深孔地質(zhì)鉆探孔內(nèi)事故專用處理工具之探討

朱江龍

（1．中國地質(zhì)裝備總公司 技術中心，北京100102；2．中國地質(zhì)大學（北京），北京100083）

1 引言

進入21世紀，資源形勢日趨緊張，全國機械巖心鉆探工作量逐年激增，近兩年來已逼近2000萬延米，每年工作量為上世紀90年代年均工作量的10倍之多；且隨著淺部資源的日益枯竭，探礦深度也日益加大，國家鼓勵大力拓展500～2000m的“第二找礦空間”。隨著鉆探工作量的增多，鉆深的加大，深孔地質(zhì)情況越來越復雜，孔內(nèi)下入套管級數(shù)越來越多，孔內(nèi)事故，尤其是卡鉆、卡套管、埋鉆、燒鉆的發(fā)生幾率也成倍增加。在野外鉆探實踐中，深孔地質(zhì)鉆探事故處理的難度、周期和成本，已經(jīng)嚴重影響到所運轉(zhuǎn)數(shù)千機臺的臺月效率和綜合效益，成為困擾眾多地質(zhì)勘探施工單位的主要難題之一。

地質(zhì)鉆探孔內(nèi)事故的避免首先以預防為主，但是，面對日益復雜的地質(zhì)鉆孔，事故的發(fā)生在所難免，如何采取有效的技術手段與裝備來應對已經(jīng)發(fā)生的和可能發(fā)生的孔內(nèi)事故，成為鉆探設備工程技術人員需要解決的問題。

2 現(xiàn)有的事故處理技術裝備手段

2．1 鉆機的強拉與起拔

與石油鉆機、水井鉆機相比較，地質(zhì)鉆機的事故處理能力較小，主要取決于：鉆塔（桅桿）承載力，絞車能力，油缸起拔力等。例如，SGZ24型重載四角鉆塔（4輪游鉤）的承載力僅為500kN，3000m鉆深鉆機（包括全液壓鉆機與機械立軸鉆機）的給進油缸起拔力為300kN，以上數(shù)據(jù)均為深孔重載地質(zhì)鉆機的提升及起拔能力，僅可勉強支撐3000m全孔鉆具重量（N口徑鉆具）及孔壁摩擦阻力的起拉需求，而深孔鉆機、中深孔鉆機的鉆塔、卷揚，桅桿及給進油缸遠遠不能滿足深孔鉆桿、鉆具及套管在孔內(nèi)遇卡時的特殊起拔要求。

2．2 打撈及事故處理工具

與專業(yè)的石油鉆探工具廠提供的數(shù)十種較為齊全的打撈工具、事故處理工具、井下工具相比較，當前地質(zhì)專用工具十分單一，多數(shù)鉆探工具廠只生產(chǎn)鉆桿公母錐，套管公錐（圖1和表1），并不重視地質(zhì)鉆探打撈及事故處理工具的研發(fā)，據(jù)資料顯示，這方面的技術裝備水平一直停留或低于上世紀80年代的發(fā)展水平，與當前深孔地質(zhì)鉆探孔內(nèi)事故處理“層出不窮”的現(xiàn)狀嚴重脫鉤。如何針對地質(zhì)巖心鉆探，特別是繩索取心鉆探的小口徑、薄壁鉆桿、滿眼鉆進、環(huán)狀間隙小等工藝技術特點，研制多樣化、系列化的地質(zhì)鉆桿、套管打撈及事故處理工具，以滿足地質(zhì)鉆探施工的不時之需，成為當務之急。

圖1

表1 部分公母錐及套管公錐的規(guī)格（mm）

2．3 孔口輔助工具

地質(zhì)鉆機一般匹配大噸位的拔管機作為輔助井口工具，多選擇400kN，750kN兩種起拔能力（表2、圖2），用于起拔孔內(nèi)套管及事故鉆桿，但由于較為笨重，安裝不便，各種規(guī)格繩索鉆桿的卡瓦適配性不好，鉆桿抗拉強度有限等原因，導致許多施工單位并未配套，或者原配的拔管機閑置未發(fā)揮作用。

