水力內(nèi)割刀與可退式撈矛在打撈深孔事故鉆桿中的應(yīng)用

羅永貴，王年友，王紅陽(yáng)，馮治平

(1．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南洛陽(yáng)471023;2．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000)

0 引言

隨著深孔鉆探工作量的增多，對(duì)深孔事故處理的安全性、可靠性、及時(shí)性及經(jīng)濟(jì)性等，越來(lái)越被各鉆探施工單位所重視。河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)勘查院在招遠(yuǎn)市欒家河金礦區(qū)47ZK3孔施工中，于孔深2297 m發(fā)生一起跑鉆事故，經(jīng)與中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所合作，采用水力內(nèi)割刀配合可退式撈矛的處理方法，安全、快捷地打撈出1449 m事故鉆桿，極大地降低了事故造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1 鉆孔及事故概況

1．1 鉆孔概況

欒家河金礦區(qū)47ZK3孔設(shè)計(jì)孔深2570 m，終孔口徑≮75 mm;鉆進(jìn)方法為金剛石繩索取心鉆進(jìn)，套管與PHP－PAV無(wú)固相沖洗液護(hù)壁。主要鉆探設(shè)備為:XY－8型鉆機(jī)，BW320型泥漿泵，SG24Z型鉆塔，71 mm CNH(T)繩索取心鉆桿。

1．2 跑鉆事故概況

47ZK3孔鉆進(jìn)至2297 m時(shí)，發(fā)生孔內(nèi)事故，由于“落魚(yú)”處理難度較大，采用偏心楔進(jìn)行側(cè)鉆繞障。在導(dǎo)斜過(guò)程中提引鉆桿時(shí)，突發(fā)跑鉆事故，2250 m繩索取心鉆桿及2 m單管鉆具從801 m鉆桿公接手絲扣處蹾斷，其余1449 m鉆桿墜入孔底(偏心楔頂2277 m)，跑鉆高度約20 m，經(jīng)頂、拉、轉(zhuǎn)等措施處理，均無(wú)效果。經(jīng)分析認(rèn)為，蹾落的鉆桿柱所連接的擴(kuò)孔鉆具(無(wú)內(nèi)管)，其最薄弱的部位是擴(kuò)孔器與鉆頭，12 t左右的鉆桿，由約20 m高度自由跑下，擴(kuò)孔器與鉆頭已被膨脹在孔壁上，甚至包含鉆桿柱下部的部分鉆桿接手一并被蹾脹。

2 處理方法確定

由于事故鉆孔深度較大，所采取的處理方案必須對(duì)其安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等進(jìn)行認(rèn)真地分析比對(duì)，方可在孔內(nèi)實(shí)施。

2．1 反絲鉆桿絲錐打撈

采用反絲鉆桿打撈孔內(nèi)事故鉆桿，是鉆探工程常用的傳統(tǒng)手段，具有操作簡(jiǎn)單、打撈可靠等優(yōu)點(diǎn)，但在2000余米的深孔中使用反絲鉆桿存在諸多問(wèn)題。

2．1．1 處理周期長(zhǎng)

47ZK3孔跑鉆事故跑入孔內(nèi)鉆桿80.5個(gè)立根，每個(gè)立根18 m，事故鉆桿頂孔深828 m，事故底孔深2277 m。由于鉆孔深度大，起下鉆需占用大量臺(tái)時(shí)，事故上部每天最多處理3趟鉆，事故下部每天最多處理1趟鉆，理想狀態(tài)下，平均按每天打撈出3個(gè)立根計(jì)算，整個(gè)反鉆桿時(shí)間也需近一個(gè)月時(shí)間，甚至更長(zhǎng)。

2．1．2 機(jī)械故障率高

反鉆桿是由鉆機(jī)的反向回轉(zhuǎn)，通過(guò)反絲鉆桿傳遞反扭矩至事故鉆桿上來(lái)實(shí)現(xiàn)退出事故鉆桿的。在對(duì)反絲絲錐反復(fù)上勁過(guò)程中，鉆機(jī)離合器始終是頻繁地離合，直至反開(kāi)事故鉆桿，因此，極易損壞鉆機(jī)離合器;當(dāng)孔內(nèi)事故鉆桿扭矩較大時(shí)，回轉(zhuǎn)器強(qiáng)行對(duì)反絲鉆桿施加扭矩，極易將鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器傘型齒輪打壞。

2．1．3 反絲鉆桿用量大

反絲鉆桿處理事故的鉆桿用量一般都是按照“落魚(yú)”底孔深配備。因此，2000余米的孔深則需大量的反絲鉆桿，鉆桿的運(yùn)輸、搬運(yùn)都需耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間;另外，大量的鉆桿在機(jī)臺(tái)內(nèi)的擺放也存在諸多不便。

