煤礦井下可退式卡瓦打撈筒的研制及應用

伍 濤

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤礦井下地質條件復雜，煤層穩定性差，且高瓦斯礦井占多數[1]，在煤礦井下鉆進過程中卡鉆、埋鉆導致的孔內斷鉆事故不斷增多，不僅影響了煤礦開采的生產進度，還會因成套鉆具丟失帶來嚴重的經濟損失，處理事故過程更會耗費大量人力物力。煤礦井下孔內斷鉆事故打撈處理工藝和裝備研究一直是一個重要課題[2-6]。

常見的煤礦井下的鉆具打撈工具有公絲錐和母絲錐[7-9]，公絲錐在斷裂鉆桿的內孔圓柱面處造扣，母絲錐則在斷裂鉆桿外部造扣，二者均是靠絲扣鎖住第一根鉆桿實現上提打撈的方法。在卡鉆、埋鉆等造成斷鉆事故的打撈中，公母絲錐打撈往往存在以下3 個方面的不足：在高強度高韌性鉆桿上造扣能力低；在鉆桿上造扣過程產生的摩擦熱使絲扣軟化導致造扣強度不高；打撈斷口不規則的鉆具時，公母絲錐認扣套住鉆具難度較高[10-11]。王英[12]指出在使用公絲錐和母絲錐進行打撈斷裂鉆具時，公母絲錐都出現不同程度的認扣困難和脫扣情況，需嘗試多次打撈。張杰等[13]針對大尺寸井眼打撈研制了引導式自鎖鉤打撈工具，提高了打撈工具的認扣能力。郭昆明[14]針對復雜鉆孔研制了套銑加造扣的復合錐打撈工具。李文鵬[15]、李帥帥[16]、張杰[17]等針對公母絲錐的不足研制了新型打撈工具，認扣能力在現場應用中得到了認可，但在復雜孔內事故中，其對斷裂鉆具抱緊強度的提高不明顯。鑒于此，筆者從引鞋結構設計輔助扶正鉆桿，卡瓦與外筒楔形螺旋結構設計改變傳統造扣方式，增加鍵槽控制環設計保證打撈失敗后鉆具可退式操作等多個方面開展研究，研制一種可退式卡瓦打撈筒，以便更好地解決煤礦井下斷鉆事故的現場打撈。

1 卡瓦打撈筒打撈工藝

1.1 打撈工藝原理

可退式打撈筒的打撈工藝原理：打撈筒螺紋連接在主動鉆桿上，沿著鉆孔緩慢回轉下鉆至斷鉆點，通過引鞋扶正使得斷裂鉆桿順利進入打撈筒內，推動卡瓦軸向移動至外筒最大外徑處，卡瓦直徑變大直至鉆桿完全進入卡瓦內，卡瓦在右旋內螺紋的作用下逐漸抱緊鉆具，并帶動鉆具一起回轉，此時鉆機上儀表顯示回轉壓力和給進壓力逐漸增大。緩慢回轉并上提鉆具，卡瓦楔形面與外管體楔形面緊密貼合，鉆機的回轉扭矩及起拔力轉換為卡瓦對鉆桿的抱緊力，直至最終將斷裂鉆具從孔內打撈出。

1.2 可退工藝原理

斷裂鉆桿打撈成功后，需在孔口釋放鉆具，如果打撈失敗也需要打撈工具釋放孔底鉆具，防止二次斷鉆事故。可退式打撈筒設計了控制環單元以調整卡瓦在外筒中的位置，進而控制打撈筒對斷裂鉆具的解除抱緊力操作。具體原理是在控制環單元上設置了多組鍵槽，卡瓦上凸臺與鍵槽配合，初始回轉給進狀態下卡瓦位于控制環抱緊鍵槽中，卡瓦在外筒體上可軸向移動但無旋轉自由度，斷裂鉆桿可順利進入卡瓦中，進而進行打撈作業。打撈成功或者孔口釋放鉆具時，鉆機起拔鉆具并反向回轉一周，將卡瓦置于松開鍵槽中，此時卡瓦固定在外筒體內螺旋的最大外徑處且無旋轉自由度，外筒對卡瓦的抱緊力解除，在起拔過程中鉆具就能順利滑出打撈筒，實現釋放鉆具功能。

2 卡瓦打撈筒結構設計

可退式卡瓦打撈筒結構如圖1 所示，包括上接手、外筒、卡瓦、控制環、引鞋5 個部件，外筒內表面為螺距40 mm 的楔形螺旋，卡瓦一端設計有凸臺，另一端車有外螺旋與外筒的內螺旋相配合連接，二者螺旋面直徑不同導致中間留有間隙，卡瓦可在一個螺距內沿軸向運動，引鞋一端為螺旋面，另一端與外筒螺紋連接，控制環上銑有鍵槽，裝配在引鞋與外筒中間。

