钻探施工中钻杆折断事故原因分析及预防建议

庞少青，李国东，姜彬霖

(1.华北地质勘查局第四地质大队，河北 秦皇岛 066013;2.云南旅游职业学院，云南 昆明 650221)

钻探施工中，经常会发生孔内钻杆、钻具折断事故，这将直接影响施工进度，如处理不当还会造成钻探进尺报废及管材的损失，由此造成大量人力物力的浪费，使生产成本增高，而不能够顺利按计划完成生产任务。由此，分析钻杆折断的原因及预防处理钻杆折断事故就显得尤为重要。

1 华勘四队近几年断钻事故情况统计

在华勘四队近几年钻探施工中，因钻杆折断造成管材损失，钻孔报废现象每年都有发生，同时也造成了较大的经济损失。近年钻杆折断事故统计情况见表1。

表1 2008～2011年钻杆折断情况统计

因此，如何延长钻杆使用寿命，减少或避免钻杆折断事故，制定有效的预防措施，把事故消灭在萌芽状态是我们钻探工作者必须解决的问题。

2 断钻事故实例分析

造成钻杆折断的原因无外乎二大因素。一是钻进的客观主体即地层因素造成的，即钻进松散、超径地层，以及裂隙岩溶地层容易发生断钻事故。二是钻杆在加工、储藏、运输、使用及保管等过程中，给钻杆本身造成了性能伤害，而导致钻杆使用性能及寿命的降低，造成钻杆折断。但就某一具体断钻事故，可能是一种或多种因素造成的。因此，造成事故的原因往往是各种因素的叠加、相互关联的作用。下面就我们近年来各工地发生的断钻事故举例说明并加以分析。

2.1 实例一:内蒙古新巴尔虎右旗铅锌矿钻探工程ZK21－2钻孔

2.1.1 施工概况

ZK21－2钻孔设计孔深550 m，设计倾角85°，于2008年9月1日开始施工，2008年9月26日钻至井深450 m时，在206 m处发生断钻事故，处理无效，钻孔报废。

地层情况:0～25 m为第四系砂性粘土夹少量砂砾石;25～350 m为泥质白云岩及角闪岩，350 m以深为花岗岩斑岩及角闪岩。

设备及钻具配置:XY－4型钻机，冶金部五一五队钻具厂生产的71 mm×5 mm普通绳索取心钻杆，75.5 mm金刚石钻头，S75绳索取心钻具。

钻进参数:钻压2～3 kN，转速574和819 r/min，泵量75 L/min(二速)。

冲洗液类型:无固相冲洗液。

2.1.2 事故发生过程

钻进至井深453 m时，班长操作发现无进尺，泵压无明显变化(正常工作时泵压为3.5 MPa)，工作电流由50 A降为30 A，随后停钻下打捞器打捞内管，提拉内管时在井深205 m处有憋卡现象，最后决定上钻，上钻后发现在206 m处钻杆接手折断，孔内残留247 m钻杆。

2.1.3 事故处理过程

(2)开泵循环冲洗液，人工扭转钻杆，轻微串动至井深206 m处接触到钻杆事故上头;

(3)人工扭转钻杆上扣，吃扣20 mm左右，提拉钻杆;

(4)提拉力达到50 kN时，钻杆脱开弹起，随后上钻;

(5)上钻后丝锥与事故钻杆脱开，分析为丝锥扣老化，决定换新的丝锥下井继续处理;

(6)钻杆接上新丝锥下入井内，人工上扣;

(7)提拉钻杆，上提压力达到50 kN时仍无反应，随后加大提升拉力，液压表压力达到80 kN时，钻杆弹起，随后上钻;

(8)上钻后发现钻杆在150 m处钻杆接手脱扣，更换新的接手后继续下入井内处理;

(9)对上扣后，提拉钻杆，钻杆分别在89、160、178 m等3处出现钻杆接手脱扣现象;

