新型貫通式水壓割管器在深孔鉆具卡埋事故處理中的應(yīng)用

陳為民，郝 峰，丁磊明，張部民

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東濰坊261021)

對(duì)于復(fù)雜地層鉆探［1］，通常采用套管隔離的方法進(jìn)行護(hù)壁，當(dāng)鉆孔施工完成后，套管往往會(huì)被復(fù)雜地層卡、埋住，起拔不上來;同時(shí)在深孔繩索取心鉆進(jìn)中，當(dāng)發(fā)生孔內(nèi)燒鉆、卡鉆、埋鉆事故，或鉆頭、擴(kuò)孔器被巖屑卡住后，鉆桿提不出來。遇到以上兩種情況多用“絲錐反”起拔法［2］處理，即用反絲鉆桿配反絲公(母)錐將套管或鉆桿逐段反開，這樣處理的后果就是:一則采用分段多次起拔可能會(huì)使下段處理更加困難;二則破壞絲扣，甚至扭傷鉆桿、套管;三則勞動(dòng)強(qiáng)度大，處理周期長(zhǎng)、成本高，不安全因素多。在長(zhǎng)期的鉆探實(shí)踐中，我們根據(jù)調(diào)研情況，在總結(jié)了各種偏(離)心割管器［3－5］、實(shí)心活塞水壓割管器［6－7］優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上研制了一種新型的貫通式水壓割管器。

1 工作原理及創(chuàng)新點(diǎn)

其總成裝配示意圖見圖1。

圖1 貫通式水壓割管器裝配示意圖

割管器通過鉆桿下入孔內(nèi)預(yù)定割管位置，在隨后投入的阻水器到位后，加之活塞體O形密封圈的作用，沖洗液通道被封閉;開泵送沖洗液后，泵壓隨之升高，漸漸推動(dòng)阻水器、錐形活塞體自其初始位置向下移動(dòng);錐形活塞體迫使短柱狀割刀體自其初始位置慢慢外伸，直至合金切削刃接觸待割管內(nèi)壁，此時(shí)開動(dòng)鉆機(jī)即可進(jìn)入割管工作狀態(tài)。割管完成，停泵打開回水閥并打撈出阻水器后，整個(gè)鉆桿內(nèi)卸壓，活塞體復(fù)位彈簧推動(dòng)錐形活塞體向上移動(dòng)，活塞體回歸其初始位置;同時(shí)割刀復(fù)位彈簧推動(dòng)割刀體水平內(nèi)縮移動(dòng)，割刀體彈回割刀架內(nèi)。提鉆時(shí)沖洗液順著貫通水口流出。

該貫通式水壓割管器創(chuàng)新主要有如下幾個(gè)。

(1)設(shè)計(jì)增加了可打撈式阻水部件，實(shí)現(xiàn)了提鉆卸開鉆桿時(shí)不再發(fā)生憋水噴漿現(xiàn)象，保證了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保、操作安全、工人干凈(尤其是冬季施工時(shí));提鉆時(shí)不產(chǎn)生活塞抽吸作用，不會(huì)破壞孔壁;避免了由于深孔時(shí)活塞體頂部沖洗液背壓過高，復(fù)位彈簧難以匹配、割刀體復(fù)位難、不徹底，造成提鉆時(shí)割刀頭刮割破壞套管;增加了沖洗液循環(huán)冷卻切削刃的功能。

(2)錐形活塞體上設(shè)計(jì)增加了多道O形密封圈，既使得工作腔密封加壓可靠又保證活塞體上下滑動(dòng)自如。

(3)將割刀體常規(guī)采用的薄型彈簧片復(fù)位或燕尾槽式滑鍵復(fù)位改用螺旋拉伸型彈簧復(fù)位，制作更簡(jiǎn)單，又增加了其工作強(qiáng)度及復(fù)位的可靠性。

2 結(jié)構(gòu)部件制作與加工

首先根據(jù)擬割套管或繩索鉆桿內(nèi)徑及壁厚確定割管器(活塞套、割刀架)最大外徑及割刀外出刃高度，再依次確定各零部件的相應(yīng)配套尺寸。在平度大莊子礦區(qū)處理91 mm套管(壁厚5 mm)時(shí)割管器最大外徑采用75 mm;山西靈丘腰站礦區(qū)處理S95鉆具(91 mm鉆桿，壁厚5 mm)時(shí)割管器最大外徑采用75 mm。主要尺寸選擇可遵循如下原則:割管器最大外徑=擬割管內(nèi)徑(接箍?jī)?nèi)徑)－3～4 mm;割刀外出刃高度=擬割管的壁厚+1～2 mm。

(1)可打撈式阻水器:選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼加工，也可選用廢舊的繩索取心撈矛頭加工而成。

(2)活塞套:選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，厚壁管或圓鋼加工。見圖2。

(3)錐形活塞體:選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，圓鋼加工。見圖3。

(4)O形密封圈:根據(jù)所選錐形活塞體的外徑確定。

(5)割刀架:選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，厚壁管或圓鋼加工。見圖4。

(6)活塞體復(fù)位彈簧:選用合適的舊彈簧制作。見圖5。

圖2 活塞套

圖3 錐形活塞體

圖4 割刀架

圖5 活塞體復(fù)位彈簧

(7)短柱狀割刀體:選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼加工。見圖6。

(8)割刀體復(fù)位彈簧:選用合適的舊彈簧制作。見圖7。

圖6 短柱狀割刀體

圖7 割刀體復(fù)位彈簧

(9)硬質(zhì)合金切削刃:選用YT15硬質(zhì)合金塊鑲焊，然后根據(jù)需要磨制刃尖。

(10)可根據(jù)自有鉆探機(jī)具管材型號(hào)、施工口徑要求，提前預(yù)制割管器備用。

3 適用條件

3．1 擬割管徑

適用于處理管徑70 mm及以上的S75配套鉆桿或套管;小于以上直徑的套管或繩索取心鉆桿因其管內(nèi)徑太小，割刀復(fù)位彈簧難以合理匹配，故該型割管器將受到一定的限制，此時(shí)可考慮采用燕尾槽式滑鍵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)割刀復(fù)位。