2．1．4 處理風(fēng)險(xiǎn)大

在孔深較大的鉆孔使用反絲鉆桿處理事故鉆桿，若事故鉆桿扭矩大時(shí)，易出現(xiàn)反絲鉆桿折斷及反絲絲錐錐死在事故鉆桿上現(xiàn)象，所以，反絲鉆桿在鉆孔深度較大的情況下處理事故鉆桿，其疊加事故的風(fēng)險(xiǎn)較大。

2．2 割刀與撈矛打撈

處理小口徑繩索取心鉆桿所采用的割刀一般為水力式內(nèi)割刀，其工作原理是將割刀送至擬割斷的鉆桿深度后，高壓沖洗液泵入割刀體內(nèi)，高壓液體推動(dòng)活塞壓縮彈簧使活塞桿下行，活塞桿下端推動(dòng)2個(gè)刀頭向外張開(kāi)與鉆桿或套管內(nèi)壁接觸，張開(kāi)的刀片隨同切割鉆具旋轉(zhuǎn)，刀頭周向同時(shí)切割，割斷鉆桿或套管后，關(guān)閉泥漿泵，刀頭復(fù)位收回(見(jiàn)圖1)。鉆桿割斷后，使用可退式撈矛打撈出事故鉆桿(見(jiàn)圖2)。這種處理方法存在的問(wèn)題是，水力內(nèi)割刀切割鉆桿對(duì)操作細(xì)節(jié)及參數(shù)的配合要求較高，若實(shí)施過(guò)程中，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，將導(dǎo)致切割失敗，耗費(fèi)處理時(shí)間。

圖1 水力內(nèi)割刀

圖2 可退式打撈矛

2．3 兩種方法的比選

經(jīng)過(guò)對(duì)上述2種處理方案進(jìn)行詳細(xì)分析后認(rèn)為，割刀切割鉆桿的方法占用的處理鉆桿少，在該孔跑鉆事故中最多使用53.5 mm繩索取心鉆桿1500 m，若分段切割，使用鉆桿更少;鉆機(jī)回轉(zhuǎn)負(fù)荷小，對(duì)機(jī)械沒(méi)有損害;處理周期短，若操作認(rèn)真，參數(shù)配合合理，可快速結(jié)束事故。因此，在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所專(zhuān)家的指導(dǎo)下，最終確定采用水力內(nèi)割刀配合可退式撈矛處理47ZK3孔跑鉆事故。

3 水力內(nèi)割刀的應(yīng)用

3．1 切割前的準(zhǔn)備

3．1．1 確定切割泵量

水力內(nèi)割刀的工作泵壓為1～2 MPa，泵壓過(guò)低，不易出刀;泵壓過(guò)高則易損壞刀頭硬質(zhì)合金，根據(jù)水壓割刀的工作原理，應(yīng)采用小泵量為宜。該孔使用的BW320型泥漿泵，為保證割刀正常工作，泥漿泵工作最大排量確定為66 L/mim。

3．1．2 孔口試刀

割刀在入孔工作前，將割刀連接在立軸鉆桿下，開(kāi)泵檢測(cè)割刀的出刀及退刀狀態(tài)，測(cè)量最大出刀直徑，并準(zhǔn)確記錄出刀時(shí)的工作泵壓。

3．1．3 割刀連接

3．2 切割鉆桿步驟

3．2．1 固定機(jī)上余尺及給進(jìn)油缸

(1)由于鉆孔深度較大，當(dāng)割刀下入事故鉆桿內(nèi)擬切割位置后，考慮鉆桿壓縮、拉伸余量，機(jī)上余尺應(yīng)控制在2.5 m左右，一是減少上部立軸鉆桿晃動(dòng);二是便于割斷鉆桿后，立軸鉆桿有足夠的上下活動(dòng)區(qū)間，便于退刀。

(2)機(jī)上余尺固定后，將上下卡盤(pán)緊死，并將上卡盤(pán)橫梁落到底，坐死在回轉(zhuǎn)器上。由于受孔口鉆桿夾持器高度的影響，一般上卡盤(pán)落不到底，可在上卡盤(pán)橫梁與回轉(zhuǎn)器齒輪箱之間加裝兩根400 mm左右長(zhǎng)的短管(見(jiàn)圖3)，將上卡盤(pán)坐死在兩根短管上，其目的是避免鉆機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)給進(jìn)油缸產(chǎn)生上下位移，影響割刀刀頭工作的穩(wěn)定性，進(jìn)而損壞刀頭的硬質(zhì)合金。

