大直径救援井干孔透巷关键技术及应用

刘修刚，李必智

(1.中国矿业大学(北京)，北京 100083；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)

地面大直径救援井作为下放和提升救生舱，输送井下被困人员快速安全到达地面的生命保障通道[1]，是矿山事故造成人员被困井下时重要的应急救援方案之一。为安全顺利下放和上提救援设备，按照救援装置设计规格要求[2]，完钻井径不小于∅580 mm，一般常规钻进大直径井眼需多级扩孔完井，通过理论计算及邻井地质资料分析来确定预留透巷段长，采取先施工上覆强含水岩层段，下入套管封固隔离含水层，再完成预留井段干孔透巷作业。目前国内矿山大直径钻探工程技术常规有正向法和反井法[3，4]，按具体工艺细分为正向正循环扩孔法和反井逐级扩孔法。针对大直径救援井特殊性及施工要求，正向正循环扩孔法是自上向下逐级扩孔，循环介质通过钻具内孔传导至井底，再沿钻具外环空上返至井口的循环方式，存在钻进效率低、耗材大、周期长问题，一定程度上影响了救援井成孔周期；反井逐级扩孔法是地面钻进导向孔与井下巷道贯通后，在矿井下安装反井钻头或反井扩孔装置，利用反井钻机提升进行逐级扩孔，但需配置高性能设备，且井下需有水平巷道排渣通道。大直径救援井被困人员空间受限，钻进中自井眼溃入巷道的地层水、岩屑量要求可控，并且需先施工导眼或贯通巷道[5]，再逐级扩孔。基于上述方式局限性无法满足施工要求，同时为了满足井下被困人员的安全性及救援的时效性问题，优化大直径救援井安全透巷钻进，笔者开展了大直径救援井干孔透巷关键技术研究，经工程实钻数据验证满足要求。

1 干孔透巷技术原理

根据岩屑录井和相邻回风立井井筒勘查报告分析地层钻遇情况，地面大直径救援井透巷段地层钻遇岩性为深灰色细粒砂岩、灰绿色泥岩及煤层组成。为满足大直径救援井时效快、井眼直，控制溃入被困区岩渣量、地层水和钻井液体积量等条件，确保三开透巷井段范围安全可控[6，7]。

干孔透巷段采用空气循环钻进工艺，实施气举反循环分段排水、扫塞、排渣、快速透巷一次成孔。气举反循环设备组成自井底至地面由单体式潜孔锤、双壁钻具、井口配气装置、空压机组、增压机组及连接管线组成。钻进原理是采用地面供压、增压设备以空气为循环介质，由内能转化为动能，气体经高压管线输送至井口配气装置，压缩的高压气流经双臂钻杆外环空传至单体式潜孔锤工作发生高频震荡破岩，同时动力头转动使得钻具旋转带动锤头切向切削岩层，高压气流与井底破碎的岩石、地层水混合体膨胀做功，在钻具内、外形成压差(满足式(1)条件)，由钻具外环空的高压内能转化为钻具内孔的高速动能，携带气、液、固混合体沿钻具内通道上返至地面，实现高效钻进的目的。干孔透巷原理如图1所示，蓝色区域为含水岩层段，红色区域为干孔透巷井段。

图1 干孔透巷原理

P2

(1)

式中，P2为气体携带岩屑混合体沿双壁钻具中心孔上返压力，MPa；P1为通过空压机(或增压机)注入双壁钻具环空压力，MPa；P3为沿钻具与井壁环空外泄压力，MPa。

根据实钻经验，井口注气压力控制范围1.8～2.4 MPa，即P2+P3<2.4 MPa。为保证干孔透巷反循环实现，钻具与井壁环空泄压损耗不应大于0.6 MPa。

2 干孔透巷高效钻进关键技术

2.1 单体式潜孔锤反循环技术

2.1.1 关键装置及功能

大直径救援井干孔透巷钻进关键装置组合选择∅580 mm单体式潜孔锤钻头、∅178/113 mm双壁钻杆、配气装置、双壁止回阀、井底-孔口密封装置。采用双壁钻杆是实现空气反循环钻进的关键，管体存在内外通道，即中心孔及内外管之间环空，中心孔是钻井混合体返回的通道，环空是向井下注入压缩气体的通道。不但与传统的钻杆相同的压力、扭矩和下行空气的压缩，而且为气体、岩屑和孔中的水混合物提供持续的回馈；配气设备是实现大气循环钻进不可或缺的设备，上端与动态头浮动接头连接，下端与双壁保护接头连接，主要由中心体、注气管、外壳、轴承内管组成。试验用中心通孔直径113 mm，侧部注气管直径51 mm，最小通气面积31.7 cm2，当量直径63.5 mm，主要调控压缩空气入井的气量，同时随动力头旋转时密封性能良好；为防止反循环钻具注气倒流，导致气动潜孔锤冲击器活塞腔内倒灌岩屑颗粒[8]，改进双壁钻具串加接若干双壁止回阀短节，阀体设计开启压力为0.05 MPa，过气量为35～100 m3/min，密封压力大于6 MPa；井底-孔口密封装置起到密封钻具与井眼环空的作用，迫使井底压缩空气自双壁钻杆内管通道排渣返出至地面。一方面保障了因井底钻具外径与井壁间隙过大，使得上部井段掉块可通过孔底密封结构落入孔底，通过潜孔锤高频震荡破碎，气举反循环排出井口外；另一方面阻止井底气流沿钻具与井壁外环空泄压，提高了空气反循环钻进工艺的安全性和高效性。