(10)因现场无反丝钻杆，事故处理宣告失败，孔内钻杆最终残留306 m钻杆，报废450 m钻探工作量。

2.1.4 认识和分析

(1)因本矿区施工多为400～500 m钻孔，在选用钻杆时我们采用的是旧钻杆。这批钻杆已累计施工了8000 m以上，多数钻杆出现偏磨、弯曲等现象，且在库房放置时间2年以上，大部分钻杆露天存放，锈蚀现象较多，虽然部分配置了新的钻杆接手，但多数钻杆仍存在偏磨及丝扣老化现象。因此，施工中一旦井内出现异常，断钻事故是不可避免的，同时大大增加了事故处理的难度。

(2)针对不同的矿区钻孔施工，应有针对性的选择使用好钻杆，决不能盲目使用。使用钻杆前应对钻杆的规格、材质及现状进行检测，对旧钻杆应进行分类保管，对偏磨及丝扣老化的钻杆进行重新加工处理或报废处理。

(3)造成本钻孔钻杆损失及钻孔报废的主要原因就是选用钻杆不合格。因此，选用合格的钻杆、钻具及加强钻杆的用后管理是非常必要的。

2.2 实例二:刚果(金)铜钴矿钻探工程DK51－3钻孔

2.2.1 施工概况

DK51－3钻孔设计深度450 m，终孔口径≮75 mm。该孔于2009年11月5日开钻施工，至2009年11月18日因断钻事故终止钻进，报废71 mm钻杆194 m，报废钻探工作量283 m。

地层情况:0～13 m为杂填土;13～75 m为粉砂、中粒砂性土;75～148 m为灰岩、泥质白云岩;148～283 m为白云岩、角闪岩。

冲洗液:低固相泥浆及无固相冲洗液，保证了良好的护壁效果，无坍塌、扩径现象。2.2.2 事故发生过程

钻进孔深至185～250 m孔段过程中，先后发生断钻事故4次，断钻部位在100～130 m处，下入75 mm事故丝锥都顺利将残留井内钻具取出。2009年11月15日，钻进至孔深283 m时，操作人员发现不进尺，且动力机负载变小，判定为钻杆折断，随即上钻，经丈量钻具验证，钻杆折断部位为148 m处。

2.2.3 事故处理经过

(2)提钻，将下部连接丝锥的钻杆人工弯曲(凭经验弯曲1°～2°)，继续下钻处理，人工扭转钻杆寻找对接钻杆事故头，处理一天均无效;

(4)开泵循环冲洗液冲孔，回转钻具，仍不能下至事故上头;

(7)事故处理至11月20日，该孔事故已处理5天，仍无效，最终请示地质人员报废重新开孔。

2.2.4 认识与分析

(1)本钻孔多次发生断钻事故，应引起机台人员高度重视，分析原因采取措施，以避免事故的重复发生，但现场人员未采取任何有效措施，这是造成钻孔报废的主要人为因素。

(2)从事故处理过程分析来看，一方面是由于孔内坍塌扩径，造成孔内钻杆偏斜至孔内一侧，致使下入的事故丝锥无法与钻杆断头对接;另一方面是由于处理时间过长，孔内事故孔段出现掉块、沉淀等现象，沉淀物将事故上头掩埋，增大了处理难度，这也是造成钻孔损失的直接原因。

(3)井身结构不合理，是造成断钻事故的根本原因。本孔78.6～153 m孔段为91 mm裸孔，未下入89 mm套管封隔，造成钻杆与孔壁环状间隙较大，正常钻进过程中，钻杆横向摆幅较大，使钻杆承受较大的交变应力，造成钻杆在接手处疲劳断裂;另一方面由于钻杆横向振动，不断敲打孔壁，致使孔壁扩大，横向振幅增大，由此形成恶性循环，造成频繁的断钻事故。

