劉修剛，李必智

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

地面大直徑救援井作為下放和提升救生艙，輸送井下被困人員快速安全到達(dá)地面的生命保障通道[1]，是礦山事故造成人員被困井下時(shí)重要的應(yīng)急救援方案之一。為安全順利下放和上提救援設(shè)備，按照救援裝置設(shè)計(jì)規(guī)格要求[2]，完鉆井徑不小于?580 mm，一般常規(guī)鉆進(jìn)大直徑井眼需多級(jí)擴(kuò)孔完井，通過理論計(jì)算及鄰井地質(zhì)資料分析來確定預(yù)留透巷段長，采取先施工上覆強(qiáng)含水巖層段，下入套管封固隔離含水層，再完成預(yù)留井段干孔透巷作業(yè)。目前國內(nèi)礦山大直徑鉆探工程技術(shù)常規(guī)有正向法和反井法[3，4]，按具體工藝細(xì)分為正向正循環(huán)擴(kuò)孔法和反井逐級(jí)擴(kuò)孔法。針對(duì)大直徑救援井特殊性及施工要求，正向正循環(huán)擴(kuò)孔法是自上向下逐級(jí)擴(kuò)孔，循環(huán)介質(zhì)通過鉆具內(nèi)孔傳導(dǎo)至井底，再沿鉆具外環(huán)空上返至井口的循環(huán)方式，存在鉆進(jìn)效率低、耗材大、周期長問題，一定程度上影響了救援井成孔周期；反井逐級(jí)擴(kuò)孔法是地面鉆進(jìn)導(dǎo)向孔與井下巷道貫通后，在礦井下安裝反井鉆頭或反井?dāng)U孔裝置，利用反井鉆機(jī)提升進(jìn)行逐級(jí)擴(kuò)孔，但需配置高性能設(shè)備，且井下需有水平巷道排渣通道。大直徑救援井被困人員空間受限，鉆進(jìn)中自井眼潰入巷道的地層水、巖屑量要求可控，并且需先施工導(dǎo)眼或貫通巷道[5]，再逐級(jí)擴(kuò)孔?；谏鲜龇绞骄窒扌詿o法滿足施工要求，同時(shí)為了滿足井下被困人員的安全性及救援的時(shí)效性問題，優(yōu)化大直徑救援井安全透巷鉆進(jìn)，筆者開展了大直徑救援井干孔透巷關(guān)鍵技術(shù)研究，經(jīng)工程實(shí)鉆數(shù)據(jù)驗(yàn)證滿足要求。

1 干孔透巷技術(shù)原理

根據(jù)巖屑錄井和相鄰回風(fēng)立井井筒勘查報(bào)告分析地層鉆遇情況，地面大直徑救援井透巷段地層鉆遇巖性為深灰色細(xì)粒砂巖、灰綠色泥巖及煤層組成。為滿足大直徑救援井時(shí)效快、井眼直，控制潰入被困區(qū)巖渣量、地層水和鉆井液體積量等條件，確保三開透巷井段范圍安全可控[6，7]。

干孔透巷段采用空氣循環(huán)鉆進(jìn)工藝，實(shí)施氣舉反循環(huán)分段排水、掃塞、排渣、快速透巷一次成孔。氣舉反循環(huán)設(shè)備組成自井底至地面由單體式潛孔錘、雙壁鉆具、井口配氣裝置、空壓機(jī)組、增壓機(jī)組及連接管線組成。鉆進(jìn)原理是采用地面供壓、增壓設(shè)備以空氣為循環(huán)介質(zhì)，由內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，氣體經(jīng)高壓管線輸送至井口配氣裝置，壓縮的高壓氣流經(jīng)雙臂鉆桿外環(huán)空傳至單體式潛孔錘工作發(fā)生高頻震蕩破巖，同時(shí)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)動(dòng)使得鉆具旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)錘頭切向切削巖層，高壓氣流與井底破碎的巖石、地層水混合體膨脹做功，在鉆具內(nèi)、外形成壓差(滿足式(1)條件)，由鉆具外環(huán)空的高壓內(nèi)能轉(zhuǎn)化為鉆具內(nèi)孔的高速動(dòng)能，攜帶氣、液、固混合體沿鉆具內(nèi)通道上返至地面，實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)的目的。干孔透巷原理如圖1所示，藍(lán)色區(qū)域?yàn)楹畮r層段，紅色區(qū)域?yàn)楦煽淄赶锞巍?/p>

