管強(qiáng)盛，楊慧琳

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.成都理工大學(xué)，四川成都610059）

煤礦井下定向鉆孔常見(jiàn)孔內(nèi)事故預(yù)防與處理

管強(qiáng)盛1，楊慧琳2

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.成都理工大學(xué)，四川成都610059）

基于煤礦井下定向鉆進(jìn)事故處理理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了煤礦井下定向鉆進(jìn)常見(jiàn)的孔內(nèi)事故類(lèi)型，根據(jù)事故發(fā)生特點(diǎn)及規(guī)律將常見(jiàn)的孔內(nèi)事故歸納為卡鉆、鉆具斷落等2大類(lèi)7個(gè)亞類(lèi)。通過(guò)分析不同事故類(lèi)型的事故成因、事故特點(diǎn)及施工特點(diǎn)，在本著“安全、快捷、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)”原則的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的預(yù)防與處理措施，包括強(qiáng)力活動(dòng)鉆具工藝、公錐打撈工藝、母錐打撈工藝和套銑打撈（全孔套銑打撈或局部套銑打撈）工藝等，旨在為更好地服務(wù)于煤礦井下定向鉆進(jìn)施工提供一定的依據(jù)。

煤礦；公錐打撈；母錐打撈；套銑打撈

近年來(lái)，隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下瓦斯抽采、探放水及頂?shù)装遄{施工中的不斷推廣和應(yīng)用，鉆孔深度越來(lái)越深、鉆遇的復(fù)雜地層越來(lái)越多，發(fā)生各種孔內(nèi)事故的概率也越來(lái)越高，這些事故的發(fā)生不僅影響了施工進(jìn)度，而且處理事故更是耗費(fèi)了大量的人力和物力，有些孔內(nèi)事故經(jīng)過(guò)多次處理仍無(wú)法成功，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。因此，必須對(duì)此引起高度重視，積極預(yù)防，科學(xué)處理。

1 常見(jiàn)孔內(nèi)事故類(lèi)型

目前，實(shí)際施工中煤礦井下定向鉆孔施工過(guò)程中常見(jiàn)的孔內(nèi)事故類(lèi)型主要分為卡鉆和鉆具斷落事故，具體類(lèi)型如表1所示。

表1 煤礦井下定向鉆孔常見(jiàn)孔內(nèi)事故類(lèi)型

2 常見(jiàn)孔內(nèi)事故預(yù)防與處理

孔內(nèi)事故的發(fā)生往往具有突然性和隱蔽性，在預(yù)防和處理的過(guò)程中，要明確不同事故類(lèi)型的成因和發(fā)生規(guī)律，在“安全、快捷、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)”原則的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的預(yù)防和處理措施。

2.1 卡鉆事故預(yù)防與處理

在定向鉆施工中，在鉆進(jìn)、起下鉆、加接單根、調(diào)整工具面或循環(huán)沖孔過(guò)程中都有可能發(fā)生，目前，常見(jiàn)的卡鉆類(lèi)型有孔壁坍塌卡鉆、縮徑卡鉆和沉渣卡鉆。

2.1.1 孔壁坍塌卡鉆

孔壁坍塌卡鉆是由于孔壁失穩(wěn)發(fā)生坍塌造成的卡鉆事故，孔壁坍塌卡鉆往往具有突然性、可預(yù)見(jiàn)性差、卡鉆孔段不易確定等特點(diǎn)，處理事故難度大。

2.1.1.1 事故成因

造成孔壁坍塌的原因有很多，地層自身?xiàng)l件差，未膠結(jié)或膠結(jié)性差，存在構(gòu)造破碎帶以及斷層破碎帶、節(jié)理發(fā)達(dá)和易水化膨脹等都容易引起孔壁坍塌；工藝方面，鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗介質(zhì)的選擇、沖洗液排量的設(shè)定、鉆具組合、軌跡控制情況以及鉆進(jìn)參數(shù)的選擇都會(huì)對(duì)鉆孔的穩(wěn)定性造成影響[2]。