(4)设计选择合理井身结构，配置合理的钻进参数，将会大大降低断钻事故的发生。

2.3 实例三:青龙县狼杖子铁矿钻探工程

2.3.1 施工概况

2011年9月，我们承接了青龙县狼杖子铁矿钻探工程的勘探任务，该矿区设计3个钻孔，单孔设计深度均在1000 m以深，甲方要求年底完工，为此，我们投入了2台XY－5型钻机、一台XY－6B型钻机进行钻探施工。至2011年底，本矿区只完成一个钻孔1283 m，其余2台钻机均因断钻事故而未完成钻探任务，造成钻杆损失823余米，钻探进尺报废458 m，给单位造成了重大的经济损失。

地层情况:本矿区构造发育，0～300 m为灰岩、泥质白云岩夹角闪岩;300 m以深为硅质白云岩、泥页岩及角闪岩、闪长岩。钻进过程中出现漏失、掉块等现象，岩石呈硬、脆、碎特性。

2.3.2 断钻发生情况及处理结果(表2)

表2 断钻发生情况及处理结果

2.3.3 认识与分析

(1)本矿区施工断钻发生次数之多是我队在以往钻探施工中从未有过的，断钻部位多数发生在两种不同规格钻杆的连接手处。因此，造成多次断钻事故的发生与两种不同规格钻杆的混合使用是有直接关系的。

(2)不同材质、不同规格的钻杆其机械性能、抗疲劳强度等肯定有差异。我们在该矿区使用的钻杆又是两个厂家加工生产的，钻杆丝扣的加工精度、公母扣的配合公差也存在较大的差异。即使是同一厂家而不同批次的钻杆，也有性能及配合的差异。当两种钻杆与孔内承受载荷时，整个钻杆柱就呈现出受力不均匀，具体体现在两种钻杆的连接处，长时间的工作会造成连接接手丝扣的折断。

(3)加强钻杆的分类保管及使用是十分必要的，严禁将不同类型、不同规格的钻杆混合使用。

2.4 小结

综上实例分析来看，钻探施工中钻杆折断原因是多方面的，有地层因素也有人为因素，如搬运及使用过程中的人为损害，操作者的规程参数、复杂地层的坍塌扩径等。要想最大限度的减少钻杆折断的发生次数，必须加强对所使用管材的系统管理。只有通过制定相应的技术措施并认真执行，才能有效地减少或杜绝钻杆折断事故的发生概率。