圖1 干孔透巷原理

P2

(1)

式中，P2為氣體攜帶巖屑混合體沿雙壁鉆具中心孔上返壓力，MPa；P1為通過空壓機(jī)(或增壓機(jī))注入雙壁鉆具環(huán)空壓力，MPa；P3為沿鉆具與井壁環(huán)空外泄壓力，MPa。

根據(jù)實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)，井口注氣壓力控制范圍1.8～2.4 MPa，即P2+P3<2.4 MPa。為保證干孔透巷反循環(huán)實(shí)現(xiàn)，鉆具與井壁環(huán)空泄壓損耗不應(yīng)大于0.6 MPa。

2 干孔透巷高效鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 單體式潛孔錘反循環(huán)技術(shù)

2.1.1 關(guān)鍵裝置及功能

大直徑救援井干孔透巷鉆進(jìn)關(guān)鍵裝置組合選擇?580 mm單體式潛孔錘鉆頭、?178/113 mm雙壁鉆桿、配氣裝置、雙壁止回閥、井底-孔口密封裝置。采用雙壁鉆桿是實(shí)現(xiàn)空氣反循環(huán)鉆進(jìn)的關(guān)鍵，管體存在內(nèi)外通道，即中心孔及內(nèi)外管之間環(huán)空，中心孔是鉆井混合體返回的通道，環(huán)空是向井下注入壓縮氣體的通道。不但與傳統(tǒng)的鉆桿相同的壓力、扭矩和下行空氣的壓縮，而且為氣體、巖屑和孔中的水混合物提供持續(xù)的回饋；配氣設(shè)備是實(shí)現(xiàn)大氣循環(huán)鉆進(jìn)不可或缺的設(shè)備，上端與動(dòng)態(tài)頭浮動(dòng)接頭連接，下端與雙壁保護(hù)接頭連接，主要由中心體、注氣管、外殼、軸承內(nèi)管組成。試驗(yàn)用中心通孔直徑113 mm，側(cè)部注氣管直徑51 mm，最小通氣面積31.7 cm2，當(dāng)量直徑63.5 mm，主要調(diào)控壓縮空氣入井的氣量，同時(shí)隨動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)時(shí)密封性能良好；為防止反循環(huán)鉆具注氣倒流，導(dǎo)致氣動(dòng)潛孔錘沖擊器活塞腔內(nèi)倒灌巖屑顆粒[8]，改進(jìn)雙壁鉆具串加接若干雙壁止回閥短節(jié)，閥體設(shè)計(jì)開啟壓力為0.05 MPa，過氣量為35～100 m3/min，密封壓力大于6 MPa；井底-孔口密封裝置起到密封鉆具與井眼環(huán)空的作用，迫使井底壓縮空氣自雙壁鉆桿內(nèi)管通道排渣返出至地面。一方面保障了因井底鉆具外徑與井壁間隙過大，使得上部井段掉塊可通過孔底密封結(jié)構(gòu)落入孔底，通過潛孔錘高頻震蕩破碎，氣舉反循環(huán)排出井口外；另一方面阻止井底氣流沿鉆具與井壁外環(huán)空泄壓，提高了空氣反循環(huán)鉆進(jìn)工藝的安全性和高效性。

2.1.2 鉆具組合及參數(shù)控制

鉆具組合選擇“?580 mm單體式潛孔錘鉆頭+12寸沖擊器+正反交叉接頭+封堵接頭+?178/113 mm雙壁鉆具”?？諝鉂摽族N反循環(huán)鉆進(jìn)巖屑達(dá)到正常返出地面關(guān)鍵因素是空氣上返流速，控制流速主要通過調(diào)控注氣量，一般滿足以下條件：

Q≥15πk1k2(D2-d2)[v(1+45%)]

