姜光忍 李忠 王獻斌 徐新綠

(河北省地礦局第一地質(zhì)大隊 河北邯鄲 056001)

1 前言

繩索取心鉆進技術(shù)在我國應(yīng)用已非常廣泛,其鉆進效率高、勞動強度低、鉆進成本低的優(yōu)勢已被廣大施工單位所接受。繩索取心鉆進工藝和普通金剛石巖心鉆進有所不同,具有鉆桿柱內(nèi)撈取巖心并具有鉆桿壁薄,鉆頭唇部壁厚、鉆桿與孔壁間隙小等特點。施工單位應(yīng)該根據(jù)繩索取心鉆進的特點和具體的施工條件,設(shè)計合理的鉆孔結(jié)構(gòu),確定合理的鉆進技術(shù)參數(shù)。

2 不同鉆具級配下的鉆桿受力與失效理論分析

2.1 鉆桿受力狀態(tài)分析

鉆桿是整個鉆桿柱的關(guān)鍵和主要組成部分,由鉆桿組成的鉆桿柱在鉆孔中承受著拉、壓、彎、扭等及其復(fù)雜的受力工況。包括由鉆桿自重、卡埋鉆、鉆機給進壓力引起的軸向拉、壓力;由鉆機提供的扭矩,用于克服孔壁、沖洗液對鉆桿回轉(zhuǎn)的阻力,和鉆頭克取巖石的力;以及鉆桿在離心力及軸向壓力作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。

在拉、壓、彎、扭受力中,彎曲應(yīng)力對鉆桿的工作影響極大。當(dāng)鉆桿柱在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)時,鉆趕柱作為一個柔性體運動,彎曲的鉆桿柱圍繞本身的軸回轉(zhuǎn),鉆桿內(nèi)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力,在鉆具級配合理時,這種應(yīng)力較小,對鉆桿影響較小;當(dāng)鉆具級配不合理或鉆孔超徑過大時,彎曲應(yīng)力增加而引起鉆桿的疲勞破壞,嚴(yán)重影響鉆桿的強度和壽命。

在繩索取心鉆進中,大部分鉆進狀態(tài)為減壓鉆進,受力狀態(tài)復(fù)雜,分析減壓鉆進狀態(tài)下的鉆桿受力最有代表性。在減壓鉆進中,鉆桿柱上部鉆桿受拉力、扭矩最大,隨著孔深增加,拉力逐漸變小,到零再至受壓狀態(tài),扭矩則越變越小,至孔底時,扭矩滿足鉆頭克服巖石即可。鉆具級配合理時,彎曲應(yīng)力較小,當(dāng)鉆具級配不合理時,彎曲應(yīng)力急劇增大,成為引起鉆孔事故的主要原因。下面就分析一下鉆桿在不同鉆孔結(jié)構(gòu)及不同孔段的受力情況。我們選取鉆桿柱中的最上部、中和點、底部三個危險部位。

常見的巖心鉆探施工時鉆具級配如圖1和圖2所示。

圖1 合理的鉆具級配

圖2 不合理的鉆具級配

2.2 不同鉆具級配條件下的鉆桿受力計算

我們以孔深1500m,使用Φ71加厚繩索取心鉆桿,鉆機功率40kW,轉(zhuǎn)速 400r/min,鉆壓 800kg情況下,不考慮沖洗液浮力,在不同鉆具級配下的受力分析。鉆桿的推薦許用疲勞強度為σ-1許=104MPa,疲勞極限強度σ-1=306MPa,許用剪切應(yīng)力τ許=196MPa,許用拉伸應(yīng)力σ許=540MPa。

2.2.1 合理鉆具級配受力計算

(1)鉆桿柱上部受力計算

①拉力計算

鉆桿每米重量為q=8.2kg

②最大剪切應(yīng)力

扭矩M=9550×40/n=955N·m

n為動力機轉(zhuǎn)速

τ=M/W,其中W為鉆桿斷面模量

彎曲應(yīng)力為0

由于此處無彎曲應(yīng)力,合成應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用拉伸應(yīng)力,此處是安全的。

(2)鉆桿柱中和點受力計算

鉆桿柱中和點就是鉆桿柱拉壓應(yīng)力的分界面,也稱零點斷面。此處拉應(yīng)力為零,由于鉆壓為800kg,鉆桿柱中和點應(yīng)在距鉆孔底部約L1=100m處。

