深孔地質鉆探孔內事故專用處理工具之探討

朱江龍

（1．中國地質裝備總公司 技術中心，北京100102；2．中國地質大學（北京），北京100083）

1 引言

進入21世紀，資源形勢日趨緊張，全國機械巖心鉆探工作量逐年激增，近兩年來已逼近2000萬延米，每年工作量為上世紀90年代年均工作量的10倍之多；且隨著淺部資源的日益枯竭，探礦深度也日益加大，國家鼓勵大力拓展500～2000m的“第二找礦空間”。隨著鉆探工作量的增多，鉆深的加大，深孔地質情況越來越復雜，孔內下入套管級數越來越多，孔內事故，尤其是卡鉆、卡套管、埋鉆、燒鉆的發生幾率也成倍增加。在野外鉆探實踐中，深孔地質鉆探事故處理的難度、周期和成本，已經嚴重影響到所運轉數千機臺的臺月效率和綜合效益，成為困擾眾多地質勘探施工單位的主要難題之一。

地質鉆探孔內事故的避免首先以預防為主，但是，面對日益復雜的地質鉆孔，事故的發生在所難免，如何采取有效的技術手段與裝備來應對已經發生的和可能發生的孔內事故，成為鉆探設備工程技術人員需要解決的問題。

2 現有的事故處理技術裝備手段

2．1 鉆機的強拉與起拔

與石油鉆機、水井鉆機相比較，地質鉆機的事故處理能力較小，主要取決于：鉆塔（桅桿）承載力，絞車能力，油缸起拔力等。例如，SGZ24型重載四角鉆塔（4輪游鉤）的承載力僅為500kN，3000m鉆深鉆機（包括全液壓鉆機與機械立軸鉆機）的給進油缸起拔力為300kN，以上數據均為深孔重載地質鉆機的提升及起拔能力，僅可勉強支撐3000m全孔鉆具重量（N口徑鉆具）及孔壁摩擦阻力的起拉需求，而深孔鉆機、中深孔鉆機的鉆塔、卷揚，桅桿及給進油缸遠遠不能滿足深孔鉆桿、鉆具及套管在孔內遇卡時的特殊起拔要求。

2．2 打撈及事故處理工具

與專業的石油鉆探工具廠提供的數十種較為齊全的打撈工具、事故處理工具、井下工具相比較，當前地質專用工具十分單一，多數鉆探工具廠只生產鉆桿公母錐，套管公錐（圖1和表1），并不重視地質鉆探打撈及事故處理工具的研發，據資料顯示，這方面的技術裝備水平一直停留或低于上世紀80年代的發展水平，與當前深孔地質鉆探孔內事故處理“層出不窮”的現狀嚴重脫鉤。如何針對地質巖心鉆探，特別是繩索取心鉆探的小口徑、薄壁鉆桿、滿眼鉆進、環狀間隙小等工藝技術特點，研制多樣化、系列化的地質鉆桿、套管打撈及事故處理工具，以滿足地質鉆探施工的不時之需，成為當務之急。

圖1

表1 部分公母錐及套管公錐的規格（mm）

2．3 孔口輔助工具

地質鉆機一般匹配大噸位的拔管機作為輔助井口工具，多選擇400kN，750kN兩種起拔能力（表2、圖2），用于起拔孔內套管及事故鉆桿，但由于較為笨重，安裝不便，各種規格繩索鉆桿的卡瓦適配性不好，鉆桿抗拉強度有限等原因，導致許多施工單位并未配套，或者原配的拔管機閑置未發揮作用。

表2 張探公司的千斤頂規格

圖2 張探公司千斤頂

3 發展地質鉆探事故專用工具的思考與實踐

通過以上對于鉆機與專業工具的現狀分析，可以看出，僅靠依賴主機設備肯定不能扭轉孔內事故突發時無計可施、無可奈何的現狀，只能寄希望于地質專用安全打撈及事故（孔內）工具的新一輪研制，并進一步增強孔口工具的適用性，以孔內工具與主機設備相結合，孔內工具與孔口工具相結合，追求主機設備、孔內工具、孔口工具的一體化協同能力，并進行多樣化、系列化的配套性及專業化生產，施工單位有所擇，有所備，有所用，有備無患，追求孔內事故處理的便捷、高效、低成本與操作規范化，才可應對實戰中“層出不窮”的孔內事故。

3．1 研制新型孔內工具

石油打撈工具較為齊全，較為常用的主要有：高強度公錐、母錐、可退式卡瓦打撈矛、可退式卡瓦打撈筒、提放式可退倒扣撈矛、提放式可退倒扣撈筒等。由于巖心鉆探的井身結構、環狀間隙、鉆桿的規格及材質特點，上述工具都無法直接選用。但可研制針對地質鉆桿及套管的特點，最常用的可退式打撈矛、倒扣打撈矛完全可以進行借鑒性和適配性研制。

（1）可退式打撈矛

一種結構簡單、強度高、從鉆桿內徑進行打撈的工具（表3、圖3），可抓撈自由狀態下的鉆桿、套管，也可抓撈遇卡管柱，打撈矛反轉抓死，上提遇卡鉆具。如果打撈不成功，可下擊芯軸，正轉自由退出。