(2)

式中，Q為注入環(huán)空風(fēng)量，m3/min；D為雙壁鉆桿外環(huán)空通徑，m；d為雙壁鉆具中心孔通徑，m；v為空氣上返流速，m/s；k1為孔深校正常數(shù)，當(dāng)孔深100～600 m時(shí)取值1.1～1.4；k2為含水附加系數(shù)，根據(jù)含水量取值1.3～1.5。

依據(jù)式(2)計(jì)算，干孔透巷控制上返流速大于25 m/s時(shí)，注氣量為47 m3/min，考慮鉆具與井壁環(huán)空反向泄壓因素，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)流速需增加45%的附加值，即控制風(fēng)量70 m3/min，轉(zhuǎn)速為35 r/min，注氣壓力1.8～2.4 MPa，鉆壓不超過20 kN。

2.1.3 反循環(huán)特征分析及優(yōu)化

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)，通過分析雙壁鉆桿內(nèi)管中心孔直徑、沉沒比、進(jìn)氣量等關(guān)鍵參數(shù)。隨內(nèi)管直徑和沉沒比增加，氣舉反循環(huán)排屑能力增強(qiáng)，且返排巖屑能力的增強(qiáng)與內(nèi)管直徑增加量表現(xiàn)為二次方相關(guān)性，與沉沒比呈線性關(guān)系；而隨注入氣量增加，氣舉反循環(huán)的巖屑返排能力呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢。相比正循環(huán)鉆進(jìn)方式，反循環(huán)突出的特點(diǎn)是大大降低井底的循環(huán)壓耗，鉆進(jìn)時(shí)上返流速高、攜巖能力強(qiáng)、效率高。但因二開井眼直徑大，采用潛孔錘正循環(huán)方式，理論以最小動(dòng)能分析，干空透巷鉆進(jìn)所需注氣量應(yīng)大于300 m3/min，選擇霧化鉆進(jìn)相比干空氣鉆進(jìn)所需注氣量附加15%～40%，而采用單體式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)，則相應(yīng)降低注氣量，為最優(yōu)的空氣鉆進(jìn)方式，鉆遇微含水層需按比例添加泡沫劑提高攜巖效率。

2.2 排漿排渣鉆進(jìn)技術(shù)

大直徑救援井二開封固強(qiáng)含水及弱含水巖層段，為三開干孔安全透巷提供條件，但固井結(jié)束井眼內(nèi)存在地層水、鉆井液及固井混漿液耦合[9]，貫通地層與巷道前，需先通過有效途徑排除井內(nèi)大量的混合液體，確保透巷后潰入巷道的混合體積在可控范圍內(nèi)，具體工序分為排漿、掃水泥塞、透巷鉆進(jìn)，各階段鉆井參數(shù)控制見表1，工藝流程如圖2所示。

表1 鉆井參數(shù)控制

圖2 排漿排渣鉆進(jìn)工藝流程

由于二開揭露含水層導(dǎo)致孔內(nèi)不斷涌水，液面逐漸上升，通過測試獲取孔內(nèi)靜液面高度。根據(jù)反循環(huán)排水情況分析，孔內(nèi)液柱越高，越有利于形成壓差反循環(huán)，但過高的液柱壓力，對(duì)于空壓機(jī)注氣壓力要求高，且潛孔錘本體受圍壓較高，造成工作異?；驘o法運(yùn)行。因此，采取潛孔錘分次下至設(shè)計(jì)井深，分段排漿排渣鉆進(jìn)。其操作步驟：大直徑潛孔錘下至指定深度后，啟動(dòng)空壓機(jī)向井內(nèi)供氣，井口觀察到正循環(huán)通道有氣體返出，待反循環(huán)通道排渣口返出大量氣液混合物，直至混合渣漿返出?？膳涮?～2臺(tái)額定供氣量為35 m3/min的恒量變壓空壓機(jī)，現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測內(nèi)管攜液體和固體含量，結(jié)合井深對(duì)反循環(huán)液柱高度穩(wěn)定性進(jìn)行控制，與此同時(shí)需監(jiān)測由地層軟硬不均引起的機(jī)械轉(zhuǎn)速變化情況，干孔透巷時(shí)因機(jī)械轉(zhuǎn)速過高，對(duì)應(yīng)的碎巖體積增大，現(xiàn)有工況無法滿足孔底巖屑上返要求，需對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)及時(shí)調(diào)整，若井口返屑異常，可采取停鉆上提下放循環(huán)返排巖屑的方式。

