煤礦井下泥巖地層定向鉆孔套銑打撈技術(shù)

管強(qiáng)盛

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，定向鉆孔鉆遇的地層也越來越復(fù)雜多樣，發(fā)生卡鉆事故的情況也越來越多[1-3]。針對(duì)卡鉆事故，一種利用專用套銑打撈鉆具套取孔內(nèi)事故鉆具的套銑打撈技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用，但該技術(shù)目前多是在鉆孔主層位為砂巖或完整煤層中取得了成功[4-5]，在泥巖地層，特別是大段泥巖地層中還未見成功應(yīng)用。為此, 通過分析泥巖地層鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)并結(jié)合石油和地質(zhì)領(lǐng)域針對(duì)泥巖地層采取的技術(shù)措施，研究總結(jié)了一套適用于煤礦井下泥巖地層的套銑打撈技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)成功解決了新安煤礦孔深465 m，其中345～450 m 均為泥巖的頂板高位鉆孔卡鉆事故。為拓寬套銑打撈技術(shù)在煤礦井下卡鉆事故中的應(yīng)用范圍，同時(shí)為煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用提供更好更全面的技術(shù)保障。

1 泥巖地層套銑打撈技術(shù)

1.1 泥巖地層套銑打撈技術(shù)難點(diǎn)

泥巖，由于其自身天然成分的原因，其具有水化膨脹性強(qiáng)、強(qiáng)度低、黏彈性強(qiáng)的特點(diǎn)，在套銑打撈過程中主要存在以下幾方面的技術(shù)難點(diǎn)[6-8]：

1）由于泥巖黏彈性強(qiáng)，在套銑打撈過程中，由于鉆具的旋轉(zhuǎn)與軟泥巖孔壁表面發(fā)生強(qiáng)烈的剪切作用，使得這部分泥巖顆粒越來越細(xì)，比表面積增大，引起泥巖黏滯力增強(qiáng)和摩擦阻力增大，導(dǎo)致鉆具回轉(zhuǎn)阻力大。

2）由于泥巖易水化膨脹，而套銑打撈過程中的排粉介質(zhì)恰恰是清水，在水的浸泡和沖刷作用下，鉆孔極易出現(xiàn)縮徑或坍塌的情況，導(dǎo)致套銑鉆具容易被卡。

3）由于泥巖強(qiáng)度低，無法支撐套銑打撈時(shí)孔壁重新分布的圍巖應(yīng)力，會(huì)加劇泥巖縮徑的情況。

綜上，泥巖地層套銑打撈存在的技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)為套銑鉆具回轉(zhuǎn)阻力大和縮徑坍塌易導(dǎo)致二次卡鉆的問題。

1.2 泥巖地層套銑打撈技術(shù)

由于受限于煤礦井下特殊的安全要求和場(chǎng)地限制，石油或地質(zhì)行業(yè)普遍采用的抑制泥巖水化膨脹、平衡地層壓力、降低鉆具與孔壁摩阻的鉆井液或泥漿則無法使用，那么要解決泥巖地層套銑打撈存在的問題，目前只能是從施工工藝的角度來解決。有鑒于石油和地質(zhì)行業(yè)的施工技術(shù)，并結(jié)合以往在煤礦井下復(fù)雜地層的施工經(jīng)驗(yàn)[9-12]，提出了2 種應(yīng)對(duì)技術(shù)。①短掃孔：在泥巖地層，借鑒石油上“短起下鉆作業(yè)”技術(shù)，通過短掃孔，及時(shí)修正孔壁，掃掉因水化膨脹和受圍壓擠壓移動(dòng)的泥巖，保證鉆孔孔徑，也能將因水化剝落的掉塊及時(shí)排出孔外，根據(jù)套銑打撈過程中回轉(zhuǎn)阻力的變化情況，每15 m 左右進(jìn)行1次短掃孔；②擴(kuò)孔技術(shù)：針對(duì)泥巖地層，特別是大段泥巖地層，由于泥巖孔段加長(zhǎng)，套銑鉆具與孔壁間的摩阻必然增大，僅僅通過短掃孔作業(yè)將很難使鉆具回轉(zhuǎn)阻力維持在一個(gè)安全范圍，這時(shí)候就必須通過擴(kuò)孔技術(shù)將鉆孔擴(kuò)大至更大一級(jí)，一方面減小鉆具與孔壁的接觸面積，另一方面增大環(huán)空間隙，保障孔內(nèi)暢通。

