魏宏超，姚寧平，豆旭謙，張金寶

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

隨著大功率定向鉆探設(shè)備的推廣，特別是煤礦井下近水平定向鉆孔3 353 m 世界紀(jì)錄的產(chǎn)生，煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)已逐漸成為煤礦瓦斯抽采、水害治理和地質(zhì)勘探的主要鉆探方法[1-4]，且應(yīng)用范圍越來越廣。隨著鉆遇地層復(fù)雜程度的增加，伴隨而來的是定向鉆孔孔內(nèi)事故發(fā)生率的增加[5-6]。套銑打撈技術(shù)作為一種方法簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠、成功率高的孔內(nèi)卡/埋鉆具處理方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。在套銑打撈過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)套銑鉆具被卡、埋的二次事故情況，采用內(nèi)切割工具處理套銑打撈二次事故是一種行之有效的方法[9-10]。目前鉆孔內(nèi)切割器主要有機(jī)械式、水力式、化學(xué)式和磨料射流式等4類，其中：機(jī)械式內(nèi)切割器[11]是最早應(yīng)用的方法，其主要是利用摩擦塊與管壁的摩擦力固定推塊，使切削刀在重力作用下沿推塊斜面滑出后旋轉(zhuǎn)切割，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、切割刀易崩齒、摩擦塊坐封成功率較低等問題；水力式內(nèi)切割器[12]是利用液壓推動(dòng)活塞桿將切削刀頂出后旋轉(zhuǎn)切割，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因其無法確定切割效果，容易誤判而導(dǎo)致重復(fù)下鉆和多次切割；化學(xué)式切割器[13]是采用電流激發(fā)混合劑的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫對(duì)套管熔斷切割的方法，適合小尺寸連續(xù)管的事故處理；磨料射流式內(nèi)切割器[14-15]是在高壓水中摻入磨料顆粒，經(jīng)由噴嘴噴出后形成切削刀進(jìn)行切割，但隨著噴距的增加，射流能量的衰減會(huì)造成切割不完全。在現(xiàn)有內(nèi)切割到中，水力式割刀因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制造且成本低而被普遍采納[16]。但現(xiàn)有水力式內(nèi)切割器在施工時(shí)存在對(duì)司鉆操作要求高、刀具容易磨損、容易發(fā)生偏心等問題[16]，且針對(duì)煤礦井下小口徑近水平鉆孔套銑鉆桿內(nèi)切割器的研制與應(yīng)用較少。

鑒于此，在現(xiàn)有機(jī)械式內(nèi)切割器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種用于煤礦井下近水平定向鉆孔套銑鉆桿切割的棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器，該切割器利用流體壓力壓縮彈簧蓄能，采用二級(jí)棘輪定位切割作業(yè)，蓄能彈簧起到蓄能緩沖作用，能夠降低刀具因瞬變力而導(dǎo)致的損壞，操作簡(jiǎn)單，安全高效。

1 棘輪式二級(jí)定位小口徑切割器原理及性能

現(xiàn)有的水力式內(nèi)切割多采用水力擠壓式結(jié)構(gòu)，該類裝置內(nèi)置活塞和壓縮彈簧，其中活塞在水壓作用下產(chǎn)生位移進(jìn)行推動(dòng)連接刀具或伸縮刀具張開，完成套管切割動(dòng)作。水力擠壓式內(nèi)切割器原理示意圖如圖1。

圖1 水力擠壓式內(nèi)切割器原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic extrusion internal cutter

棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器以水力擠壓式結(jié)構(gòu)為原型，對(duì)推送機(jī)構(gòu)和刀具伸出機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化。其工作流程為：將棘輪式二級(jí)定位套銑鉆桿內(nèi)切割器安設(shè)到位后，采用高壓清水推動(dòng)活塞式推送器，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)棘輪軸向運(yùn)動(dòng)，壓縮復(fù)位彈簧和推送彈簧，推動(dòng)錐形推送桿剪斷銷釘，錐形推送桿將切削刀推出；停止高壓水，旋轉(zhuǎn)棘輪卡在二級(jí)棘輪定位外管的二級(jí)齒條上；打開低壓水，旋轉(zhuǎn)內(nèi)切割器，錐形推送桿在推送彈簧的作用下，推動(dòng)切削刀切割套銑鉆桿；切成完成后，打開高壓水，旋轉(zhuǎn)棘輪越過一級(jí)齒條復(fù)位，并帶動(dòng)T 型連接桿和錐形推送桿復(fù)位，切削刀在復(fù)位彈簧作用下收回外管內(nèi)。

棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器性能特點(diǎn)：①采用全機(jī)械設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易加工制造且成本低；②以活塞棘輪裝置實(shí)現(xiàn)蓄能功能，較少對(duì)持續(xù)水壓的依賴，作業(yè)過程中不受水壓波動(dòng)影響，切割平穩(wěn)，避免刀片切割油管時(shí)的切削量發(fā)生較大波動(dòng)，從而盡可能的消除打刀現(xiàn)象；③兩級(jí)齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了切割到位報(bào)信功能，且切削刀能夠自動(dòng)復(fù)位，便于使用與操作。

棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器技術(shù)參數(shù)：①外徑：89 mm；②長(zhǎng)度：1 100 mm；③切割刀最大外徑：119 mm；④扶正器外徑：94 mm；⑤流量300 L/min時(shí)的啟動(dòng)壓差：4 MPa；⑥流量300 L/min 時(shí)的完成壓差：4 MPa。

2 棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器結(jié)構(gòu)如圖2。由二級(jí)棘輪定位外管、節(jié)流針、活塞密封圈、活塞式推送器、旋轉(zhuǎn)棘輪、復(fù)位彈簧、推送彈簧、中外管、T型連接桿、定位套、銷釘、錐形推送桿、下外管、切削刀復(fù)位彈簧、切削刀、扶正套等組成。

圖2 棘輪式二級(jí)定位小口徑鉆具內(nèi)切割器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the ratchet two-stage positioning small-diameter internal cutter

2.2 錐形推靠機(jī)構(gòu)

錐形推送桿與切削刀刀尖的幾何模型如圖3，以軸線方向?yàn)閤 軸，以垂直軸線方向且通過銷軸中心為y 軸，N1點(diǎn)為錐形推送桿與切削刀的初始接觸點(diǎn)，N2為錐形推送桿與切削刀位移后的接觸點(diǎn)。

圖3 錐形推送桿與切削刀刀尖的幾何模型Fig.3 Geometric model of conical push rod and cutting tool tip

在切割過程中，假設(shè)h 為錐形推送桿的移動(dòng)距離，θ 為此過程切削刀的轉(zhuǎn)角，T 為切削刀伸出的距離，則：

式中：x1為N1點(diǎn)到y(tǒng) 軸的距離；y1為N1點(diǎn)到O點(diǎn)的垂直距離；α 為OP 和ON1的夾角；T1為OP 的距離。

2.3 棘輪式二級(jí)定位機(jī)構(gòu)

棘輪式二級(jí)定位機(jī)構(gòu)由4 部分組成：二級(jí)棘輪定位外管、活塞式推送器、旋轉(zhuǎn)棘輪和復(fù)位彈簧。二級(jí)棘輪定位外管起到將旋轉(zhuǎn)棘輪二級(jí)定位的功能，活塞式推送器與旋轉(zhuǎn)棘輪端面接觸，起到推動(dòng)旋轉(zhuǎn)棘輪軸向和周向運(yùn)動(dòng)的作用。二級(jí)棘輪定位外管剖面圖如圖4，活塞式推送器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5，旋轉(zhuǎn)棘輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖6。

圖4 二級(jí)棘輪定位外管剖面圖Fig.4 Section graph of the secondary ratchet positioning outer tube

圖5 活塞式推送器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of the piston pusher

圖6 旋轉(zhuǎn)棘輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of the rotating ratchet

二級(jí)棘輪定位外管與鉆桿連接，內(nèi)設(shè)有凹槽，凹槽間設(shè)有6 組兩級(jí)環(huán)形排列的齒條，一級(jí)齒條寬度為二級(jí)齒條寬度的2 倍，二級(jí)齒條高于一級(jí)齒條，其中一級(jí)齒條用于定位旋轉(zhuǎn)棘輪，起到鎖定推送彈簧蓄能的作用。

2.4 切割扭矩與推送彈簧推送力

1）切割扭矩計(jì)算。在套管切割作業(yè)時(shí)，孔口扭矩由2 部分組成[17]：刀具的切割扭矩和鉆柱產(chǎn)生的慣性扭矩。

式中：M 為孔口切割扭矩，N·m；M1為切割器切削套管產(chǎn)生的扭矩，N·m；M2為鉆桿柱的慣性扭矩，N·m；n 為切削刀個(gè)數(shù)；f 為切割摩阻系數(shù)，mm，f值與管壁粗糙度，刀尖是否碎裂、磨損，切割時(shí)的吃刀深度等許多因素都有關(guān)[18]；F 為套管作用于切削刀上的等效力，kN；B 為切削寬度，mm；S 為每齒進(jìn)尺量，可取0.12～0.20 mm；Z 為硬質(zhì)合金切削刃個(gè)數(shù)；?為鉆柱角加速度，rad/s2；qm為鉆柱線質(zhì)量，kg/m；l 為鉆柱總長(zhǎng)度，m；de為鉆桿內(nèi)徑，mm；d 為鉆桿外徑，mm。

2）推送彈簧推送力[19]。

式中：Ft為推送彈簧的推動(dòng)力，kN；L1為切削刀刃P 點(diǎn)至切削刀旋轉(zhuǎn)中心O 點(diǎn)的距離，mm；β 為ON1與鉆具周平面的夾角。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

