。

(4)鋼的彈性模量約為206 GPa，巖石的彈性模量為5～12 MPa，泥皮的彈性模量<0.1 MPa，可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為巖石的變形量是鉆鋌接觸面變形的150～200倍，可以看作鉆鋌無(wú)變形，其碰撞能量全部由孔壁吸收。鉆鋌和泥皮碰撞，泥皮的變形量是巖石的變形量的6～12倍。從動(dòng)量與沖量的關(guān)系公式Ft=Mv可知F=Mv/t，碰撞產(chǎn)生的變形量越大其發(fā)生形變的時(shí)間越長(zhǎng)，其作用力也越小。也就是鉆具在孔內(nèi)與孔壁碰撞時(shí)，孔壁的彈性模量越大鉆具所受的碰撞力越大，孔壁上的泥皮厚度越大，鉆具所承受的撞擊力越小。

(5)如果鉆鋌與孔壁碰撞接觸面為鉆鋌體，因其管壁較厚強(qiáng)度很高不會(huì)發(fā)生折斷，但若是碰撞發(fā)生在絲扣連接處，則會(huì)造成鉆鋌絲扣連接處發(fā)生疲勞破壞，而且鉆鋌公扣根部受力最為復(fù)雜，也是應(yīng)力集中的部位。

(6)泥皮在基巖地層施工中能有效保護(hù)鉆具，降低鉆具(尤其是鉆鋌)與孔壁碰撞的沖擊力；這是反循環(huán)施工相較于正循環(huán)鉆鋌易于折斷的主要原因。

(7)泥皮有減少鉆具與孔壁的磨損、延緩磨損失效的作用，這從打撈出來(lái)的鉆鋌可以看出，清水反循環(huán)施工對(duì)鉆具的磨損很嚴(yán)重(見圖1)。

3.2.3 沖洗液粘度低

物體在流體中移動(dòng)所受到的阻力可用式(5)求得：

f=sηv

(5)

式中：s——垂直運(yùn)動(dòng)方向的橫截面面積，m2；η——流體的粘滯系數(shù)，Pa·s；v——物體在流體中的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

圖1 打撈上來(lái)的鉆鋌Fig.1 Recovered drill collar

在流體中高速運(yùn)動(dòng)的物體所受到的阻力可用公式(6)求得：

F=Cρv2s/2

(6)

式中：ρ——密度，g/cm3；v——速度，m/s；s——垂直方向橫截面積，m2；C——阻力系數(shù)，C的取值與沖洗液介質(zhì)的剪切粘度、溫度等性能有關(guān)系，粘度越大C值越大。

從物體在流體中運(yùn)動(dòng)所受到的阻力公式中可以看出，鉆鋌在孔內(nèi)擺動(dòng)所受的阻力與沖洗液介質(zhì)的密度和粘度都成正比。氣舉反循環(huán)施工中多數(shù)情況下，沖洗介質(zhì)為清水。清水與泥漿相比粘度低很多，泥漿的漏斗粘度一般在25～45 s，清水的漏斗粘度15 s；泥漿的剪切粘度在40～100 mPa·s ，清水的剪切粘度為1 mPa·s。由于清水的粘度和密度比泥漿的粘度和密度低，所以鉆具在清水中做橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力小很多，這就導(dǎo)致了鉆鋌在孔內(nèi)擺動(dòng)速度與擺動(dòng)幅度更大，與孔壁的撞擊力更大，所受的反作用力就更大，折斷的概率也更大。

