李 開 聶新明

（1.冀中能源股份有限公司東龐礦，河北 邢臺 054201；2.中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050031）

1 研發(fā)背景

在鉆探施工過程中，因技術(shù)要求，需要做鉆孔抽水、壓水試驗(yàn)，用來獲取鉆孔的涌水或漏失及其他水文情況。使用傳統(tǒng)的封孔孔口裝置[1]，需要把孔內(nèi)鉆具全部提出孔外，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度?！鞍牒鲜健狈忾]鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置的研發(fā)，可在不提鉆的情況下完成壓水試驗(yàn)，既可以大幅度縮短工期，又能減少工人的體力勞動，同時也降低了孔內(nèi)事故率[2-5]。另外，當(dāng)鉆孔一旦發(fā)生巖屑埋鉆事故，鉆桿將不能提出孔外，需要對鉆孔環(huán)狀空間進(jìn)行封閉，實(shí)施壓水或注氣處理，封孔裝置是一種理想的裝置。

2 結(jié)構(gòu)原理

“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置，總體設(shè)計為上下兩部分，用法蘭連接成一個整體，如圖1 所示。

圖1 “半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置結(jié)構(gòu)圖

此裝置可分解為上盤和下盤兩部分。（1）上盤配件大多設(shè)計成兩個半塊而后合為一個整體，稱之為“半合式”。上法蘭盤制作成兩塊，“揣手”對接，“揣手”接縫處用密封膠密封。上、下法蘭接觸面加工有“子母扣”，“子母扣”間壓裝密封圈實(shí)現(xiàn)密封（圖1A 放大）。上法蘭體上面分別對應(yīng)加工兩半式密封盒，密封盒外加工有密封盒緊固耳，通過螺栓夾緊。密封盒內(nèi)安放密封橡膠圈，密封圈均沿著軸向切成兩半，密封圈切縫與密封盒接縫應(yīng)錯位安放，密封圈壓蓋對縫與密封盒對縫以及密封圈切縫均需錯位安放。密封盒與密封圈壓蓋用螺栓聯(lián)接，通過調(diào)整螺栓的松緊來調(diào)整密封圈對孔內(nèi)所需密封鉆桿或鉆具的密封程度。（2）下盤主體是由下法蘭與孔內(nèi)的同型號套管構(gòu)成。下端加工套管公扣與井內(nèi)套管相連，下部管體側(cè)面裝有壓力表和管接頭，壓力表用以采集壓力數(shù)據(jù)，管接頭應(yīng)用時加裝安全控制閥門,連接壓水或注氣設(shè)備。下法蘭上面加工有母口，母口內(nèi)置O 形密封圈，與上法蘭體下面加工的子口對接密封。（3）上下法蘭用高強(qiáng)度螺絲聯(lián)接。

3 鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置在煤田防治水領(lǐng)域應(yīng)用

3.1 煤田防治水工程實(shí)例

冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400 采區(qū)奧灰區(qū)域注漿改造一期工程，該項(xiàng)目最初設(shè)計DB1和DB2 兩個地面主孔，11 個水平分支孔。根據(jù)工程需要，進(jìn)行了多次設(shè)計變更，最后確定為DB1、DB2 和DB3 三個地面主孔，40 個水平分支孔。工程布置如圖2 所示。

圖2 工程設(shè)計鉆孔軌跡平面投影圖。

根據(jù)煤礦帶壓開采地面區(qū)域治理技術(shù)管理有關(guān)規(guī)定[2-3]要求：地面定向多分支注漿鉆孔在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆井液消耗量≥5 m3/h 時，應(yīng)起鉆注漿；如果鉆孔內(nèi)泥漿長距離出現(xiàn)不消耗時或泥漿消耗量＜5 m3/h 時，要每鉆進(jìn)100～150 m 先進(jìn)行孔口壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果，確定注漿參數(shù)。若壓水過程中壓力上升快，且在最小泵量(35 L/min)壓水時計算單位吸水率小于0.01 L/MIN.m.m，則不需要注漿，可以繼續(xù)鉆進(jìn)，進(jìn)行下一孔段施工。為此，在一個分支孔施工過程中往往需要多次孔口壓水試驗(yàn)或注漿，頻繁使用孔口裝置對鉆孔實(shí)施密封。