2.1.1.2 事故預(yù)防措施

事故預(yù)防措施有以下4條：①做好施工前信息準(zhǔn)備。對(duì)于即將施工的定向鉆孔，要查明施工地點(diǎn)的地質(zhì)資料，充分了解當(dāng)?shù)氐牡貙犹攸c(diǎn)；了解施工地點(diǎn)附近有無(wú)施工鉆孔，如果有，則查明其施工情況，為后續(xù)的施工設(shè)計(jì)和實(shí)施做好準(zhǔn)備。②合理布置鉆孔。在滿(mǎn)足鉆孔施工需要的前提下，盡量將鉆孔布置在避開(kāi)斷層、節(jié)理發(fā)育、陷落柱、泥頁(yè)巖層、高低壓等異常區(qū)域。③合理選擇鉆進(jìn)工藝。針對(duì)不同的地層和孔段選擇合適的沖洗液類(lèi)型和泥漿泵排量，減少?zèng)_洗液對(duì)孔壁的侵蝕和沖刷以及螺桿馬達(dá)過(guò)大的振動(dòng)；合理的鉆具組合和軌跡控制以及鉆進(jìn)參數(shù)能減少鉆具對(duì)孔壁的擾動(dòng)，這對(duì)于預(yù)防孔壁坍塌是必要的。④做好對(duì)孔內(nèi)異常的預(yù)判。鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)注意鉆機(jī)相關(guān)壓力變化情況以及孔口返水的變化情況，當(dāng)出現(xiàn)泥漿泵壓力、起拔、給進(jìn)、回轉(zhuǎn)異常升高或孔口有大塊顆粒沖出時(shí)，應(yīng)立即停鉆后退鉆具分析原因，并及時(shí)采取處理措施。

2.1.1.3 事故處理措施

事故處理措施有以下4點(diǎn)：①?gòu)?qiáng)力起拔與回轉(zhuǎn)工藝。在發(fā)生卡鉆事故初期，應(yīng)先采用強(qiáng)力起拔與回轉(zhuǎn)工藝處理，采用快速正轉(zhuǎn)加快速起拔然后同時(shí)快速釋放的方法，使鉆具在鉆機(jī)的拉力和扭矩作用下迅速產(chǎn)生彈性形變，而后又在彈力作用下迅速收縮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)卡點(diǎn)的震擊，使鉆具松動(dòng)而解卡[3-4]。采用強(qiáng)力起拔與回轉(zhuǎn)工藝時(shí)要特別注意事先要了解清楚鉆具的最大抗彎、抗拉強(qiáng)度，在鉆具合理的受力范圍內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)力起拔與回轉(zhuǎn)，防止鉆具機(jī)械破壞而斷裂。②套銑打撈。在強(qiáng)力起拔與回轉(zhuǎn)處理無(wú)效的情況下，可選擇采用套銑打撈方法對(duì)事故鉆具進(jìn)行處理，處理時(shí)采用專(zhuān)用的套銑打撈鉆具，采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝套取孔內(nèi)事故鉆具，套銑打撈工藝原理如圖1所示。套銑打撈鉆具由于其壁厚的限制，其強(qiáng)度有限，在選擇套銑打撈工藝時(shí)要充分考慮鉆孔彎曲強(qiáng)度與套銑鉆具抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系，避免由于彎曲強(qiáng)度過(guò)大而導(dǎo)致套銑鉆具發(fā)生斷裂而出現(xiàn)二次事故。③倒扣+反絲鉆桿打撈。在以上方法均無(wú)效的情況下，可以反轉(zhuǎn)使鉆具倒扣，提出倒扣處至孔口段的鉆具，再根據(jù)孔內(nèi)鉆具情況選用相應(yīng)的反絲公錐或者反絲母錐，并配合反絲鉆桿對(duì)孔內(nèi)剩余鉆具進(jìn)行打撈。由于倒扣位置無(wú)法確定且打撈時(shí)無(wú)法控制撈取鉆桿數(shù)量，反絲打撈的工序可能會(huì)很漫長(zhǎng)，所以，在采用此工藝前應(yīng)充分考慮其時(shí)間和經(jīng)濟(jì)可行性。④采掘打撈。在通過(guò)各種辦法對(duì)事故鉆具進(jìn)行處理仍無(wú)法成功的情況下，可考慮將事故鉆具標(biāo)定好位置后留待后期通過(guò)煤層開(kāi)采或巷道掘進(jìn)將鉆具取出。

套銑打撈示意圖如圖1所示。

圖1 套銑打撈示意圖

2.1.2 縮徑卡鉆

縮徑是指已鉆孔段的孔徑小于所使用的鉆頭直徑，即孔徑縮小的現(xiàn)象?？s徑現(xiàn)象常發(fā)生在遇水易水化膨脹的泥頁(yè)巖地層以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的軟泥巖地層。由于其發(fā)展較慢，有明顯征兆，所以，預(yù)防起來(lái)比坍塌卡鉆容易。

