套銑打撈技術(shù)在多分支定向長鉆孔事故中的應(yīng)用

曹 陽 朱亞飛

（1.河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600；2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001）

近年來，隨著煤炭開采強度和開采深度的日益增大，煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1]，準(zhǔn)確掌握煤層瓦斯參數(shù)對消除煤層突出危險性等災(zāi)害治理顯得尤為重要。針對單一中厚煤層，底板多分支定向長鉆孔結(jié)合“定點取樣”技術(shù)在一定程度上可以做到煤層消突問題，并已在許多礦井進行推廣應(yīng)用[2-3]。但在底板多分支定向長鉆孔施工過程中經(jīng)常遇到鉆孔事故，鉆孔事故的成功處理為以后的多分支定向長鉆孔施工積累經(jīng)驗，對多分支定向長鉆孔的進一步推廣應(yīng)用具有實踐參考意義。

目前，煤礦井下定向鉆孔事故處理方法，主要有強力回轉(zhuǎn)起下鉆法、絲錐打撈法、采掘打撈法以及套銑打撈法等[4]。套銑打撈技術(shù)在煤礦井下適用于處理鉆進過程中由于塌孔或是返渣不暢而導(dǎo)致的卡鉆事故[5-7]，或是鉆具斷裂后，斷裂點前后失效鉆具并未分離的工況。套銑打撈技術(shù)與回轉(zhuǎn)鉆進相似，即利用孔內(nèi)失效鉆具的導(dǎo)向作用，使用打撈鉆具回轉(zhuǎn)鉆進，將卡鉆點疏通，達(dá)到打撈事故鉆具的目的。若是處理斷鉆事故，則需鉆進至螺桿馬達(dá)彎頭處，利用彎頭與打撈鉆桿軸心之間存在的角度，借助孔底反力套住孔底鉆具并將其取出[8]。

在套銑打撈鉆具選擇時，定量計算鉆孔彎曲孔段通過性并選定套銑鉆具組合多采用單指標(biāo)法，在實際應(yīng)用中不能完全符合現(xiàn)場實際情況[8-10]。本文選定陳四樓煤礦2803 下順槽多分支定向長鉆孔為試驗鉆孔，結(jié)合其具體施工條件，詳細(xì)計算鉆孔彎曲孔段通過性相關(guān)的多個參數(shù)，綜合判定套銑打撈技術(shù)在實際應(yīng)用中的可行性，為成功打撈事故鉆具提供理論支撐。

1 試驗工作面定向鉆孔施工情況

1.1 定向鉆孔施工條件

試驗工作面所屬煤層厚度1.10～3.70 m，平均厚度2.75 m；直接底為泥巖，厚度1.58～6.79 m，平均4.67 m；基本底為細(xì)砂巖，淺灰色，厚度2.92～18.96 m，平均厚度16.41 m。試驗工作面兩順槽掘進方向煤層傾角1°～16°，平均5°，整體坡度較緩。

根據(jù)試驗工作面地質(zhì)條件，多分支定向鉆孔主孔布孔層位位于底板細(xì)砂巖內(nèi)，距離煤層底板大于7 m 位置，鉆孔傾角與煤層傾角保持一致；臨近取樣點，定向鉆孔向上調(diào)整傾角，進入煤層后，配合定點取樣裝置進行煤層取芯；后繼續(xù)鉆進，見煤層頂板后，退至傾角調(diào)整處開分支，進行下一分支施工。

定向鉆機采用ZDY12000LD 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機，水箱采用3 m3容積，鉆具組合采用Φ120 mm 定向鉆頭（Φ120/169 mm 擴孔鉆頭）+Ф89 mm 螺桿馬達(dá)+Ф89 mmYHD2-1000（A）泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)+Φ89 mm×1.5 m 鉆桿+……+Ф89 mm 螺旋鉆桿+水便。

1.2 事故鉆孔施工情況

事故鉆孔在鉆進過程中未發(fā)現(xiàn)明顯異常情況。事故鉆孔累計施工5 個分支孔，最大孔深350 m。施工過程中1#、2#分支各穿煤8 m，由于塌孔嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)穿煤，取芯后施工下一個分支；3#分支鉆遇斷層，穿煤1.5 m 見頂后退鉆開4#分支，4#分支穿煤基本正常，穿煤31 m 見頂退鉆；5#分支鉆進至342 m 見煤，煤孔施工8 m 時，鉆機出現(xiàn)卡鉆。詳細(xì)施工統(tǒng)計見表1。