3.2 裝置使用方法

（1）使用傳統(tǒng)封孔裝置每做一次壓水試驗(yàn)均需把孔內(nèi)所有鉆具提出孔外，安裝孔口裝置，接通壓水設(shè)備管路，通過壓力數(shù)據(jù)，計算出試驗(yàn)段的吸水率，確定是否需要注漿，若不需要注漿，拆卸孔口裝置，下鉆，繼續(xù)鉆進(jìn)。

（2）使用“半合式”封孔裝置，主孔套管下完固井結(jié)束后，就將該裝置的下盤與套管聯(lián)接緊固，繼續(xù)后施工期間不需拆除。在鉆進(jìn)過程中，長距離泥漿消耗量＜5 m3/h 時，每鉆進(jìn)100～150 m 應(yīng)進(jìn)行孔口壓水試驗(yàn)，這時不需要把鉆具提出孔外，直接將“半合式”孔口裝置上盤組件安裝在下盤上，完成對鉆孔環(huán)狀空間的有效密封，壓水設(shè)備管路與下盤管接頭相連（圖3），通過壓水試驗(yàn)獲取壓力數(shù)據(jù)，計算出試驗(yàn)段的吸水率，進(jìn)而確定是否需要注漿，若不需要注漿，卸去上盤組件繼續(xù)鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，出現(xiàn)孔內(nèi)泥漿消耗量＞5 m3/h 時，需要壓水或注漿，提鉆，將該裝置上盤用盲板替換，壓水注漿設(shè)備管路與下盤管接頭相連，與傳統(tǒng)的孔口裝置功能相同。

圖3 “半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置現(xiàn)場工作圖

3.3 兩種鉆孔孔口裝置使用效果對比

正在施工的注漿孔，做孔口壓水試驗(yàn)，使用傳統(tǒng)的孔口裝置，需要把孔內(nèi)鉆具全部提出孔外，地面定向水平多分支注漿鉆孔一般情況下設(shè)計鉆孔比較深，大多在1500 m 以上，提、下鉆耗時費(fèi)力。使用“半合式”封孔裝置可以在不提鉆的情況下完成壓水試驗(yàn)，大大減少了提、下鉆次數(shù)，減輕工人的勞動強(qiáng)度，降低了安全風(fēng)險，加快了施工進(jìn)度。

冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400 采區(qū)奧灰區(qū)域注漿改造一期工程，從2017 年開始施工，目前屬于在建工程。工程初始階段，鉆孔孔口壓水試驗(yàn)使用的是傳統(tǒng)的孔口裝置，每鉆進(jìn)80 m 做一次孔口壓水試驗(yàn)，如DB2-E5 壓水試驗(yàn)時間統(tǒng)計見表1。在該工程項(xiàng)目兩年多的施工中，為了加快工程進(jìn)度，通過現(xiàn)場技術(shù)人員不斷改革創(chuàng)新，曾先后研制出“分體式”不提鉆壓水試驗(yàn)孔口裝置和“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置。后者是“分體式”不提鉆壓水試驗(yàn)孔口裝置的改良版，在DB1-W4 分支孔正式開始推廣使用，其壓水試驗(yàn)時間統(tǒng)計見表2。

表1 DB2-E5 分支孔傳統(tǒng)孔口裝置提鉆壓水試驗(yàn)統(tǒng)計

表2 DB1-W4 分支孔使用“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置不提鉆壓水試驗(yàn)統(tǒng)計