3 预防或减少钻杆折断事故措施及建议

为了不发生或少发生折断事故，必须做好对钻杆的日常维护保养及管理工作，同时制定并实施有效的钻进工艺方案及技术措施。

3.1 钻杆贮存

(1)建议将钻杆贮存在架台上，架台木制或铁制均可，离地面高度应大于0.3 m，以防止水、潮气、泥土等对钻杆的锈蚀。

(2)钻杆存放以少于或3层为宜，且层与层之间均匀垫以厚度均等的木板3根，以防止钻杆存放过久产生自然弯曲。

(3)应将钻杆按不同规格，钢质，丝扣标准，用途等分别存放，并记录编号，按具体工程需要分别使用。

(4)对仓库内长期存放的钻杆，应进行涂抹防锈漆或采用其它方法进行防腐处理工作。

(5)钻杆入库后，丝扣及台肩部分要清洗干净，涂上防锈油并戴好钻杆护丝。

3.2 钻杆的使用及维护

(1)在上下钻加钻杆或卸钻杆过程中，应注意严禁碰撞钻杆接头，应由专人把持。

(2)钻杆在连接前，应严格检查钻杆丝扣，确认没有问题后，涂好丝扣油方可下入孔内。

(3)在拧卸小口径绳索取心钻杆时，必须使用与钻杆规格相同的自由钳子，严禁使用管钳子拧卸绳索取心钻杆。

(4)当施工较深钻孔时(＞500 m)，最好使用长体钻杆卡瓦，尽量避免使用短体卡瓦，以免挤伤钻杆。

(5)在使用液压夹持器夹持钻杆时，操作手应以中小油压操作夹持器液压手柄，严禁将手柄反复加压而造成夹扁钻杆情况的发生。

(6)拧卸钻杆丝扣时，如有摇摆及遇阻现象，应停下来仔细检查，发现咬扣或滑丝现象应重新更换接头，严禁用大型钳子硬上。

(7)上扣时必须将公母接头台肩靠紧，不能留有间隙。

(8)杜绝用立轴回转来拧卸钻杆。

(9)严禁使用弯钻杆下井钻进施工。

(10)应根据所使用钻杆的屈服强度来提拉或扭转，严禁超负荷操作。

(11)使用较高矿化度的冲洗液时，应考虑加入少量防腐剂，如(NH4)2HPO4或K2HPO4，可抑制或延缓钻井液对钻杆的腐蚀，这点在煤及油气勘探施工中效果较好。

(12)控制冲洗液pH值在9～10.5，可减少钻井冲洗液对钻具的腐蚀。

(13)用细钻杆施工较大口径钻孔或斜孔施工时，可在钻杆中间加放胶皮扶正箍。

3.3 对钻杆(钻具)的综合管理

钻杆的成本费用在钻探工程施工中占有相当大的比重，因此合理使用钻杆及延长钻杆使用寿命，需制定一套钻杆及钻具的管理制度，才能使施工成本下降，经济效益提高。

(1)钻杆钻具实行分类统计管理，依钻杆的规格、新旧及所需施工的具体工程要求，进行分别出库配置管理，并制定相应合理的经济管理制度。

(2)制定并建立管材采购入库的自检制度，检查其规格、材质、扣型等是否满足我们的施工要求，不合格者不予入库使用。

(3)统一钻杆钻具的丝扣标准，制定统一的地勘管材标准规范。

(4)建议实行上下钻杆倒换制度，上边倒下边，下边倒上边，改变钻杆的受力状态，使全套钻具受力均衡。

(5)实行错扣检查制度，即在提拉立根时，这趟钻卸第二根钻杆，下趟钻可卸第三根钻杆，这样，可及时发现每个单根钻杆的连接情况，发现问题及时处理，减少钻杆折断的几率。

(6)对长期连接的钻杆钻具应制定定期拧卸检查制度。

(7)地勘单位可根据自身的实际情况，统一对使用的管材进行超声波探伤，可宏观上掌握钻具的使用损坏情况。

(8)制定机台现场的检查制度，定期对钻具进行肉眼观察，清洗及现场的存放。

3.4 钻进工艺技术防范措施

(1)合理的钻孔结构及套管配置，是预防钻杆折断事故的主要措施。如75 mm绳索取心钻进时，上部应下89 mm×5 mm的套管，60 mm绳索取心钻进时，上部配套应为73 mm×5 mm的套管，这样，可最大限度减小钻杆与井壁的环状间隙，减少钻杆回转时横应振动力。

(2)应根据地层情况及钻孔结构及时调整钻进参数，切勿机械性、盲目性地加压或升高转速。

(3)根据所钻岩石的性质，选择使用与地层相适用、时效较高的钻头。建议选择底唇面为阶梯、锯齿等形状的异型钻头，这种钻头钻进时所需的钻压相比普通的钻头要小，钻杆所受得轴向力相对要小。

(4)配制使用润滑性能好的冲洗液，减少钻杆在钻进时的回转阻力。

4 结语

钻探施工中钻杆折断原因往往是多种因素造成，包括从钻杆加工出厂直到现场的使用维护及管理等，但只要从源头把关，每一环节都认真负责，严格按规程、制度去执行工作，根据施工情况合理制定钻进参数，杜绝违章操作，就能够减少或防止此类事故的发生，降低施工成本，提高施工经济效率。

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