礦用千米鉆機鉆桿打撈工具改進及應用分析

康騰飛

（晉能控股裝備制造集團長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048400）

目前，國內煤礦的掘進深度為20～50m/a，目前已有50 個礦井深度在800～1200m 之間，在20a 內，我國許多煤礦的開采深度將達到1000～1500m。隨著開采深度的逐漸增加，煤層的分布特征表現為高應力、高地溫、高孔隙水壓等特征，并且沖擊地壓、煤與瓦斯突出、底板突水，高地溫等類型的地質災害出現的頻率也越來越高。

在我國礦井發生的主要災害中，有70%是由于瓦斯造成的。當前煤礦的開采深度大，地應力大，瓦斯壓力大。煤層滲氣性差，煤層預抽難度大，煤層瓦斯排出量大，且煤層地質情況復雜，易出現煤與瓦斯突出現象。

隨著瓦斯治理的日益困難，采用千米鉆井技術來進行瓦斯抽排。在千米鉆井平臺上，因井下塌孔、遇軟煤等原因，壓桿、斷桿等問題出現的頻率日益提升。這主要是因為在鉆桿線上承受的承壓能力很低，在鉆井時突然增加的壓力沒有得到合理的控制，而且鉆井工人缺乏足夠的技術和經驗，導致了在打撈中出現了斷裂和壓桿現象。電機、DGS、銅鉆桿等設備的成本較高，并且采購周期較長，造成設備被壓進井中，從而延誤了工程的進度，這會帶來很大的經濟損失。

1 現有鉆桿打撈工具存在的問題

常用的打撈工具是公錐體和母錐體，其作用是將落入井中的鉆具撈起，或者將鉆具從某個位置解扣，并將脫扣點移到孔口段。然后，根據鉆孔的具體條件，選擇反絲公錐、反絲母錐進行打撈。在過去的一段時間，在千米鉆井中出現了卡鉆和鉆桿斷裂的情況下，都是用常規的公、母錐與原來的斷裂鉆桿相結合，再進行卡鉆現象的處理。但是，在實際操作中，有下列問題：①常規的公錐體或母錐套接斷裂的鉆桿后，在拔出鉆桿時易出現脫節。②常規的公、母錐在使用后，大多會損壞或磨損，通常不能再次使用[1]。

2 新型鉆桿打撈工具的研制

由于傳統的打撈鉆桿工具在打撈時易發生脫節，因此，利用膨脹螺栓的原理，開發和制造了一種新型的打撈母錐和公錐。

2.1 新型鉆桿打撈母錐的研制

（1）打撈母錐基本結構。新鉆桿打撈母錐主體包括：鉆桿接頭、打撈本體、錐度襯套、止退套等4個部件，其構造見圖1。

圖1 新型鉆桿打撈母錐結構（單位：mm）

具體新型鉆桿打撈母錐結構描述如下：①鉆桿連接：選擇被打撈的鉆桿，母扣端長200mm，必須保證絲扣的完整。②打撈鉆桿主體：采用直徑350mm、直徑為114mm的無縫鋼管，最右側為漸縮體，與圖中錐形套管相匹配的部位為漸開體，與錐形套管形成間隙配合。③錐度襯套：選用?108mm×6mm 的無縫鋼管，長度為70mm。外表面與圖1中的圓錐部分相配合，其內部表面被加工成具有1mm螺距的細齒螺紋。該錐形套管是由2個圓錐安裝于打撈主體內，錐形套管的內徑為91～92mm。④止退套：選用?108mm×6mm的無縫鋼管，長度為30mm，加工成?102mm×92mm的環形圈，根據圖紙的尺寸，將其焊接到主體內部。將鉆桿連接件與打撈主體緊密地焊接，保證焊縫的同心度為0～0.05mm。

（2）新型鉆桿打撈母錐的工作原理。采用新的鉆桿打撈母錐時，先將?90mm的打撈鉆桿公絲環與新的母錐母絲扣相連接，然后將其固定在一根3mm的打撈鉆桿，用鉆具將鉆桿及母錐體緩慢送入鉆孔中的折斷位置，當打撈母錐體靠近破裂的鉆桿點時，減緩推進速率，將斷裂的鉆桿平穩地插入到打撈母圓錐形套管中，并將其插入到鉆桿的連接點，然后操縱鉆機，轉動鉆桿，將鉆桿在鉆孔的同一時刻緩緩后撤。這時，錐形套管會收緊斷裂的鉆柱，在打撈鉆頭的同時，將鉆頭從鉆孔中拉出來，將鉆頭與斷裂的鉆頭緊緊地纏繞在一起，直到將斷裂的鉆頭從鉆孔中拉出來。

