煤礦井下定向鉆孔常見孔內事故預防與處理

管強盛，楊慧琳

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

煤礦井下定向鉆孔常見孔內事故預防與處理

管強盛1，楊慧琳2

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

基于煤礦井下定向鉆進事故處理理論知識與實踐經驗，介紹了煤礦井下定向鉆進常見的孔內事故類型，根據事故發生特點及規律將常見的孔內事故歸納為卡鉆、鉆具斷落等2大類7個亞類。通過分析不同事故類型的事故成因、事故特點及施工特點，在本著“安全、快捷、科學、經濟”原則的基礎上提出了相應的預防與處理措施，包括強力活動鉆具工藝、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，旨在為更好地服務于煤礦井下定向鉆進施工提供一定的依據。

煤礦；公錐打撈；母錐打撈；套銑打撈

近年來，隨著定向鉆進技術在煤礦井下瓦斯抽采、探放水及頂底板注漿施工中的不斷推廣和應用，鉆孔深度越來越深、鉆遇的復雜地層越來越多，發生各種孔內事故的概率也越來越高，這些事故的發生不僅影響了施工進度，而且處理事故更是耗費了大量的人力和物力，有些孔內事故經過多次處理仍無法成功，導致經濟損失嚴重。因此，必須對此引起高度重視，積極預防，科學處理。

1 常見孔內事故類型

目前，實際施工中煤礦井下定向鉆孔施工過程中常見的孔內事故類型主要分為卡鉆和鉆具斷落事故，具體類型如表1所示。

表1 煤礦井下定向鉆孔常見孔內事故類型

2 常見孔內事故預防與處理

孔內事故的發生往往具有突然性和隱蔽性，在預防和處理的過程中，要明確不同事故類型的成因和發生規律，在“安全、快捷、科學、經濟”原則的基礎上提出相應的預防和處理措施。

2.1 卡鉆事故預防與處理

在定向鉆施工中，在鉆進、起下鉆、加接單根、調整工具面或循環沖孔過程中都有可能發生，目前，常見的卡鉆類型有孔壁坍塌卡鉆、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發生坍塌造成的卡鉆事故，孔壁坍塌卡鉆往往具有突然性、可預見性差、卡鉆孔段不易確定等特點，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，地層自身條件差，未膠結或膠結性差，存在構造破碎帶以及斷層破碎帶、節理發達和易水化膨脹等都容易引起孔壁坍塌；工藝方面，鉆進過程中沖洗介質的選擇、沖洗液排量的設定、鉆具組合、軌跡控制情況以及鉆進參數的選擇都會對鉆孔的穩定性造成影響[2]。

2.1.1.2 事故預防措施

事故預防措施有以下4條：①做好施工前信息準備。對于即將施工的定向鉆孔，要查明施工地點的地質資料，充分了解當地的地層特點；了解施工地點附近有無施工鉆孔，如果有，則查明其施工情況，為后續的施工設計和實施做好準備。②合理布置鉆孔。在滿足鉆孔施工需要的前提下，盡量將鉆孔布置在避開斷層、節理發育、陷落柱、泥頁巖層、高低壓等異常區域。③合理選擇鉆進工藝。針對不同的地層和孔段選擇合適的沖洗液類型和泥漿泵排量，減少沖洗液對孔壁的侵蝕和沖刷以及螺桿馬達過大的振動；合理的鉆具組合和軌跡控制以及鉆進參數能減少鉆具對孔壁的擾動，這對于預防孔壁坍塌是必要的。④做好對孔內異常的預判。鉆進過程中應注意鉆機相關壓力變化情況以及孔口返水的變化情況，當出現泥漿泵壓力、起拔、給進、回轉異常升高或孔口有大塊顆粒沖出時，應立即停鉆后退鉆具分析原因，并及時采取處理措施。

2.1.1.3 事故處理措施

事故處理措施有以下4點：①強力起拔與回轉工藝。在發生卡鉆事故初期，應先采用強力起拔與回轉工藝處理，采用快速正轉加快速起拔然后同時快速釋放的方法，使鉆具在鉆機的拉力和扭矩作用下迅速產生彈性形變，而后又在彈力作用下迅速收縮，從而實現對卡點的震擊，使鉆具松動而解卡[3-4]。采用強力起拔與回轉工藝時要特別注意事先要了解清楚鉆具的最大抗彎、抗拉強度，在鉆具合理的受力范圍內進行強力起拔與回轉，防止鉆具機械破壞而斷裂。②套銑打撈。在強力起拔與回轉處理無效的情況下，可選擇采用套銑打撈方法對事故鉆具進行處理，處理時采用專用的套銑打撈鉆具，采用回轉鉆進工藝套取孔內事故鉆具，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，其強度有限，在選擇套銑打撈工藝時要充分考慮鉆孔彎曲強度與套銑鉆具抗彎強度之間的關系，避免由于彎曲強度過大而導致套銑鉆具發生斷裂而出現二次事故。③倒扣+反絲鉆桿打撈。在以上方法均無效的情況下，可以反轉使鉆具倒扣，提出倒扣處至孔口段的鉆具，再根據孔內鉆具情況選用相應的反絲公錐或者反絲母錐，并配合反絲鉆桿對孔內剩余鉆具進行打撈。由于倒扣位置無法確定且打撈時無法控制撈取鉆桿數量，反絲打撈的工序可能會很漫長，所以，在采用此工藝前應充分考慮其時間和經濟可行性。④采掘打撈。在通過各種辦法對事故鉆具進行處理仍無法成功的情況下，可考慮將事故鉆具標定好位置后留待后期通過煤層開采或巷道掘進將鉆具取出。

