王 燕，余大有，畢萬順

（安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊， 安徽淮南232052）

大口徑鉆孔是近十幾年來為了煤礦超強超深開采而發(fā)展起來的風險較大的地面鉆孔施工。所謂大口徑是指孔深大于600m，工作管管徑大于600mm的工程類鉆孔，目前主要用于煤礦瓦斯抽排、井下送料以及緊急避險等。

大口徑鉆孔是一種新型的鉆孔結(jié)構(gòu)，施工技術是在不斷地摸索中逐漸積累起來的。其施工風險有二：一是超重套管下管失穩(wěn)；二是套管固井事故。目前煤礦超大超深鉆孔施工越來越多，孔內(nèi)事故特別是固井事故時有發(fā)生，且處理過程較為艱難，耗費大量的人力、物力和時間，甚至鉆孔報廢。自2002年起，我隊致力于大口徑鉆孔的施工，至2014年共施工大口徑鉆孔69個，最深井達1 008 m。其中有4口井出現(xiàn)套管失穩(wěn)及固井事故。通過事故處理，探索出一整套大口徑事故處理創(chuàng)新方案。

1 工程概況

淮南礦業(yè)集團顧橋礦原有瓦斯孔2個，高濃瓦斯孔1個，不能滿足瓦斯抽采的需要，為擴大瓦斯抽采管道的能力，需施工3個瓦斯孔鉆井連接井上、井下瓦斯抽采管路。

該瓦斯抽采鉆孔工程位于顧橋礦中央?yún)^(qū)已建瓦斯電廠內(nèi)，井下為已施工的北一13－1下山采區(qū)軌道斜石門車南側(cè)，鉆孔形成后通過專用找孔巷道同－766北一回風大巷連接到各分支抽采管道。

鉆孔深度。顧橋礦6＃瓦斯孔孔深816m。

鉆孔結(jié)構(gòu)?？咨?～1.5m，孔徑為Φ1 200mm，下入Φ1 100mm的孔口管；孔深1.5～304m，孔徑為Φ1 050mm，下Φ830 mm×12mm螺旋焊管為護壁管；孔深304～ 816m，孔徑為Φ780mm，同時0～816m全孔下入Φ630mm×18mm工作管，鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 顧橋礦5＃、6＃大口徑瓦斯鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

事故經(jīng)過。2012年2月17日，Φ630 mm×18mm工作管安全下至孔深816m，18日采用下鉆桿孔口悶蓋法固井。水泥候凝24h后，割開井蓋，鉆具提拉不動。另下一路鉆桿探孔，發(fā)現(xiàn)孔深496～806m段Φ127 mm鉆桿全被水泥凝固封死，封入孔內(nèi)鉆桿情況如圖2所示。

2 固井事故處理方案

從以上圖形分析：Φ127mm鉆桿全部貼在Φ630mm×18mm工作管的內(nèi)壁上，由于存在下述問題，采用常規(guī)的套銑和逐根倒扣、打撈的方法已不可行。一是工作管內(nèi)徑較大，如果下Φ245～325mm套銑筒不易套住Φ127mm鉆桿；二是即便套住Φ127mm鉆桿，由于事故鉆桿緊貼工作管內(nèi)壁，對套銑筒有擠夾作用，很難開車回轉(zhuǎn)，套銑筒有可能折斷出現(xiàn)二次事故；三是即使勉強可以回轉(zhuǎn)，套銑鉆頭將會對Φ630mm×18mm工作管造成重大損傷，造成鉆孔報廢；四是需要租用800m反絲鉆桿，且耗時、耗財、耗力。