2.3 透巷控制技術(shù)

透巷段鉆進(jìn)以確保被困人員安全為前提，采用阻風(fēng)環(huán)方式實(shí)現(xiàn)局部反循環(huán)空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝，能滿足防止大量流體、巖屑潰人被困區(qū)域的安全要求。井下巷道或避難硐室貫通后，根據(jù)沖擊地壓原理地應(yīng)力重新分布，井巷頂板周圍產(chǎn)生松動(dòng)圈與裂隙[10-13]；潛孔錘沖擊荷載對(duì)井底巖層產(chǎn)生軸向及徑向擾動(dòng)，理論分析軸向擾動(dòng)較明顯，頂板及煤層膠結(jié)面形成破碎、損傷區(qū)域，二開固井頂替水泥漿產(chǎn)生的液柱壓力會(huì)加劇損傷區(qū)域裂隙擴(kuò)展。

2.3.1 透巷工藝

干孔透巷段鉆進(jìn)，采用單體式空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，優(yōu)化鉆具組合，選擇空氣或氮?dú)庾鳛榉囱h(huán)介質(zhì)，控制低鉆壓、中高鉆速、低注氣量參數(shù)，透巷段井斜角α≤0.5°，透巷中靶半徑R≤1 m，確保井身質(zhì)量滿足救生艙安全順利通過，同時(shí)避免透巷過程引起頂板與煤層膠結(jié)層冒落，保障透巷瞬間井內(nèi)潰入巷道混合介質(zhì)體積不致災(zāi)。

2.3.2 透巷位置

透巷位置選擇遵循的原則，一是確保巷道貫通后瞬間，巷道頂板巖層與煤層膠結(jié)層受擾動(dòng)穩(wěn)定性較好，不發(fā)生大面積垮塌；二是縮短水平方向透巷中心孔與避難硐室之間的距離，為安全建立井下通道節(jié)省更多時(shí)間?；谝陨峡紤]，根據(jù)井下巷道或避難硐室位置及頂部巖性特征，通過巷頂中心到側(cè)幫邊緣不同透巷位置數(shù)值計(jì)算，分析避難硐室監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，優(yōu)選最佳透巷位置，最大程度降低頂板破壞程度及冒頂風(fēng)險(xiǎn)[14-16]。以此為目標(biāo)，建立力學(xué)模型，取透巷頂部巖層埋深620 m，水平應(yīng)力分別為12 MPa和10 MPa，模型長40 m、寬40 m，干孔透巷段由上至下為巖層、煤層、底板，其中采用拱形巷道模擬避難硐室，尺寸為巷寬5 m，巷高3 m，頂板透巷鉆孔孔徑按照工程設(shè)計(jì)取?580 mm，透巷位置選擇依次間隔1 m，如圖3所示。通過設(shè)計(jì)不同透巷位置，分別分析透巷后頂板和左側(cè)幫監(jiān)測點(diǎn)位移曲線變化，模擬結(jié)果表明透巷位置為孔中心距離避難硐室距離3.5 m≤d≤4.3 m為最優(yōu)，如圖4、圖5所示。

