煤矿井下定向钻孔常见孔内事故预防与处理

管强盛，杨慧琳

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077；2.成都理工大学，四川成都610059）

煤矿井下定向钻孔常见孔内事故预防与处理

管强盛1，杨慧琳2

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077；2.成都理工大学，四川成都610059）

基于煤矿井下定向钻进事故处理理论知识与实践经验，介绍了煤矿井下定向钻进常见的孔内事故类型，根据事故发生特点及规律将常见的孔内事故归纳为卡钻、钻具断落等2大类7个亚类。通过分析不同事故类型的事故成因、事故特点及施工特点，在本着“安全、快捷、科学、经济”原则的基础上提出了相应的预防与处理措施，包括强力活动钻具工艺、公锥打捞工艺、母锥打捞工艺和套铣打捞（全孔套铣打捞或局部套铣打捞）工艺等，旨在为更好地服务于煤矿井下定向钻进施工提供一定的依据。

煤矿；公锥打捞；母锥打捞；套铣打捞

近年来，随着定向钻进技术在煤矿井下瓦斯抽采、探放水及顶底板注浆施工中的不断推广和应用，钻孔深度越来越深、钻遇的复杂地层越来越多，发生各种孔内事故的概率也越来越高，这些事故的发生不仅影响了施工进度，而且处理事故更是耗费了大量的人力和物力，有些孔内事故经过多次处理仍无法成功，导致经济损失严重。因此，必须对此引起高度重视，积极预防，科学处理。

1 常见孔内事故类型

目前，实际施工中煤矿井下定向钻孔施工过程中常见的孔内事故类型主要分为卡钻和钻具断落事故，具体类型如表1所示。

表1 煤矿井下定向钻孔常见孔内事故类型

2 常见孔内事故预防与处理

孔内事故的发生往往具有突然性和隐蔽性，在预防和处理的过程中，要明确不同事故类型的成因和发生规律，在“安全、快捷、科学、经济”原则的基础上提出相应的预防和处理措施。

2.1 卡钻事故预防与处理

在定向钻施工中，在钻进、起下钻、加接单根、调整工具面或循环冲孔过程中都有可能发生，目前，常见的卡钻类型有孔壁坍塌卡钻、缩径卡钻和沉渣卡钻。

2.1.1 孔壁坍塌卡钻

孔壁坍塌卡钻是由于孔壁失稳发生坍塌造成的卡钻事故，孔壁坍塌卡钻往往具有突然性、可预见性差、卡钻孔段不易确定等特点，处理事故难度大。

2.1.1.1 事故成因

造成孔壁坍塌的原因有很多，地层自身条件差，未胶结或胶结性差，存在构造破碎带以及断层破碎带、节理发达和易水化膨胀等都容易引起孔壁坍塌；工艺方面，钻进过程中冲洗介质的选择、冲洗液排量的设定、钻具组合、轨迹控制情况以及钻进参数的选择都会对钻孔的稳定性造成影响[2]。

2.1.1.2 事故预防措施

事故预防措施有以下4条：①做好施工前信息准备。对于即将施工的定向钻孔，要查明施工地点的地质资料，充分了解当地的地层特点；了解施工地点附近有无施工钻孔，如果有，则查明其施工情况，为后续的施工设计和实施做好准备。②合理布置钻孔。在满足钻孔施工需要的前提下，尽量将钻孔布置在避开断层、节理发育、陷落柱、泥页岩层、高低压等异常区域。③合理选择钻进工艺。针对不同的地层和孔段选择合适的冲洗液类型和泥浆泵排量，减少冲洗液对孔壁的侵蚀和冲刷以及螺杆马达过大的振动；合理的钻具组合和轨迹控制以及钻进参数能减少钻具对孔壁的扰动，这对于预防孔壁坍塌是必要的。④做好对孔内异常的预判。钻进过程中应注意钻机相关压力变化情况以及孔口返水的变化情况，当出现泥浆泵压力、起拔、给进、回转异常升高或孔口有大块颗粒冲出时，应立即停钻后退钻具分析原因，并及时采取处理措施。