山西某礦施工底板梳狀壓裂定向鉆孔補(bǔ)1 號(hào)孔1-5 號(hào)分支孔時(shí)，鉆進(jìn)至孔深462 m 見煤層底板泥巖，施工至498 m 時(shí)出現(xiàn)塌孔憋泵現(xiàn)象，提鉆至486 m 進(jìn)行掃孔時(shí)發(fā)生卡鉆事故，事故鉆具組合為：φ120 mm 定向鉆頭+φ89 mm 螺桿馬達(dá)+φ89 mm 泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)+φ89 mm 整體銑削式螺旋鉆桿+水便。定向鉆孔軌跡平面圖如圖7，定向鉆孔軌跡剖面圖如圖8。

圖7 定向鉆孔軌跡平面圖Fig.7 Plane graph of directional drilling track

圖8 定向鉆孔軌跡剖面圖Fig.8 Section graph of directional drilling track

3.1 事故概況

在采用“強(qiáng)力回轉(zhuǎn)起拔”工藝處理時(shí)，φ89 mm整體銑削式螺旋鉆桿在147.9 m 處摩擦焊接位置斷裂，隨后采用“φ127 mm 套銑鉆頭+φ114 mm 套銑鉆桿”鉆具組合套銑施工至473 m 時(shí)，套銑鉆具卡鉆，且在距離孔口2.7 m 處脫扣，鉆孔與鉆具結(jié)構(gòu)如圖9。

圖9 鉆孔與鉆具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of borehole and drilling tools

因該鉆孔為壓裂鉆孔，須將鉆孔內(nèi)333 m 之前的φ114 mm 套銑鉆桿取出后才能進(jìn)行裸孔壓裂。確定了：“反絲公錐+反絲鉆桿”處理φ89 mm 整體銑削式螺旋鉆具，結(jié)合內(nèi)切割器處理φ114 mm 套銑鉆具的組合方案，力爭(zhēng)將孔深≥351 m 以內(nèi)的鉆具全部取出。

φ89mm 整體銑削式螺旋鉆具反絲處理。采用“φ73-95/95-F 型反絲公錐+φ89 mm 反絲鉆桿”將φ114 mm 套銑鉆桿內(nèi)φ89 mm 整體銑削式螺旋鉆桿反絲處理至465 m。

3.2 事故處理工藝流程

采用“棘輪式二級(jí)定位內(nèi)切割器+φ89 mm 鉆桿”組合，將棘輪式二級(jí)定位內(nèi)切割器下入φ114 mm 套銑鉆桿至孔深446.5 m 處（鉆桿與內(nèi)切割器接頭位置），內(nèi)切割器扶正套位于φ114 mm 套銑鉆桿接頭處，打開泥漿泵后，緩慢增加清水流量，泵壓升至6.4 MPa 時(shí)，活塞式推送器壓縮推送彈簧蓄能，切削刀開始打開且與φ114 mm 套銑鉆桿內(nèi)壁接觸；減小流量，旋轉(zhuǎn)棘輪卡在二級(jí)棘輪定位外管的二級(jí)齒條上，將流量調(diào)整至100 L/min，泵壓穩(wěn)定在2.2 MPa，用于冷卻切削刀；緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，轉(zhuǎn)速控制在40 r/min 左右；每間隔5～8 min 增加流量，觀察泵壓是否出現(xiàn)下降情況；切割至21 min 時(shí)增加泵量至300 L/min，泵壓由6.4 MPa 降至3.5 MPa，活塞式推送器與節(jié)流針脫開，切削刀完全打開，旋轉(zhuǎn)棘輪越過一級(jí)齒條復(fù)位，切割完成。

采用“φ108/57 公錐+φ89 mm 鉆桿”組合，將孔深2.7 m 至446.5 m 共計(jì)443.8 m 的φ114 mm 套銑鉆桿提出鉆孔。

4 結(jié) 語

從煤礦井下近水平定向孔套銑鉆具卡/埋鉆事故處理出發(fā)，將棘輪式二級(jí)定位機(jī)構(gòu)應(yīng)用到水力擠壓式內(nèi)切割器中，采用推送彈簧蓄能為切削刀提供切削壓力的方式，設(shè)計(jì)的新型棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器，滿足φ114 mm 套銑鉆具切割的需求。結(jié)果表明：該新型內(nèi)切割器通過一級(jí)齒條為推送彈簧定位蓄能，位置穩(wěn)定可靠，消除了切割過程中對(duì)水壓的高精控制要求，且為切削刀提供了柔性的推送力，減少了因水壓不穩(wěn)造成的切削刀沖擊崩齒現(xiàn)象；該裝置在發(fā)揮水力擠壓式機(jī)械內(nèi)切割器優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，利用活塞式推送器和節(jié)流針組合，實(shí)現(xiàn)了切削刀完全張開報(bào)信功能，使用操作簡(jiǎn)便、控制簡(jiǎn)單，降低了對(duì)操作人員的使用技術(shù)要求，且應(yīng)用效果較好；對(duì)內(nèi)切割器的設(shè)計(jì)提供一種新的思路，但在設(shè)計(jì)中未考慮切削刀具的簡(jiǎn)便更換以及其使用壽命等問題，且對(duì)棘輪式二級(jí)定位機(jī)構(gòu)與刀具受力運(yùn)動(dòng)的綜合分析尚有待完善。