2.1.2.1 事故成因

事故成因有以下2個(gè)：①泥頁(yè)巖遇水膨脹。泥頁(yè)巖地層，特別是以鈉蒙脫石為主的泥頁(yè)巖，遇水后易發(fā)生水化膨脹，導(dǎo)致鉆孔縮徑。②軟泥巖塑性變形。未固結(jié)的黏土或一些含水軟泥巖由于其自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，鉆孔被鉆開(kāi)后，原始地應(yīng)力重新分布，一旦剪切應(yīng)力大于膠結(jié)強(qiáng)度，便會(huì)發(fā)生塑性變形，發(fā)生鉆孔縮徑[5]?？s徑卡鉆事故原理如圖2所示。

2.1.2.2 事故預(yù)防措施

事故預(yù)防措施有以下5條：①盡量避開(kāi)縮徑泥巖層。通過(guò)已有地質(zhì)資料和相鄰施工區(qū)域鉆孔資料以及定向鉆進(jìn)超前探的方法探明縮徑泥巖所在層位，采用開(kāi)分支孔的方法避開(kāi)縮徑泥巖層。②合理選擇鉆頭和鉆進(jìn)參數(shù)。綜合考慮泥巖的可鉆性及其水化分散性，一般在鉆頭的選擇上考慮出刃和水口較大的硬質(zhì)合金鉆頭，而鉆進(jìn)參數(shù)則采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、適當(dāng)增大泵量進(jìn)行鉆進(jìn)，這樣有利于降低縮徑卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。③合適的鉆具組合。泥巖地層由于其蠕變特性和水化特性以及鉆具在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與孔壁產(chǎn)生的粘滯力強(qiáng)的特點(diǎn)，所以，在該類(lèi)地層鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化鉆具組合，減少鉆具連接時(shí)出現(xiàn)過(guò)多的臺(tái)階，減小起下鉆摩阻，降低縮徑卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。④加強(qiáng)循環(huán)沖孔和掃孔。通過(guò)循環(huán)沖孔和掃孔能破壞因水化膨脹或塑性變形引起的縮徑部分，還能防止鉆具在孔內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間靜止而與孔壁之間產(chǎn)生過(guò)大的粘滯力，加強(qiáng)泥巖孔段的沖孔和掃孔，必要時(shí)采用擴(kuò)孔或局部擴(kuò)孔手段，以有效預(yù)防縮徑卡鉆事故的發(fā)生[6]。⑤明確孔內(nèi)異常情況處理措施。在鉆進(jìn)易縮徑地層時(shí)，由于其自身具有的特性，返水變得渾濁、黏稠，并帶有軟泥塊；鉆速加快，泵壓升高，并時(shí)常伴有憋泵現(xiàn)象；鉆機(jī)回轉(zhuǎn)和起下鉆阻力增加明顯，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)應(yīng)及時(shí)活動(dòng)鉆具，加大泵量沖孔，并將鉆具提離危險(xiǎn)孔段。

圖2 縮徑卡鉆示意圖

2.1.2.3 事故處理措施

事故處理措施有以下3條：①?gòu)?qiáng)力活動(dòng)鉆具。在遇卡初期，可嘗試采用“強(qiáng)力起拔+回轉(zhuǎn)”工藝活動(dòng)鉆具來(lái)解卡，在活動(dòng)鉆具時(shí)根據(jù)遇卡的情況采取不同的活動(dòng)方式，其中，在起鉆過(guò)程中遇卡，應(yīng)大力下壓；在下鉆過(guò)程中遇卡，應(yīng)大力上提；在鉆進(jìn)過(guò)程中遇卡，應(yīng)多提并配合強(qiáng)扭。遇卡初期的處理是至關(guān)重要的，在鉆具強(qiáng)度允許前提下，要敢于操作，以迅速解決問(wèn)題，如果活動(dòng)多次未能見(jiàn)效，就應(yīng)采取其他措施而不應(yīng)強(qiáng)干和蠻干。②倒扣配合反絲鉆桿打撈。在以上方法均無(wú)效的情況下，可以利用鉆機(jī)反轉(zhuǎn)使鉆具倒扣，將倒扣處至孔口段的鉆具提出，再根據(jù)孔內(nèi)鉆具情況選用相應(yīng)的反絲公錐或反絲母錐并配合反絲鉆桿對(duì)孔內(nèi)剩余鉆具進(jìn)行打撈。③采掘打撈。在通過(guò)各種辦法對(duì)事故鉆具進(jìn)行處理仍無(wú)法成功的情況下，可考慮將事故鉆具標(biāo)定好位置后，留待后期通過(guò)煤層開(kāi)采或巷道掘進(jìn)將鉆具取出。