表3 石油常用小井眼的可退式打撈矛規格

圖3 可退式打撈矛

（2）倒扣打撈矛

使用打撈矛抓撈是處理打撈事故的主要方式，然而處理遇卡事故，單是抓撈是不夠的，還必須具有傳遞扭矩的能力。倒扣打撈矛既適應打撈又能反轉倒扣（表4，圖4）。

表4 石油常用小井眼的倒扣打撈矛規格

圖4 倒扣打撈矛

從上表3、表4可以看出，石油小井眼鉆桿（或油管）打撈矛的內徑、引錐直徑以及抗拉載荷都與地質巖心鉆探的規格尺寸較為相近，以可退式打撈矛為例，對其芯軸外徑、接頭規格、卡瓦外徑進行適應性調整（圖5），完全可以研制B規格、N規格、H規格、P規格等一系列地質巖心專用打撈矛，與公母錐抓取事故鉆桿的不確定性相比較，打撈矛的抓取提升成功率將會大大提高。其他型式的打撈筒類、打撈矛類、倒扣類、震擊器、小物件打撈工具等打撈及事故處理工具都可以按照地質鉆具的結構型式對石油相近規格的孔內工具進行借鑒性與適用性研制。

圖5 石油小井眼可退式打撈矛

3．2 增強孔口輔助工具的適用性

在目前常用的地質拔管機基礎上，目前市場上有兩種新型孔口起拔裝置投入實用：輕便型單油缸起拔裝置（500～1500kN），重載單油缸連續起拔裝置（1500～2500kN）。

（1）輕便型起拔裝置（圖6）

作為小口徑巖心鉆機的輔助配套機具，采用手搖油泵作為動力；單油缸自動對心，重量輕、體積小，銜接方便；多套卡瓦，可適配地質取心小口徑各種規格鉆桿、套管（BQ、NQ、HQ口徑鉆具），以彌補巖心鉆機較小的事故處理能力與套管起拔能力，在內蒙、河北等小口徑深孔巖心鉆探中得到了良好的應用。

（2）重載連續起拔裝置（圖7）

圖6 輕便型起拔裝置

作為大口徑巖心鉆機的配套設備，以電動超高壓液壓泵站作為動力，系統壓力63MPa；大噸位單油缸起拔，起拔力可達2500kN；上端下部分別采用錐度卡瓦式卡盤，卡瓦自動對心；采用中位可保壓液壓操控閥，在任何起拔位置可實現承載保壓懸停；側入式卡盤，較為便利；上下卡盤可實現自動倒桿，連續起拔行程可達一根10m鉆桿，以應對孔內卡鉆事故在需要超過1500kN拉力的情況下，地質用重載鉆塔的天車無法承受的工況。該設備在汶川斷裂帶科學鉆探二號孔Ф150mm直徑取心鉆進到1300m，遭遇地層嚴重縮頸的情況下，成功解除一次卡鉆事故。

圖7 重載連續起拔裝置

以上兩種起拔裝置雖然已經在實踐中得到檢驗，有很好的野外應用效果。但是也暴露出一些問題：

① 卡瓦與繩索鉆桿或套管在預夾緊時偶爾出現打滑現象；

② 單油缸安裝很不方便，在處理事故需要快速應對的情況下，需要先將鉆桿頂部穿過空心油缸進行操作，操作周期較長，較為費時費力；

③ 需要單獨的電動超高壓液壓泵站，不能與鉆機主機一體化設計。

圖8 側入式連續起拔裝置

由此，中國地質裝備總公司技術中心正在研制一種雙油缸強力起拔、可側入鉆桿安裝、上端下部分別為錐度卡瓦式卡盤自動對心、主機設備提供液壓動力的大噸位連續起拔裝置、高強度卡瓦夾緊鉆桿。該設備具備50～146mm直徑的全部地質鉆桿、套管用卡瓦的配套，可滿足1000～2000kN的孔內事故起拔能力，上下接力，可連續起拔整根18m立根長度。是目前深孔地質鉆機較為理想的孔口配套設備。

3．3 加強機具協同，增強實效

單獨依靠主機設備、孔內工具或者孔口起拔裝置的某一種，其事故處理能力較小，功能較為單一。采用主機設備與孔內工具相結合，如石油鉆機采用主機游鉤加震擊器、鉆桿接打撈矛邊循環邊起拔，會大大增強事故解除的能力和功能；或者主機設備提供動力，孔口裝置與孔內工具相結合，降低設備構成，并連續強力起拔，采用游車進行輔助提升，成倍加大事故處理能力。

綜上，深部地質巖心鉆探，面臨深孔地層的復雜性，小口徑井身結構的特殊性，主機設備能力的限制，其事故處理難度遠遠大于石油鉆井及水井鉆探，而地質專用事故處理工具又極為缺乏，導致施工成本、周期大大增加，甚至造成一些投入巨大資金和精力的深部取心鉆探孔的直接報廢，已經成為當前深孔地質鉆探的一大難題，本文僅對其中很少一部分井口設備與孔內工具進行了探討，旨在拋磚引玉，與業內專業人士一起努力，盡早形成深孔地質鉆探事故處理專用機具的多樣化、系列化配套體系。