礦區大口徑井先導孔施工常見事故原因分析及處理措施

蔣蘇東

（九江地質工程勘察院地災治理分院，江西 九江 332000）

大口徑井是一種在施工過程中，通過定向先導孔施工后，通過多級擴孔最終形成的一種礦井結構。先導孔施工是一種十分快速的井筒技術，在實際應用中具有安全、環保、高效等優勢，因此當前先導孔施工技術已經在礦山開采、水電、交通等多個地下工程類型中得到了十分廣泛的應用[1]。先導孔施工是礦山開采過程中的重要環節，其原理是利用鉆探設備進行沖擊破巖，并將泥漿、清水或壓氣形成正循環，在循環過程中將破碎的巖石碎屑從孔內排除，從而達到對大口徑井清洗和護壁的作用。雖然當前這項施工技術具有安全作業的優勢，但若在施工過程中相應的設備、工藝、管理等方面存在問題，也會造成安全事故問題的發生，輕者會影響整個礦區大口徑井形成后的質量，重者則會造成整個礦區出現嚴重的設備損失，使整個礦山企業出現人員傷亡和經濟財產損失。對此，本文針對礦區大口徑井先導孔施工常見事故的具體發生原因進行分析，并根據具體事故類型找出其對應的處理措施。

1 礦區大口徑井先導孔施工常見事故原因分析

1.1 大口徑井內施工鉆桿斷裂

大口徑井鉆桿斷裂是先導孔施工過程中最常出現的一種事故，事故發生后會突然出現憋鉆現象，轉盤設備的扭矩會迅速增加，現場施工工人會通過提升鉆具的方式減小扭矩，但過程中阻力較大，無法快速完成，因此扭矩仍然會以較快的速度突增，當達到最大值時會迅速降為零，造成鉆具斷裂。在事故發生后，通過測量并對比斷裂鉆具與原始鉆桿之間的區別得出，造成事故的主要原因包括兩方面，一方面是鉆桿受到了嚴重的腐蝕，另一方面是施工過程中有落物卡在了鉆桿當中[2]。將出現事故的鉆桿移出到大口徑井外時，通過對斷裂的鉆桿斷口處觀察發現，在鉆桿內壁上布滿了大量的鐵銹腐蝕痕跡，呈現出凹凸不平的結構，鉆桿壁最小處的厚度已經小于4.5mm，受到腐蝕后的鉆桿已經失去了原本的作用效果。并且，由于腐蝕使得鉆桿的管壁變薄，表面也形成了大量的凹痕，造成鉆桿材質發生改變，降低了鉆孔原有的強度，因此導致在大口徑先導孔施工過程中鉆桿斷裂的事故發生。

除此之外，在大口徑井內施工鉆桿斷裂事故發生以前，鉆桿鉆井可以正常運行，一般情況下鉆進的巖層為砂質泥巖，當突然出現憋鉆或扭矩快速增加時，施工人員將鉆具向大口徑井外提拉產生巨大的阻力，而此時泥漿仍然處于正常循環的狀態，將會導致泥漿中的砂石碎屑卡在鉆桿內壁上，進一步導致鉆桿斷裂嚴重。

1.2 先導孔施工角度偏斜

在進行礦區大口徑井先導孔施工過程中，若實際鉆孔軸線與施工前設計的反井軸線出現較大偏差時，此時極易出現先導孔施工角度偏斜事故。若已經存在偏差但仍然不采取相應的處理措施，則會在大口徑井先導孔的末端位置上出現偏差最大距離，出現末端反井軸線現象。當先導孔施工角度偏斜超出最大范圍時，則先導孔施工鉆桿會在井斜突變井段出現嚴重的彎曲和變形現象，并向大口徑井的井壁下側靠近，在施工過程中旋轉會造成嚴重的摩擦，導致鉆具出現破碎或折斷的問題，同時嚴重者更會造成大口徑井的坍塌。當先導孔施工角度嚴重偏斜時，也會造成先導孔透孔時不在事先設置的范圍內，增加擴孔鉆進的難度，從而造成鉆孔在未達到使用年限時提前報廢。產生這一事故發生的原因較多，首先，可能是由于施工過程中選取的鉆具組合形式不合理，沒有按照礦區地層的實際條件以及大口徑井鉆具的剛度穩定安裝鉆桿；其次，施工過程中鉆壓過大，鉆具在巨大壓力下產生了彈性形變，形變后的鉆桿與大口徑井的中心線無法重合，在水平分力的作用下，促使整個鉆孔設備以鉆頭為中心沿傾斜方向對井壁切削，產生井斜；再其次，在先導孔施工過程的開始階段已經出現了孔位的偏移或鉆孔的偏斜，但未及時發現；最后，還可能由于鉆孔設備在定位過程中安裝不牢靠，由于受到先導孔施工拉力和扭矩的作用，導致鉆孔設備機身出現了劇烈的搖動，造成鉆孔設備偏移，形成鉆孔施工角度偏斜。