以上分析可知，氣舉反循環(huán)施工中因沖洗液粘度較低，鉆鋌所受的沖擊力更大，這是氣舉反循環(huán)施工中鉆鋌易于折斷的又一個(gè)原因。

3.2.4 掉塊卡鉆

在破碎地層中，氣舉反循環(huán)工藝與泥漿正循環(huán)工藝相比掉塊卡鉆的概率相對(duì)要高。正循環(huán)施工時(shí)泥漿在破碎帶形成一層泥皮保護(hù)膜，液柱的側(cè)向壓力能夠?qū)⑵扑榈氖瘔K穩(wěn)固在地層原位置，而氣舉反循環(huán)往往是在地層漏失嚴(yán)重?zé)o法堵漏或者堵漏困難、堵漏會(huì)破壞產(chǎn)層的情況下才選擇的施工工藝。缺失了泥漿的保護(hù)，鉆孔破壞了破碎帶的穩(wěn)定條件，在鉆具的擾動(dòng)下，其坍塌掉塊是難免的。 且正循環(huán)孔壁掉塊后泥漿帶著往上走，反循環(huán)掉塊后往下走直接就到孔底，發(fā)生卡鉆的概率明顯增大。卡鉆后鉆具受力突然增大，對(duì)鉆具造成明顯的破壞，抗扭能力差的鉆具可能會(huì)折斷[11]。掉塊卡鉆也是氣舉反循環(huán)常見的事故，所以掉塊卡鉆是鉆鋌折斷的又一原因。如果司鉆對(duì)卡鉆不敏感，扭斷鉆桿的現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生。

3.2.5 實(shí)際壓力與表顯壓力不同

我們?cè)谑┕ぶ锌刂沏@壓的方法絕大多數(shù)是采用稱重法，鉆具靜置時(shí)校準(zhǔn)拉力表(拉力儀)稱重，然后控制懸重，這個(gè)差額就是給到孔底的壓力，即：

P=W1-W2-F浮

(7)

式中：P——鉆壓，N；W1——鉆鋌在空氣中的重力，N；W2——懸重，N；F浮——浮力，N。

正循環(huán)開泵后因高速射流泥漿的反作用力，導(dǎo)致懸重減少，會(huì)誤以為鉆壓給多了，為了控制鉆壓穩(wěn)定而保持懸重不變，實(shí)際上會(huì)造成鉆具對(duì)孔底的壓力減小。從式(7)中看，W1、W2不變，簡(jiǎn)單認(rèn)為浮力F浮增大，鉆壓P降低。泵量越大、噴射速度越快減重越嚴(yán)重，在施工中表顯給壓80 kN，而實(shí)際上孔底壓力只有50～70 kN。

反循環(huán)送氣循環(huán)后，作用在鉆具上的浮力減少了，實(shí)際上鉆鋌對(duì)孔底的壓力增大了，反映到拉力表(或者鉆壓儀)上懸重增加了，誤認(rèn)為鉆壓減少了，為了平衡鉆壓會(huì)再減少懸重。造成實(shí)際鉆壓大于表顯壓力的情況。從式(7)中看，保持W1、W2不變，浮力F浮降低，鉆壓P增大。

將兩者進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，保持懸重不變，因?yàn)楦×Φ脑龃笈c減小，正反循環(huán)工藝實(shí)際的鉆壓差就是浮力增大與減小的絕對(duì)值之和。壓力大、鉆鋌變形大、應(yīng)力大，那么鉆鋌被破壞的概率就會(huì)變大。

3.2.6 綜合受力分析

基于以上因素，鉆鋌在孔底綜合受力分析如下：

(1)鉆鋌受壓產(chǎn)生彎曲，一側(cè)承受壓應(yīng)力一側(cè)承受拉應(yīng)力。

(2)回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力，加大彎曲度，也就增大了一側(cè)的拉應(yīng)力。

(3)鉆鋌在孔內(nèi)與孔壁碰撞承受沖擊力，可能使本來(lái)受拉的一側(cè)受壓或者所受拉力減小，受壓的一側(cè)壓力減小或者受拉；其頻繁的擺動(dòng)與碰撞使鉆鋌承受交變應(yīng)力，產(chǎn)生疲勞破壞。

(4)落石卡鉆使鉆鋌所受扭力增大，上扣力矩增大使鉆鋌根部連接拉力增大。

(5)與正循環(huán)相比，反循環(huán)的實(shí)際鉆壓更大，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力更大及彎曲段更長(zhǎng)，尤其是在孔底巖石不均勻跳鉆時(shí)。

