張祖海，王維堯，王 飛

（新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆烏魯木齊830091）

改進(jìn)XY-5鉆機(jī)卡夾機(jī)構(gòu)在處理鉆孔事故中的應(yīng)用

張祖海*，王維堯，王 飛

（新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆烏魯木齊830091）

孔內(nèi)事故頻發(fā)和難處理會嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率，常用的事故處理手段在招遠(yuǎn)玲瓏金礦區(qū)勘探中具有勞動強(qiáng)度大、經(jīng)濟(jì)費(fèi)用高、效果不顯著等特點(diǎn)，制約工程的進(jìn)度和工程質(zhì)量。在認(rèn)真總結(jié)分析該礦區(qū)地層特點(diǎn)和研究XY-5型鉆機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對鉆機(jī)的卡夾機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，把?65mm卡瓦換成?73mm卡瓦，同時加工上卡頭扁方，把扁方上的二方加工成圓形等措施。通過實(shí)例，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的鉆機(jī)處理事故的能力增加，尤其在處理深部孔內(nèi)事故時，效果更加明顯。改進(jìn)措施具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣。

巖芯鉆探；卡夾機(jī)構(gòu)；改進(jìn)措施；扁方；事故處理

目前國內(nèi)鉆探業(yè)大量采用XY-5巖芯鉆機(jī)，該鉆機(jī)具有立軸轉(zhuǎn)速高、調(diào)速范圍廣、鉆機(jī)底座寬、重心低、鉆進(jìn)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可滿足多種鉆探工藝施工要求。2013年我隊(duì)與山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院合作，通過工程實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)由于XY-5鉆機(jī)的卡頭部分采用?65mm口徑扁方主動鉆桿，所以?71mm口徑繩索取芯鉆桿無法通過立軸通孔，特別是遇到孔內(nèi)事故，當(dāng)機(jī)上余尺不合適，又無法加減單根情況下，XY-5鉆機(jī)的性能大大降低。為此，本文以溫泉縣地?zé)峥譇KT1-1孔的施工為例，對施工期間出現(xiàn)的鉆孔燒鉆事故及其誘發(fā)事故，已有技術(shù)措施適用的局限性和經(jīng)濟(jì)性，以及設(shè)備改進(jìn)后的鉆機(jī)處理事故能力的情況等加以闡述。

1 工程概況

1.1 地層地質(zhì)情況

區(qū)內(nèi)出露地層主要為新太古代膠東巖群郭格莊巖組（Ar3jg）和新生代第四系（Q）。膠東巖群郭格莊巖組巖性以黑云變粒巖及斜長角閃巖為主，夾磁鐵石英巖。第四系零星分布于山坡、沖溝及河谷中，形成殘坡積層、沖積層和洪積層。殘坡積層主要為砂質(zhì)粘土及大量棱角狀巖石碎塊；沖積層主要由河砂、礫石及粘土、亞粘土組成；洪積層主要為礫石、砂及粘土組成，分選性差。

礦區(qū)內(nèi)巖脈種類繁多，其展布方向、產(chǎn)出形態(tài)受斷裂構(gòu)造的控制。以閃長玢巖、煌斑巖、輝綠玢巖為主，以閃長玢巖脈最為發(fā)育。礦脈主要表現(xiàn)為沿?cái)嗔哑扑閹С涮罱粠纬傻奈g變帶。蝕變帶厚度可達(dá)350～450m，巖石組合為（黃鐵）絹英巖質(zhì)碎裂巖、絹英巖、絹英巖化碎裂狀花崗巖等。風(fēng)化帶巖石破碎、松散、裂隙發(fā)育，力學(xué)強(qiáng)度低。

1.2 影響鉆探施工的因素

地層中巖石的硬度一般2～10級，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，第四系殘坡積層具有松散、富水、易變性、怕沖蝕等特點(diǎn)，鉆進(jìn)粘土?xí)r鉆孔縮徑嚴(yán)重，孔壁不穩(wěn)定，取芯效果不好；裂隙發(fā)育嚴(yán)重，破碎強(qiáng)烈，容易導(dǎo)致鉆井液的漏失，塌孔埋鉆現(xiàn)象時有發(fā)生；鉆遇斜長角閃巖層，巖石硬度很高，研磨性強(qiáng)，鉆頭磨損嚴(yán)重，提下鉆換鉆頭次數(shù)增加，正常鉆進(jìn)時間降低。

2 鉆探技術(shù)措施

2.1 井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)找礦需要，為探明區(qū)域內(nèi)礦體空間分布狀況，圈定礦體，了解其品位和厚度變化。ZK136-10孔設(shè)計(jì)鉆孔深度1500m，終孔孔深1510.50m，鉆孔頂角0°。鉆孔開孔直徑110mm，下入20～30m套管；?91mm金剛石鉆頭鉆至250～300m，下入?89mm套管；換?75mm鉆頭一徑到底。實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆壓保持在6～10kN、泵量40～60L/min，轉(zhuǎn)速134～610r/min。

