Причины поломки бурильных труб? Как этого избежать?

　Самым опасным видом разрушения бурильных штанг является их излом. Излом бурильной штанги в процессе направленного бурения и прокладки труб может привести к серьезным последствиям для проекта, включая не только экономические потери, но и задержки, потерю репутации и непредсказуемые последствия. Поэтому строительные компании должны уметь правильно выбирать и использовать бурильные штанги, а производители бурильных штанг должны учитывать особые требования бестраншейных технологий и производить штанги высокой прочности, высокой эластичности и высокой надежности.

　　Причины разрушения бурильных штанг (в основном излома): помимо проблем с качеством самих штанг, основной причиной разрушения является неправильная эксплуатация.

　　1. Основные виды разрушения бурильных штанг и анализ причин

　　Бурильные штанги, используемые в бестраншейном направленном бурении, часто подвергаются воздействию больших растягивающих и крутящих усилий, а также изгибающих нагрузок. При прохождении бурильной штангой криволинейного участка она вынужденно изгибается, при этом на внутренней стороне дуги возникает сжимающее напряжение, а на внешней стороне — растягивающее. При вращении бурильной штанги на криволинейном участке стержень подвергается действию переменных растягивающих и сжимающих напряжений, причем чем меньше радиус кривизны скважины, тем больше переменные напряжения. Исследования показывают, что при достижении определенного значения этих переменных напряжений в бурильной штанге легко образуются усталостные трещины. На начальной стадии усталостные трещины очень малы и не видны невооруженным глазом, но они быстро развиваются, что в конечном итоге приводит к внезапному хрупкому разрушению. Эксперименты показали, что усталостное разрушение бурильной штанги под действием переменных напряжений является основной причиной разрушения бурильных штанг в бестраншейной технологии. Многие случаи разрушения бурильных штанг при прокладке направляющих скважин подтверждают этот вывод.

　　В настоящее время в Китае много опытных и высококвалифицированных специализированных компаний, занимающихся бестраншейными работами, но еще больше временных бригад, не имеющих опыта и технологий. Они часто даже не слышали о радиусе кривизны бурильной штанги (или скважины), поэтому их руководство бестраншейными работами является основной причиной разрушения бурильных штанг по вине человека.

　　2. Меры по предотвращению преждевременного разрушения бурильных штанг

　　Исходя из анализа причин разрушения бурильных штанг, помимо нормального износа, преждевременное разрушение бурильных штанг можно разделить на два аспекта: причины, связанные с действиями рабочих, и причины, связанные с качеством самих штанг. Поэтому для предотвращения преждевременного разрушения бурильных штанг можно использовать два подхода: повышение качества бурильных штанг и соблюдение правил эксплуатации.

3. Повышение качества бурильных штанг

　　(1) Выбор материала бурильных штанг: для соответствия требованиям к прочности бурильных штанг, используемых в бестраншейном направленном бурении, материал стержня должен обладать высокой прочностью на растяжение, хорошими изгибными свойствами и высокой ударной вязкостью. В качестве материала стержня следует использовать бесшовные стальные трубы из среднеуглеродистой легированной стали, в состав легирующих элементов которых должны входить Cr, Mo и др. для повышения прочности на растяжение и ударной вязкости, а также Mn, Si и др. для повышения эластичности (т. е. изгибных свойств). Иногда также добавляются микроэлементы B, V и др. для повышения прокаливаемости. Обычно используемые материалы стержней: 36Mn2V, 35CrMo, 42MnMo7, 35CrMnSi, 45MnMoB.

　　Равномерность толщины стенок бесшовных стальных труб, используемых для стержней, и дефекты прокатки также являются важными факторами, влияющими на качество бурильных штанг. У стальных труб, производимых небольшими заводами, наблюдается серьезная неравномерность толщины стенок, и при воздействии больших крутящих моментов на бурильную штангу легко происходит продольное растрескивание в местах с меньшей толщиной стенок. Некоторые трубы имеют такие дефекты, как наплывы, поры и т. д., из-за которых бурильная штанга легко ломается или протекает.

　　Соединительные элементы бурильных штанг испытывают наиболее сложные нагрузки, поэтому материал соединительных элементов должен обладать высокими комплексными механическими свойствами. Для изготовления соединительных элементов бурильных штанг часто используется пруток 35CrMo или 42CrMo, но кованые соединительные элементы значительно повышают их комплексные механические свойства.

　　(2) Выбор технологического процесса: в настоящее время в Китае бурильные штанги для бестраншейной прокладки, в зависимости от технологического процесса, в основном делятся на штанги цельной ковки (сокращенно цельные штанги), штанги с утолщением + фрикционной сваркой (сокращенно штанги с утолщением и сваркой) и штанги с простой фрикционной сваркой (сокращенно штанги с фрикционной сваркой).

　　(3) Обработка утолщенного участка: как для цельных штанг, так и для штанг с утолщением и сваркой, качество обработки переходного участка между утолщенной и неутолщенной частями является основным фактором, влияющим на качество ковки. Переходный участок должен иметь достаточную длину, равномерный и гладкий переход толщины стенок без складок. После ковки стержень лучше подвергнуть общей термообработке для снятия остаточных напряжений в переходном участке и повышения его комплексных механических свойств.