鉆鋌長(zhǎng)期在孔底回轉(zhuǎn)、跳動(dòng)與孔壁碰撞，拉、壓、扭、剪、應(yīng)力不斷交互變換，往往在其薄弱的絲扣根部應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞裂痕，當(dāng)其受力超出了承受范圍時(shí)發(fā)生折斷。其綜合受力如圖2所示。

圖2 鉆鋌綜合受力圖Fig.2 Resultant force on drilling collar

3.2.7 為什么往往是鉆鋌折斷而不是鉆桿折斷

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，清水反循環(huán)施工中鉆具尤其是鉆鋌所承受的外力相比泥漿正循環(huán)施工中所承受的外力大很多，所以更易于折斷。但是，鉆桿與鉆鋌同樣在孔內(nèi)，為什么鉆鋌比鉆桿絲扣更大、強(qiáng)度更高反而比鉆桿更易折斷呢？鉆桿與鉆鋌相比，鉆桿不受壓，直孔中受到的交互應(yīng)力較小，也就是其疲勞破壞力小很多。鉆桿在孔內(nèi)多是靠壁回轉(zhuǎn)的，因其始終受拉極少在孔內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)，其與孔壁碰撞受力較小，受力比較簡(jiǎn)單。鉆桿與鉆鋌材質(zhì)[12]不一樣，彈性更好，其結(jié)構(gòu)是接頭部位加厚加大并且進(jìn)行了特殊處理，所以反循環(huán)鉆具折斷多數(shù)都是鉆鋌折斷，而鉆桿的主要失效形式是磨損失效。

4 預(yù)防方法

通過(guò)對(duì)以上鉆鋌折斷原因的分析可知，避免或者減少鉆具折斷事故發(fā)生頻率，需要從兩個(gè)方面入手，一是減少受力，二是提高鉆具的強(qiáng)度。但是，降低或者減少鉆具所受的外力，又不能犧牲鉆速，因此筆者提出以下幾條建議。

4.1 適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速、增加鉆鋌質(zhì)量和增大孔底壓力

為了使鉆鋌受到的沖擊力減小，盡可能的降低轉(zhuǎn)速到30～50 r/min，減少鉆具在孔內(nèi)的抖動(dòng)速度[13]。但是，隨著轉(zhuǎn)速下降鉆進(jìn)速度也會(huì)降低；為了破巖需要，則要增大鉆壓。多加鉆鋌到10～12根或者選用大直徑規(guī)格的鉆鋌；鉆鋌質(zhì)量大慣性大可有效防止孔底跳鉆，抑制鉆鋌在孔內(nèi)的擺動(dòng)。依據(jù)以上分析，反循環(huán)施工時(shí)，實(shí)際鉆壓高于表顯鉆壓，因此，建議表顯鉆壓為鉆鋌總重的65%左右。

4.2 盡量使用大直徑鉆鋌

增大鉆壓又會(huì)增大鉆鋌的彎曲應(yīng)力，為了減少鉆鋌的彎曲應(yīng)力，可以盡量使用大直徑鉆鋌[14]。大直徑的鉆鋌具有更高的強(qiáng)度[15]；相同質(zhì)量的鉆鋌，大直徑鉆鋌會(huì)更短，與鉆孔的環(huán)狀間隙更小，其彎曲度也就更小，因此，在施工中產(chǎn)生的應(yīng)力也就更小一些。但是，在選擇大直徑鉆鋌時(shí)必須考慮鉆具卡鉆時(shí)的套銑處理。通常的鉆孔鉆鋌配合是：?311 mm鉆孔+?203 mm鉆鋌；?216 mm鉆孔+?178 mm鉆鋌。

4.3 定期檢查鉆具

為防止事故的發(fā)生，鉆具入孔前要做好檢查工作。

4.4 做好事故處理預(yù)案

在施工中鉆具折斷是常見的事故，備好打撈工具，做好打撈準(zhǔn)備是保證施工安全的有效措施。常備的打撈工具有：公錐，母錐，撈矛，打撈卡瓦，安全接頭，套銑筒，磨鞋等。