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圖2 張?zhí)焦厩Ы镯?/p>

3 發(fā)展地質(zhì)鉆探事故專用工具的思考與實踐

通過以上對于鉆機與專業(yè)工具的現(xiàn)狀分析，可以看出，僅靠依賴主機設備肯定不能扭轉(zhuǎn)孔內(nèi)事故突發(fā)時無計可施、無可奈何的現(xiàn)狀，只能寄希望于地質(zhì)專用安全打撈及事故（孔內(nèi)）工具的新一輪研制，并進一步增強孔口工具的適用性，以孔內(nèi)工具與主機設備相結合，孔內(nèi)工具與孔口工具相結合，追求主機設備、孔內(nèi)工具、孔口工具的一體化協(xié)同能力，并進行多樣化、系列化的配套性及專業(yè)化生產(chǎn)，施工單位有所擇，有所備，有所用，有備無患，追求孔內(nèi)事故處理的便捷、高效、低成本與操作規(guī)范化，才可應對實戰(zhàn)中“層出不窮”的孔內(nèi)事故。

3．1 研制新型孔內(nèi)工具

石油打撈工具較為齊全，較為常用的主要有：高強度公錐、母錐、可退式卡瓦打撈矛、可退式卡瓦打撈筒、提放式可退倒扣撈矛、提放式可退倒扣撈筒等。由于巖心鉆探的井身結構、環(huán)狀間隙、鉆桿的規(guī)格及材質(zhì)特點，上述工具都無法直接選用。但可研制針對地質(zhì)鉆桿及套管的特點，最常用的可退式打撈矛、倒扣打撈矛完全可以進行借鑒性和適配性研制。

（1）可退式打撈矛

一種結構簡單、強度高、從鉆桿內(nèi)徑進行打撈的工具（表3、圖3），可抓撈自由狀態(tài)下的鉆桿、套管，也可抓撈遇卡管柱，打撈矛反轉(zhuǎn)抓死，上提遇卡鉆具。如果打撈不成功，可下?lián)粜据S，正轉(zhuǎn)自由退出。

表3 石油常用小井眼的可退式打撈矛規(guī)格

圖3 可退式打撈矛

（2）倒扣打撈矛

使用打撈矛抓撈是處理打撈事故的主要方式，然而處理遇卡事故，單是抓撈是不夠的，還必須具有傳遞扭矩的能力。倒扣打撈矛既適應打撈又能反轉(zhuǎn)倒扣（表4，圖4）。

表4 石油常用小井眼的倒扣打撈矛規(guī)格

圖4 倒扣打撈矛

從上表3、表4可以看出，石油小井眼鉆桿（或油管）打撈矛的內(nèi)徑、引錐直徑以及抗拉載荷都與地質(zhì)巖心鉆探的規(guī)格尺寸較為相近，以可退式打撈矛為例，對其芯軸外徑、接頭規(guī)格、卡瓦外徑進行適應性調(diào)整（圖5），完全可以研制B規(guī)格、N規(guī)格、H規(guī)格、P規(guī)格等一系列地質(zhì)巖心專用打撈矛，與公母錐抓取事故鉆桿的不確定性相比較，打撈矛的抓取提升成功率將會大大提高。其他型式的打撈筒類、打撈矛類、倒扣類、震擊器、小物件打撈工具等打撈及事故處理工具都可以按照地質(zhì)鉆具的結構型式對石油相近規(guī)格的孔內(nèi)工具進行借鑒性與適用性研制。

圖5 石油小井眼可退式打撈矛

3．2 增強孔口輔助工具的適用性

在目前常用的地質(zhì)拔管機基礎上，目前市場上有兩種新型孔口起拔裝置投入實用：輕便型單油缸起拔裝置（500～1500kN），重載單油缸連續(xù)起拔裝置（1500～2500kN）。