擴(kuò)孔技術(shù)根據(jù)鉆孔深度可以采用全孔擴(kuò)孔或局部偏心擴(kuò)孔2 種形式。①全孔擴(kuò)孔：采用常規(guī)套銑鉆頭，操作簡(jiǎn)單，但需要從孔口開始進(jìn)行擴(kuò)孔套銑，套銑工作量大；②局部偏心擴(kuò)孔：采用偏心套銑鉆頭，該鉆頭有兩同心不等徑切削面，不回轉(zhuǎn)情況下，可以下入孔徑不小于鉆頭外徑的鉆孔，回轉(zhuǎn)情況下，可以將鉆孔擴(kuò)大至偏心鉆頭大半徑切削面所切削的孔徑，起到偏心擴(kuò)孔的目的，但該鉆頭外形近似橢圓，下鉆過程中下鉆速度控制不當(dāng)?shù)脑挘菀自斐纱蟀霃讲糠滞蝗唤佑|孔壁而出現(xiàn)下鉆遇阻的情況，另外，鉆頭切削面不等徑的情況下，回轉(zhuǎn)套銑時(shí)，回轉(zhuǎn)速度控制不當(dāng)導(dǎo)致大半徑切削面切削齒突然接觸孔壁容易出現(xiàn)切削齒崩落的情況，因此，偏心套銑擴(kuò)孔不適宜長(zhǎng)距離連續(xù)使用，建議使用長(zhǎng)度不超過30 m。偏心套銑鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 偏心套銑鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of eccentric sleeve bit

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 事故鉆孔介紹

新安礦16 大巷施工頂板高位鉆孔期間，1 號(hào)鉆孔鉆進(jìn)至孔深465 m 時(shí)發(fā)生卡鉆事故，其中345～450 m 為泥巖孔段，鉆進(jìn)過程中塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重，分析本次卡鉆應(yīng)是由于泥巖段縮徑和坍塌導(dǎo)致的。卡鉆事故發(fā)生后經(jīng)過“強(qiáng)力回轉(zhuǎn)起拔”工藝處理無效，決定采用套銑打撈技術(shù)進(jìn)行處理，事故鉆具組合為：φ120 mm 定向鉆頭+φ89 mm 螺桿馬達(dá)（4.7 m）+φ89 mm 測(cè)量系統(tǒng)（7 m）+φ89 mm 通纜鉆桿（453 m）。1號(hào)孔鉆孔剖面軌跡如圖2，1 號(hào)孔鉆孔軌跡平面圖如圖3。

圖2 1 號(hào)孔鉆孔剖面軌跡Fig.2 Sectional view of No.1 borehole

2.2 套銑打撈施工

2.2.1 套銑打撈施工技術(shù)措施

圖3 1 號(hào)孔鉆孔軌跡平面圖Fig.3 Top view of No.1 borehole

通過分析鉆孔軌跡并結(jié)合施工記錄和施工人員對(duì)事故情況介紹，根據(jù)提出的泥巖地層套銑打撈技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)制定了針對(duì)性的套銑打撈技術(shù)措施，主要技術(shù)措施如下：①采用“φ153 mm 套銑鉆頭+φ127 mm套銑鉆桿”鉆具組合進(jìn)行套銑打撈；②套銑打撈進(jìn)入泥巖地層后根據(jù)套銑回轉(zhuǎn)壓力變化，選擇每15 m左右進(jìn)行1 次短掃孔作業(yè)；③當(dāng)短掃孔作業(yè)對(duì)降低回轉(zhuǎn)壓力效果較差而無法繼續(xù)套銑時(shí)，采用全孔套銑擴(kuò)孔技術(shù)繼續(xù)套銑，擴(kuò)孔鉆具組合為“φ168 mm套銑鉆頭+φ127 mm 套銑鉆桿”；④套銑打撈過程中，仍視回轉(zhuǎn)壓力變化進(jìn)行短掃孔作業(yè)，選擇每9～15 m 進(jìn)行1 次短掃孔；⑤采用φ168 mm 套銑鉆具組合套銑回轉(zhuǎn)壓力無法控制在安全范圍時(shí)，換用局部偏心套銑鉆具組合進(jìn)行套銑，偏心套銑鉆具下鉆受阻時(shí)開始回轉(zhuǎn)套銑，鉆具組合為“φ168 mm 偏心套銑鉆頭+φ127 mm 套銑鉆桿”。

2.2.2 套銑打撈實(shí)施

1）0～340 m 孔段。0～340 m 孔段地層為粗砂巖，地層較穩(wěn)定，采用φ153 mm 套銑鉆具組合進(jìn)行套銑打撈，初始回轉(zhuǎn)壓力為6 MPa，60 m 后每套銑鉆進(jìn)30 m 回轉(zhuǎn)壓力增加約1 MPa，240～340 m 套銑回轉(zhuǎn)壓力穩(wěn)定在13 MPa，套銑過程中回轉(zhuǎn)壓力變化正常。