4.5 預(yù)防效果

河北省寧晉縣zk2孔，設(shè)計(jì)井深2200 m，預(yù)期出水溫度≥65 ℃，取水層在奧陶系寒武系灰?guī)r層。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：0～400 m，?346 mm鉆孔，下入?273 mm套管；400～1000 m，?311 mm鉆孔，下入?245 mm套管；1000 m～終孔，依據(jù)地層情況裸孔成井或者下入套管。實(shí)際施工中523.3 m鉆遇奧陶系灰?guī)r裂隙，頂部坍塌；0～500 m下入?340 mm套管固井后改用反循環(huán)鉆進(jìn)，靜水位52 m。 鉆具組合為?311 mm鉆頭+?203 mm×9500 mm鉆鋌6根+?178 mm×9500 mm鉆鋌4根+?89 mm鉆桿+?114 mm雙壁鉆桿；施工中給壓40～80 kN，轉(zhuǎn)速27～45 r/min，日進(jìn)尺40～100 m。1200 m以深改用?216 mm鉆頭+?178 mm×9500 mm鉆鋌6根+?159 mm×9500 mm鉆鋌4根+?89 mm鉆桿+?114 mm鉆具組合，實(shí)際給壓60～80 kN，轉(zhuǎn)速控制27～45 r/min；2000 m以淺日進(jìn)尺40～80 m；2000 m以深進(jìn)尺變慢，給壓80～100 kN，日進(jìn)尺<20 m，2225 m終孔；施工中無(wú)鉆鋌折斷事故。

河南省欒川縣zk03鉆孔，欒川地層古老堅(jiān)硬，以新元古界震旦系構(gòu)造裂隙為主要含水層。0～1000 m正循環(huán)施工，下入1000 m ?245 mm套管；1000 m以深反循環(huán)施工，鉆具組合為?216 mm鉆頭+?178 mm×9500 mm鉆鋌6根+?159 mm×9500 mm鉆鋌4根+鉆桿，鉆鋌稱重134 kN。施工中控制鉆壓60～80 kN，轉(zhuǎn)速30～50 r/min，日進(jìn)尺10～25 m，鉆進(jìn)時(shí)孔口補(bǔ)水循環(huán)，終孔深度2152 m，鉆鋌無(wú)折斷事故發(fā)生。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)云龍山地?zé)峋囱h(huán)施工和汝州地?zé)峋⒙尻?yáng)地?zé)峋囱h(huán)施工對(duì)比中發(fā)現(xiàn)：同等條件下反循環(huán)施工中鉆鋌折斷頻率明顯高于正循環(huán)施工。若按鉆鋌的強(qiáng)度核算，即便是全孔鉆具總重，施加較大扭矩，在鉆孔的約束下也不會(huì)造成鉆鋌折斷。從鉆鋌折斷多數(shù)發(fā)生在公扣根部及斷口形狀分析，屬于疲勞斷裂，而鉆鋌公扣根部又是應(yīng)力集中區(qū)和強(qiáng)度薄弱區(qū)。

產(chǎn)生鉆鋌疲勞破壞的主要原因是回轉(zhuǎn)、跳鉆引起的鉆鋌抖動(dòng)碰撞孔壁引發(fā)鉆鋌應(yīng)力交互變化，在清水反循環(huán)條件下鉆鋌橫向擺動(dòng)速度大、頻率高，與孔壁碰撞力度大；其他原因有當(dāng)表顯壓力相同時(shí)實(shí)際壓力差別較大，鉆孔擴(kuò)徑大，掉塊卡鉆等。

解決問(wèn)題的方法是適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速、增大鉆鋌質(zhì)量減少鉆鋌跳動(dòng)頻率和幅度；依據(jù)鉆孔直徑盡量選擇大徑鉆鋌增加剛度與強(qiáng)度，同時(shí)減少鉆鋌與孔壁的間隙降低碰撞速度減少碰撞力。經(jīng)過(guò)后續(xù)施工驗(yàn)證，鉆鋌折斷事故明顯減少。