導(dǎo)向母錐在水文地質(zhì)鉆孔斷鉆桿事故處理中的應(yīng)用

裴森龍，李博，李高，侯朝勇

（1.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

0 引言

鉆探施工過(guò)程中受主觀人為因素或客觀地層因素影響，時(shí)有卡鉆、跑鉆、燒鉆、埋鉆以及斷鉆桿等孔內(nèi)事故發(fā)生，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度并造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失（王達(dá)等，2007；蔣偉祥和倪鑫，2009；王達(dá)和何遠(yuǎn)信，2014；宋世杰等，2016；孫建華等，2017）。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，大口徑鉆孔在礦山環(huán)境恢復(fù)治理回填、礦井事故救援、煤礦瓦斯排放、水文地質(zhì)等方面應(yīng)用日益廣泛（杜兵建，2009；楊引娥，2013；楊濤和杜兵建，2017）。在大口徑鉆孔施工時(shí)，鉆桿和鉆孔之間的環(huán)狀間隙較大，由于鉆桿質(zhì)量缺陷、金屬疲勞老化或施工人員操作不當(dāng)?shù)仍蚋菀讓?dǎo)致斷鉆桿事故發(fā)生（姜光忍等，2009；龐少青等，2013；田志超等，2017）。大口徑鉆孔斷鉆桿事故中因鉆具和鉆孔之間的間隙大，鉆桿事故頭經(jīng)常產(chǎn)生貼壁現(xiàn)象，使得事故的處理難度加大，常規(guī)的公錐、母錐等打撈工具往往無(wú)法有效地處理事故（程林等，2020），應(yīng)及時(shí)分析事故原因并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況因地制宜采取有效的措施妥善處理，避免造成額外的損失（劉瑞琪，1982）。

在山西省太原市的一次水文地質(zhì)鉆孔施工中發(fā)生一起斷鉆桿事故，該事故具有鉆孔口徑大、鉆桿與鉆孔之間環(huán)空間隙大等特點(diǎn)，鉆桿在事故后產(chǎn)生貼壁現(xiàn)象，打撈事故頭困難，鉆探技術(shù)人員使用自制的導(dǎo)向母錐打撈工具成功處理了該事故，最終鉆孔得以順利終孔，挽回了一定的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)此類(lèi)環(huán)空間隙較大的孔內(nèi)斷鉆桿事故的處理可以起到一定的借鑒和啟發(fā)作用。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

SZK1水文地質(zhì)鉆孔位于山西省太原市小店區(qū)劉家堡鄉(xiāng)西里解村，工作區(qū)交通便利。太舊高速公路、東山過(guò)境高速公路、南過(guò)境高速公路、108國(guó)道、208國(guó)道、大運(yùn)路、石太線(xiàn)、南同蒲鐵路等公路、鐵路交通干線(xiàn)縱橫交錯(cuò)，連接全省各地，太原至澳門(mén)高速公路太原至長(zhǎng)治段出入口也在小店區(qū)。施工鉆孔隸屬于太原-晉中城市群活動(dòng)斷層及資源環(huán)境綜合地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，設(shè)計(jì)該鉆孔的目的是為了查明區(qū)域內(nèi)水資源與質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)造條件、含水層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件，查明中深層地下水資源量，評(píng)價(jià)地下水資源開(kāi)發(fā)潛力。

鉆孔施工地層為第四系，水位19.87 m。全孔鉆經(jīng)全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)，代表性巖心照片見(jiàn)圖1，詳細(xì)地層巖性情況如下：

圖1 太原市小店區(qū)SZK1鉆孔代表性巖心照片

全系統(tǒng)：巖性以亞砂土為主，河流在出山口不遠(yuǎn)堆積巨大的漂石、卵石及砂礫石，河床底部為基巖或上新統(tǒng)紅土、灰綠色粘土，接近邊山丘陵區(qū)為亞砂土夾礫砂，厚度35 m左右。

上更新統(tǒng)：巖性為褐黃、灰黑和黃紅色亞砂土、亞粘土夾砂礫石，結(jié)構(gòu)較疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，表面經(jīng)風(fēng)化呈微紅色，厚度45 m左右。

中更新統(tǒng)：巖性為灰黃色粘土、亞粘土、亞砂土、灰黑色粉細(xì)砂和中砂以及部分卵石、礫砂，穩(wěn)定性比上更新統(tǒng)地層差，厚度為70 m左右。