2.1.2 钻具组合及参数控制

钻具组合选择“∅580 mm单体式潜孔锤钻头+12寸冲击器+正反交叉接头+封堵接头+∅178/113 mm双壁钻具”。空气潜孔锤反循环钻进岩屑达到正常返出地面关键因素是空气上返流速，控制流速主要通过调控注气量，一般满足以下条件：

Q≥15πk1k2(D2-d2)[v(1+45%)]

(2)

式中，Q为注入环空风量，m3/min；D为双壁钻杆外环空通径，m；d为双壁钻具中心孔通径，m；v为空气上返流速，m/s；k1为孔深校正常数，当孔深100～600 m时取值1.1～1.4；k2为含水附加系数，根据含水量取值1.3～1.5。

依据式(2)计算，干孔透巷控制上返流速大于25 m/s时，注气量为47 m3/min，考虑钻具与井壁环空反向泄压因素，结合经验流速需增加45%的附加值，即控制风量70 m3/min，转速为35 r/min，注气压力1.8～2.4 MPa，钻压不超过20 kN。

2.1.3 反循环特征分析及优化

气举反循环钻进，通过分析双壁钻杆内管中心孔直径、沉没比、进气量等关键参数。随内管直径和沉没比增加，气举反循环排屑能力增强，且返排岩屑能力的增强与内管直径增加量表现为二次方相关性，与沉没比呈线性关系；而随注入气量增加，气举反循环的岩屑返排能力呈现出先增大后减小趋势。相比正循环钻进方式，反循环突出的特点是大大降低井底的循环压耗，钻进时上返流速高、携岩能力强、效率高。但因二开井眼直径大，采用潜孔锤正循环方式，理论以最小动能分析，干空透巷钻进所需注气量应大于300 m3/min，选择雾化钻进相比干空气钻进所需注气量附加15%～40%，而采用单体式潜孔锤反循环钻进，则相应降低注气量，为最优的空气钻进方式，钻遇微含水层需按比例添加泡沫剂提高携岩效率。

2.2 排浆排渣钻进技术

大直径救援井二开封固强含水及弱含水岩层段，为三开干孔安全透巷提供条件，但固井结束井眼内存在地层水、钻井液及固井混浆液耦合[9]，贯通地层与巷道前，需先通过有效途径排除井内大量的混合液体，确保透巷后溃入巷道的混合体积在可控范围内，具体工序分为排浆、扫水泥塞、透巷钻进，各阶段钻井参数控制见表1，工艺流程如图2所示。

表1 钻井参数控制

图2 排浆排渣钻进工艺流程

由于二开揭露含水层导致孔内不断涌水，液面逐渐上升，通过测试获取孔内静液面高度。根据反循环排水情况分析，孔内液柱越高，越有利于形成压差反循环，但过高的液柱压力，对于空压机注气压力要求高，且潜孔锤本体受围压较高，造成工作异常或无法运行。因此，采取潜孔锤分次下至设计井深，分段排浆排渣钻进。其操作步骤：大直径潜孔锤下至指定深度后，启动空压机向井内供气，井口观察到正循环通道有气体返出，待反循环通道排渣口返出大量气液混合物，直至混合渣浆返出。可配套1～2台额定供气量为35 m3/min的恒量变压空压机，现场实时监测内管携液体和固体含量，结合井深对反循环液柱高度稳定性进行控制，与此同时需监测由地层软硬不均引起的机械转速变化情况，干孔透巷时因机械转速过高，对应的碎岩体积增大，现有工况无法满足孔底岩屑上返要求，需对钻进参数及时调整，若井口返屑异常，可采取停钻上提下放循环返排岩屑的方式。

2.3 透巷控制技术

透巷段钻进以确保被困人员安全为前提，采用阻风环方式实现局部反循环空气潜孔锤钻进工艺，能满足防止大量流体、岩屑溃人被困区域的安全要求。井下巷道或避难硐室贯通后，根据冲击地压原理地应力重新分布，井巷顶板周围产生松动圈与裂隙[10-13]；潜孔锤冲击荷载对井底岩层产生轴向及径向扰动，理论分析轴向扰动较明显，顶板及煤层胶结面形成破碎、损伤区域，二开固井顶替水泥浆产生的液柱压力会加剧损伤区域裂隙扩展。