2 礦區大口徑井先導孔施工常見事故處理措施

2.1 鉆桿斷裂結構打撈

在發生上述大口徑井內施工鉆桿斷裂事故后，為杜絕發生二次事故，應當以安全、快速、靈活且經濟的基本原則，對礦區大口徑井當中殘留的鉆桿斷裂結構進行打撈。故障處理的難點在于斷裂在大口徑井中的鉆桿結構容易卡在大口徑井當中，不宜撈出。但在表層套管內，打撈相對容易，因此是該事故處理的重要突破點。由于鉆桿斷裂時，已經受到了嚴重的腐蝕，因此鉆桿頂部位置的管壁也相對更薄，在打撈過程中無法通過公錐進行打撈。因此，本文針對鉆桿斷裂結構打撈的主要處理流程為：母錐打撈、倒扣打撈鉆桿、打撈鉆頭結構，三個步驟。在進行母錐打撈時，可采用左旋螺紋Φ136mm 鉆桿、左旋螺紋MQ/PN47型母錐、導向引鞋，三種結構相結合的打撈方式，下鉆與鉆桿斷裂結構對接，待成功造扣后，進行正常旋轉，并嘗試打撈。若在實際打撈過程中鉆桿斷裂結構卡鉆嚴重，鉆桿腐蝕嚴重，則可在嘗試三次打撈無果后，重新進行造扣，并適當調配泥漿，提高打撈的攜帶能力。在打撈過程中，除卡在大口徑井中的鉆桿斷裂結構以外，其余部分的鉆具具有一定的自由度，因此通過倒扣打撈鉆桿操作，完成對這一部分結構的打撈。

圖1 倒扣打撈接頭處結構示意圖

倒扣打撈接頭處結構示意圖如圖1 所示，圖1 中A 表示為左旋螺紋PN47；B 表示為上接頭結構；C 表示為脹心方套結構；D 表示為右螺旋紋PN47；E 表示為脹心軸結構。在完成多次倒扣打撈接頭操作后，在80h 內可完成對所有鉆桿斷裂結構的打撈，此時大口徑井內仍然回升于部分用于擴孔的鉆頭結構[3]。因此，針對剩余部分，還需要進行打撈鉆頭操作。通過上述步驟完成對鉆桿斷裂結構的打撈，此時更換左旋螺紋Φ136、鉆桿以及配套結構，在導向引鞋的輔助作用下，對準鉆頭完成對接，通過反復的回轉和提拉，將大口徑井內部殘留的鉆頭全部打撈。

當發生大口徑井內施工鉆桿斷裂事故時，還會出現堵鉆的現象，針對這一問題的處理措施可分兩種方法解決。對于堵鉆較輕微的問題，可通過向大口徑井內沖洗大量清水的方法或在鉆孔設備的水龍頭位置上接入一路壓風，并以邊沖洗，邊用壓風吹的形式，將進入鉆桿內的砂石碎屑順著導孔與巖壁環境空間結構吹出。對于堵鉆較為嚴重的問題，可采用水壓或風壓攪動的方式無法將雜質排除，因此必須通過松開鉆桿，將一根較長的風管順鉆桿輸水到堵塞位置，再通過水壓或風壓反復交替將砂石碎屑排出。對于堵鉆十分嚴重的問題，往往砂石碎屑粘性較大，且堵鉆時間較長，砂石碎屑已經形成了固結現象。因此需要利用在鉆孔設備上打孔的方法，將透孔位置設置在大口徑井鉆頭位置下方0.75m 左右位置上，通過2～3 個小孔，注入大量清水對小孔進行沖洗，從而將由于事故造成的堵塞問題排除。

2.2 封閉原有鉆孔實施定向糾斜

當施工過程中出現了先導孔施工角度偏斜事故時，針對礦區不同的地層條件以及施工范圍，可選擇不同的處理措施。對于整個施工中大口徑井深度不超過50m 的工程，在處理時可不進行偏斜角度的測量，并且通常情況下很難出現偏斜超出限度的事故問題。一旦出現特殊事故情況，則可通過封閉原有鉆孔的方式，找出出現偏斜事故的主要影響因素，并在距離原始鉆孔位置超過3 倍的導孔直徑距離上，重新安裝鉆孔設備，完成先導孔施工。在安裝鉆孔設備時應當按照相應的參數要求，計算出現事故時偏斜角度的反方向預偏，從而糾正偏斜角度，達到先導孔整體偏斜滿足要求的目的。在實際操作過程中，還應當注意處理時要嚴格按照指定的鉆具布置以及相應參數設計要求完成。

針對整個施工中大口徑井深度超過120m 的高作業難度工程，在每次鉆進45m 后，都應當對偏斜角度進行測量，一旦出現偏斜角度超過施工前設定標準，或偏斜角度的變化趨勢增加過快時，則應當利用專用的螺桿鉆具、無磁鉆桿以及有線傳輸設備等，對施工作業進行定向糾斜處理，從而滿足鉆孔施工的偏斜角度要求。針對礦區地形十分復雜的區域，出現先導孔施工角度偏斜事故后，需要采用定向鉆孔設備進行鉆進超前導孔，利用超前導孔具備的導向作用，在確保導孔鉆進精度的前提條件下，進行先導孔刷大作業，并在最后完成反方向的擴孔施工操作，從而提高礦區大口徑井先導孔施工的成井速度和成井質量。

3 結語

在礦區開采過程中，采用大孔徑先導孔施工技術具有高效、安全、作業強度低等優勢，因此得到了廣泛應用，但同時一種機械或工藝無法解決所有的施工問題，尤其是針對礦區地層條件較為特殊的施工項目，在施工前為避免出現事故問題，應當對礦區進行充分的地質適應性和工程適應性的綜合勘探，并適當進行風險評估。礦山企業要想取得良好的鉆井效果，不僅應當具備優質的施工設備，同時還應當根據實際情況制定合理的鉆井方案。除本文上述對各類常見施工事故的分析原因以外，影響鉆井成功與否的原因還包括施工人員的技術水平、敬業程度以及處理事故的能力。