铁路钻探钻杆柱磨损分析
摘要：本文先依次分析了铁路钻探中钻杆柱自身材质缺陷，工作环境及受力特征，然后结合上述分析讨论了钻杆
柱磨损的五种具体表现形式，最后对减少钻杆柱的磨损提出了一些看法。
关键词：铁路钻探钻杆柱磨损
收稿日期：2007-10-10
铁路钻探中，钻杆柱的磨损是一个很严重的问题。钻杆
柱磨损到一定程度，就应该更换新的。目前对钻杆柱的直径
还没有达到用仪器自动监测的程度，大多是技术人员在现场
进行目测，用游标卡尺测量钻杆柱的直径。而使用专门技术
人员监测钻杆直径情况，常常是针对孔深较深的钻孔。当钻
杆柱磨损严重，而没被注意，在遇到使钻杆柱应力集中的异
常情况时，易发生钻杆柱折断的事故。在好的岩土层中，如
果钻孔垂直度好，没发生缩径和扩孔，打捞钻杆柱相对容易，
否则将浪费大量的时间，造成经济损失，对于深孔钻探，造
成的损失更加明显。钻杆柱的磨损研究受到了较多科技工作
者的高度重视。本文分析了铁路钻探中钻杆柱磨损的外因与
内因，以及磨损的具体表现形式。
一、钻杆的材质缺陷
从材质的角度来看，钻杆内部存在着在缺陷。生产车间
在生产钻杆时，有热处理这道工序。在加热和冷却过程中，
钻杆内部组织会发生改变。热处理通常消除钻杆内部粗粒组
织，使其结构细化，能受更大的应力。但局部总存在暇疵。
在高倍电子显微镜下观察钻杆晶粒结构，发现它是由许多离
子、原子按一定规则排列起来的空间格子构成的，晶格一般
处于稳定的平衡状态。晶粒之间常存在着为数不多的夹杂物、
空洞等缺陷,在这些晶粒里，甚至在弹性范围以内，当力还不
太大时，就可能发生塑性变形。
二、钻杆工作环境
铁路钻探多采用回转钻进，对取芯困难的岩层如砂层、
全风化层等情况也采用冲击钻进。钻杆柱在工作中，与钻杆
柱发生作用的主要介质包括钻井液与岩土层。
铁路钻探钻井液一般是水基钻井液，这是一种多相不稳
定体系，以水为分散介质（连续相），以粘土为分散相（固相），
加入一定的化学处理剂或加重材料组成。其成分包括水、膨
润土、化学处理剂（如滤失剂羧甲基纤维素）、气体（溶解氧、
二氧化碳气体、硫化氢气体）及其它腐蚀介质如Cl-、SO42-、
Ca2+、CO32–及HCO3-等。
铁路钻探中岩芯常见的有土层、砂卵石层、全风化岩层、
强风化破碎带岩层、弱风化岩层等。砂卵石层及坚硬的强风化
岩层等复杂地层对钻杆柱造成的磨损比其它岩层尤为厉害。
三、钻杆柱工作受力特征
在工作过程中，钻杆柱的运动方式包括自转与绕钻孔中
心的公转，在深孔钻探中这两种运动方式通常是共存的。钻
杆所受力为复合应力，主要包括以下几个分项：钻杆受到钻
杆自重引起的拉应力，在横向应力作用下产生的弯曲应力，
由扭矩的作用产生的剪应力，钻杆振动引起的轴向及横向应
力，与岩层的摩擦力，以及与钻井液的作用。
四、钻杆磨损表现形式
1．磨粒磨损
磨粒磨损是由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶
表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，钻
杆柱的表面特征是产生擦伤撕裂、纵向拉痕、局部剥落和裂纹。
磨粒磨损机理为微观切削,多次塑变导致断裂以及微观断裂。
钻杆柱在复合应力状态下，易发生较大的弯曲，弯曲后
突起的地方与坚硬的岩层之间产生严重的摩擦。钻杆柱表面
的淬火处理厚度一般为1mm,在淬火层磨损掉后，以后的磨
损速率将加快。在深孔钻探中，有时候取出的钻杆表面有明
显的擦痕，这是磨粒磨损的表现。
2．粘着磨损
粘着磨损是当摩擦副两对偶表面作相对滑动时，由于粘
着致使材料从一个表面转移到另一表面或材料从表面脱落而
引起的磨损现象。由于摩擦副两对偶表面间实际接触面积很
小，接触点应力很高，摩擦副对偶表面处于这种高温和高应
力状态下，杆件表面发生破裂，使接触微峰产生粘着，随后
在滑动中粘着点被剪断。
钻杆的弯曲使其局部与岩层发生摩擦，局部接触点的高
应力构造了粘着磨损的条件。
3．疲劳磨损
疲劳磨损是摩擦副两对偶表面作滚动或滚（下转185页）
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[中图分类号] P634.8 [文献码] B [ 文章 编号] 1000-405X(2013)-7-229-2