下更新統(tǒng)：以灰、灰黑、灰黃色粘性土為主夾薄層粉細(xì)砂層，厚度50 m左右。

SZK1鉆孔設(shè)計(jì)深度200 m，鉆孔傾角90°。取心鉆探施工采用的工藝為小口徑正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，取心方式為單管提鉆取心，使用泥漿護(hù)壁；成井方法為在小口徑取心孔的基礎(chǔ)上大口徑正循環(huán)擴(kuò)孔成井，使用泥漿護(hù)壁。取心孔徑設(shè)計(jì)為Φ127 mm，成井孔徑設(shè)計(jì)為Φ300 mm。終孔后按要求進(jìn)行物探測(cè)井并下入濾水管進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

1.2 施工設(shè)備

鉆孔施工采用XY-5型車(chē)載式立軸鉆機(jī)（圖2），該鉆機(jī)具有扭矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬、地層適應(yīng)性廣、處理事故能力強(qiáng)、搬遷方便等優(yōu)點(diǎn)，鉆機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 XY-5型車(chē)載式立軸鉆機(jī)主要性能參數(shù)表

圖2 XY-5型車(chē)載鉆機(jī)

2 事故概況及事故原因分析

2.1 事故概況

2019年8月27日SZK1鉆孔Φ127 mm口徑取心鉆進(jìn)開(kāi)孔，2019年9月3日鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深后終孔，終孔孔深201.71 m。2019年9月21日Φ300 mm口徑擴(kuò)孔鉆進(jìn)開(kāi)鉆，2019年9月28日鉆進(jìn)至160.15 m孔深時(shí)發(fā)生斷鉆桿事故，事故頭位于122.21 m孔深處，第26根單根與第27根單根上部接手連接處螺紋擰斷（圖3）。

圖3 打撈上的鉆桿事故頭

事故發(fā)生后立即將事故鉆桿提出鉆孔，孔內(nèi)剩余8根單根鉆桿及一根3 m長(zhǎng)鉆具和60 cm長(zhǎng)自制擴(kuò)孔鉆頭組合。因鉆孔擴(kuò)孔口徑為Φ300 mm，配套使用的鉆桿為Φ60 mm鉆桿，鉆桿與鉆孔孔壁環(huán)狀間隙較大，斷鉆桿后孔內(nèi)事故頭容易向孔壁偏斜，導(dǎo)致多次下入母錐嘗試打撈事故頭失敗。

2.2 事故原因分析

結(jié)合施工實(shí)際情況分析，導(dǎo)致此次斷鉆桿事故發(fā)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）擴(kuò)孔時(shí)使用的鉆桿尺寸與擴(kuò)孔口徑不配套，大口徑擴(kuò)孔時(shí)鉆桿承受的扭矩大，該鉆孔擴(kuò)孔口徑為Φ300 mm，而事故發(fā)生時(shí)使用的鉆桿直徑為Φ60 mm，抗扭剛度小，應(yīng)使用Φ73 mm以上的鉆桿進(jìn)行擴(kuò)孔。

（2）現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆桿使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，部分鉆桿老化，尤其螺紋處因反復(fù)擰卸已發(fā)生金屬疲勞過(guò)度磨耗，一旦扭矩過(guò)大容易發(fā)生折斷（李繼文等，2010；王廷睿等，2011；李孔榮，2015）。

（3）現(xiàn)場(chǎng)操作人員責(zé)任心不強(qiáng)（李振學(xué)，2002；李偉雄，2016），沒(méi)有仔細(xì)檢查每根鉆桿，致使“帶病”鉆桿下入孔內(nèi)，導(dǎo)致事故發(fā)生。

（4）施工地層主要為粘土層，地層較軟，擴(kuò)孔時(shí)未能控制好鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)尺速度過(guò)快，發(fā)生強(qiáng)扭現(xiàn)象導(dǎo)致鉆桿折斷。

3 事故處理經(jīng)過(guò)