圖1 卡瓦打撈筒結構Fig.1 Structure of the slip overshot

2.1 引 鞋

由于鉆孔孔徑大于斷裂鉆桿，斷裂鉆具在孔內呈傾斜狀態，因此，打撈筒設計具有扶正效果的引鞋，引鞋設計為螺旋面結構，當孔內打撈筒與斷裂鉆具錯開時，通過回轉可將斷裂鉆具引入打撈筒內。在一定螺距內，引鞋螺旋面長度設計越長，斷裂鉆具的扶正距離越大，但螺旋面設計越長，螺旋面管體強度越低。綜合考慮打撈筒的扶正效果以及引鞋強度，將引鞋螺旋面長度設計為120 mm，螺旋面的螺距設計為160 mm，打撈筒設計的螺旋面在孔內與斷裂鉆桿錯位后，可以通過回轉將斷裂鉆桿扶正并導入打撈筒內，大大提高卡瓦打撈筒認扣鎖住斷裂鉆桿的成功率。

2.2 卡 瓦

打撈筒卡瓦結構如圖2 所示。卡瓦內壁為楔形正螺旋，卡瓦前端有4 組凸臺，凸臺與控制環的鍵槽配合，卡瓦上銑加工有4 條豁槽，豁槽設計使斷裂鉆桿在進入卡瓦后可以徑向脹大卡瓦并回轉進入卡瓦內，待斷裂鉆桿完全進入卡瓦后起拔鉆具，卡瓦內表面車有牙高2 mm 的細螺紋，鉆桿帶動卡瓦軸向移動使得卡瓦外表面楔形螺旋面與外筒楔形螺旋面接觸，卡瓦受到外筒螺旋面產生的徑向力，在徑向力的作用下抱緊鉆具。

圖2 卡瓦結構Fig.2 Structure of the slip

2.3 控制環

控制環結構如圖3 所示，控制環結構主要作用是控制卡瓦與外筒之間的位置關系，設計安裝于打撈筒外筒與卡瓦之間，控制環內壁上銑有4 組相連通的環形鍵槽，卡瓦上凸臺置于控制環鍵槽內，控制環設計的環形鍵槽使卡瓦在筒體中的相對位置可通過鉆機動作進行程序式控制。鉆機的給進、起拔、回轉操作實現卡瓦在鍵槽內不同位置的變換，卡瓦在鍵槽內不同位置的變換對應卡瓦的抱緊和松開狀態的轉換，最終實現抱緊和釋放鉆具等功能。

圖3 控制環結構Fig.3 Structure of the control ring

打撈筒整體結構設計實現了以下有益功能：通過引鞋螺旋面設計可提高打撈筒的回轉認扣(引入鉆桿斷頭)成功率；通過內外螺旋楔形面設計將鉆機對鉆桿的起拔力轉換為打撈筒對斷裂鉆桿的抱緊力，起拔力越大對應抱緊力越大，與常規絲錐造扣相比具有更大的把持力；通過控制環鍵槽設計可以在打撈成功或失敗后更好地釋放鉆具，在卡鉆、埋鉆等復雜事故中無法打撈情況下，也可孔內釋放鉆具防止出現二次斷鉆事故的發生。

3 卡瓦打撈筒管柱力學分析

打撈筒在進行打撈作業抱住鉆桿后回轉起拔過程中，受到扭矩和軸向正應力作用，發生斷鉆事故往往伴隨有卡鉆、埋鉆事故，打撈作業時鉆機的強力起拔操作，使得鉆具受到比常規情況下更大的扭矩和正應力[18]。設計卡瓦打撈筒時需進行管柱力學分析，通過外筒受到扭轉的剪切應力和起拔的軸向正應力，來確定打撈筒的合理壁厚尺寸，取二者較大值作為打撈筒壁厚設計的參考依據。通過分析卡瓦打撈筒對斷裂鉆桿的抱緊力分析來驗證在鉆機最大起拔力條件下打撈的成功率，為現場施工提供理論參考依據。

3.1 外筒扭轉切應力計算

打撈筒外筒壁厚遠小于其外筒中徑，可假設打撈筒外筒為薄壁圓筒[19]，其兩端面承受扭轉變形的扭矩，外筒截面上扭矩產生的切應力，通過在外筒中徑處截面上取一小方塊做微分方程，橫截面上扭矩與切應力間的靜力關系為：