中国地质调查局是我国目前唯一组织公益性地质钻探技术研究开发和推广应用的单位，自1999年成立以来，在组织地质钻探技术研究开发和推广应用方面开展了大量工作并做出了显著的成绩，对我国地质钻探技术的发展起到了较好的推动作用。面对地质工作大发展的新形势和实现地质工作现代化目标的要求，地质钻探技术如何发展，如何更好地起到对地质工作的支撑作用，笔者对这些问题有些不成熟的想法，在此发表，希望能抛砖引玉，与大家共同探讨地质钻探技术的发展问题。
1地质工作对钻探技术的需求
目前我国矿产资源紧缺，资源问题成为制约国家建设和国民经济发展的瓶颈问题，引起了国家政府和领导的高度重视。在国务院关于加强地质工作的决定提出的地质工作主要任务中，突出能源矿产勘查和加强非能源重要矿产勘查是两项首要任务。国家为此投入了大量经费，除了正在实施的国土资源大调查专项基金之外，又启动了危机矿山接替资源找矿专项基金和地质勘查基金。此外，地方、甚至个人也在找矿方面表现出很大的热情，并进行积极的投资。近年来，随着地质工作的加强，地质钻探工作量成倍增长，一些省区的年钻探工作量达到了几十万米。钻探工作项目资金来源有国土资源大调查、矿产资源补偿费、中央财政补贴、省资源补偿费、地方财政补贴、市场项目等。钻探工作量加大，使得对钻探设备和技术的需求同时加大。
2地质钻探技术应用现状
与世界先进的钻探技术相比，目前我国地质勘探工作中采用的钻探技术总体水平比较落后。钻探施工主要采用立轴式岩心钻机，基本上是20世纪80年代左右的设计。现代的全液压动力头钻机依靠进口，我国自己研制的产品已经开始出现，但还未得到大面积推广应用，而且现在只有个别钻深能力(1000m)的钻机，还未形成系列。钻探工艺方面，一些先进的钻进工艺方法还没有得到推广应用。金刚石绳索取心钻进方法虽得到了较多的应用，但还未能大面积普及。液动锤钻进(液动冲击回转钻进)方法的优点虽然为人们所认识，但由于该方法在恶劣的泥浆条件下使用时，钻具可靠性和寿命方面存在着一些问题以及这些年钻探现场管理水平的下降，使其在地质钻探中的应用较以前更少。一些具有较好前景的先进的钻进工艺方法，如绳索取心液动锤钻进方法和不提钻换钻头方法虽然都已研制成功，但实际应用很少。空气反循环取样钻进方法尽管具有高效率、低成本的特点，但由于没有得到地质人员的认可，至今未能得到推广。除此之外，目前地质钻探施工中所用的钻孔护壁堵漏技术、测斜技术等，基本上也是20世纪80年代左右的水平。由于采用的钻探技术水平不高，地质勘探中钻探工作的效率和效果不太理想，表现在台月效率较低、复杂地层钻进问题多、深孔钻进能力差、钻进成本高。这些问题的存在，使得钻探技术对地质工作的技术支撑效果受到影响。
3地质钻探技术发展目标
笔者认为，考虑地质钻探技术发展目标时应该分阶段，应该分成近期、中长期和远期。划分原则是：至2010年为近期，至2020年为中长期，至2050年为远期。
3.1远期(至2050年)目标
实现地质钻探技术的现代化应该是钻探技术发展的远期目标。在国务院关于加强地质工作的决定和国务院温家宝就贯彻决定所作的重要批示中，都明确地提出了要实现地质工作现代化。关于地质工作现代化的定义，目前尚无统一的说法。笔者的理解是：地质工作现代化的标志应该是，在地质工作中普遍采用具有现代世界先进水平的地质勘查技术。钻探技术是地质勘查技术的种类之一，地质钻探技术的现代化也应该符合此项标准。然而，此项目标的实现是一项长期和艰巨的任务，因为只有国家的整体工业技术水平达到了世界先进水平后，我国的地质钻探技术才有可能从总体上达到世界先进水平，地质钻探技术现代化与国家的现代化应该是基本同步的。邓小平同志在介绍中国实现现代化的三步走战略时，明确提出到2050年中国基本实现现代化，达到世界中等发达国家的水平。1999年10月22日，时任国家主席江泽民在英国剑桥大学发表演讲时向公众宣布：我们的目标是，到下世纪中叶，即中华人民共和国成立一百周年时，基本实现现代化。由此看来，我国地质钻探技术现代化实现的时间应该是21世纪中叶。
3.2中长期(至2020)年目标