（1）輕便型起拔裝置（圖6）

作為小口徑巖心鉆機的輔助配套機具，采用手搖油泵作為動力；單油缸自動對心，重量輕、體積小，銜接方便；多套卡瓦，可適配地質(zhì)取心小口徑各種規(guī)格鉆桿、套管（BQ、NQ、HQ口徑鉆具），以彌補巖心鉆機較小的事故處理能力與套管起拔能力，在內(nèi)蒙、河北等小口徑深孔巖心鉆探中得到了良好的應用。

（2）重載連續(xù)起拔裝置（圖7）

圖6 輕便型起拔裝置

作為大口徑巖心鉆機的配套設備，以電動超高壓液壓泵站作為動力，系統(tǒng)壓力63MPa；大噸位單油缸起拔，起拔力可達2500kN；上端下部分別采用錐度卡瓦式卡盤，卡瓦自動對心；采用中位可保壓液壓操控閥，在任何起拔位置可實現(xiàn)承載保壓懸停；側入式卡盤，較為便利；上下卡盤可實現(xiàn)自動倒桿，連續(xù)起拔行程可達一根10m鉆桿，以應對孔內(nèi)卡鉆事故在需要超過1500kN拉力的情況下，地質(zhì)用重載鉆塔的天車無法承受的工況。該設備在汶川斷裂帶科學鉆探二號孔Ф150mm直徑取心鉆進到1300m，遭遇地層嚴重縮頸的情況下，成功解除一次卡鉆事故。

圖7 重載連續(xù)起拔裝置

以上兩種起拔裝置雖然已經(jīng)在實踐中得到檢驗，有很好的野外應用效果。但是也暴露出一些問題：

① 卡瓦與繩索鉆桿或套管在預夾緊時偶爾出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；

② 單油缸安裝很不方便，在處理事故需要快速應對的情況下，需要先將鉆桿頂部穿過空心油缸進行操作，操作周期較長，較為費時費力；

③ 需要單獨的電動超高壓液壓泵站，不能與鉆機主機一體化設計。

圖8 側入式連續(xù)起拔裝置

由此，中國地質(zhì)裝備總公司技術中心正在研制一種雙油缸強力起拔、可側入鉆桿安裝、上端下部分別為錐度卡瓦式卡盤自動對心、主機設備提供液壓動力的大噸位連續(xù)起拔裝置、高強度卡瓦夾緊鉆桿。該設備具備50～146mm直徑的全部地質(zhì)鉆桿、套管用卡瓦的配套，可滿足1000～2000kN的孔內(nèi)事故起拔能力，上下接力，可連續(xù)起拔整根18m立根長度。是目前深孔地質(zhì)鉆機較為理想的孔口配套設備。

3．3 加強機具協(xié)同，增強實效

單獨依靠主機設備、孔內(nèi)工具或者孔口起拔裝置的某一種，其事故處理能力較小，功能較為單一。采用主機設備與孔內(nèi)工具相結合，如石油鉆機采用主機游鉤加震擊器、鉆桿接打撈矛邊循環(huán)邊起拔，會大大增強事故解除的能力和功能；或者主機設備提供動力，孔口裝置與孔內(nèi)工具相結合，降低設備構成，并連續(xù)強力起拔，采用游車進行輔助提升，成倍加大事故處理能力。

綜上，深部地質(zhì)巖心鉆探，面臨深孔地層的復雜性，小口徑井身結構的特殊性，主機設備能力的限制，其事故處理難度遠遠大于石油鉆井及水井鉆探，而地質(zhì)專用事故處理工具又極為缺乏，導致施工成本、周期大大增加，甚至造成一些投入巨大資金和精力的深部取心鉆探孔的直接報廢，已經(jīng)成為當前深孔地質(zhì)鉆探的一大難題，本文僅對其中很少一部分井口設備與孔內(nèi)工具進行了探討，旨在拋磚引玉，與業(yè)內(nèi)專業(yè)人士一起努力，盡早形成深孔地質(zhì)鉆探事故處理專用機具的多樣化、系列化配套體系。