圖2 顧橋6＃瓦斯孔固井事故剖面圖

通過認真研究分析，為不損傷工作管，決定采取清除鉆桿周圍水泥、松動鉆桿、一次性提拉鉆桿出井方案。為避免在鉆水泥時，鉆機轉(zhuǎn)盤驅(qū)動工作鉆桿旋轉(zhuǎn)與孔內(nèi)遺留鉆桿發(fā)生干涉現(xiàn)象，選定以螺桿鉆具為主要施工機具。螺桿鉆具是一種容積式井下動力鉆具，以鉆井液為動力，把鉆井液的水利能轉(zhuǎn)為鉆頭的機械能，從而破巖鉆進。泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)螺桿馬達，推動轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)速和扭矩通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，因此螺桿鉆具具有鉆頭旋轉(zhuǎn)而鉆桿不轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速高、鉆進效率高的作業(yè)特點，有利于盡快將事故處理完畢。事故處理具體操作步驟如下：

2.1 采用雙螺桿鉆進清除水泥

新下入的Φ311mm鉆頭為順時針旋轉(zhuǎn)，在碰觸到圓周下沿Φ127mm鉆桿時，鉆頭向右滾動，所形成的鉆孔緊貼Φ127mm鉆桿的右側(cè)，并與鉆桿和套管形成相切，從而清除了鉆桿右側(cè)的水泥。

此時鉆桿周圍的絕大部分仍然被水泥緊密包裹。要使鉆桿松動，必須設法清除鉆桿左側(cè)的水泥。根據(jù)鉆頭運轉(zhuǎn)規(guī)律，如果下入普通鉆具，鉆頭將進入原來的Φ311mm孔中，不可能在左側(cè)開出新孔。因此必須設計一個偏置裝置，使新鉆頭相對于原孔軸線偏置一定的距離。經(jīng)過對多種方案的反復比對，決定采用雙螺桿鉆具平行鉆進工藝。

雙螺桿使用方法及原理分析如圖3所示。

圖3 雙螺旋雙鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

選取5LZ165直螺桿鉆具2根，其中4級螺桿1根，長度7.2m；5級螺桿1根，長度8 m。制作一個三通接頭，連接兩根螺桿，下部用鋼板將兩根螺桿焊接在一起。采用3 NB1300型泥漿泵，額定排量1 830L／min，額定壓力28.6MPa，滿足雙螺桿的性能參數(shù)需求。短螺桿作為鉆進使用，下接Φ311mm牙輪鉆頭，不加噴嘴。長螺桿作為偏置導向器使用，下接Φ216mm鉆頭，以利于進入原孔，該鉆頭的主要作用是導向和清除沉渣。為了保證Φ311mm鉆頭有足夠的動力，遂在Φ216mm鉆頭上加裝3個Φ12mm的噴嘴，該噴嘴主要起節(jié)流保壓作用，以使驅(qū)動Φ311 mm鉆頭的4級5LZ165螺桿有充足的水量水壓，有充足的動力驅(qū)動Φ311mm鉆頭破碎水泥。

鉆具組合為：雙螺桿鉆具結(jié)合體＋Φ89 mm鉆桿＋108mm方鉆桿，鉆盤不固定，鉆柱串處于自由狀態(tài)。

精確丈量鉆具后，將雙螺桿下入孔內(nèi)，到達深度后經(jīng)反復試探，確認長螺桿及Φ216 mm鉆頭進入原孔后，即可開泵鉆進。

一般情況下，由于螺桿鉆具外部殼體與上部鉆柱串固聯(lián)（由轉(zhuǎn)盤鎖定），可視為固定。高壓鉆井液流經(jīng)螺桿鉆具馬達時，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生右向旋轉(zhuǎn)的力矩，帶動鉆頭右向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)作用與反作用原理，視為固定的馬達定子通過高壓鉆井液對轉(zhuǎn)子施加正向轉(zhuǎn)矩的同時，轉(zhuǎn)子也對定子施加一個等值反向的轉(zhuǎn)矩，通常稱為定子的“反轉(zhuǎn)力矩”。在螺桿鉆具的一般應用場合，反轉(zhuǎn)力矩是不利因素，將引起鉆柱串的反向扭轉(zhuǎn)，形成鉆柱反扭角，影響定向鉆井的定向精度。