2.3.1 透巷工艺

干孔透巷段钻进，采用单体式空气潜孔锤反循环钻进工艺，优化钻具组合，选择空气或氮气作为反循环介质，控制低钻压、中高钻速、低注气量参数，透巷段井斜角α≤0.5°，透巷中靶半径R≤1 m，确保井身质量满足救生舱安全顺利通过，同时避免透巷过程引起顶板与煤层胶结层冒落，保障透巷瞬间井内溃入巷道混合介质体积不致灾。

2.3.2 透巷位置

透巷位置选择遵循的原则，一是确保巷道贯通后瞬间，巷道顶板岩层与煤层胶结层受扰动稳定性较好，不发生大面积垮塌；二是缩短水平方向透巷中心孔与避难硐室之间的距离，为安全建立井下通道节省更多时间。基于以上考虑，根据井下巷道或避难硐室位置及顶部岩性特征，通过巷顶中心到侧帮边缘不同透巷位置数值计算，分析避难硐室监测点应力应变规律，优选最佳透巷位置，最大程度降低顶板破坏程度及冒顶风险[14-16]。以此为目标，建立力学模型，取透巷顶部岩层埋深620 m，水平应力分别为12 MPa和10 MPa，模型长40 m、宽40 m，干孔透巷段由上至下为岩层、煤层、底板，其中采用拱形巷道模拟避难硐室，尺寸为巷宽5 m，巷高3 m，顶板透巷钻孔孔径按照工程设计取∅580 mm，透巷位置选择依次间隔1 m，如图3所示。通过设计不同透巷位置，分别分析透巷后顶板和左侧帮监测点位移曲线变化，模拟结果表明透巷位置为孔中心距离避难硐室距离3.5 m≤d≤4.3 m为最优，如图4、图5所示。

图3 不同透巷位置剖面图

图4 顶板垂直方向位移

图5 右帮水平方向位移

2.3.3 安全距离

基于安全快速透巷原则，干孔透巷裸眼段长越短越好，但二开井底与巷顶间层厚过小，存在因透巷扰动发生破坏的风险越高，二开固井水泥浆液柱压力对孔底岩层产生的激动压力可能会压漏地层溃入井下巷道或避难硐室造成固井失败，导致干孔透巷上部含水层混浆不断涌入井下，对井下被困人员构成威胁。因此，需在二开底部与巷顶之间预留一定安全厚度[17，18]岩层实现防漏支撑。依据顶板岩性、完整程度、钻完井工艺不同，建立地质力学模型，赋予地层岩石力学属性，沿轴向及径向分别施加载荷，通过数值模拟与实际工况结合，由图6可知，距巷道顶板距离为20～25 m时，应力趋于稳定值-7.11 MPa，顶板位移为-0.02 m，即为参考安全透巷距离。

图6 透巷距离与应力和顶板位移关系

2.4 尾管完井及固井技术

常规完井采用尾管悬挂的方式[19，20]，需要钻具将尾管悬挂器缓慢送入预定位置，为提高大直径救援井透巷时效，干孔透巷段套管设计采用飞管下放方式，套管规格采用∅508 mm、壁厚12.70 mm石油套管，假设套管干孔内自由落入孔底，不计套管与管壁的碰撞及摩擦阻力，按照匀加速直线运动计算，段长30 m套管落入井底的瞬时速度约为113 m/s，根据动量定理计算落入孔底动能为5.38×105kg·m/s，套管末端易造成严重变形损坏，通常套管自由落入孔底时与井壁之间碰撞及摩阻而动能减小，可采取底部加工缓冲保护装置。因大直径救援井固井时无法建立正常泥浆循环，遂设计采用下入尾管不固井方式完井。

3 现场应用

国家能源集团梅花井矿副立井高效完成一口完钻井深654 m工程试验井。井身结构采用三开套管完井方式，终孔直径∅580 mm，位置布设距离煤矿井下标高+697 m，距离水平车场约6 m。具体验证内容：

1)透巷精度验证。主要采取套管井斜方位超声波测量法、双扶塔式钻具找中等技术措施控制钻孔轨迹，最终透巷精度为0.19 m，满足精准透巷设计误差小于1 m要求。

2)安全透巷效果验证。井筒与井下巷道贯通后，对进入井下巷道的岩屑量、水量进行实测，岩屑量与水量合计约7.5 m3，满足安全透巷的设计要求。

实践表明，采用空气反循环钻进实施三开井段透巷可取得良好应用效果，确保了三开透巷时涌入井下巷道的水、钻井液及岩屑混合体处于安全可控范围，可靠性高。

4 结 论

1)大直径救援井干孔透巷采用单体式潜孔锤反循环钻进技术，集研发配套关键装置于一体，采用优化的钻具组合、参数控制及钻进介质调控，可实现安全高效贯通巷道。

2)通过排浆排渣钻进技术，分项控制排浆、扫塞、钻进施工，可降低安全透巷的风险。

3)安全透巷可控制透巷段井斜角α≤0.5°，透巷中靶半径R≤1 m，确保井身质量安全达标，透巷最优位置为孔中心距离避难硐室2.3 m≤d≤3.5 m；安全透巷距离可参考18～25 m。

4)飞管固完井技术能预防安全的前提下，可实现高效固完井，建立井下与地面通道。