吸取前幾次打撈失敗的教訓(xùn)，并對(duì)孔內(nèi)狀況及打撈過(guò)程進(jìn)行多次模擬分析，認(rèn)為前幾次打撈失敗主要是由于鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙較大，導(dǎo)致斷鉆桿事故發(fā)生后孔內(nèi)事故鉆桿發(fā)生傾斜，常規(guī)的母錐無(wú)法精確找到事故頭,并將事故頭吃入母錐體內(nèi)，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)成功打撈（姜同升等，2013；李孔榮，2015）。總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)狀況，決定針對(duì)大口徑鉆孔設(shè)計(jì)一種帶有導(dǎo)正裝置的新型母錐，通過(guò)導(dǎo)向筒裝置減小環(huán)空間隙增加打撈工具的搜索面積，從而將事故頭順利地由喇叭口處引導(dǎo)至母錐內(nèi)部，進(jìn)一步利用母錐造扣并打撈事故鉆桿。

3.1 導(dǎo)向母錐制作加工

3.1.1 導(dǎo)向母錐設(shè)計(jì)及材料準(zhǔn)備

導(dǎo)向母錐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為普通Φ60 mm母錐椎體上連接大口徑錐形導(dǎo)向筒，導(dǎo)向筒上預(yù)留3～4個(gè)水口，整體結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)加工和使用。

為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用效果，錐形導(dǎo)向筒直徑應(yīng)與鉆孔直徑相匹配，直徑過(guò)大可能造成打撈工具下入孔內(nèi)時(shí)發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，直徑過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法有效將事故頭成功引導(dǎo)至母錐內(nèi)部。SZK1水文地質(zhì)鉆孔斷鉆桿事故頭位置擴(kuò)孔口徑為Φ300 mm，為使母錐可以順利下入孔內(nèi)，錐形桶喇叭口處（錐形桶最大直徑位置）直徑設(shè)計(jì)為Φ220 mm左右。

錐形桶加工原材料選用現(xiàn)場(chǎng)易于獲取的3～4 mm厚的鐵皮板，厚度適中不易變形，且方便現(xiàn)場(chǎng)焊接。

3.1.2 導(dǎo)向母錐加工

（1）將普通Φ60 mm母錐椎體與配套的鉆桿轉(zhuǎn)換接手連接緊密。

（2）將3～4 mm的鐵皮板用切割機(jī)切割成若干塊梯形形狀，梯形塊高度200 mm左右，上下底寬度視實(shí)際情況而定，不宜過(guò)寬，將梯形塊彎卷成適當(dāng)弧度的圓弧形。

（3）將多塊梯形鐵皮板拼湊好并焊接成錐形，焊接過(guò)程中及時(shí)調(diào)整梯形塊大小和弧度，使得最終焊接成型的錐形桶喇叭口外徑為220 mm左右，錐形桶小徑處直徑略大于母錐外徑。

（4）將焊接成型的錐形桶與母錐椎體連接并焊接牢固，焊接完成后使用角磨機(jī)將錐形桶打磨光滑，以免在起下鉆過(guò)程中與孔壁產(chǎn)生刮蹭。全部加工完成后對(duì)導(dǎo)向椎體的焊接強(qiáng)度進(jìn)行檢查，確保打撈工具的使用可靠性。現(xiàn)場(chǎng)加工完成的導(dǎo)向母錐如圖4所示。

圖4 導(dǎo)向母錐

3.2 斷鉆桿事故處理

事故處理前首先準(zhǔn)確確定事故頭具體位置位于122.21 m孔深處，并仔細(xì)檢查每一根準(zhǔn)備下入孔內(nèi)的鉆桿性能，尤其是最薄弱的絲扣位置的狀態(tài)，切忌將破損鉆桿再次下入孔內(nèi)發(fā)生二次事故。

在母錐絲扣處涂抹黃油后，將導(dǎo)向母錐與鉆桿連接可靠，下入孔內(nèi)。下鉆時(shí)放慢速度，保持鉆桿穩(wěn)定，防止導(dǎo)向母錐喇叭口在下鉆過(guò)程中掛蹭孔壁，導(dǎo)致巖屑掉落孔底發(fā)生埋鉆。在距事故頭1 m左右時(shí)停止下鉆，開(kāi)泥漿泵循環(huán)，緩慢下降鉆桿至導(dǎo)向母錐到達(dá)事故頭位置，多次轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿搜索后，將事故頭慢慢引導(dǎo)至喇叭口內(nèi)并進(jìn)入母錐椎體，用管鉗扳動(dòng)鉆桿輕壓慢轉(zhuǎn)造扣。