由于本例中鉆盤不固定，鉆柱串處于自由狀態(tài)，并且Φ216mm鉆頭已進入原導向孔內(nèi)，因此在開泵運轉(zhuǎn)后，雙螺桿結(jié)合體在反轉(zhuǎn)力矩的作用下，繞長螺桿及Φ216mm鉆頭軸線左向轉(zhuǎn)動。當短螺桿下面的Φ311mm鉆頭碰觸到Φ127mm鉆桿左側(cè)的套管壁時，會受到套管壁的阻擋，雙螺桿結(jié)合體雖然有向左轉(zhuǎn)動的趨勢也不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，將緊貼著套管壁形成穩(wěn)定狀態(tài)。這樣Φ311mm鉆頭在短螺桿的驅(qū)動下就能在Φ127mm鉆桿的左側(cè)順利開出新孔，從而清除Φ127鉆桿左側(cè)的水泥，如圖4所示。雙螺桿結(jié)合體在制作時已經(jīng)過計算，確定兩個Φ311mm孔的圓周處于相交狀態(tài)，且公共弦長大于三通接頭及聯(lián)結(jié)鋼板的厚度，不會阻礙鉆進。施工過程非常順利，僅用3d時間內(nèi)就鉆到孔底。

圖4 雙螺桿時孔內(nèi)Φ630mm工作管、Φ127mm鉆桿、Φ311mm、Φ216mm鉆頭空間切面關系圖

2.2 松動鉆桿

如圖4所示，經(jīng)過上兩步的施工，已清除了鉆桿兩側(cè)的大部分水泥，但Φ127mm鉆桿兩翼殘留的水泥仍然將Φ127mm鉆桿牢牢地粘附在套管內(nèi)壁上，必須設法將Φ127mm鉆桿從套管壁上剝離下來。本例中采用利用螺桿鉆具振動力剝離鉆桿的方法。

5LZ197型螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子質(zhì)量m＝380 kg，馬達偏心距e＝0.92cm，鉆頭轉(zhuǎn)速范圍為95～150r／min，可求出轉(zhuǎn)子離心慣性力范圍為8 641.22～21 543.23N。

經(jīng)計算得出5LZ197螺桿鉆具轉(zhuǎn)子的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍為475～750r／min，螺桿鉆具的橫向振動頻率范圍為28 500～45 000Hz。

選取一段Φ216mm×16mm的無縫鋼管（長0.46m）和一根5LZ197直螺桿鉆具。將無縫鋼管焊接在螺桿鉆具下部的殼體上，用厚度10mm鋼板條作為包帶將鋼管與螺桿鉆具焊接牢固，鋼管底口部事先車內(nèi)坡口并鑲焊硬質(zhì)合金。

鉆具組合為：Φ216mm牙輪鉆頭＋5LZ197螺桿鉆具＋Φ159mm鉆鋌＋Φ89 mm鉆桿＋108mm方鉆桿。Φ216mm牙輪鉆頭的主要作用是清渣。Φ216mm牙輪鉆頭與5LZ197螺桿鉆具半徑相差9.5mm，小于無縫鋼管壁厚16mm，鉆頭不會與短套筒內(nèi)套入的Φ127mm鉆桿發(fā)生干涉現(xiàn)象。

根據(jù)分析，孔內(nèi)Φ127mm鉆桿斷頭在水泥面以上36m處，停留在套管圓周的下沿，處于自由狀態(tài)。新下入孔內(nèi)的鉆具也將順著套管圓周的下沿一側(cè)往下走，由于短套筒底部車有坡口，所以短套筒很容易將Φ127mm鉆桿斷頭套入套筒內(nèi)。下鉆具至套筒底部接近鉆桿斷頭，反復試探，將套筒套入。繼續(xù)下放10余米，反復提拉并人力扭動鉆具，以確認套筒已經(jīng)將鉆桿套入。開泵后繼續(xù)下放鉆具，將產(chǎn)生套、壓、擠、振等一系列效應，即可將Φ127mm鉆桿從套管壁上剝離開了。