2.1.1.3 事故处理措施

事故处理措施有以下4点：①强力起拔与回转工艺。在发生卡钻事故初期，应先采用强力起拔与回转工艺处理，采用快速正转加快速起拔然后同时快速释放的方法，使钻具在钻机的拉力和扭矩作用下迅速产生弹性形变，而后又在弹力作用下迅速收缩，从而实现对卡点的震击，使钻具松动而解卡[3-4]。采用强力起拔与回转工艺时要特别注意事先要了解清楚钻具的最大抗弯、抗拉强度，在钻具合理的受力范围内进行强力起拔与回转，防止钻具机械破坏而断裂。②套铣打捞。在强力起拔与回转处理无效的情况下，可选择采用套铣打捞方法对事故钻具进行处理，处理时采用专用的套铣打捞钻具，采用回转钻进工艺套取孔内事故钻具，套铣打捞工艺原理如图1所示。套铣打捞钻具由于其壁厚的限制，其强度有限，在选择套铣打捞工艺时要充分考虑钻孔弯曲强度与套铣钻具抗弯强度之间的关系，避免由于弯曲强度过大而导致套铣钻具发生断裂而出现二次事故。③倒扣+反丝钻杆打捞。在以上方法均无效的情况下，可以反转使钻具倒扣，提出倒扣处至孔口段的钻具，再根据孔内钻具情况选用相应的反丝公锥或者反丝母锥，并配合反丝钻杆对孔内剩余钻具进行打捞。由于倒扣位置无法确定且打捞时无法控制捞取钻杆数量，反丝打捞的工序可能会很漫长，所以，在采用此工艺前应充分考虑其时间和经济可行性。④采掘打捞。在通过各种办法对事故钻具进行处理仍无法成功的情况下，可考虑将事故钻具标定好位置后留待后期通过煤层开采或巷道掘进将钻具取出。

套铣打捞示意图如图1所示。

图1 套铣打捞示意图

2.1.2 缩径卡钻

缩径是指已钻孔段的孔径小于所使用的钻头直径，即孔径缩小的现象。缩径现象常发生在遇水易水化膨胀的泥页岩地层以及结构强度低的软泥岩地层。由于其发展较慢，有明显征兆，所以，预防起来比坍塌卡钻容易。

2.1.2.1 事故成因

事故成因有以下2个：①泥页岩遇水膨胀。泥页岩地层，特别是以钠蒙脱石为主的泥页岩，遇水后易发生水化膨胀，导致钻孔缩径。②软泥岩塑性变形。未固结的黏土或一些含水软泥岩由于其自身结构强度低，钻孔被钻开后，原始地应力重新分布，一旦剪切应力大于胶结强度，便会发生塑性变形，发生钻孔缩径[5]。缩径卡钻事故原理如图2所示。

2.1.2.2 事故预防措施

事故预防措施有以下5条：①尽量避开缩径泥岩层。通过已有地质资料和相邻施工区域钻孔资料以及定向钻进超前探的方法探明缩径泥岩所在层位，采用开分支孔的方法避开缩径泥岩层。②合理选择钻头和钻进参数。综合考虑泥岩的可钻性及其水化分散性，一般在钻头的选择上考虑出刃和水口较大的硬质合金钻头，而钻进参数则采用低钻压、高转速、适当增大泵量进行钻进，这样有利于降低缩径卡钻的风险。③合适的钻具组合。泥岩地层由于其蠕变特性和水化特性以及钻具在旋转过程中与孔壁产生的粘滞力强的特点，所以，在该类地层钻进时应尽量简化钻具组合，减少钻具连接时出现过多的台阶，减小起下钻摩阻，降低缩径卡钻的风险。④加强循环冲孔和扫孔。通过循环冲孔和扫孔能破坏因水化膨胀或塑性变形引起的缩径部分，还能防止钻具在孔内长时间静止而与孔壁之间产生过大的粘滞力，加强泥岩孔段的冲孔和扫孔，必要时采用扩孔或局部扩孔手段，以有效预防缩径卡钻事故的发生[6]。⑤明确孔内异常情况处理措施。在钻进易缩径地层时，由于其自身具有的特性，返水变得浑浊、黏稠，并带有软泥块；钻速加快，泵压升高，并时常伴有憋泵现象；钻机回转和起下钻阻力增加明显，当出现这种情况时应及时活动钻具，加大泵量冲孔，并将钻具提离危险孔段。

