卡瓦打撈筒在煤礦井下斷鉆事故處理中的應用

蘭 菲，董昌樂，吳智峰

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

鉆桿是鉆探施工必不可少的機具，在使用過程中會不可避免的發生斷裂失效，鉆桿的斷裂會導致鉆探施工的中止，需將因斷裂掉落在孔內的鉆桿撈出后方可繼續施工。

目前，煤礦井下普遍采用公、母絲錐處理鉆桿斷裂事故，其原理如同機械加工中的絲攻一樣，利用鉆機的回轉從斷裂鉆桿頂部內孔或外表面攻出螺紋，并將絲錐與斷裂鉆桿連接起來，最終將遺落在孔內的鉆桿提出孔外[1-2]。該方法原理簡單，操作方便，但存在以下缺陷：①隨著煤礦井下鉆桿耐磨性的提高，鉆桿表面硬度增大，公、母絲錐在鉆桿上造扣能力不足；②公、母絲錐在鉆桿上造扣過程中會產生摩擦熱，使二者接觸處溫度過高，摩擦熱對公母絲錐的軟化能力遠遠大于對鉆桿的軟化，導致絲扣強度不高，承受拉力有限；③對于斷口不規則鉆桿而言，公、母絲錐不易套住鉆具。以上的不足導致公、母絲錐在某些工況下打撈成功率低。

淮南某礦采用φ120 mm 鉆頭＋φ89 mm 隨鉆測量系統＋φ89 mm 鉆桿鉆具組合，在 1124（3）軌道巷鉆場施工煤層頂板高位定向長鉆孔先導鉆孔，共成10 個鉆孔，然后下入 φ200 mm 鉆頭＋φ89 mm 鉆桿分別對 10 個鉆孔進行擴孔，擴孔期間，2#、5#、6#和 8#孔均發生斷鉆事故。為了避免鉆孔報廢，施工方使用公、母錐進行了多次打撈，但均未能成功撈出落魚（落魚指的是井下的落物，特指因事故留在井內的鉆具）。經對現場打撈過程進行了解，2#、6#、8#鉆孔局部孔段塌孔，但開泵送鉆能將公、母錐下至落魚頂處，加壓回轉造扣后，多次提鉆過程中鉆頭在孔深80～90 m 處存在明顯遇阻，強力起拔時絲錐與落魚連接處滑脫；5#鉆孔塌孔嚴重，打撈絲錐無法探到落魚。結合施鉆地層情況及打撈過程分析認為，該鉆場高位鉆孔孔深80～90 m 為花斑泥巖，破碎易塌孔，局部孔段存在較大碎塊卡堵鉆孔，當鉆頭起拔至該位置時被卡，絲錐與落魚之間的連接能力不足以帶動鉆頭強行擠壓碎塊，進而導致連接處滑脫。為此，從提高打撈工具與落魚的連接強度出發，決定引入卡瓦打撈筒進行打撈。

1 卡瓦打撈筒結構原理

卡瓦打撈筒結構示意圖如圖1，卡瓦打撈筒由上接頭、筒體、引鞋、銑控環及卡瓦組成[3-4]。筒體連接上接頭和引鞋，筒體內部是左旋大螺距的螺旋錐面，卡瓦外表面的螺旋錐面與之配合裝配，二者之間存在一定間隙，在筒體與引鞋接觸位置安裝有帶長鍵的銑控環，在長鍵的作用下固定筒體與卡瓦，使二者不能相對轉動。卡瓦周向加工4 條開合縫，使卡瓦在徑向可以發生較大的彈性變形，增大打撈落魚規格范圍；卡瓦內表面加工左旋細螺紋牙，目的是卡瓦夾住落魚頂后咬緊落魚，防止強力起拔時落魚脫落，提高處理事故能力。

圖1 卡瓦打撈筒結構示意圖fig.1 The structural diagram of slip socket

卡瓦打撈筒工作原理是落魚進入卡瓦腔體后，在起拔力作用下卡瓦與筒體發生相對滑動，兩者的錐面配合使得卡瓦徑向收縮，即將起拔力轉化為卡瓦對落魚的夾緊，從而帶動落魚提出孔外，卡瓦打撈時起拔力越大，夾緊力越大，降低了落魚滑脫的可能性[5-10]。

2 打撈技術方案

1）打撈筒選取。根據鉆孔情況和設備配套情況，選用φ127 mm 籃瓦式卡瓦打撈筒，該打撈筒打撈落魚規格范圍為 φ86～φ90 mm，考慮到 φ127 mm 的外徑與φ200 mm 鉆孔孔徑相差較大，為了提高卡瓦打撈筒套取落魚成功率，將φ127 mm 引鞋增大至φ146 mm。此外，由于卡瓦打撈筒的加工采用石油標準，其上接頭連接扣型為NC31，為了能夠與現場使用的φ89 mm 鉆桿相連，需加工變徑接手，為了保證整體強度，變徑接手使用調質料加工。

2）筒體防進渣措施。卡瓦打撈筒主要用于石油鉆井、修井過程中的鉆具斷裂事故處理，且多在豎井中使用，下鉆過程中井壁碎塊進入筒體的可能性較小，即使進入筒體，開泵后，在水力及自身重力雙重作用下，碎塊會輕松脫離筒體，流至下部井段，不會導致筒體堵塞或是影響卡瓦的移動。而本次事故鉆孔均為煤層頂板高位鉆孔，開孔角度都在＋10°以上，且斷鉆位置均位于爬升段，為防止打撈筒下鉆過程中孔內積存的碎塊、鉆渣進入筒體，需考慮筒體防進渣措施，具體如下：①掃孔：打撈筒使用前，下入φ200 mm 鉆頭＋φ89 mm 擴孔鉆具組合掃孔至落魚頂處，充分循環后提鉆；②堵口：為確保下鉆過程中碎塊不會進入筒體，在引鞋端口處充填物料，防止碎塊及鉆渣進入筒體，填充物料應滿足完全密封端口、可被水壓沖出及不影響打撈筒套取落魚；③試壓：將打撈筒與鉆桿連接，拾取鉆場處孔內返出的較大碎塊置于筒體端口，打開泥漿泵，通過調節排量，確定打撈筒端口碎塊被沖出時的排量，為在下鉆需開泵通水時，選擇合理排量防止筒體進渣提供參考。