圖3 不同透巷位置剖面圖

圖4 頂板垂直方向位移

圖5 右?guī)退椒较蛭灰?/p>

2.3.3 安全距離

基于安全快速透巷原則，干孔透巷裸眼段長越短越好，但二開井底與巷頂間層厚過小，存在因透巷擾動(dòng)發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)越高，二開固井水泥漿液柱壓力對(duì)孔底巖層產(chǎn)生的激動(dòng)壓力可能會(huì)壓漏地層潰入井下巷道或避難硐室造成固井失敗，導(dǎo)致干孔透巷上部含水層混漿不斷涌入井下，對(duì)井下被困人員構(gòu)成威脅。因此，需在二開底部與巷頂之間預(yù)留一定安全厚度[17，18]巖層實(shí)現(xiàn)防漏支撐。依據(jù)頂板巖性、完整程度、鉆完井工藝不同，建立地質(zhì)力學(xué)模型，賦予地層巖石力學(xué)屬性，沿軸向及徑向分別施加載荷，通過數(shù)值模擬與實(shí)際工況結(jié)合，由圖6可知，距巷道頂板距離為20～25 m時(shí)，應(yīng)力趨于穩(wěn)定值-7.11 MPa，頂板位移為-0.02 m，即為參考安全透巷距離。

圖6 透巷距離與應(yīng)力和頂板位移關(guān)系

2.4 尾管完井及固井技術(shù)

常規(guī)完井采用尾管懸掛的方式[19，20]，需要鉆具將尾管懸掛器緩慢送入預(yù)定位置，為提高大直徑救援井透巷時(shí)效，干孔透巷段套管設(shè)計(jì)采用飛管下放方式，套管規(guī)格采用?508 mm、壁厚12.70 mm石油套管，假設(shè)套管干孔內(nèi)自由落入孔底，不計(jì)套管與管壁的碰撞及摩擦阻力，按照勻加速直線運(yùn)動(dòng)計(jì)算，段長30 m套管落入井底的瞬時(shí)速度約為113 m/s，根據(jù)動(dòng)量定理計(jì)算落入孔底動(dòng)能為5.38×105kg·m/s，套管末端易造成嚴(yán)重變形損壞，通常套管自由落入孔底時(shí)與井壁之間碰撞及摩阻而動(dòng)能減小，可采取底部加工緩沖保護(hù)裝置。因大直徑救援井固井時(shí)無法建立正常泥漿循環(huán)，遂設(shè)計(jì)采用下入尾管不固井方式完井。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

國家能源集團(tuán)梅花井礦副立井高效完成一口完鉆井深654 m工程試驗(yàn)井。井身結(jié)構(gòu)采用三開套管完井方式，終孔直徑?580 mm，位置布設(shè)距離煤礦井下標(biāo)高+697 m，距離水平車場約6 m。具體驗(yàn)證內(nèi)容：

1)透巷精度驗(yàn)證。主要采取套管井斜方位超聲波測量法、雙扶塔式鉆具找中等技術(shù)措施控制鉆孔軌跡，最終透巷精度為0.19 m，滿足精準(zhǔn)透巷設(shè)計(jì)誤差小于1 m要求。

2)安全透巷效果驗(yàn)證。井筒與井下巷道貫通后，對(duì)進(jìn)入井下巷道的巖屑量、水量進(jìn)行實(shí)測，巖屑量與水量合計(jì)約7.5 m3，滿足安全透巷的設(shè)計(jì)要求。

實(shí)踐表明，采用空氣反循環(huán)鉆進(jìn)實(shí)施三開井段透巷可取得良好應(yīng)用效果，確保了三開透巷時(shí)涌入井下巷道的水、鉆井液及巖屑混合體處于安全可控范圍，可靠性高。

4 結(jié) 論

1)大直徑救援井干孔透巷采用單體式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，集研發(fā)配套關(guān)鍵裝置于一體，采用優(yōu)化的鉆具組合、參數(shù)控制及鉆進(jìn)介質(zhì)調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)安全高效貫通巷道。

2)通過排漿排渣鉆進(jìn)技術(shù)，分項(xiàng)控制排漿、掃塞、鉆進(jìn)施工，可降低安全透巷的風(fēng)險(xiǎn)。

3)安全透巷可控制透巷段井斜角α≤0.5°，透巷中靶半徑R≤1 m，確保井身質(zhì)量安全達(dá)標(biāo)，透巷最優(yōu)位置為孔中心距離避難硐室2.3 m≤d≤3.5 m；安全透巷距離可參考18～25 m。

4)飛管固完井技術(shù)能預(yù)防安全的前提下，可實(shí)現(xiàn)高效固完井，建立井下與地面通道。