图2 缩径卡钻示意图

2.1.2.3 事故处理措施

事故处理措施有以下3条：①强力活动钻具。在遇卡初期，可尝试采用“强力起拔+回转”工艺活动钻具来解卡，在活动钻具时根据遇卡的情况采取不同的活动方式，其中，在起钻过程中遇卡，应大力下压；在下钻过程中遇卡，应大力上提；在钻进过程中遇卡，应多提并配合强扭。遇卡初期的处理是至关重要的，在钻具强度允许前提下，要敢于操作，以迅速解决问题，如果活动多次未能见效，就应采取其他措施而不应强干和蛮干。②倒扣配合反丝钻杆打捞。在以上方法均无效的情况下，可以利用钻机反转使钻具倒扣，将倒扣处至孔口段的钻具提出，再根据孔内钻具情况选用相应的反丝公锥或反丝母锥并配合反丝钻杆对孔内剩余钻具进行打捞。③采掘打捞。在通过各种办法对事故钻具进行处理仍无法成功的情况下，可考虑将事故钻具标定好位置后，留待后期通过煤层开采或巷道掘进将钻具取出。

2.1.3 沉渣卡钻

指的是钻屑在孔内沉积出现卡钻甚至埋钻的卡钻事故。

2.1.3.1 事故成因

事故成因有以下4个：①地层因素。在软地层或节理发育的煤层中钻进，机械钻速快、钻屑多，而清水的携带能力有限，钻屑不易被返水带出孔外，易在孔内堆积，造成沉渣卡钻。②钻孔结构。在上仰孔段，由于水流方向和钻屑下滑力方向相同，有利于携渣；在下斜孔段，水流方向和下滑力方向相反，水流需要克服钻屑的下滑力才能将钻屑携出，这大大降低了返水的携渣能力；水平孔段返水携渣能力介于上仰孔段和下斜孔段之间。③工艺因素。造成沉渣卡钻的工艺因素主要包括给进速度与泥浆泵排量选择、冲孔时间等。钻速过快时会产生大量的大颗粒钻屑，排渣不畅的话钻屑容易产生堆积，导致卡钻。④突发事件。主要指钻进中遇到停电、停水、钻机或泥浆泵故障等突发事件，钻具也无法活动，孔内钻屑沉积导致沉渣卡钻。

2.1.3.2 事故预防措施

沉渣卡钻主要是由于钻屑的沉积引起的，所以，预防沉渣卡钻的重点在于防止钻屑的大量沉积。

事故预防措施有：①做好施工前准备。钻孔施工前，对水、电、机器进行充分检查并进行试运转，排除存在的故障隐患；定期对水电线路以机器设备进行检修保养，保障水电畅通和设备正常运转；制订必要的突发状况应急预案，保证发生突发状况时能有序处理。②合理的钻孔结构。在满足施工需要的情况下，尽可能地将钻孔设计为上仰孔或水平孔，避免下斜孔，尤其是大角度下斜孔（≤－15°），以利于钻孔排渣。③合适的钻进工艺选择。钻进速度的快慢应与泥浆泵排量相匹配，在有效排渣的前提下实现高效进尺，防止钻速过快而产生大量钻屑，无法及时排出孔外导致卡钻。④定期冲孔。⑤提高冲洗液的携砂性。通过借鉴石油钻井液的应用技术，通过在清水中加入一些具有良好携砂效果的乳化剂，来提高冲洗液的排渣效果，类似的冲洗介质已在河北、山西等地的一些煤矿井下定向钻进中得到应用，并取得了良好的效果。

2.1.3.3 事故处理措施

沉渣卡钻的性质与坍塌卡钻类似，但是比坍塌卡钻轻一些，处理时可参照坍塌卡钻处理工艺进行处理。

2.2 钻具断落事故预防与处理

钻具断落事故是定向钻进施工过程中经常碰到的事故，有的情况比较简单，处理较为容易；有的则比较复杂，处理难度大。

2.2.1 事故成因

造成钻具断落事故的原因可分为疲劳破坏、腐蚀破坏、机械破坏及事故破坏，但它们之间不是独立存在的，往往是互相关联、互相促进的，对于某一具体事故而言，可能是一种或一种以上的原因造成的。