圖3 給進(jìn)油缸固定狀態(tài)

3．2．2 出刀程序與切割參數(shù)

(1)正確的出刀程序是鉆機(jī)先回轉(zhuǎn)，割刀先在事故鉆桿內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)三通閥門(mén)逐漸向割刀泵送循環(huán)介質(zhì)，使刀頭逐漸向事故鉆桿內(nèi)壁撐開(kāi)，開(kāi)始切割鉆桿動(dòng)作。

(2)該事故孔采用的切割轉(zhuǎn)速為79 r/min，最大泵量為66 L/min。切割鉆桿過(guò)程中轉(zhuǎn)速不可中途改變(立軸式鉆機(jī))，泵量隨切割時(shí)間增加而逐漸增大，直至全泵量。

3．2．3 切斷時(shí)間與退刀

(1)切割時(shí)間從預(yù)送沖洗液結(jié)束后，泵壓表指針開(kāi)始上升的瞬間就是出刀的初始時(shí)間，要及時(shí)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，這期間泵壓會(huì)逐漸上升，直至穩(wěn)定。當(dāng)割刀工作約20 min，孔口處聽(tīng)到幾聲清脆的響聲后，證明鉆桿已被割斷，立即停止回轉(zhuǎn)，并停泵回水。

(2)退刀。47ZK3孔所用的割刀，其回收刀頭是靠彈簧復(fù)位后，活塞桿上移，刀頭在橡皮筋彈力的作用下實(shí)現(xiàn)回收刀頭。由于切割刀頭是以60°錐面角漸進(jìn)的，若能及時(shí)停刀，切口整齊，刀頭沿鉆桿錐面切口較容易收回;若不能及時(shí)停刀，刀頭繼續(xù)回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致事故鉆桿切口磨損為不規(guī)則切口，或刀頭進(jìn)出窗口磨損嚴(yán)重，則退刀困難(見(jiàn)圖4、圖5)。若不能正常退刀，刀架則會(huì)兜住被割斷事故鉆桿底部一同拉出，或強(qiáng)行損壞刀架后拉出。

圖4 及時(shí)停刀的鉆桿接手加厚部位

圖5 未及時(shí)停刀的鉆桿體部位

3．3 注意事項(xiàng)

(1)割刀到達(dá)擬切割位置后必須對(duì)切割鉆具進(jìn)行稱(chēng)重，以便切割結(jié)束后準(zhǔn)確判斷刀頭是否收回。

(2)切割鉆桿采用的循環(huán)介質(zhì)必須清潔，固相含量盡可能的低，否則會(huì)影響出刀和退刀，最好采用清水作為循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行切割。

(3)切割準(zhǔn)備工作完成后，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)、給水、計(jì)時(shí)等崗位均應(yīng)分工明確，并由專(zhuān)人對(duì)切割程序統(tǒng)一指揮。

4 可退式撈矛的應(yīng)用

孔內(nèi)事故鉆桿切斷后，使用可退式撈矛打撈事故鉆桿。可退式撈矛的工作原理是，當(dāng)撈矛卡瓦接觸“落魚(yú)”時(shí)，卡瓦與矛桿產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，卡瓦從矛桿錐面脫開(kāi)，矛桿繼續(xù)下行，連接套頂著卡瓦上端面，迫使卡瓦縮進(jìn)“落魚(yú)”內(nèi)。由于卡瓦直徑大于“落魚(yú)”內(nèi)徑，分瓣卡瓦受向內(nèi)壓力，靠其反彈力，卡瓦緊緊地貼在“落魚(yú)”內(nèi)壁上。撈矛到位后，稱(chēng)重下降，開(kāi)始上提鉆具，卡瓦、矛桿的內(nèi)錐面貼合，產(chǎn)生徑向張力，實(shí)現(xiàn)打撈。撈矛可根據(jù)事故類(lèi)型加工異徑接頭，連接反絲鉆桿或正絲鉆桿。本次跑鉆事故處理，采用割刀切割，撈矛配合打撈的方法進(jìn)行處理。

(1)正常打撈。當(dāng)切割鉆桿完成后，即下入可退式撈矛打撈鉆桿。下入撈矛前，手動(dòng)將卡瓦固定在撈矛錐面鍵槽內(nèi);撈矛到達(dá)事故鉆桿頭位置后，利用鉆桿自重或加壓將撈矛壓入事故鉆桿內(nèi)，然后上頂或提拉鉆具，撈矛即與鉆桿內(nèi)壁脹緊，稱(chēng)重鉆具質(zhì)量增加，鉆機(jī)稍作回轉(zhuǎn)，若無(wú)反車(chē)現(xiàn)象，證明事故鉆桿完全斷開(kāi)，即可起鉆。