2.2 鉆進(jìn)方法

開孔段采用金剛石單管鉆進(jìn)；20.10～275.40m孔段，采用S95繩索取芯鉆進(jìn)；275.40m至終孔，采用S75繩索取芯鉆進(jìn)。

2.3 鉆探設(shè)備的選擇

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)深度、鉆孔設(shè)計(jì)傾角、地質(zhì)條件、鉆進(jìn)方法及鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選擇主要鉆探設(shè)備有：XY-5型巖芯鉆機(jī)、BW-160泥漿泵、A-13型鉆塔、45kW電動機(jī)、120kW濰柴發(fā)電機(jī)組。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)

3 事故發(fā)生及其處理

3.1 事故發(fā)生時的情況

鉆進(jìn)至777m時，動力機(jī)聲音發(fā)生變化，負(fù)荷增加，孔內(nèi)發(fā)出叭叭聲響，高壓水管激烈跳動，泵壓驟然升高，返水較少；鉆進(jìn)過程中，水泵壓力表表針突然下降，從孔內(nèi)返水流暢無攜帶巖屑現(xiàn)象，懷疑沖洗液已不從孔底返回。于是停止鉆進(jìn)，向上提拉鉆具，但鉆具只發(fā)生細(xì)微的伸縮變化，底部鉆頭提拉不動，孔內(nèi)發(fā)生燒鉆事故。最初采用推磨消滅辦法處理，在處理過程中，在297m處鉆桿呈麻花狀扭斷，有一鉆桿接箍又脫落在孔內(nèi)，使鉆具被卡。鉆具輕輕回轉(zhuǎn)可上提2m，受機(jī)上余尺的限制，主動鉆桿提離孔口后，僅采用主卷揚(yáng)上提不動孔內(nèi)鉆桿。決定采用吊錘敲打處理，處理時鉆桿在299m處斷裂，吃公錐后繼續(xù)打吊錘，上提9m之后上提不動，下放困難，而且回轉(zhuǎn)不動，繼續(xù)打吊錘，公錐斷，鉆桿突然墜落孔底。繼續(xù)采用反絲鉆桿將斷裂的公錐絲扣處理上來。

過多的處理手段可能致使其他更多的鉆探事故的發(fā)生，因此有必要根據(jù)實(shí)際情況，針對該類事故的處理提出更有效的解決方案。

3.2 事故原因分析

(1)小口徑金剛石鉆進(jìn)采用快速鉆進(jìn)技術(shù)，立軸轉(zhuǎn)速高，當(dāng)泵量供應(yīng)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鉆頭連續(xù)輕燒，鉆頭磨損加劇，鉆頭壽命顯著下降最終引起燒鉆事故；

(2)進(jìn)行該孔作業(yè)的鉆機(jī)泵壓表出現(xiàn)故障，不靈敏，表針?biāo)甘镜臄?shù)值不是真實(shí)情況的反映，使得泵壓變化時沒能及時發(fā)現(xiàn)，由此引起輕微燒鉆事故或重?zé)鹿剩?/p>

(3)在進(jìn)行深孔作業(yè)時，鉆桿絲扣部位力學(xué)強(qiáng)度低，因過度磨損或連接不嚴(yán)導(dǎo)致斷裂，導(dǎo)致泥漿從裂口處流出，孔底循環(huán)沖洗液量減少，供應(yīng)不足導(dǎo)致燒鉆事故，我們發(fā)現(xiàn)從事故孔內(nèi)取出來的鉆桿柱有這類現(xiàn)象；

(4)夜間施工，場地光線強(qiáng)度不夠，沒有及時發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)未返泥漿，造成干鉆；

(5)鉆進(jìn)采用的泥漿粘度較低，事故發(fā)生后，中間間隔時間久，孔內(nèi)巖屑發(fā)生沉降，造成二次埋鉆事故。

3.3 對卡夾機(jī)構(gòu)中的扁方進(jìn)行改進(jìn)

作者在據(jù)已有的鉆孔地質(zhì)資料、鉆探班表和拆卸研究鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)等方面的基礎(chǔ)上，提出對XY-5型鉆機(jī)的卡夾機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