2.2.2 事故预防措施

事故预防措施有以下2条：①钻具的日常管理和维护。放在钻场的钻具一定要摆放在管架台上，防止地面上的水、泥土的锈蚀；不用的钻具一定要戴上护箍，防止碰伤；对长期存放的钻具要进行防腐工作；定期检查钻具，尤其是接头部位要重点检查，发现问题及时处理。②钻具的正确使用。钻具在上扣和卸扣的过程中要平稳，避免碰撞钻杆接头；上扣时，上扣扭矩不得过大，也不能过松；下钻时，必须检查钻具是否完好，发现有问题立即更换；要培养钻工正确的使用钻具方法和习惯。

2.2.3 事故处理措施

根据钻具断落事故的情况，目前采取处理措施有公锥打捞、母锥打捞、套铣打捞和开分支绕开事故钻具等方法。对于孔内钻具处于自由状态的情况，一般采用公母锥打捞，而对于孔内钻具处于非自由状态的情况则考虑采用套铣打捞。

2.2.3.1 公锥打捞

公锥是打捞作业中经常使用的工具，它是利用公锥螺纹表面硬度大于落鱼的钢材硬度，在挤压力下强行功扣，将落鱼和打捞钻具连接起来，将事故钻具打捞出来。

2.2.3.2 母锥打捞

对于公锥不适于打捞的通缆钻杆、上下无磁钻杆以及探管外管或鱼头内径太小等问题，可以选用母锥打捞，母锥打捞的原理与公锥基本一致。

2.2.3.3 套铣打捞

钻具断落事故套铣打捞时采用的是局部套铣，即以取芯的形式将事故钻具套入套铣管，套铣前一般根据事故钻具规格采用相应的扩孔钻具对原钻孔进行扩孔，一般扩至离事故头30～50 cm处，然后进行局部套铣。套铣原理如图3所示。

图3 局部套铣打捞原理示意图

2.2.3.4 开分支绕开事故钻具

在经多次打捞无效或打捞的经济效益和时间效益不合理的情况下，可选择开分支绕开事故钻具。对孔内留置事故钻具要做好标记，一方面在条件允许的情况下可在后期采掘作业时将其取出；另一方面，也要防止进行其他施工时碰到事故钻具。

3 结束语

对待钻孔事故要坚持“预防为主、预防与处理结合”的原则，在制订处理方案时应遵循“安全、快捷、科学、经济”的原则；对于卡钻事故的预防，避开异常复杂地层和及时发现并处理孔内异常是至关重要的，事故的处理则应根据事故特定针对性的选择强力活动钻具、倒扣打捞或套铣方案；对于断钻事故的预防，重在钻具的管理和下钻前的检查，事故的处理则根据钻具在孔内的状态选择丝锥打捞或套铣打捞。

煤矿井下定向钻进事故复杂多变，为了应对日趋复杂的施工环境和施工要求，有必要在事故处理专用技术和配套装备方面开展更多的研究。

［1］许超.煤矿井下定向钻进钻孔事故的预防及处理［J］.煤田地质与勘探，2014（06）.

［2］蒋希文.钻井事故与复杂问题［M］.北京：石油工业出版社，2006.

［3］徐宝龙，李乔乔.强力起拔工艺在煤矿井下定向钻孔卡埋事故处理中的应用［J］.西部探矿工程，2013（05）.

［4］张杰，蒋玉玺，姚宁平.九里山矿井下定向钻孔卡钻事故处理实践［J］.煤矿安全，2012（11）.

［5］赵家明，胡家森.定向井泥页岩地层复杂事故处理［J］.石油钻采工艺，2016（01）.

［6］陈忠实.邓传光.低密度条件下井眼稳定问题的探讨［J］.天然气工业，2003.

［7］王昕.套铣打捞技术在矿井钻具断裂事故中的应用［J］.煤矿安全，2014（09）.

〔编辑：张思楠〕

TD822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.021

2095－6835（2017）14－0021－04

管强盛（1988—），男，硕士，实习研究员，目前在中煤科工集团西安研究院钻探所从事钻探技术与装备研究。