2.2 新型鉆桿打撈公錐的研制

（1）打撈公錐基本結構。打撈用的新的打撈工具由打撈本體、錐形襯套、油缸組成，鉆桿連接件4個部分組成，構造見圖2。

圖2 新型鉆桿打撈公錐結構（單位：mm）

具體新型鉆桿打撈公錐結構描述如下：①打撈主體：采用?102mm×8mm 的無縫鋼管，長400mm，最左邊的一端是圓錐，中部是漸縮的錐形，漸縮錐從中間到頂端有3個直徑為12mm的透明孔。②內錐形襯套：一種具有80mm 長的內錐形襯套，在襯套的外側為細牙螺紋，螺紋間距為1mm，由3個三分之一的內錐軸套構成。③推進式液壓缸：自行加工140mm 長的液壓缸，在活塞本體中間加工2 個“O”形凹槽，并在凹槽中安裝“O”形密封環。將3 個錐形軸瓦與缸體的一端用?10mm圓鋼進行焊接。在焊接后，保證圓錐軸瓦在氣缸的驅動下進行往復運動。④鉆桿連接：采用90mm的打撈鉆桿，取母扣端長100mm，以保證絲扣的完整。將鉆桿連接件與打撈主體緊密地焊接，保證焊縫的同心度為0～0.05mm。

（2）新型鉆桿打撈公錐的工作原理。采用新的鉆桿打撈工作錐時，先將?90mm打撈鉆桿公螺釘與新型打撈公錐母絲相連，再在尾部接上一根打撈鉆桿，用鉆機將打撈用的公錐體和鉆桿送入鉆孔內，將新的打撈公錐體插入到斷裂的內壁1.5～2m 處，然后起動，利用供水壓力將新型打撈公錐內的液壓缸推向最大沖程，從而使內錐式套管充分打開并與斷裂的鉆桿內壁充分接觸。操縱鉆頭，將鉆頭轉動，將鉆頭在鉆孔內的時候慢慢地將鉆頭從鉆孔中拉出來，這時，鉆頭就會壓住壓碎的鉆頭，并將鉆頭從鉆孔中拉出來，新的救生器與斷裂的鉆桿緊密地粘在一起，直到將斷裂的鉆桿從井中拉出[2]。

3 新型鉆桿打撈工具的應用

3.1 工程應用背景

晉能裝備制造集團公司某煤礦是一座瓦斯含量較高的煤礦。為了加強對天然氣的控制，我公司引進了一臺VLD-1000鉆機，該鉆機最大可鉆深達1000m，鉆直徑96mm，以提高天然氣的綜合利用效率。在施工中，孔內鉆桿的前端與DGS導向系統、電機（彎管）、無磁絕緣鉆桿、鉆頭等設備相匹配。在施工期間，鉆機駕駛員可以根據不同的煤層狀況，隨時調節彎曲的角度，推動排出孔沿著煤體排列，實現了對中、長孔鉆井的鉆探。但是，隨著鉆井深度的增大，鉆桿使用壽命的延長，在鉆具的施工中，往往會發生斷裂[3]。

2015年3月31日，千米鉆機在1400 抽放巷4 號鉆場4 號鉆孔施工到402m 時，由于鉆桿卡住，鉆機駕駛員在進行打撈作業時，8號鉆桿（前公螺紋）斷裂。導致1組DGS 導向系統、電機、非磁性鉆桿、鉆頭、4 個常規?70mm鉆桿掉入鉆孔內[4]。

公司的抽采單位在事故發生后，立即制訂了打撈計劃。抽放組當即按照計劃實施，具體實施方案是：用一根?90mm 的鉆桿（專用的空心鉆頭）沿原來的鉆孔軌跡擴大到斷裂的位置，再用公圓錐進行打撈。在用?90mm鉆桿進行擴孔工作到204.9m的時候，?90mm的鉆桿斷裂，6 個?90mm 的鉆桿從孔里掉了出來。在?90mm 鉆桿斷裂的情況下，公司的有關負責人立即與生產部門的技術人員聯系，并由生產單位的技術人員使用?114mm 的擴孔器打撈出鉆桿。在用?114mm擴孔器打撈鉆桿時，鉆桿脫落了5個孔，使得整個打撈工作變得更加艱難。

在1套鉆桿和2套打撈鉆桿斷裂掉入井中后，分別使用公絲錐和母絲錐對其進行了套接，但都沒有效果[5]。

3.2 工程應用過程及結果

由于?114mm 打撈鉆桿是一種特殊的打撈鉆桿，在鉆孔中脫落5 個?114mm 的打撈鉆桿，目前市面上還沒有相應的打撈設備。因此，利用自行開發和制造的新型打撈工具，將5 個從鉆井中脫落的?114mm 打撈鉆桿成功地打撈了出來。

?90mm打撈鉆桿落入井中后，盡管廠家技術人員立即為其配備了一套專門的打撈母錐，但是在現場作業中，打撈母錐與斷裂的鉆桿對接后。打撈母錐體與斷裂鉆桿的脫鉤現象屢次發生，致使?90mm的打撈鉆桿未能成功。采用以上所述的打撈母錐工具，一次成功地進行了現場打撈[6]。

4 結論

（1）為了解決當前千米級鉆井平臺上的鉆井作業中出現的問題，創新開發了一種新型的打撈工具——公錐、母錐。

（2）晉能控股裝備制造集團某煤礦一次打撈作業中，采用了一種新的鉆桿打撈母錐和公錐，其打撈工作取得了較好的效果，為公司挽回了300余萬元的經濟損失。

（3）與目前市面上常用的常規鉆井工具相比，新的鉆桿打撈母錐、公錐的使用具有顯著的可靠性和適應性。尤其是在打撈異型鉆柱時，在市面上很難找到與之匹配的打撈母圓錐體和公圓錐體。按照上述的新鉆柱打撈母、公鉆的工作機理，可以由礦井自行加工。這種方法具有很大的應用前景。