表1 事故鉆孔施工統(tǒng)計表 m

5#分支在孔深216 m 處開分支，施工至孔深342 m 見煤，采用復(fù)合鉆進并配以沖洗液排渣鉆進至孔深347 m 時出現(xiàn)蹩泵，后退鉆具來回掃孔后恢復(fù)正常；接鉆桿后繼續(xù)復(fù)合鉆進穿煤至350 m，停泵測量數(shù)據(jù)（約2 min）后繼續(xù)加接鉆桿準(zhǔn)備鉆進；開泵后出現(xiàn)蹩泵，蹩壓上升至10 MPa，立即關(guān)泵回轉(zhuǎn)后退鉆具，后退阻力大，緩慢回轉(zhuǎn)后退3 m 之后出現(xiàn)卡鉆；二泵（小功率）提供回轉(zhuǎn)壓力，不能旋轉(zhuǎn)，一泵（大功率）提供起拔壓力，起拔不動，改用一泵提供回轉(zhuǎn)壓力和起拔壓力，鉆具仍不能旋轉(zhuǎn)和起拔，確定孔內(nèi)卡鉆。

根據(jù)5#分支巖孔段、煤孔段施工過程中的鉆壓、鉆速和泵壓等鉆進工藝參數(shù)變化以及卡鉆事故發(fā)生時間來分析判斷，基本判斷鉆孔煤孔段貼近底板鉆進，卡點鄰近煤巖交界處，包括見煤前的泥巖孔段10 m 左右，以及煤孔段5 m，總計約15 m，即卡鉆范圍在332～347 m。如圖1。

圖1 事故鉆孔預(yù)計卡鉆范圍示意圖

2 卡鉆事故處理

2.1 打撈方案選擇

初步處理，選擇強力回轉(zhuǎn)起下鉆法?，F(xiàn)場穩(wěn)固鉆機，采用一泵小扭矩回轉(zhuǎn)起拔，長時間處理后，鉆具無松動跡象；采用一泵大扭矩回轉(zhuǎn)起拔，發(fā)生鉆機前頂壓柱松動，鉆機偏移導(dǎo)致孔口兩根Ф89 mm 鉆桿折彎；更換新鉆桿后，重新穩(wěn)固鉆機，繼續(xù)采用“回轉(zhuǎn)—起拔”反復(fù)組合模式處理孔內(nèi)卡鉆，回轉(zhuǎn)壓力和起拔壓力均達(dá)到25 MPa，孔內(nèi)鉆具仍未松動。

考慮到前期打撈工作效果和難度，且孔內(nèi)鉆桿未發(fā)生“折斷”現(xiàn)象，鉆機可以與事故鉆具進行連接，決定采用套銑打撈方案。

2.2 套銑打撈處理

2.2.1 套銑參數(shù)計算

在選用套銑鉆具時，為防止套銑鉆桿在通過鉆孔彎曲段時發(fā)生折斷，需要考慮其彎曲應(yīng)力強度是否大于鉆孔的彎曲強度，即進行鉆孔彎曲強度和套銑鉆桿彎曲段通過性計算[9-10]。

1）鉆孔彎曲強度

在三維空間中，定向鉆孔在軌跡變化時，傾角和方位角均發(fā)生了變化，其變化強烈程度均由彎曲強度來量化表示，即鉆孔單位軸向長度傾角和方位角變化度數(shù)。一般由全彎曲強度來表示定向鉆孔軌跡的彎曲強度。全彎曲強度i計算公式為：

式中：i為全彎曲強度，°/m；α1、α2為鉆孔軌跡兩測點的傾角，（°）；θ1、θ2為鉆孔軌跡兩測點的方位角，（°）；ΔL為鉆孔軌跡兩測點軸線長度，m。

2）彎曲孔段通過性

安全通過鉆孔的彎曲孔段是套銑打撈技術(shù)實際應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為保證其安全效果，要求套銑鉆桿在鉆進過程中受到的彎曲應(yīng)力不超過鋼材的屈服極限，且套銑鉆桿的鉆孔曲率大于鉆孔的鉆孔曲率。目前，在彎曲孔段通過性計算中，可以采用套銑鉆桿的鉆孔曲率[11-12]和滿足一定曲率半徑條件的單根套管長度、拉力[13]等指標(biāo)來定量判斷。

套銑鉆桿的鉆孔曲率計算公式如下：

式中：Cm為套銑鉆桿最大鉆孔曲率，°/30 m；σs為套銑鉆桿管體鋼材的屈服強度，MPa；D0為套銑鉆桿管體外徑，m；K1為安全系數(shù)；K2為螺紋應(yīng)力集中系數(shù)。

式中：CmP為修訂后套銑鉆桿最大鉆孔曲率，°/30 m；Pj為套銑鉆桿螺紋連接強度，kN；Pe為套銑鉆桿的有效軸向應(yīng)力，kN；D0為套銑鉆桿管體外徑，cm；K為因素影響（螺紋應(yīng)力集中等）系數(shù)；A為套銑鉆桿管體截面積，cm2。