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，即孔徑縮小的現象。縮徑現象常發生在遇水易水化膨脹的泥頁巖地層以及結構強度低的軟泥巖地層。由于其發展較慢，有明顯征兆，所以，預防起來比坍塌卡鉆容易。

2.1.2.1 事故成因

事故成因有以下2個：①泥頁巖遇水膨脹。泥頁巖地層，特別是以鈉蒙脫石為主的泥頁巖，遇水后易發生水化膨脹，導致鉆孔縮徑。②軟泥巖塑性變形。未固結的黏土或一些含水軟泥巖由于其自身結構強度低，鉆孔被鉆開后，原始地應力重新分布，一旦剪切應力大于膠結強度，便會發生塑性變形，發生鉆孔縮徑[5]。縮徑卡鉆事故原理如圖2所示。

2.1.2.2 事故預防措施

事故預防措施有以下5條：①盡量避開縮徑泥巖層。通過已有地質資料和相鄰施工區域鉆孔資料以及定向鉆進超前探的方法探明縮徑泥巖所在層位，采用開分支孔的方法避開縮徑泥巖層。②合理選擇鉆頭和鉆進參數。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合金鉆頭，而鉆進參數則采用低鉆壓、高轉速、適當增大泵量進行鉆進，這樣有利于降低縮徑卡鉆的風險。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過程中與孔壁產生的粘滯力強的特點，所以，在該類地層鉆進時應盡量簡化鉆具組合，減少鉆具連接時出現過多的臺階，減小起下鉆摩阻，降低縮徑卡鉆的風險。④加強循環沖孔和掃孔。通過循環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長時間靜止而與孔壁之間產生過大的粘滯力，加強泥巖孔段的沖孔和掃孔，必要時采用擴孔或局部擴孔手段，以有效預防縮徑卡鉆事故的發生[6]。⑤明確孔內異常情況處理措施。在鉆進易縮徑地層時，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，并時常伴有憋泵現象；鉆機回轉和起下鉆阻力增加明顯，當出現這種情況時應及時活動鉆具，加大泵量沖孔，并將鉆具提離危險孔段。

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強力活動鉆具。在遇卡初期，可嘗試采用“強力起拔+回轉”工藝活動鉆具來解卡，在活動鉆具時根據遇卡的情況采取不同的活動方式，其中，在起鉆過程中遇卡，應大力下壓；在下鉆過程中遇卡，應大力上提；在鉆進過程中遇卡，應多提并配合強扭。遇卡初期的處理是至關重要的，在鉆具強度允許前提下，要敢于操作，以迅速解決問題，如果活動多次未能見效，就應采取其他措施而不應強干和蠻干。②倒扣配合反絲鉆桿打撈。在以上方法均無效的情況下，可以利用鉆機反轉使鉆具倒扣，將倒扣處至孔口段的鉆具提出，再根據孔內鉆具情況選用相應的反絲公錐或反絲母錐并配合反絲鉆桿對孔內剩余鉆具進行打撈。③采掘打撈。在通過各種辦法對事故鉆具進行處理仍無法成功的情況下，可考慮將事故鉆具標定好位置后，留待后期通過煤層開采或巷道掘進將鉆具取出。

2.1.3 沉渣卡鉆

指的是鉆屑在孔內沉積出現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：①地層因素。在軟地層或節理發育的煤層中鉆進，機械鉆速快、鉆屑多，而清水的攜帶能力有限，鉆屑不易被返水帶出孔外，易在孔內堆積，造成沉渣卡鉆。②鉆孔結構。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；水平孔段返水攜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速度與泥漿泵排量選擇、沖孔時間等。鉆速過快時會產生大量的大顆粒鉆屑，排渣不暢的話鉆屑容易產生堆積，導致卡鉆。④突發事件。主要指鉆進中遇到停電、停水、鉆機或泥漿泵故障等突發事件，鉆具也無法活動，孔內鉆屑沉積導致沉渣卡鉆。