2.1.3 沉渣卡鉆

指的是鉆屑在孔內(nèi)沉積出現(xiàn)卡鉆甚至埋鉆的卡鉆事故。

2.1.3.1 事故成因

事故成因有以下4個(gè)：①地層因素。在軟地層或節(jié)理發(fā)育的煤層中鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速快、鉆屑多，而清水的攜帶能力有限，鉆屑不易被返水帶出孔外，易在孔內(nèi)堆積，造成沉渣卡鉆。②鉆孔結(jié)構(gòu)。在上仰孔段，由于水流方向和鉆屑下滑力方向相同，有利于攜渣；在下斜孔段，水流方向和下滑力方向相反，水流需要克服鉆屑的下滑力才能將鉆屑攜出，這大大降低了返水的攜渣能力；水平孔段返水?dāng)y渣能力介于上仰孔段和下斜孔段之間。③工藝因素。造成沉渣卡鉆的工藝因素主要包括給進(jìn)速度與泥漿泵排量選擇、沖孔時(shí)間等。鉆速過(guò)快時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的大顆粒鉆屑，排渣不暢的話鉆屑容易產(chǎn)生堆積，導(dǎo)致卡鉆。④突發(fā)事件。主要指鉆進(jìn)中遇到停電、停水、鉆機(jī)或泥漿泵故障等突發(fā)事件，鉆具也無(wú)法活動(dòng)，孔內(nèi)鉆屑沉積導(dǎo)致沉渣卡鉆。

2.1.3.2 事故預(yù)防措施

沉渣卡鉆主要是由于鉆屑的沉積引起的，所以，預(yù)防沉渣卡鉆的重點(diǎn)在于防止鉆屑的大量沉積。

事故預(yù)防措施有：①做好施工前準(zhǔn)備。鉆孔施工前，對(duì)水、電、機(jī)器進(jìn)行充分檢查并進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，排除存在的故障隱患；定期對(duì)水電線路以機(jī)器設(shè)備進(jìn)行檢修保養(yǎng)，保障水電暢通和設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；制訂必要的突發(fā)狀況應(yīng)急預(yù)案，保證發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)能有序處理。②合理的鉆孔結(jié)構(gòu)。在滿(mǎn)足施工需要的情況下，盡可能地將鉆孔設(shè)計(jì)為上仰孔或水平孔，避免下斜孔，尤其是大角度下斜孔（≤－15°），以利于鉆孔排渣。③合適的鉆進(jìn)工藝選擇。鉆進(jìn)速度的快慢應(yīng)與泥漿泵排量相匹配，在有效排渣的前提下實(shí)現(xiàn)高效進(jìn)尺，防止鉆速過(guò)快而產(chǎn)生大量鉆屑，無(wú)法及時(shí)排出孔外導(dǎo)致卡鉆。④定期沖孔。⑤提高沖洗液的攜砂性。通過(guò)借鑒石油鉆井液的應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)在清水中加入一些具有良好攜砂效果的乳化劑，來(lái)提高沖洗液的排渣效果，類(lèi)似的沖洗介質(zhì)已在河北、山西等地的一些煤礦井下定向鉆進(jìn)中得到應(yīng)用，并取得了良好的效果。

2.1.3.3 事故處理措施

沉渣卡鉆的性質(zhì)與坍塌卡鉆類(lèi)似，但是比坍塌卡鉆輕一些，處理時(shí)可參照坍塌卡鉆處理工藝進(jìn)行處理。

2.2 鉆具斷落事故預(yù)防與處理

鉆具斷落事故是定向鉆進(jìn)施工過(guò)程中經(jīng)常碰到的事故，有的情況比較簡(jiǎn)單，處理較為容易；有的則比較復(fù)雜，處理難度大。

2.2.1 事故成因

造成鉆具斷落事故的原因可分為疲勞破壞、腐蝕破壞、機(jī)械破壞及事故破壞，但它們之間不是獨(dú)立存在的，往往是互相關(guān)聯(lián)、互相促進(jìn)的，對(duì)于某一具體事故而言，可能是一種或一種以上的原因造成的。