3）準確計算鉆桿方入。由于卡瓦打撈筒與鉆頭的結構區別，并考慮加接變徑的長度，需精確計算打撈筒理論探頂及完全套取落魚時的鉆桿方入，防止盲目施工導致其他事故。

3 打撈經過

以2#孔為例，原始絲錐打撈記錄表明該孔較為穩定，φ200 mm 鉆頭擴孔至孔深96 m 處斷鉆，掉鉆鉆桿長度6 m。

1）掃孔。下入 φ200 mm 鉆頭＋φ89 mm 擴孔鉆具組合進行掃孔，并探到落魚頂孔深82.3 m（φ200 mm鉆頭實際位置在孔深88.3 m 處），充分循環，來回倒桿，孔內基本無碎塊返出后提鉆。

2）試壓。將 φ127 mm 打撈筒與 φ89 mm 鉆桿連接后，在孔口拾取較大巖塊放至筒體端口，開啟泥漿泵，巖塊被沖出時的泥漿泵排量為300 L/min。

3）堵口。在鉆場選取封孔使用的聚氨酯與棉紗混合，待發酵穩定后，用刀片切成近圓柱型，封堵引鞋端口。

4）下打撈筒。平穩送鉆，期間不開啟泥漿泵，待打撈筒下至距落魚頂約0.3 m 處，開啟泥漿泵，排量350 L/min，循環穩定后，記錄泵壓 1.8 MPa。

5）套取落魚。緩慢回轉送鉆至孔深82.7 m，此時，理論情況下，落魚頂應已進入打撈筒0.4 m，但由于選取的打撈筒未加密封，泵壓未見明顯變化，鉆機給進壓力、系統壓力均未明顯變化。為確保打撈筒套取落魚，繼續下鉆至90.4 m，此時φ200 mm鉆頭已下至φ200 mm 孔徑孔底（96 m），鉆機給進壓力、系統壓力明顯上升，判斷打撈筒已套取落魚。

6）起鉆。將φ200 mm 鉆頭提至90 m 時遇阻明顯，加固鉆機各穩定支撐，并加前頂支撐，采取強拉措施成功將鉆具全部提出，打撈成功。

按照上述方法成功處理了2#、6#、8#鉆孔的3 次斷鉆事故，5#鉆孔由于塌孔嚴重，掃孔時未能探到落魚，下入打撈筒也未能成功打撈。

4 打撈注意事項

1）掃孔。掃孔過程一方面為了清潔鉆孔，另一方面為了精確探查落魚頂，為后續打撈做準備。掃孔應選用原組具組合，若下到斷鉆位置不能探到落魚，則說明鉆孔已發生嚴重破壞，下打撈筒也不能成功打撈，需考慮其他方案。

2）套取落魚。套取落魚是否成功可以通過打撈筒下入深度與掃孔探得的落魚頂孔深來判斷。理論情況下，當打撈筒下入深度達到落魚頂孔深與打撈筒筒體長度之和時可認為落魚完全進入打撈筒，此時即可操作鉆機起拔鉆具。但是，在實際工況下，為了確保打撈筒成功套取落魚，還應結合鉆機給進壓力、系統壓力儀表值的變化來進一步核實。需要注意的是，掃孔過程探得的落魚底部即鉆頭位置可能不是鉆孔底部，會造成打撈筒套取落魚過程中鉆機儀表值變化不明顯，需要繼續套取下鉆使鉆頭到達孔底后，鉆機儀表值才會明顯變化；若打撈筒下至極限位置，即按鉆桿方入計算鉆頭已在孔底處，鉆機儀表值仍沒有變化，可能是局部鉆孔因塌孔而導致孔徑變大，打撈筒無法套取落魚，需提鉆增大打撈筒引鞋規格，提高套取落魚成功率。

3）起鉆。由于選用的是可退式卡瓦打撈筒，為防止回轉鉆具將落魚從卡瓦打撈筒內退出，起鉆過程中嚴禁回轉鉆具。當起鉆過程中嚴重遇阻，應加強鉆機穩固，強力起拔；若仍不能提出，只需正旋同時起拔鉆具，即可將打撈筒與落魚分離，提出打撈筒，防止發生其他事故。

5 結 語

利用卡瓦打撈筒成功處理了3 次煤礦井下斷鉆事故，現場使用情況表明，卡瓦打撈筒將鉆機輸出的起拔力轉化為打撈筒對落魚的夾緊力，有效解決了傳統絲錐打撈時的打撈工具與落魚之間的滑脫問題，在處理非嚴重卡、埋鉆導致的斷鉆事故時，打撈效率及成功率比公母錐打撈均要高。但是，由于目前市場上使用的可退式卡瓦打撈筒套取落魚后不能旋轉（旋轉會使打撈筒退出落魚），這也使得在處理嚴重卡、埋鉆導致的斷鉆事故時，該類型打撈筒無法使用，為此，應研制一種旋轉可退式卡瓦打撈筒，進一步拓寬其應用范圍。