①孔底剪應(yīng)力計算

鉆進功率為 P=N1+N2+N3

式中:N1為破巖所需的功;N2為克服鉆頭與孔底巖石摩擦所需的功;N3為回轉(zhuǎn)鉆桿所需的功。

②彎曲應(yīng)力計算

式中:f=(D-d)/2,l為半波長

計算半波長的薩爾基索夫公式

式中:l半波長(m),d鉆桿外徑(cm),f彎曲的最大撓度(cm),w角速度,Z距中和點距離,q每米鉆桿重量。

中和點半波長理論計算為l=1.63m

σw=80.17MPa

(3)鉆桿柱底部受力計算

孔底半波長理論計算為l=1.10m

通過計算,整個鉆探系統(tǒng)中,鉆桿柱底部不安全,可通過調(diào)整轉(zhuǎn)速和鉆壓解決,采取輕壓慢轉(zhuǎn),應(yīng)調(diào)整為鉆壓800kg,轉(zhuǎn)速300r/min左右,使鉆桿受力在鉆桿許用范圍內(nèi),小于推薦的許用疲勞強度。

2.2.2 不合理鉆具級配受力狀態(tài)

(1)鉆桿柱上部受力

不合理鉆孔鉆桿柱上部受力狀態(tài)和大小同合理鉆孔一樣,是符合安全系數(shù)的,不在重復(fù)計算。

(2)鉆桿柱中和點受力計算

受力分析分為鉆桿柱中和點未進入φ77鉆孔內(nèi)和進入φ77鉆孔內(nèi)兩種工況。

鉆桿柱中和點未進入φ77鉆孔時,

鉆桿柱中和點未進入 φ77鉆孔時,這時彎曲應(yīng)力成為鉆桿主要受力,σ0仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆桿的推薦許用疲勞強度為σ-1許(104MPa),并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過疲勞極限強度σ-1(306MPa),無法通過調(diào)整鉆探技術(shù)參數(shù)使鉆桿處于合理受力范圍,鉆桿斷裂在所難免。

鉆桿柱中和點進入 φ77鉆孔時,鉆桿直徑與孔壁間隙變小,撓度f變小。

2.2.3 鉆桿柱底部受力:

鉆桿柱中和點進入φ77鉆孔時,其中和點受力和鉆孔底部受力情況與合理鉆具級配相同,也就是說鉆桿柱中和點進入φ77鉆孔后,鉆桿柱中和點以下鉆桿工況與未進入時相比大有改善,但中和點以上的鉆桿柱受力依然不好,工況仍比合理鉆具級配下惡劣的多,仍有鉆桿失效的可能,尤其是深孔鉆探施工。

3 施工實例

施工單位使用我單位繩索取心鉆桿在內(nèi)蒙古和河北滄州進行鉆探施工,鉆具級配為圖2所示。上述兩例應(yīng)下Φ89×5套管而未下,直接在Φ108×5.5套管下鉆進,在Φ108×5.5套管下鉆進鉆桿所受彎曲應(yīng)力為Φ89×5套管下鉆進的3.25倍。使用過程中,鉆桿折斷頻繁,尤其是更換口徑開始鉆進Φ77鉆孔時,更加明顯,隨Φ77鉆孔深度加深,情況有所緩解。

河北省地礦局第四地質(zhì)大隊使用我單位繩索取心鉆桿進行 ZK2405孔施工,鉆探深度2010.26m,創(chuàng)造了小口徑巖心鉆探新記錄,但由于嚴(yán)格按照鉆具級配設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu),有效改善了鉆桿在鉆孔中受力,使用過程中,未發(fā)生鉆桿折斷事故。

以上施工實例驗證了鉆桿在不同鉆具級配下的受力與失效分析。

4 結(jié)語

(1)通過理論計算和實例分析,鉆具級配不合理,后果是嚴(yán)重的,此時整個鉆桿柱受力工況惡劣,交變的彎曲應(yīng)力急劇增大并上升為主要受力,尤其是鉆孔剛變徑時,交變的彎曲應(yīng)力引起鉆桿折斷事故頻繁發(fā)生,當(dāng)鉆桿柱中和點進入到與鉆頭同孔內(nèi)后,工況相對好轉(zhuǎn),事故發(fā)生相對較少。鉆具級配不合理,受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆桿許用強度,無法通過調(diào)整鉆探技術(shù)參數(shù)保證鉆桿在許用強度下鉆進。合理的鉆具級配,在深孔及復(fù)雜鉆探條件下,可以通過調(diào)整鉆探技術(shù)參數(shù)保證鉆桿在許用強度下鉆進。

(2)鉆桿制造單位應(yīng)加強鉆桿薄弱處鉆桿螺紋的研究,有效提高鉆桿抗彎曲應(yīng)力的能力。

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2 張焱、劉坤芳,曹里民等.石油鉆鋌螺紋聯(lián)接失效的機理分析.探礦工程(巖土鉆掘工程),2000(6)

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4 張春波.繩索取心鉆桿折斷原因的分析.探礦工程,1987(2)

5 吳福云.S75繩索取心鉆桿折斷事故的原因分析.西部探礦工程,2006(10)

6 姜光忍、李忠、王獻斌.繩索取心鉆探施工中鉆桿折斷原因分析及應(yīng)對措施.探礦工程(巖土鉆掘工程),2009(3)