矿区大口径井先导孔施工常见事故原因分析及处理措施

蒋苏东

（九江地质工程勘察院地灾治理分院，江西 九江 332000）

大口径井是一种在施工过程中，通过定向先导孔施工后，通过多级扩孔最终形成的一种矿井结构。先导孔施工是一种十分快速的井筒技术，在实际应用中具有安全、环保、高效等优势，因此当前先导孔施工技术已经在矿山开采、水电、交通等多个地下工程类型中得到了十分广泛的应用[1]。先导孔施工是矿山开采过程中的重要环节，其原理是利用钻探设备进行冲击破岩，并将泥浆、清水或压气形成正循环，在循环过程中将破碎的岩石碎屑从孔内排除，从而达到对大口径井清洗和护壁的作用。虽然当前这项施工技术具有安全作业的优势，但若在施工过程中相应的设备、工艺、管理等方面存在问题，也会造成安全事故问题的发生，轻者会影响整个矿区大口径井形成后的质量，重者则会造成整个矿区出现严重的设备损失，使整个矿山企业出现人员伤亡和经济财产损失。对此，本文针对矿区大口径井先导孔施工常见事故的具体发生原因进行分析，并根据具体事故类型找出其对应的处理措施。

1 矿区大口径井先导孔施工常见事故原因分析

1.1 大口径井内施工钻杆断裂

大口径井钻杆断裂是先导孔施工过程中最常出现的一种事故，事故发生后会突然出现憋钻现象，转盘设备的扭矩会迅速增加，现场施工工人会通过提升钻具的方式减小扭矩，但过程中阻力较大，无法快速完成，因此扭矩仍然会以较快的速度突增，当达到最大值时会迅速降为零，造成钻具断裂。在事故发生后，通过测量并对比断裂钻具与原始钻杆之间的区别得出，造成事故的主要原因包括两方面，一方面是钻杆受到了严重的腐蚀，另一方面是施工过程中有落物卡在了钻杆当中[2]。将出现事故的钻杆移出到大口径井外时，通过对断裂的钻杆断口处观察发现，在钻杆内壁上布满了大量的铁锈腐蚀痕迹，呈现出凹凸不平的结构，钻杆壁最小处的厚度已经小于4.5mm，受到腐蚀后的钻杆已经失去了原本的作用效果。并且，由于腐蚀使得钻杆的管壁变薄，表面也形成了大量的凹痕，造成钻杆材质发生改变，降低了钻孔原有的强度，因此导致在大口径先导孔施工过程中钻杆断裂的事故发生。

除此之外，在大口径井内施工钻杆断裂事故发生以前，钻杆钻井可以正常运行，一般情况下钻进的岩层为砂质泥岩，当突然出现憋钻或扭矩快速增加时，施工人员将钻具向大口径井外提拉产生巨大的阻力，而此时泥浆仍然处于正常循环的状态，将会导致泥浆中的砂石碎屑卡在钻杆内壁上，进一步导致钻杆断裂严重。

1.2 先导孔施工角度偏斜

在进行矿区大口径井先导孔施工过程中，若实际钻孔轴线与施工前设计的反井轴线出现较大偏差时，此时极易出现先导孔施工角度偏斜事故。若已经存在偏差但仍然不采取相应的处理措施，则会在大口径井先导孔的末端位置上出现偏差最大距离，出现末端反井轴线现象。当先导孔施工角度偏斜超出最大范围时，则先导孔施工钻杆会在井斜突变井段出现严重的弯曲和变形现象，并向大口径井的井壁下侧靠近，在施工过程中旋转会造成严重的摩擦，导致钻具出现破碎或折断的问题，同时严重者更会造成大口径井的坍塌。当先导孔施工角度严重偏斜时，也会造成先导孔透孔时不在事先设置的范围内，增加扩孔钻进的难度，从而造成钻孔在未达到使用年限时提前报废。产生这一事故发生的原因较多，首先，可能是由于施工过程中选取的钻具组合形式不合理，没有按照矿区地层的实际条件以及大口径井钻具的刚度稳定安装钻杆；其次，施工过程中钻压过大，钻具在巨大压力下产生了弹性形变，形变后的钻杆与大口径井的中心线无法重合，在水平分力的作用下，促使整个钻孔设备以钻头为中心沿倾斜方向对井壁切削，产生井斜；再其次，在先导孔施工过程的开始阶段已经出现了孔位的偏移或钻孔的偏斜，但未及时发现；最后，还可能由于钻孔设备在定位过程中安装不牢靠，由于受到先导孔施工拉力和扭矩的作用，导致钻孔设备机身出现了剧烈的摇动，造成钻孔设备偏移，形成钻孔施工角度偏斜。

