1概述
在煤田钻探施工过程中，钻杆断裂尤为普遍，因此，分析钻杆断裂发生原因，研究更好的解决措施就有了十分重要的意义。
2勘探区地层特点
巫山勘探区位于渝东偏北部的巫山县官渡镇与湖北省建始县接壤处，地层“从上至下”主要分为中生界的三叠系下统嘉陵江组T1j、大冶组T1d和古生界的二叠系上、中统大隆组P3d、长兴组P3c、吴家坪组P3w、孤峰组P2g、茅口组P2m、栖霞组P2q组成。
区内三叠系嘉陵江组为灰色薄层块状溶角砾岩，其岩溶破碎裂隙发育，泥质灰岩夹白云质灰岩，含燧石，其下大冶组T1d、大隆组P3d、吴家坪组P3w为深灰色页岩、黑色钙质泥岩、砂质泥岩、燧石灰岩夹硅质灰岩、泥灰岩、燧石呈团块状产出，是易垮、塌、掉块、流砂涌漏的主要层段。
3钻杆断裂的危害
ZK212是勘探区内一钻孔，设计孔深815m，使用XY-5型钻机，采用金刚石钻进，开孔孔径φ170mm，终孔孔径φ75mm，钻孔施工的过程中，事故繁多，大大小小共计发生了20次左右，其中有一半的事故是属于钻杆、钻具断裂。钻杆断裂带来的危害是很大的，其危害主要表现在：
（1）浪费人力、物力，贻误工期，增大钻探成本
由于该孔事故次数多，处理事故时间长，使得整个孔施工工期长达一年之久，浪费人力、物力，延误工期，增大了钻探成本。
（2）危及人身安全
在事故发生和处理过程中，由于起下钻具频繁，常忙中出错，极易导致人身安全事故，事故频发的时候更是如此，操作人员心情过于急躁，操作失误导致提引器碰伤人、管钳忘记取下弹回伤人等一系列的人生安全事故。
（3）造成质量事故
钻杆断裂事故，有时一旦处理不当，除了打偏心孔以外，还可能直接导致钻孔报废，造成极其严重的质量事故。
综上所述，由于钻杆断裂事故有如此多危害，分析钻杆断裂发生的原因以及采取预防措施，提高钻杆质量，降低钻孔事故率，保证正常钻进就具有了十分重要的意义。
4几种常见的钻探生产现场钻杆断裂形式
5钻杆断裂原因分析
5.1材质原因
由于钻杆本身质量问题，导致钻杆在使用过程中容易发生钻杆弯曲、丝扣抢扣等现象的发生，在使用过程中，提钻时为了更容易使丝扣松动，往往使用手锤猛敲钻杆丝扣处，造成钻杆裂纹、结疤等危害，见图4。
5.2加工工艺的原因
5.2.1公扣、母扣同轴度差
由于材料加工工艺等原因，公扣、母扣螺纹同轴度往往很差。由于两端连接螺纹同轴度超差过大，导致钻杆在连接处发生弯曲。在钻进过程中，钻杆不但要承受正常的轴向负荷，而且螺纹连接处还要承受很大的径向载荷。另外在遇到溶洞或超径等条件下，往往产生更大的离心力，几种应力的叠加最终导致钻杆的最薄弱处公扣接头螺纹尾部发生疲劳裂纹而断裂；
5.2.2钻杆危险断面应力集中
当材料受力时材料表面及内部缺陷处的应力远大于平均应力的现象称为应力集中现象，简称应力集中。钻杆的肩部和退刀槽底由于没有倒圆角和倒角，产生应力集中现象，这样容易导致钻杆丝扣处断裂。
5.3孔径级配不合理
该孔下入Φ168mm孔口管13m，Φ146mm的套管37m，Φ127mm套管68m，
Φ108mm套管326m，但由于地层原因，无法下入Φ89mm的套管，使得孔内环空间隙较大，加上孔内出现溶洞，地层破碎严重，出现超径的现象，当钻杆所受的离心力超过钻杆的强度极限时，就有可能发生钻杆断裂的现象。
5.4危险应力的影响
（1）钻杆合成应力受弯曲应力的影响较大，因此，当钻孔严重弯曲时，钻杆折断频繁，次数急剧增加；