2.2.2 事故預(yù)防措施

事故預(yù)防措施有以下2條：①鉆具的日常管理和維護(hù)。放在鉆場(chǎng)的鉆具一定要擺放在管架臺(tái)上，防止地面上的水、泥土的銹蝕；不用的鉆具一定要戴上護(hù)箍，防止碰傷；對(duì)長(zhǎng)期存放的鉆具要進(jìn)行防腐工作；定期檢查鉆具，尤其是接頭部位要重點(diǎn)檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。②鉆具的正確使用。鉆具在上扣和卸扣的過(guò)程中要平穩(wěn)，避免碰撞鉆桿接頭；上扣時(shí)，上扣扭矩不得過(guò)大，也不能過(guò)松；下鉆時(shí)，必須檢查鉆具是否完好，發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題立即更換；要培養(yǎng)鉆工正確的使用鉆具方法和習(xí)慣。

2.2.3 事故處理措施

根據(jù)鉆具斷落事故的情況，目前采取處理措施有公錐打撈、母錐打撈、套銑打撈和開(kāi)分支繞開(kāi)事故鉆具等方法。對(duì)于孔內(nèi)鉆具處于自由狀態(tài)的情況，一般采用公母錐打撈，而對(duì)于孔內(nèi)鉆具處于非自由狀態(tài)的情況則考慮采用套銑打撈。

2.2.3.1 公錐打撈

公錐是打撈作業(yè)中經(jīng)常使用的工具，它是利用公錐螺紋表面硬度大于落魚(yú)的鋼材硬度，在擠壓力下強(qiáng)行功扣，將落魚(yú)和打撈鉆具連接起來(lái)，將事故鉆具打撈出來(lái)。

2.2.3.2 母錐打撈

對(duì)于公錐不適于打撈的通纜鉆桿、上下無(wú)磁鉆桿以及探管外管或魚(yú)頭內(nèi)徑太小等問(wèn)題，可以選用母錐打撈，母錐打撈的原理與公錐基本一致。

2.2.3.3 套銑打撈

鉆具斷落事故套銑打撈時(shí)采用的是局部套銑，即以取芯的形式將事故鉆具套入套銑管，套銑前一般根據(jù)事故鉆具規(guī)格采用相應(yīng)的擴(kuò)孔鉆具對(duì)原鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔，一般擴(kuò)至離事故頭30～50 cm處，然后進(jìn)行局部套銑。套銑原理如圖3所示。

圖3 局部套銑打撈原理示意圖

2.2.3.4 開(kāi)分支繞開(kāi)事故鉆具

在經(jīng)多次打撈無(wú)效或打撈的經(jīng)濟(jì)效益和時(shí)間效益不合理的情況下，可選擇開(kāi)分支繞開(kāi)事故鉆具。對(duì)孔內(nèi)留置事故鉆具要做好標(biāo)記，一方面在條件允許的情況下可在后期采掘作業(yè)時(shí)將其取出；另一方面，也要防止進(jìn)行其他施工時(shí)碰到事故鉆具。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)待鉆孔事故要堅(jiān)持“預(yù)防為主、預(yù)防與處理結(jié)合”的原則，在制訂處理方案時(shí)應(yīng)遵循“安全、快捷、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)”的原則；對(duì)于卡鉆事故的預(yù)防，避開(kāi)異常復(fù)雜地層和及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理孔內(nèi)異常是至關(guān)重要的，事故的處理則應(yīng)根據(jù)事故特定針對(duì)性的選擇強(qiáng)力活動(dòng)鉆具、倒扣打撈或套銑方案；對(duì)于斷鉆事故的預(yù)防，重在鉆具的管理和下鉆前的檢查，事故的處理則根據(jù)鉆具在孔內(nèi)的狀態(tài)選擇絲錐打撈或套銑打撈。

煤礦井下定向鉆進(jìn)事故復(fù)雜多變，為了應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的施工環(huán)境和施工要求，有必要在事故處理專(zhuān)用技術(shù)和配套裝備方面開(kāi)展更多的研究。

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［2］蔣希文.鉆井事故與復(fù)雜問(wèn)題［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［3］徐寶龍，李喬喬.強(qiáng)力起拔工藝在煤礦井下定向鉆孔卡埋事故處理中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2013（05）.

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〔編輯：張思楠〕

TD822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.021

2095－6835（2017）14－0021－04

管強(qiáng)盛（1988—），男，碩士，實(shí)習(xí)研究員，目前在中煤科工集團(tuán)西安研究院鉆探所從事鉆探技術(shù)與裝備研究。