2.1.3.2 事故預防措施

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

事故預防措施有：①做好施工前準備。鉆孔施工前，對水、電、機器進行充分檢查并進行試運轉，排除存在的故障隱患；定期對水電線路以機器設備進行檢修保養，保障水電暢通和設備正常運轉；制訂必要的突發狀況應急預案，保證發生突發狀況時能有序處理。②合理的鉆孔結構。在滿足施工需要的情況下，盡可能地將鉆孔設計為上仰孔或水平孔，避免下斜孔，尤其是大角度下斜孔（≤－15°），以利于鉆孔排渣。③合適的鉆進工藝選擇。鉆進速度的快慢應與泥漿泵排量相匹配，在有效排渣的前提下實現高效進尺，防止鉆速過快而產生大量鉆屑，無法及時排出孔外導致卡鉆。④定期沖孔。⑤提高沖洗液的攜砂性。通過借鑒石油鉆井液的應用技術，通過在清水中加入一些具有良好攜砂效果的乳化劑，來提高沖洗液的排渣效果，類似的沖洗介質已在河北、山西等地的一些煤礦井下定向鉆進中得到應用，并取得了良好的效果。

2.1.3.3 事故處理措施

沉渣卡鉆的性質與坍塌卡鉆類似，但是比坍塌卡鉆輕一些，處理時可參照坍塌卡鉆處理工藝進行處理。

2.2 鉆具斷落事故預防與處理

鉆具斷落事故是定向鉆進施工過程中經常碰到的事故，有的情況比較簡單，處理較為容易；有的則比較復雜，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、機械破壞及事故破壞，但它們之間不是獨立存在的，往往是互相關聯、互相促進的，對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 事故預防措施

事故預防措施有以下2條：①鉆具的日常管理和維護。放在鉆場的鉆具一定要擺放在管架臺上，防止地面上的水、泥土的銹蝕；不用的鉆具一定要戴上護箍，防止碰傷；對長期存放的鉆具要進行防腐工作；定期檢查鉆具，尤其是接頭部位要重點檢查，發現問題及時處理。②鉆具的正確使用。鉆具在上扣和卸扣的過程中要平穩，避免碰撞鉆桿接頭；上扣時，上扣扭矩不得過大，也不能過松；下鉆時，必須檢查鉆具是否完好，發現有問題立即更換；要培養鉆工正確的使用鉆具方法和習慣。

2.2.3 事故處理措施

根據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、套銑打撈和開分支繞開事故鉆具等方法。對于孔內鉆具處于自由狀態的情況，一般采用公母錐打撈，而對于孔內鉆具處于非自由狀態的情況則考慮采用套銑打撈。

2.2.3.1 公錐打撈

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

2.2.3.2 母錐打撈

對于公錐不適于打撈的通纜鉆桿、上下無磁鉆桿以及探管外管或魚頭內徑太小等問題，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，套銑前一般根據事故鉆具規格采用相應的擴孔鉆具對原鉆孔進行擴孔，一般擴至離事故頭30～50 cm處，然后進行局部套銑。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 開分支繞開事故鉆具

在經多次打撈無效或打撈的經濟效益和時間效益不合理的情況下，可選擇開分支繞開事故鉆具。對孔內留置事故鉆具要做好標記，一方面在條件允許的情況下可在后期采掘作業時將其取出；另一方面，也要防止進行其他施工時碰到事故鉆具。

3 結束語

對待鉆孔事故要堅持“預防為主、預防與處理結合”的原則，在制訂處理方案時應遵循“安全、快捷、科學、經濟”的原則；對于卡鉆事故的預防，避開異常復雜地層和及時發現并處理孔內異常是至關重要的，事故的處理則應根據事故特定針對性的選擇強力活動鉆具、倒扣打撈或套銑方案；對于斷鉆事故的預防，重在鉆具的管理和下鉆前的檢查，事故的處理則根據鉆具在孔內的狀態選擇絲錐打撈或套銑打撈。

煤礦井下定向鉆進事故復雜多變，為了應對日趨復雜的施工環境和施工要求，有必要在事故處理專用技術和配套裝備方面開展更多的研究。

［1］許超.煤礦井下定向鉆進鉆孔事故的預防及處理［J］.煤田地質與勘探，2014（06）.

［2］蔣希文.鉆井事故與復雜問題［M］.北京：石油工業出版社，2006.

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

［4］張杰，蔣玉璽，姚寧平.九里山礦井下定向鉆孔卡鉆事故處理實踐［J］.煤礦安全，2012（11）.

［5］趙家明，胡家森.定向井泥頁巖地層復雜事故處理［J］.石油鉆采工藝，2016（01）.

［6］陳忠實.鄧傳光.低密度條件下井眼穩定問題的探討［J］.天然氣工業，2003.

［7］王昕.套銑打撈技術在礦井鉆具斷裂事故中的應用［J］.煤礦安全，2014（09）.

〔編輯：張思楠〕

TD822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.021

2095－6835（2017）14－0021－04

管強盛（1988—），男，碩士，實習研究員，目前在中煤科工集團西安研究院鉆探所從事鉆探技術與裝備研究。