2）340～403 m 孔段。孔深340 m 之后進(jìn)入泥巖地層，隨著進(jìn)入泥巖段的長(zhǎng)度增加，套銑鉆具回轉(zhuǎn)壓力開始逐漸增加，并持續(xù)高于15 MPa，開始進(jìn)行短掃孔作業(yè)，每套銑鉆進(jìn)15 m 進(jìn)行1 次短掃孔，其中，340～355 m 區(qū)間，通過短掃孔作業(yè)使回轉(zhuǎn)壓力由15 MPa 降至13 MPa，355～370 m 區(qū)間回轉(zhuǎn)壓力由18 MPa 降至13 MPa，370～385 m 區(qū)間回轉(zhuǎn)壓力由19 MPa 降至15 MPa，385～403 m 區(qū)間回轉(zhuǎn)壓力由20 MPa 降至19 MPa，壓力數(shù)值取掃孔區(qū)間壓力的平均值。由此可以看出，340～385 m 段，采用段掃孔作業(yè)后回轉(zhuǎn)壓力降低明顯，效果比較好，但到385 m后回轉(zhuǎn)壓力在掃孔前后差別減小，且掃孔后回轉(zhuǎn)壓力仍超過15 MPa，此時(shí)短掃孔起到的作用已不大。分析其原因是套銑鉆具進(jìn)入泥巖孔段過長(zhǎng)，通過短掃孔能對(duì)前端泥巖孔段進(jìn)行修正，但后端泥巖孔段在水的浸泡下再次出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，鉆孔環(huán)空減小，造成套銑鉆具回轉(zhuǎn)阻力增大。

3）403～438 m 孔段。采用φ153 mm 套銑鉆具組合套銑鉆進(jìn)至403 m 后，通過短掃孔作業(yè)已無法有效降低套銑鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)壓力，決定換用φ168 mm 套銑鉆具組合進(jìn)行套銑擴(kuò)孔，同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況配合短掃孔作業(yè)。φ168 mm 套銑鉆具0～390 m 套銑回轉(zhuǎn)壓力穩(wěn)定變化，回轉(zhuǎn)壓力只由10 MPa 增大至13 MPa，390～405 m 回轉(zhuǎn)壓力逐漸升高至18 MPa，通過短掃孔作業(yè)，將回轉(zhuǎn)壓力降至13 MPa，405～420 m，回轉(zhuǎn)壓力由20 MPa 降至16 MPa，420～435 m，回轉(zhuǎn)壓力由20 MPa 降至17 MPa，435～438 m，回轉(zhuǎn)壓力由22 MPa 降至20 MPa，短掃孔已起不到作用。

4）438～446 m 孔段。考慮距穿過泥巖段的距離只有12 m，決定換用φ168 mm 偏心套銑鉆頭繼續(xù)套銑。φ168 mm 偏心套銑鉆頭外徑為φ168 mm，其中大半徑為89 mm，小半徑為79 mm，在不回轉(zhuǎn)的情況下鉆頭可以下入經(jīng)φ168 mm 套銑鉆頭套銑過的鉆孔，在回轉(zhuǎn)情況下，不考慮鉆孔擴(kuò)大率時(shí)能將鉆孔擴(kuò)大至178 mm，能明顯提高鉆孔環(huán)空間隙。采用φ168 mm 偏心套銑鉆頭+φ127 mm 套銑鉆桿鉆具組合下鉆至孔深420 m 時(shí)下鉆阻力增大，開始采用回轉(zhuǎn)套銑，套銑鉆進(jìn)至446 m 后回轉(zhuǎn)壓力出現(xiàn)明顯減小，由17 MPa 突然降至14 MPa，并伴隨跳動(dòng)幅度增大情況，可觀察到孔內(nèi)事故鉆具隨套銑鉆具一同轉(zhuǎn)動(dòng)，判斷已成功解卡，提鉆將孔內(nèi)套銑鉆具及事故鉆具全部提出。

從以上套銑過程可以清晰看出，在泥巖地層通過短掃孔和擴(kuò)孔技術(shù)能夠明顯降低套銑鉆具回轉(zhuǎn)阻力，保障套銑鉆進(jìn)順利實(shí)施，為成功解決泥巖地層套銑打撈難題提供可靠技術(shù)保障。

3 結(jié) 語

1）合理應(yīng)用套銑打撈技術(shù)能夠解決泥巖地層這種復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆孔卡鉆事故，能夠?yàn)樘足姶驌萍夹g(shù)的廣泛應(yīng)用提供有力支撐。

2）在泥巖地層套銑打撈過程中，隨時(shí)根據(jù)套銑回轉(zhuǎn)壓力變化進(jìn)行短掃孔作業(yè)，及時(shí)的短掃孔作業(yè)能有效降低鉆具回轉(zhuǎn)壓力，建議每15 m 左右進(jìn)行1次短掃孔作業(yè)，根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力變化適當(dāng)調(diào)整短掃孔作業(yè)間距。

3）在短掃孔作業(yè)基礎(chǔ)上，根據(jù)孔深合理選擇套銑擴(kuò)孔方法，建議距目標(biāo)點(diǎn)30 m 以內(nèi)時(shí)選擇采用偏心套銑方法，距目標(biāo)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)采用全孔套銑方法，做到既保證鉆具安全又減少套銑擴(kuò)孔工程量。