（2）因地层破碎，漏失严重，使钻杆长期处于干摩擦状态，钻杆在回转时得不到润滑和冷却，增加了摩擦阻力，使钻杆寿命大大减少。
5.5疲劳破坏
由于操作工艺的不当，如压力过大，在软硬互层或硬岩层中压力过大或不适当的高转速过快造成钻杆扭矩增大，钻进时，作用于钻头的扭矩
式中：—岩石抗压强度；m—钻头切削组数；h—给进量，cm；F—孔底环状面积，cm？；c—钻头与孔壁摩擦系数；f—钻头与孔底摩擦系数；—给进压
力，Kn；R—切削钻具外径，cm；r—切削钻具内径，cm。
由上式可以看出，作用于钻头的扭矩与岩石的抗压强度，钻头几何尺寸、切削具组数、给进量、给进压力都有关系。钻头直径增大，切削具数量增多，给进量与给进压力增高均会增大作用于钻头上的扭矩，从而也就增大了作用于钻杆的扭矩。当超过钻杆的极限强度时，就会产生疲劳破坏。
6钻杆断裂的规律
上面分析到短杆断裂的原因，除了材质的原因、使用操作不当外，大多数时候都与钻杆所受的应力有关。在钻进中，钻杆是一弹性体，受轴向力、离心力、扭转力等力的同时作用，即合成应力。钻杆在钻进时受合成应力P作用下弯曲断裂，如图5所示。有材料力学可知，钻杆最容易折断处为最大的弯曲应力，弯曲应力
式中：l—为半波长度，m；f—钻进时钻杆弯曲的最大挠度，f=（D-d）/2；D—孔径，mm；d—钻杆直径，mm。
由上式可知，在钻杆材质一定的情况下，影响最大弯曲应力的主要因素是钻杆弯曲的半波长度、最大挠度及钻杆直径。由于弯曲应力与半波长度的平方成反比，因此钻杆弯曲的半波长度增加时，弯曲应力可大幅度减小。且由萨尔基索夫公式可知，半波长度还与转速有关系，所以控制一定的转速可减小弯曲应力。
7预防钻杆断裂的措施
根据以上分析，要防止或者减少钻杆断裂，应从加工与使用两方面采取措施：
（1）保证钻杆使用的材料质量和正确的热处理工艺，使钻杆的机械强度符合承载要求；
（2）钻孔时正确合理地使用扶正器，减少钻孔的偏斜量；
（3）钻具级配要合理，正确选用钻杆和钻头，减小钻孔环状间隙，减小钻杆弯曲挠度和弯曲应力，增加半波长度，降低钻杆断裂频率；
（4）针对不同岩性、钻孔深度和钻孔直径的要求，合理选用钻进参数，防止钻杆过载；
（5）钻杆要分级使用，不能新旧混用。钻杆断裂总是在钻杆最薄弱的部位发生。因此，钻杆连接时要尽量做到等强度，按钻杆新旧程度分级，统一调配使用，不能新旧混用。
（6）钻杆在使用时不应猛敲、猛打，在每回次时应对钻杆加强检验，查找有裂缝等不良现象的钻杆，并用新钻杆替换。
（7）在遇到溶洞或地层坍塌时，应及时有效地处理，防止钻杆弯曲应力增大，增大钻杆折断的系数。
8结语
在勘探区其余钻孔的施工中，根据地层特点有效地采取了预防措施，舍弃了使用时间过长的钻杆，新增了质量要求合格的钻杆，严格按照《岩心钻探规程》进行施工，合理选择钻进参数，在遇到问题时及时有效地处理，使得这些钻孔较之前施工的钻孔减少了钻杆断裂的发生，从而降低了钻探成本，钻孔质量得到很大的提高。
参考文献：
[1]王清峰，陈松林.煤矿用坑道钻机钻杆断裂原因分析及采取的措施[J].煤矿机械，2007.
[2]郑林.钻杆加工工艺探讨[J].机械工程师，2009.
[3]刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社，1997.
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