需要特別注意的是不能一次造扣到位，防止孔內(nèi)事故鉆桿發(fā)生埋鉆現(xiàn)象無(wú)法上提鉆桿時(shí)，因吃扣過(guò)多導(dǎo)致打撈工具無(wú)法脫扣增加進(jìn)一步處理事故的難度。初始造扣時(shí)應(yīng)先少量造扣，吃扣后嘗試提鉆弄清孔內(nèi)鉆桿狀況，若能夠提起則進(jìn)一步造扣，當(dāng)有明顯吃扣跡象時(shí)，開(kāi)機(jī)掛低檔利用立軸稍加壓繼續(xù)慢轉(zhuǎn)吃扣，造扣深度足夠時(shí)提鉆打撈，完成事故處理工作。若無(wú)法提鉆則孔底已發(fā)生埋鉆現(xiàn)象，需要采取擴(kuò)孔等其他措施處理事故。SZK1鉆孔未發(fā)生埋鉆現(xiàn)象，造扣后完成后成功處理了該起斷鉆桿事故。

4 討論

該起大口徑水文地質(zhì)鉆孔斷鉆桿事故通過(guò)在鉆孔內(nèi)下入自制的錐形導(dǎo)向母錐打撈工具得以處理成功，研究此次事故處理方法及過(guò)程，取得了一些經(jīng)驗(yàn)，但仍有一些不足之處可以進(jìn)一步完善：

（1）SZK1鉆孔通過(guò)自制錐形母錐導(dǎo)向筒完成了事故頭的搜索與扶正，事實(shí)上搜索過(guò)程并不輕松，在類(lèi)似事故處理時(shí)采用打撈偏鉤（圖5）（周全興，2002；程林等，2020）配合導(dǎo)向筒更容易搜索到事故頭，可在導(dǎo)向母錐導(dǎo)向筒上加接打撈偏鉤，使用時(shí)將打撈偏鉤下入至事故頭下1 m左右位置，旋轉(zhuǎn)打撈偏鉤扶正事故鉆桿然后使事故頭順著導(dǎo)向筒進(jìn)入母錐內(nèi)部進(jìn)一步造扣提鉆。

圖5 打撈偏鉤示意圖（據(jù)程林等，2020）

（2）事故處理使用的導(dǎo)向筒使用不當(dāng)容易在下鉆過(guò)程中刮蹭孔壁產(chǎn)生大量巖屑，存在埋鉆風(fēng)險(xiǎn)，可以對(duì)導(dǎo)向母錐錐形導(dǎo)向筒進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，將導(dǎo)向筒喇叭口邊緣設(shè)計(jì)為向上翻卷的圓弧形，減少下鉆過(guò)程中刮蹭孔壁產(chǎn)生的巖屑，降低埋鉆風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論與建議

（1）斷鉆桿事故多發(fā)生在絲扣連接處，施工中應(yīng)使用加工工藝好、材料強(qiáng)度高且與鉆孔孔徑相匹配規(guī)格的鉆桿。鉆孔事故重在預(yù)防，在日常鉆探施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鉆機(jī)、鉆桿等設(shè)備管材的維修、保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題應(yīng)及時(shí)維修，損耗嚴(yán)重的鉆桿做好標(biāo)記，嚴(yán)禁下入孔內(nèi)。

（2）斷鉆桿事故發(fā)生后切忌盲目處理，首先要詳細(xì)了解事故發(fā)生的原因和事故頭的具體位置，制定好詳細(xì)的處理方案后再打撈，以免處理不當(dāng)造成事故惡化。

（3）導(dǎo)向母錐配合打撈偏鉤使用可以很好地解決因鉆孔環(huán)空間隙大而無(wú)法找到事故頭的問(wèn)題，在處理類(lèi)似大口徑斷鉆具、鉆桿事故中可以得到很好的應(yīng)用。在初始造扣時(shí)應(yīng)利用工具人工旋轉(zhuǎn)鉆桿少量造扣后試提鉆弄清孔底鉆桿狀況后再進(jìn)一步處理，不宜一次造扣到位以免孔底埋鉆情況下無(wú)法脫扣增加后續(xù)處理的難度，造扣時(shí)嚴(yán)禁開(kāi)車(chē)高速旋轉(zhuǎn)，防止將打撈工具折斷。

（4）導(dǎo)向筒的喇叭口邊緣建議設(shè)計(jì)為向上翻卷的圓弧形，減少下鉆過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑，降低處理過(guò)程中的埋鉆風(fēng)險(xiǎn)。