地质钻探技术发展的中长期(至2020年)目标应该是：自主创新能力显著增强，地质钻探技术水平显著提高，自主研发的新型钻探设备和先进钻进工艺方法得到较大面积的推广应用，钻探装备与施工技术总体上接近发达国家水平。
3.3近期(至2010年)目标
地质钻探技术发展的近期(至2010年)目标应该是：初步完成2000m深度以内的新一代地质岩心钻探设备系列研制;改进完善一批先进的钻进工艺方法，使之达到推广应用的水平;取得一批深孔钻探、复杂地层钻探和高精度定向钻探技术研究成果;研发成功现代的深水井和煤层气井钻探用全液压动力头钻机;地质钻探科技成果转化和推广取得较显著的成效。
4地质钻探技术近期研发工作重点
中国地质调查局近期组织开展的地质钻探技术研发工作基本上是按照上述的近期目标的思路安排的，重点研究内容如下：
(1)2000m深度以内的新一代地质岩心钻探设备系列;(2)满足覆盖区化探和异常查证需求、适应复杂地层条件的轻便、高效、多功能取样钻机及其配套的钻进工艺方法和器具;(3)1000m全液压动力头水井和煤层气井钻机及其配套的钻进工艺方法和器具;(4)改进完善一批先进的钻进工艺方法，包括冲击回转钻进方法、绳索取心冲击回转钻进方法、不提钻换钻头方法和深孔绳索取心方法;(5)解决复杂地层钻进技术难题，包括复杂地层钻孔护壁堵漏技术问题、复杂地层取心技术问题等;(6)高精度定向钻探技术，包括提高钻孔测量精度和定向钻进施工中靶精度的技术以及取心定向钻进技术;(7)万米科学超深孔钻探技术方案预研究。除了研究与开发工作以外，钻探新方法、新技术推广应用也是中国地质调查局钻探技术管理工作的重点之一，拟开展以下一些工作： ①新型岩心钻探机具应用培训;②地质调查浅层取样钻技术应用培训;③地质钻孔测量技术应用培训;④新型地质钻探泥浆体系应用培训;⑤节水钻进技术应用培训;⑥空气反循环取心钻进技术培训和应用示范;⑦车载式浅层取样钻机应用示范。
5几个值得强调的问题
5.1加强技术创新
技术创新的核心内容是科学技术的发明和创造，其直接结果是推动科学技术进步，提高社会生产力的发展水平，进而促进社会经济的增长。通过技术创新可实现技术跨越式发展，在短期内获得显著的技术经济效果，使一些常规方法难以解决的问题得到解决。这里举2个钻探技术领域技术创新取得显著成效的实例。第一个实例是科拉超深钻。前苏联的工业技术发达程度比不上西方国家，却钻成了世界上唯一一口深度超万米的钻井——12262m深的科拉超深井。钻万米超深井的难度非常大。这口井之所以能钻进成功，是因为前苏联人在施工这口井时进行了大量的钻探技术创新，其中3项对钻进施工的成败起决定性作用的重大创新是：超前孔裸眼钻进方法;铝合金钻杆;带减速器的涡轮马达井底驱动。第二个实例是中国大陆科学钻探工程科钻一井。该项目是在坚硬的结晶岩中施工5000m连续取心钻孔。这种施工在我国没有先例，在世界上也属高难度钻井工程。该井在施工时采取了一系列的技术创新，涉及套管和钻进施工程序、取心钻进技术、扩孔钻进技术和井斜控制技术，最终获得了高效、优质的施工效果。由于采用螺杆马达-液动锤-金刚石取心钻进方法，使机械钻速提高50%以上，回次长度由3m提高到8～9m，大大节省了施工时间和成本。
5.2加强新方法、新技术推广应用
新方法、新技术从研发出来，到在钻探施工中得到普遍应用，通常需要花很长的时间，做大量的推广应用工作。推广应用工作包括宣传、现场演示、技术培训和技术交流等。这些环节工作效果的好坏，都会直接影响到科技成果转化及其得到实际应用所需的时间，影响地质钻探技术现代化的进程。为获得好的效果，该项工作应有计划、有组织地开展，因为研发单位通常只是从本单位的利益和眼前的利益考虑推广应用工作，而该项目工作的计划和组织实施需要一种全局性和长远的考虑。这些年来，在钻探技术研究与应用的所有环节中，科技成果推广应用是相对比较薄弱的环节，加强此方面工作是当务之急。
参考文献
[1]王达.探矿工程(地质工程)未来20年科技发展战略研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2004，31(1).
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