(2)中途退出撈矛。當(dāng)撈矛進(jìn)入事故鉆桿內(nèi)出現(xiàn)提拉不動(dòng)的情況時(shí)，可退出撈矛打撈工作。此次事故第一次切割后，因事故鉆桿下部鉆具被膨脹在孔壁上，撈矛下入后，上頂、提拉不動(dòng)，則將鉆桿質(zhì)量返回原稱(chēng)重質(zhì)量后，稍向下施加壓力，使撈矛桿與卡瓦內(nèi)錐面脫開(kāi)，然后鉆機(jī)輕轉(zhuǎn)鉆桿(1/4圈)，使卡瓦下端大倒角進(jìn)入撈矛桿錐面上三個(gè)鍵起端傾斜面夾角內(nèi)，上提鉆具，撈矛即退出事故鉆桿。

5 應(yīng)用效果

5．1 水力內(nèi)割刀應(yīng)用效果

47ZK3孔跑鉆事故。事故底孔深2277 m，頂孔深828 m，跑鉆“落魚(yú)”為1449 m(不含導(dǎo)斜鉆具2 m)繩索取心鉆桿。采用水壓式割刀，共實(shí)施切割4次，有效切割3次，分3段切割出事故鉆桿。

(1)第一刀，割刀進(jìn)入事故鉆桿約1440 m處，試圖一刀全部打撈出事故鉆桿，但由于事故鉆桿底部鉆具擴(kuò)孔器、鉆頭及部分鉆桿接手膨脹變形，切割后打撈失敗，正常退刀。

(2)第二刀，調(diào)整切割順序?yàn)橛缮现料路侄吻懈?。割刀下至事故鉆桿內(nèi)330 m處切割，打撈出事故鉆桿330 m，余事故鉆桿1119 m。正常退刀，刀頭損壞。

(3)第三刀，通過(guò)第二刀切割效果驗(yàn)證了割刀工作可靠，驗(yàn)證了事故鉆桿與孔壁間阻力較小，孔內(nèi)較干凈，則第三刀切割事故增大切割事故鉆桿數(shù)量，打撈出事故鉆桿至640 m，余事故鉆桿479 m。正常退刀。

(4)第四刀，考慮事故鉆桿底部導(dǎo)斜鉆具(2 m)上的擴(kuò)孔器與鉆頭，以及部分鉆桿接手已被跑鉆膨脹在孔壁上，則放棄導(dǎo)斜鉆具及20 m事故鉆桿，將其余459 m事故鉆桿全部打撈出。未能退刀，連同事故鉆桿一并拉出。

該事故采用水力內(nèi)割刀處理，共切割事故鉆桿4次，使用切割刀頭2套。

5．2 可退式撈矛應(yīng)用效果

打撈事故鉆桿傳統(tǒng)的做法是用絲錐錐撈。這種撈取方法存在的弊端，一是錐不牢，當(dāng)絲錐遇到質(zhì)量不大且活動(dòng)的“落魚(yú)”時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)我們常說(shuō)的“跟著轉(zhuǎn)”現(xiàn)象而錐不牢;二是易捋扣，當(dāng)孔內(nèi)“落魚(yú)”阻力較大時(shí)，由于反復(fù)上扣，絲錐用上幾次后，負(fù)荷稍大便出現(xiàn)絲錐捋扣現(xiàn)象;再者，當(dāng)“落魚(yú)”阻力大，使用新絲錐錐撈時(shí)，極易發(fā)生錐上“落魚(yú)”后提拉不動(dòng)(或反不動(dòng))，絲錐也退不掉的錐死現(xiàn)象，則導(dǎo)致事故處理出現(xiàn)反復(fù)。

此次跑鉆事故處理中，使用可退式撈矛配合水壓割刀打撈割斷的事故鉆桿，入孔打撈4次，除第一次因切割位置過(guò)深，提拉不動(dòng)中途退出外，其余3次均一次順利打撈出事故鉆桿?？赏耸綋泼驌剖鹿抒@桿狀態(tài)見(jiàn)圖6。

圖6 可退式撈矛打撈狀態(tài)

6 結(jié)語(yǔ)

47ZK3孔深孔跑鉆事故，采用水力內(nèi)割刀與可退式撈矛配合，在鉆孔深度較大的情況下，打撈出事故鉆桿1429 m，僅用了7 d時(shí)間，與傳統(tǒng)的反絲鉆桿錐撈處理法相比，具有處理事故簡(jiǎn)單化、機(jī)械事故少、處理周期短、節(jié)約處理事故成本等優(yōu)越性，深受機(jī)臺(tái)施工人員的歡迎。

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