式中：r0為外筒中徑，m；δ為外筒壁厚，m；τ為扭矩產生的切應力，MPa；A為外筒橫截面積，m2；M為外筒受到扭矩，N·m。

對微小單元積分得到外筒橫截面面積A：

由式(1)和式(2)可知壁厚與扭矩和切應力的關系：

根據材料屈服強度關系可確定外筒受到的切應力τ與許用切應力τmax的關系為：τ≤τmax

確定打撈筒外筒截面壁厚最小值為：

式中：δmin為外筒橫截面最小壁厚，m；τmax為外筒材料的許用切應力，MPa。

以?73 mm 打撈筒為例，針對煤礦井下常規鉆孔常用鉆機扭矩M為4 000 N·m，打撈筒外筒材料為45 號鋼材，根據45 號鋼國家標準GB 699?88《優質碳素結構鋼》對45 號鋼材材質的要求，乘以煤礦施工特殊工況下鋼材安全系數后，打撈筒外筒的安全許用切應力為88 MPa，?73 mm 外筒中徑r0為50 mm，計算可得δmin≥2.9 mm，即僅考慮扭轉變形條件且不考慮其他因素影響的情況下，打撈筒外筒的安全壁厚不應小于2.9 mm。

3.2 軸向正應力計算

打撈筒外筒可近似看作薄壁圓筒，在確定了鉆機的最大起拔力后還需判斷橫截面的軸向正應力分布情況，通過度量橫截面正應力分布集中度以及材料承受載荷的能力來判斷筒體是否會因拉伸強度不足而破壞，進而可確定打撈筒外筒的最小壁厚。

假設外筒橫截面上正應力 σ均勻分布，則有：

式中：F1為鉆機起拔力，N。

對微小單元積分得到外筒橫截面面積A：

即軸向正應力σ 的計算公式為：

以?73 mm 打撈筒為例，針對煤礦井下常規鉆孔常用ZDY4000S 鉆機最大起拔力為155 kN，打撈筒外筒材料為45 號鋼材，根據45 號鋼國家標準GB 699?88《優質碳素結構鋼》對45 號鋼材材質的要求，乘以煤礦施工特殊工況下鋼材安全系數后，乘以安全系數的打撈筒正應力屈服強度極限為152 MPa，?73 mm 外筒中徑r0為50 mm，計算可得δmin=3.25 mm，即僅考慮扭轉變形條件且不考慮其他因素影響的情況下，打撈筒外筒的安全壁厚應不小于3.25 mm。

3.3 卡瓦抱緊力計算

打撈筒在工作過程中，卡瓦與外筒的接觸情況及受力分析如圖4 所示。斷裂鉆桿進入卡瓦內部將卡瓦外徑脹大，卡瓦楔形螺旋面與外筒的楔形螺旋面接觸，當受到鉆機起拔力F1作用時，沿外筒楔形面對卡瓦施加法向分力N，由于卡瓦設計有4 條豁槽，外筒對卡瓦的法向分力N將轉換為卡瓦對鉆桿的抱緊力F2和軸向拉力。因此，通過打撈筒外筒和卡瓦楔形螺旋面設計，將鉆機的起拔力等比例轉換為卡瓦對斷裂鉆桿的抱緊力，鉆機在打撈施工中對孔底鉆具的起拔力越大，打撈筒對斷裂鉆桿的抱緊力越大，故不易脫扣造成斷裂鉆桿滑落。在卡鉆、埋鉆事故處理中，對打撈筒卡瓦抱緊力的計算顯得更為重要，能為現場施工提供理論依據。

圖4 卡瓦與外筒接觸面受力分析Fig.4 Force analysis of contact surface between slip and outer tube body

根據受力分析：

對卡瓦進行受力分析，卡瓦受到外筒體楔形面法向分力N可轉換為卡瓦對鉆桿的徑向抱緊力F2，則有：

可知鉆桿受到的徑向抱緊力F2為：

當楔形面的坡角θ<45°時，鉆機對斷裂鉆桿的徑向抱緊力與鉆機起拔力成正比。

以?73 mm 打撈筒為例，針對煤礦井下常規鉆孔常用ZDY4000S 鉆機最大起拔力為155 kN，打撈筒外筒與卡瓦的楔形面坡角 θ設計為7.5°，徑向抱緊力則為20.06 kN。

3.4 卡瓦打撈筒研制

煤礦井下目前常用的鉆桿規格有?73 mm 和?89 mm，通過對卡瓦打撈筒的管柱力學分析，設計了2 種規格的可退式卡瓦打撈筒(表1)：?108/73 mm 可退式卡瓦打撈筒，設計打撈?73 mm 鉆桿，外筒最大直徑?108 mm，該打撈筒外筒的最小壁厚設計為3.5 mm；?118/89 mm 卡瓦打撈筒，設計打撈?73 mm 鉆桿，外筒最大直徑118 mm，該打撈筒外筒的最小壁厚設計為5.5 mm。