2 矿区大口径井先导孔施工常见事故处理措施

2.1 钻杆断裂结构打捞

在发生上述大口径井内施工钻杆断裂事故后，为杜绝发生二次事故，应当以安全、快速、灵活且经济的基本原则，对矿区大口径井当中残留的钻杆断裂结构进行打捞。故障处理的难点在于断裂在大口径井中的钻杆结构容易卡在大口径井当中，不宜捞出。但在表层套管内，打捞相对容易，因此是该事故处理的重要突破点。由于钻杆断裂时，已经受到了严重的腐蚀，因此钻杆顶部位置的管壁也相对更薄，在打捞过程中无法通过公锥进行打捞。因此，本文针对钻杆断裂结构打捞的主要处理流程为：母锥打捞、倒扣打捞钻杆、打捞钻头结构，三个步骤。在进行母锥打捞时，可采用左旋螺纹Φ136mm 钻杆、左旋螺纹MQ/PN47型母锥、导向引鞋，三种结构相结合的打捞方式，下钻与钻杆断裂结构对接，待成功造扣后，进行正常旋转，并尝试打捞。若在实际打捞过程中钻杆断裂结构卡钻严重，钻杆腐蚀严重，则可在尝试三次打捞无果后，重新进行造扣，并适当调配泥浆，提高打捞的携带能力。在打捞过程中，除卡在大口径井中的钻杆断裂结构以外，其余部分的钻具具有一定的自由度，因此通过倒扣打捞钻杆操作，完成对这一部分结构的打捞。

图1 倒扣打捞接头处结构示意图

倒扣打捞接头处结构示意图如图1 所示，图1 中A 表示为左旋螺纹PN47；B 表示为上接头结构；C 表示为胀心方套结构；D 表示为右螺旋纹PN47；E 表示为胀心轴结构。在完成多次倒扣打捞接头操作后，在80h 内可完成对所有钻杆断裂结构的打捞，此时大口径井内仍然回升于部分用于扩孔的钻头结构[3]。因此，针对剩余部分，还需要进行打捞钻头操作。通过上述步骤完成对钻杆断裂结构的打捞，此时更换左旋螺纹Φ136、钻杆以及配套结构，在导向引鞋的辅助作用下，对准钻头完成对接，通过反复的回转和提拉，将大口径井内部残留的钻头全部打捞。

当发生大口径井内施工钻杆断裂事故时，还会出现堵钻的现象，针对这一问题的处理措施可分两种方法解决。对于堵钻较轻微的问题，可通过向大口径井内冲洗大量清水的方法或在钻孔设备的水龙头位置上接入一路压风，并以边冲洗，边用压风吹的形式，将进入钻杆内的砂石碎屑顺着导孔与岩壁环境空间结构吹出。对于堵钻较为严重的问题，可采用水压或风压搅动的方式无法将杂质排除，因此必须通过松开钻杆，将一根较长的风管顺钻杆输水到堵塞位置，再通过水压或风压反复交替将砂石碎屑排出。对于堵钻十分严重的问题，往往砂石碎屑粘性较大，且堵钻时间较长，砂石碎屑已经形成了固结现象。因此需要利用在钻孔设备上打孔的方法，将透孔位置设置在大口径井钻头位置下方0.75m 左右位置上，通过2～3 个小孔，注入大量清水对小孔进行冲洗，从而将由于事故造成的堵塞问题排除。

2.2 封闭原有钻孔实施定向纠斜

当施工过程中出现了先导孔施工角度偏斜事故时，针对矿区不同的地层条件以及施工范围，可选择不同的处理措施。对于整个施工中大口径井深度不超过50m 的工程，在处理时可不进行偏斜角度的测量，并且通常情况下很难出现偏斜超出限度的事故问题。一旦出现特殊事故情况，则可通过封闭原有钻孔的方式，找出出现偏斜事故的主要影响因素，并在距离原始钻孔位置超过3 倍的导孔直径距离上，重新安装钻孔设备，完成先导孔施工。在安装钻孔设备时应当按照相应的参数要求，计算出现事故时偏斜角度的反方向预偏，从而纠正偏斜角度，达到先导孔整体偏斜满足要求的目的。在实际操作过程中，还应当注意处理时要严格按照指定的钻具布置以及相应参数设计要求完成。

针对整个施工中大口径井深度超过120m 的高作业难度工程，在每次钻进45m 后，都应当对偏斜角度进行测量，一旦出现偏斜角度超过施工前设定标准，或偏斜角度的变化趋势增加过快时，则应当利用专用的螺杆钻具、无磁钻杆以及有线传输设备等，对施工作业进行定向纠斜处理，从而满足钻孔施工的偏斜角度要求。针对矿区地形十分复杂的区域，出现先导孔施工角度偏斜事故后，需要采用定向钻孔设备进行钻进超前导孔，利用超前导孔具备的导向作用，在确保导孔钻进精度的前提条件下，进行先导孔刷大作业，并在最后完成反方向的扩孔施工操作，从而提高矿区大口径井先导孔施工的成井速度和成井质量。

3 结语

在矿区开采过程中，采用大孔径先导孔施工技术具有高效、安全、作业强度低等优势，因此得到了广泛应用，但同时一种机械或工艺无法解决所有的施工问题，尤其是针对矿区地层条件较为特殊的施工项目，在施工前为避免出现事故问题，应当对矿区进行充分的地质适应性和工程适应性的综合勘探，并适当进行风险评估。矿山企业要想取得良好的钻井效果，不仅应当具备优质的施工设备，同时还应当根据实际情况制定合理的钻井方案。除本文上述对各类常见施工事故的分析原因以外，影响钻井成功与否的原因还包括施工人员的技术水平、敬业程度以及处理事故的能力。