由于該孔使用墩粗鉆桿，墩粗鉆桿外徑?71mm，墩粗鉆桿的接箍外徑?73.4mm，XY-5鉆機(jī)使用?65mm墩粗二方形圓主動鉆桿。將上卡頭扁方拆下，把上、下卡頭卡緊螺桿松至最大，用墩粗接箍通徑，能通過立軸（通不過扁方）。只要把?65mm卡瓦換成?73mm卡瓦，同時加工上卡頭扁方，使扁方內(nèi)徑能通過墩粗鉆桿和接箍即可，由于更換?73mm卡瓦比較簡單，討論后決定把扁方上的二方加工成圓形，內(nèi)徑擴(kuò)徑加工成?74mm圓形（見圖2），鉆桿跟接箍均能順利通過該孔徑，且安裝?73mm卡瓦后能卡緊鉆桿。

3.4 改進(jìn)后處理燒鉆事故效果

采用一根普通短鉆桿做主動鉆桿，將上下卡頭卡緊，同時用主卷揚(yáng)提引短“主動鉆桿”，主要借助于下卡頭的夾持力上頂立軸和主卷揚(yáng)的提拉帶動立軸和孔內(nèi)鉆桿上提。將短“主動鉆桿”與孔內(nèi)鉆桿連接，通過鉆桿與孔壁的間隙往孔內(nèi)送水，同時啟動鉆機(jī)，采用低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)鉆桿，緩慢上頂立軸和制動卷揚(yáng)帶動孔內(nèi)鉆桿上提，提引力小于8t，通過鉆機(jī)聲音與電流變化判斷孔內(nèi)阻力，使電流盡可能保持在90～100A。保持孔內(nèi)較低扭矩，使鉆桿與孔內(nèi)滯留接箍產(chǎn)生微干燒，盡可能將接箍磨薄或者使之掉到孔底。由于通過孔壁間隙注水冷卻，且鉆具與鉆頭不接觸孔底，不會產(chǎn)生燒鉆事故。

通過長時間的回轉(zhuǎn)，慢慢倒桿上提鉆桿，在返了180m后，無需回轉(zhuǎn)，用主卷揚(yáng)將孔內(nèi)所有鉆桿提出，接箍碎片隨鉆具帶出孔外。

圖2 改進(jìn)扁方示意圖

4 應(yīng)用效益分析及幾點(diǎn)體會

改進(jìn)后的XY-5鉆機(jī)，能提供足夠穩(wěn)定的夾持力，以保證鉆桿與卡瓦之間不產(chǎn)生相對滑動，且能夠保證夾緊鉆桿不會對其表面造成嚴(yán)重?fù)p傷。我們僅用了2d時間就處理了這次事故，大大降低了鉆孔報(bào)廢的概率，減少了不必要經(jīng)濟(jì)損失，恢復(fù)了鉆孔的正常施工。同常規(guī)鉆機(jī)相比，改進(jìn)后的XY-5鉆機(jī)避免了打吊錘的危險(xiǎn)，工人的勞動強(qiáng)度降低，工作條件安全輕松，有效降低鉆探成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗；同時避免了事故疊事故的發(fā)生，其優(yōu)越性能顯著。

針對燒鉆事故的預(yù)防要做到以下幾點(diǎn)：

（1）做好鉆具的維護(hù)，經(jīng)常對適用的鉆具進(jìn)行檢查，對已破裂或者強(qiáng)度不夠容易產(chǎn)生裂紋的鉆具進(jìn)行更換。

（2）鉆進(jìn)過程中，要時刻留意孔內(nèi)情況，不可麻痹大意；注意觀察泥漿泵泵壓表的活動情況，發(fā)現(xiàn)異況時，需要立即停止鉆具回轉(zhuǎn)，再用升降機(jī)提起鉆具。

（3）合理控制鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，鉆壓施加要均勻適宜，不能盲目加壓以追求進(jìn)尺。

（4）保證水泵和儀表的正常工作，水泵配抗震或使用緩沖器的壓力表。

（5）加強(qiáng)對項(xiàng)目部人員安全生產(chǎn)培訓(xùn)意識，掌握常規(guī)鉆探技術(shù)，樹立精益求精的工作態(tài)度，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，避免同類事故重復(fù)發(fā)生；同時，實(shí)行崗位問責(zé)制，發(fā)現(xiàn)問題，及時上報(bào)，及時處理。

隨著固體礦產(chǎn)勘查逐步向深部和復(fù)雜地區(qū)發(fā)展，在不斷加強(qiáng)隊(duì)伍自身技術(shù)扎實(shí)性和熟練性的同時，還要不斷探索研究，將新思維、新技術(shù)應(yīng)用于國家的深部找礦事業(yè)，做到低耗能高效率。

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TD41

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1004-5716(2015)08-0064-03

2014-08-05

張祖海（1981-），男（漢族），甘肅武威人，工程師，現(xiàn)從事淺層稠油鉆井、水文水井施工、地?zé)峋┕?、煤層氣鉆井等探礦工程工作。