表1 打撈筒規格參數Table 1 Specifications and parameters of the overshot

4 現場試驗

利用研制的2 種卡瓦打撈筒進行煤礦井下打撈?73 mm 和?89 mm 斷裂鉆桿試驗，并在全國范圍內進行推廣應用。

4.1 鉆場概況

研制的?108/73 mm 可退式卡瓦打撈筒在山西省新源煤礦進行了現場打撈試驗，新源煤礦開采2 號煤層，煤層平均厚度1.5 m，煤層結構簡單，頂底板巖性以砂巖為主，工作面地層傾角7°～12°，屬高瓦斯礦井。

此次山西省新源煤礦打撈作業位于2206 工作面，現場鉆孔設計為穿巖見煤的穿層鉆孔，煤層走勢起伏在鉆進過程中易鉆遇矸石層，鉆孔設計深度較大，鉆桿在孔內受力不均導致彎曲起伏較大，加上塌孔煤渣對鉆桿局部的壓力，使得鉆桿在接頭處出現明顯應力集中，極易導致鉆桿因局部彎矩過大而造成接頭疲勞斷裂。

4.2 試驗設備

現場施工的設備及規格型號情況見表2。

表2 設備規格型號Table 2 Equipment specification table

現場施工的ZDY4000s 鉆機重要技術參數見表3。

表3 鉆機技術參數Table 3 Technical parameters of the drilling rig

4.3 試 驗

此次打撈作業中鉆桿斷裂部位位于鉆桿公接頭螺紋根部，斷口形貌平整，斷鉆點位于鉆孔孔深71 m 處，孔內掉落鉆桿26 根，確定好斷鉆點后，下入打撈筒前反復沖孔和洗孔。利用鉆機回轉給進下放打撈筒鉆遇鉆具后，在引鞋的作用下鉆具進入筒內，此時鉆機上儀表顯示回轉壓力和給進壓力略微增大。鉆具完全進入打撈筒后繼續回轉，若斷裂鉆具完全進入打撈筒內則帶動鉆具一起回轉，此時鉆機回轉壓力增大明顯，鉆機開始回轉起拔打撈筒的操作，起拔壓力也增大至完全套住鉆桿，最終打撈筒成功打撈出26 根斷裂鉆桿，打撈筒提鉆至孔口處，固定孔內鉆具，鉆機前推打撈筒并反向回轉一周，再次提鉆打撈筒在孔口成功釋放斷裂鉆桿，順利完成此次斷裂鉆桿的打撈工作。施工完成后打撈筒的實物如圖5 所示。

圖5 卡瓦打撈筒實物Fig.5 Physical map of the slip overshot

4.4 推廣應用情況

研制的?108/73 mm 和?118/89 mm 打撈筒因卡瓦豁槽設計使得可打撈的鉆具規格范圍較大，可打撈鉆具尺寸規格在±3 mm 范圍內均可打撈，不僅適用于常規鉆桿還適用于通纜鉆桿，目前已在全國多個煤礦區進行了推廣應用，如在華北地區山西大平煤業應用于?73 mm 整體式螺旋鉆桿打撈，在西南地區貴州龍鳳煤礦、新田煤礦應用于?89 mm 通纜鉆桿打撈，在華東地區淮南煤田顧橋煤礦應用于?89 mm 通纜鉆桿和外平鉆桿打撈作業，與傳統公母絲錐打撈相比，可退式卡瓦打撈筒對斷裂鉆具抱緊強度高、認扣效果好、操作簡便、可有效防止二次孔內事故發生，應用效果良好。

5 結 論

a.通過對卡瓦打撈筒的結構設計改變了常規的打撈絲錐造扣打撈原理，增強了對斷裂鉆桿的抱緊力，提高了打撈成功率，實現了卡瓦打撈筒可退式功能，方便孔口釋放鉆具，也可防止二次斷鉆等孔內事故發生。

b.根據打撈作業管柱的力學特征，分析了打撈筒外筒與卡瓦的受力關系，對卡瓦打撈筒的壁厚等關鍵設計參數進行理論分析；計算打撈筒在打撈作業時起拔力轉換為對鉆具抱緊力的大小，為卡瓦打撈筒現場應用推廣提供了理論依據。

c.研制的可退式打撈筒成功應用于山西新源煤礦，并在全國范圍內進行推廣應用，證明卡瓦打撈筒結構設計合理，可退式釋放鉆具的功能具備可行性，現場應用效果良好。