　　(4) Тип конструкции соединительных элементов

　　a. Паз для распределения напряжений: экспериментальные исследования показали, что основным видом разрушения бурильных штанг для бестраншейного направленного бурения является усталостное разрушение под действием циклических изгибающих напряжений, которое происходит в основном у основания соединительного элемента или у основания резьбы соединительного элемента. Конструкция паза для распределения напряжений у основания соединительного элемента бурильной штанги может эффективно уменьшить концентрацию напряжений в этом месте и тем самым повысить его изгибную прочность. Кроме того, увеличение диаметра резьбы, коническая резьба и увеличение радиуса кривизны основания резьбы также могут значительно улучшить изгибную прочность основания соединительного элемента бурильной штанги.

　　b. Конструкция «двойная опора»: так называемая конструкция «двойная опора» означает, что при затяжке соединительных элементов бурильной штанги происходит одновременное прижатие торца муфты к плечику штанги и прижатие внутреннего плечика муфты к торцу штанги. Конструкция «двойная опора» бурильной штанги сложна в изготовлении, но по сравнению с конструкцией «одиночная опора» она имеет ряд преимуществ:

　　(1) Хорошая герметичность: для утечки бурового раствора изнутри наружу необходимо пройти через две уплотняющие поверхности, что увеличивает сопротивление утечке.

　　(2) Способность выдерживать больший крутящий момент: бурильная штанга с конструкцией «двойная опора» имеет два опорных плечика, общая площадь контакта которых значительно больше, чем у обычных бурильных штанг, поэтому она может выдерживать значительно больший крутящий момент.

　　(3) Увеличение срока службы бурильной штанги: обычные бурильные штанги часто выходят из строя из-за износа соединительных элементов, истончения торца муфты и образования раструба под действием конуса штанги. В бурильной штанге с конструкцией «двойная опора» внутреннее плечико продолжает эффективно работать даже при сильном износе соединительных элементов, и бурильная штанга может продолжать использоваться.

　　(4) Поверхностная обработка резьбы: азотирование поверхности резьбы эффективно предотвращает заедание и повышает износостойкость резьбы, тем самым увеличивая срок ее службы. Толщина азотированного слоя обычно составляет 0.2-0.3 мм, слишком большая толщина может привести к образованию хрупких трещин, а слишком малая толщина — к снижению эффективности предотвращения заедания. Цельные бурильные штанги не могут подвергаться азотированию, вместо этого используется фосфатирование с гораздо меньшей толщиной слоя.

　　(5) Точность обработки резьбы: резьба соединительных элементов должна обрабатываться на станках с ЧПУ с использованием резьбонарезных резцов для обеспечения взаимозаменяемости бурильных штанг. Шаг резьбы соединительных элементов должен контролироваться в разумных пределах, чтобы обеспечить хорошее зацепление резьбы.

　　4. Усовершенствование технологии строительства

　　(1) Стандартные операции: при строительстве необходимо строго соблюдать допустимые для различных бурильных труб усилие на разрыв, крутящий момент и радиус кривизны. Только при соблюдении норм эксплуатации бурильных труб строительными предприятиями можно эффективно предотвратить преждевременный выход из строя бурильных труб.

　　(2) Роль переходных труб: в процессе расширения отверстия и протяжки труб радиус кривизны бурильной трубы, соединенной с расширительным буром, может быть значительно меньше радиуса кривизны, спроектированного для отверстия, то есть r<, что приводит к воздействию на эту бурильную трубу значительных циклических напряжений при вращении и натяжении, что вызывает усталостное повреждение, а затем образование трещин и разрушение. Такое разрушение чаще всего происходит на расстоянии 0,3–0,8 м от муфты бурильной трубы. Соединение переходной трубы между обычной бурильной трубой и расширительным буром позволяет переходной трубе компенсировать малый радиус кривизны между расширительным буром и обычной бурильной трубой, тем самым защищая обычную бурильную трубу. Эта функция переходной трубы часто игнорируется пользователями, но причина многих необъяснимых поломок бурильных труб именно в этом.

　　(3) Предотвращение потери устойчивости бурильных труб: бурильные трубы представляют собой длинные тонкие стержни в механике, которые имеют тенденцию к потере устойчивости под действием давления. Поэтому на этапе строительства направляющих скважин необходимо ограничивать свободно расположенные бурильные трубы, чтобы предотвратить потерю устойчивости и изгиб бурильных труб в процессе наклона и продавливания. Потеря устойчивости бурильных труб чаще всего происходит на участке бурильной трубы между зажимом буровой установки и точкой входа, поэтому следует максимально сократить длину этого участка или принять соответствующие меры по ограничению. Для предотвращения потери устойчивости бурильных труб длина свободного участка бурильной трубы обычно должна быть меньше, чем в 20 раз диаметр бурильной трубы.

　　(4) Использование смазки для резьбы: качественная смазка для резьбы эффективно предотвращает заедание резьбы, уменьшает крутящий момент при отвинчивании и уменьшает износ резьбы.

　　(5) Использование промывочной жидкости: при бурении в песчаных и галечных слоях следует использовать высококачественный буровой раствор в качестве промывочной жидкости. Буровой раствор образует на внешней поверхности бурильной трубы грязевую корку, которая выполняет смазывающую функцию, уменьшает крутящий момент при бурении, уменьшает износ бурильной трубы и играет очень важную роль в защите бурильной трубы.

　　(6) Проверка бурильных труб: после некоторого времени использования бурильных труб необходимо проверять износ, изгиб, царапины на поверхности и т. д., своевременно выбраковывать чрезмерно изношенные, явно изогнутые и имеющие глубокие царапины на поверхности бурильные трубы. Необходимо особенно тщательно проверять износ кованого переходного участка, который часто наиболее подвержен износу и истончению, что приводит к разрушению.