3．2 割管深度

采用繩索取心鉆桿做處理機(jī)具，其割管適用深度可符合繩索取心鉆桿鉆進(jìn)深度;若采用50 mm外平ZT520鋼級(jí)地質(zhì)鉆桿(匹配ZT590鋼級(jí)以上的鎖接頭)做處理機(jī)具，理論上可用于2800 m深孔。鉆桿強(qiáng)度驗(yàn)算可參考鄢泰寧主編的《巖土鉆掘工藝學(xué)》［8］。

4 操作流程及注意事項(xiàng)

(1)將割管器孔外組裝好，通過頂端公扣與上部鉆桿連接，精確下到孔內(nèi)預(yù)定割管位置。

(2)將可打撈阻水器投入鉆桿內(nèi)，用水泵送水將阻水器送到錐形活塞體上部位置，泵壓開始升高。

(3)繼續(xù)送水的同時(shí)，開動(dòng)鉆機(jī)，保持轉(zhuǎn)速220～300 r/min之間，由于轉(zhuǎn)速較低，所以割管器對(duì)泥漿的介質(zhì)要求不高，使用鉆孔正常鉆進(jìn)時(shí)的沖洗液即可。另外割管位置須距孔底有一段距離，視孔深、沖洗液中巖粉含量等情況建議此距離≮1.0 m，孔內(nèi)巖粉皆沉淀于此，以防巖粉沉淀對(duì)割管作業(yè)造成影響。

(4)硬質(zhì)合金割刀接觸套管或鉆桿內(nèi)壁后，開始正常割管作業(yè)。割管期間注意隨時(shí)根據(jù)電流變化調(diào)節(jié)水泵壓力。

(5)可根據(jù)鉆機(jī)運(yùn)行電流情況等判斷孔內(nèi)割管是否成功:割管作業(yè)時(shí)鉆機(jī)電流比較穩(wěn)定，一旦鉆機(jī)電流升高或出現(xiàn)急劇波動(dòng)，應(yīng)停止回轉(zhuǎn)，如上提鉆具遇阻，即可判斷管具已被割斷，此時(shí)打開水泵回水閥，卸掉壓力。

(6)用打撈器將阻水器撈出，合金割刀彈回。

(7)將整個(gè)鉆桿及割管器提出，完成本次割管作業(yè)。

(8)若本次作業(yè)合金割刀磨損嚴(yán)重，未能完全割斷套管或鉆桿，則于孔外更換硬質(zhì)合金割刀后進(jìn)入二次循環(huán)作業(yè)。有時(shí)因套管或鉆桿割斷處上部因孔壁不穩(wěn)定或巖屑存集產(chǎn)生卡埋鉆情況，即使套管或鉆桿割斷后也可能存在提拉不動(dòng)的現(xiàn)象，這時(shí)要根據(jù)孔內(nèi)情況重新判定割管位置，實(shí)施再次割管作業(yè)。

5 應(yīng)用實(shí)例

5．1 平度大莊子礦區(qū)ZK69－18鉆孔

5．2 山西靈丘腰站礦區(qū)ZK5204鉆孔

該礦區(qū)地層復(fù)雜易卡鉆、燒鉆，ZK5204鉆孔用S95繩索取心鉆進(jìn)到405.1 m時(shí)發(fā)生事故燒鉆、卡鉆。強(qiáng)力提拔，打吊錘均沒有效果，后在404.8 m處下入該割管器，一次將鉆具割斷，成功將鉆桿提出。純割管時(shí)間25 min。

5．3 山西靈丘腰站礦區(qū)ZK4804鉆孔

用S95繩鉆打到876.5 m遇到復(fù)雜地層發(fā)生事故卡鉆。在876.2 m處下入該割管器，2次將鉆具割斷，成功將鉆桿鉆具提出。純割管時(shí)間共計(jì)50 min。

6 結(jié)語(yǔ)

該新型貫通式水壓割管器在處理深孔繩索取心鉆進(jìn)卡鉆、埋鉆事故中，較好地解決了其它常規(guī)方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)具易損壞、處理周期長(zhǎng)、成本高且不安全因素多等缺陷，具有事故處理效率高、環(huán)保、安全、快捷、可控性高等特點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。

［1］ 劉錫金．陳臺(tái)溝鐵礦復(fù)雜地層深孔鉆探施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(10):41 －44．

［2］ 王年友．巖心鉆探孔內(nèi)事故處理工具手冊(cè)［M］．湖南長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2011．

［3］ 孔叔平．簡(jiǎn)易切管器［J］．探礦工程，1958，(8):38 －39

［4］ 徐光鑫．離心割管器的應(yīng)用［J］．探礦工程，1974，(4):53 －54．

［5］ 張紹源．用鉆桿制成的簡(jiǎn)易切管器［J］．探礦工程，1959，(8):30－31．

［6］ 王晚中．自制水壓割管器及其應(yīng)用［J］．探礦工程，2001，(5):33．

［7］ 煤田113隊(duì)工程科．水壓割管器在起拔套管中的應(yīng)用［J］．探礦工程，1974，(4):45 －46．

［8］ 鄢泰寧．巖土鉆掘工藝學(xué)［M］．湖南長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2014．