單根套銑鉆桿長度計算公式如下：

式中：L為單根套銑鉆桿長度，m；R為鉆孔彎曲孔段曲率半徑，m；Db為套銑鉆孔直徑，m。

套銑鉆桿曲率產(chǎn)生的拉力的經(jīng)驗公式如下：

式中：Tb為拉力，kN。

3）參數(shù)計算

① 套銑鉆桿的鉆孔曲率計算

本次套銑打撈鉆具預(yù)計為Ф153/100 mm 套銑鉆頭和Ф127 mm×3000 mm 套銑鉆桿，鉆桿鋼材的屈服強度為987.015 MPa，內(nèi)徑為Ф120 mm，螺紋連接強度為1700 kN，有效軸向應(yīng)力為50 kN，安全系數(shù)K1、螺紋應(yīng)力集中系數(shù)K2、因素影響系數(shù)K分別取值1.8、3.0、1.65。將各參數(shù)代入式（2）、（3）、（4）、（5），得到結(jié)果并轉(zhuǎn)換單位。即套銑鉆桿最大鉆孔曲率和修訂后套銑鉆桿最大鉆孔曲率為0.80°/m 和1.66°/m，套銑鉆孔在鉆孔彎曲孔段允許通過的單根鉆桿長度為23.31～36.45 m，套銑鉆桿曲率產(chǎn)生的拉力103.74～248.94 kN。

② 鉆孔彎曲孔段參數(shù)計算

5#分支從孔深216 m 處開分支，在垂直方位上，鉆孔在煤層底板鉆進，軌跡逐漸與煤層底板平行。之后，鉆孔軌跡開始上升直至進入煤層。在水平方位上，逐漸達(dá)到預(yù)定寬度即可，變化范圍較小。5#分支鉆孔傾角和方位角變化如圖2。

圖2 5#分支鉆進軌跡參數(shù)變化圖

從圖2 可以看出，5#分支在鉆進過程中，傾角和方位角的變化趨勢基本一致，均呈“雙V”型變化。變化劇烈段有4 段，即彎曲孔段有4 段，計算此4 段彎曲孔段通過性指標(biāo)參數(shù)見表2。

表2 彎曲孔段通過性指標(biāo)參數(shù)計算表

③ 鉆孔彎曲孔段通過性判定

根據(jù)以上計算，套銑鉆桿最大鉆孔曲率和修訂后套銑鉆桿最大鉆孔曲率（0.80° /m 和1.66° /m）均大于彎曲孔段的彎曲強度（0.17～0.42° /m）；套銑鉆孔允許通過的單根鉆桿長度（23.31～36.45 m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)計套銑鉆桿長度（3 m）；套銑鉆桿通過各彎曲孔段時在連接處產(chǎn)生的拉力（103.74～248.94 kN）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉆桿螺紋連接強度（1700 kN）。以此判定，套銑打撈鉆具（Ф153/100 mm 套銑鉆頭和Ф127 mm×3000 mm 套銑鉆桿）能夠滿足套銑打撈試驗需要。

2.2.2 套銑打撈試驗

1）將鉆機上Ф89 mm 鉆桿卸掉，更換Ф178 mm 卡盤和夾持器卡瓦，拆除孔口四通，重新穩(wěn)固鉆機；采用Ф178 mm 套管套取孔口管鉆具組合將Φ159 mm 套管10 m 全部套出。

2）重新穩(wěn)固鉆機，更換Ф127 mm 卡盤和夾持器卡瓦，采用Ф127 mm 套銑鉆具組合套銑至卡鉆深度。套銑鉆具在鉆進過程中采用低轉(zhuǎn)速低壓力鉆進，鉆機轉(zhuǎn)速保持30 r/min；回轉(zhuǎn)壓力基本不超過15 MPa，在330 m 處鉆孔開始穿越軟巖層時，回轉(zhuǎn)壓力達(dá)到16 MPa；給進壓力基本保持在6～7 MPa。

3）套銑至卡鉆深度之后，回轉(zhuǎn)壓力迅速減小，來回拉動鉆桿，給進壓力并未太大變化，套銑鉆桿內(nèi)鉆桿出現(xiàn)松動。先提出套銑打撈鉆具，提鉆前期被套鉆具會隨著套銑鉆具同時提出，套銑鉆具采取鉆機回轉(zhuǎn)方式拆卸，被套鉆具采取人工拆卸，提出所有套銑鉆具。

4）鉆桿完全進入硬巖鉆孔后，更換Ф89 mm卡盤和夾持器卡瓦，重新穩(wěn)固鉆機，提出孔內(nèi)所有被套鉆具，套銑打撈工作結(jié)束。

3 結(jié)論

通過對定向鉆孔施工過程中發(fā)生的事故鉆孔進行分析和參數(shù)計算，選取打撈方案并試驗成功。

1）根據(jù)鉆孔地質(zhì)條件和卡鉆事故發(fā)生前后施工參數(shù)進行分析，判斷卡鉆范圍在332～347 m。結(jié)合試驗現(xiàn)場打撈鉆具實際情況，確定套銑打撈方案。

2）針對預(yù)計套銑打撈鉆具的固有參數(shù)，計算事故鉆孔彎曲孔段通過性，判定Ф153/100 mm 套銑鉆頭和Ф127 mm×3000 mm 套銑鉆桿能夠滿足打撈需要。

3）通過回轉(zhuǎn)壓力和給進壓力的變化，采用低轉(zhuǎn)速低壓力套銑鉆進，成功打撈出事故鉆具。