“套”就是將Φ127mm鉆桿自始至終套在套筒內(nèi)，保證作業(yè)的連續(xù)性。

“壓”就是利用Φ89mm鉆桿、Φ159mm加重鉆鋌、Φ197mm直螺桿的自身重量對Φ216mm短套筒向下加壓。

“擠”，Φ127mm鉆桿接頭外徑為Φ165 mm，半徑相差19mm，即鉆桿體與套管壁的間隙為19mm，而短套筒的壁厚為16mm＋10mm＝26mm，大于間隙。在鉆具向下壓力的作用下，會形成勢如破竹的劈勢效應，在套筒與鉆桿的接觸點上產(chǎn)生很大的橫向力，將鉆桿擠離套管壁。

“振”就是利用螺桿鉆具的橫向振動力，為套筒提供激振力，并振松水泥。套筒底口鑲焊的硬質(zhì)合金在振動運動下，將附著在Φ127mm鉆桿體上的殘留水泥進一步清掃干凈。

2.3 打撈

由于Φ127mm鉆桿斷口不規(guī)則，不便于使用絲錐打撈，鉆桿長度約350m，重量僅約10t，故決定采用打撈鉤打撈。

采用30mm厚鋼板制作，焊接在一根Φ127mm鉆桿的下部。外圓尺寸Φ540mm；開口處的通過尺寸不小于200mm；開口根部圓尺寸Φ130mm，并在圓周上口開坡口，起到防滑脫作用。

鉆具組合為：打撈鉤＋Φ89mm鉆桿。

鉆具下入孔內(nèi)，在接近鉆桿斷頭處，人工緩慢轉(zhuǎn)動鉆具，并反復上下試探，使打撈鉤從開口處越過斷頭鉆桿，并且繼續(xù)下放至鉆桿斷頭下方的第一個鉆桿接頭以下2m左右，然后人工順時針轉(zhuǎn)動鉆具約270°角?？變?nèi)的Φ127mm鉆桿由于受自重的影響，始終靠向套管圓周的下沿，打撈鉤鉤入鉆桿與套管壁的間隙后，順時針轉(zhuǎn)動鉆具，Φ127mm鉆桿在重力的作用下順著打撈鉤內(nèi)圓弧滑落到開口根部；轉(zhuǎn)動270°角，既保證鉆桿進入到開口根部，又不至于因角度過大而又重新滑脫出去；向上提拉鉆具，鉆桿接頭坐入打撈鉤的坡口內(nèi)；觀察指重表，確認鉤住后即可起鉆。

3 結(jié)語

本次固井事故處理非常成功，以螺桿鉆具為主要處理手段，拋開鉆探事故正常處理的方法，方案獨特新穎，為大口徑孔內(nèi)事故處理開創(chuàng)了先河，也為挖掘和拓展螺桿鉆具的應用方法和應用范圍作出了有益的嘗試。

在事故的處理過程中，不損傷套管內(nèi)壁和事故鉆桿，是本處理方案的原則；在充分理解螺桿鉆具的基本原理、結(jié)構(gòu)特點和工作特性的基礎上，大膽創(chuàng)新，變不利因素為有利因素，非常規(guī)應用螺桿鉆具，是成功處理本次事故的精妙所在。

在單孔內(nèi)下入兩根螺桿鉆具和兩個鉆頭同時工作，是鉆探史上的奇跡，新穎而又獨特。

套、壓、擠、振方案構(gòu)思奇巧，運用得當，快捷而又輕盈。

避免了常規(guī)處理方法對套管和事故鉆桿的損傷，及處理過程中的二次孔內(nèi)事故的發(fā)生。省時、省力、節(jié)約材料。

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