對上述表1、表2 進(jìn)行分析可以看出，采用傳統(tǒng)孔口裝置進(jìn)行壓水試驗(yàn)，每次孔口壓水試驗(yàn)平均耗時14.39 h；使用“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置進(jìn)行不提鉆壓水試驗(yàn)，平均每次耗時1.5 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用該封閉鉆孔孔口裝置比使用傳統(tǒng)孔口裝置進(jìn)行壓水試驗(yàn)平均一次可節(jié)省提、下鉆和裝卸孔口的時間約12.89 h。

“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置進(jìn)行不提鉆壓水試驗(yàn)，在冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400 采區(qū)奧灰區(qū)域注漿改造一期工程項(xiàng)目后續(xù)18 個水平分支孔中應(yīng)用，平均每孔使用6 次，大約可節(jié)省提、下鉆和拆卸孔口裝置時間1 392.12 h，大幅度縮短了施工工期，將獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 裝置在處理孔內(nèi)事故中的應(yīng)用

4.1 事故發(fā)生過程

DB3-S2-3 水平分支孔，設(shè)計孔深為1 705.35 m，鉆進(jìn)至1 701.50 m 時，孔內(nèi)突然出現(xiàn)嚴(yán)重漏失，漏失量超過55 m3/h，鉆井液處于失返狀態(tài)，頂漏鉆進(jìn)至終孔。待現(xiàn)場驗(yàn)收完成后，進(jìn)行提鉆作業(yè)，稱重壓力表顯示鉆具懸重由50 t 逐漸上升至130 t，鉆機(jī)扭矩表顯示高達(dá)9 kN·m，鉆具無法上提及回轉(zhuǎn)，下部鉆具已經(jīng)被完全埋死。

4.2 處理埋鉆事故過程及效果

使用多種傳統(tǒng)方法處理[4]無效后，井隊(duì)嘗試用大風(fēng)量高壓“氣動”方法對DB3-S2-3 埋鉆事故處理，即：用空壓機(jī)及空氣增壓機(jī)從事故鉆桿與孔壁環(huán)狀空間進(jìn)行壓氣作業(yè)，大量的高壓空氣對環(huán)空內(nèi)造成埋鉆事故的巖屑、砂床或砂橋等自上而下進(jìn)行吹刷；當(dāng)氣壓達(dá)到一定壓力后，突然進(jìn)行放氣作業(yè)，在鉆孔環(huán)狀空間內(nèi)就形成了一股高速上升的渦旋氣流，對鉆孔內(nèi)造成埋鉆事故的固相顆粒自上而下進(jìn)行抽吸和吹刷即制造出人為“井噴”；通過如此不間斷的壓氣和突放氣作業(yè)，對造成埋鉆事故的固相物進(jìn)行反復(fù)擾動或搬移，以達(dá)到事故鉆具解埋的目的[5]。

鉆孔發(fā)生埋鉆事故，事故鉆具很難提出孔外，使用大風(fēng)量高壓空氣做動力處理埋鉆事故時，必須要對孔內(nèi)鉆桿與套管間的環(huán)狀空間實(shí)施可靠密封。“半合式”孔口裝置是實(shí)現(xiàn)對鉆孔環(huán)狀空間理想密封裝置，對處理DB3-S2-3 鉆孔埋鉆事故至關(guān)重要。

5 結(jié)論與建議

（1）“半合式”封閉鉆孔孔口裝置，設(shè)計合理，實(shí)用，密封可靠，拆裝方便，是封閉鉆孔環(huán)狀空間十分有效孔口裝置。

（2）根據(jù)所密封鉆桿的外形需要，“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間裝置中心孔可加工成與鉆桿外形相匹配的異形孔。

（3）“半合式”封閉鉆孔孔口裝置，在煤礦防治水工程做不提鉆壓水試驗(yàn)，埋鉆事故處理方面已成功應(yīng)用，在鉆探工程及其他領(lǐng)域的應(yīng)用有待開發(fā)。