礦山災(zāi)害應(yīng)急救援生命保障孔鉆井工藝研究

周 兢

（1.北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京100043；2.國家礦山應(yīng)急救援大地特勘隊，北京100043；3.中國煤炭地質(zhì)總局，北京100038）

0 引言

煤礦開采和地下工程施工過程中，由于地下爆炸［1］、透水［2］、頂板災(zāi)害［3］等造成地層坍塌，地下作業(yè)人員容易被困。事故發(fā)生后，及時打開救援通道，提供必要的給養(yǎng)和心理支持，是進(jìn)行成功施救的重要因素。以往地下工程和礦山事故救援過程，多采用地面或者井下直接大口徑鉆進(jìn)［4］的方法進(jìn)行透巷，由于破巖斷面大，鉆進(jìn)效率低、施工時間長，往往最后透巷成功時，人員已經(jīng)遇難，延誤了寶貴的救援時間，傳統(tǒng)的救援方式已無法滿足當(dāng)前救援要求，迫切需要新的救援理念，大幅降低事故人員傷亡率。

生命保障孔是從地面向可能存在被困人員的事故區(qū)域施工小口徑鉆孔，一般終孔直徑≮152 mm，其功能主要是與井下被困人員取得聯(lián)系，了解井下災(zāi)區(qū)和人員情況，為被困人員提供新鮮空氣、飲用水、食物、藥品等維持生命的基本物品。2015 年我國平邑石膏礦坍塌事故［5-6］，4 名被困礦工被成功救援的實踐表明，“小直徑生命保障孔＋大直徑救生孔”的模式是進(jìn)行礦山災(zāi)害救援的一種有效途徑［7］。小直徑生命保障孔快速成孔、精準(zhǔn)透巷成為此救援體系實施的前提，現(xiàn)有礦山應(yīng)急救援技術(shù)多來自于石油鉆井、煤田勘查鉆探等，應(yīng)用于礦山救援領(lǐng)域雖然取得了很大的進(jìn)步［7］，從我國開展的幾次鉆進(jìn)救援生命保障孔的施工實踐來看，我國在快速鉆進(jìn)工藝和井眼軌跡控制方面，仍然還有很多關(guān)鍵性技術(shù)尚未攻克［8］，尤其對松散覆蓋層、強(qiáng)含水層、裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層難以實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速鉆進(jìn)。

因此，我們開展了礦山災(zāi)害救援地面生命保障孔鉆井技術(shù)的研究，在分析生命保障孔基本井型、直井結(jié)構(gòu)、套管選用等基礎(chǔ)上，從泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝、空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)工藝、鉆進(jìn)實例等方面總結(jié)了生命保障孔鉆井工藝。依據(jù)軌跡設(shè)計理論，針對山東棲霞笏山金礦救援3 號生命保障孔出現(xiàn)的偏斜問題，創(chuàng)新提出了超短距離螺旋糾偏技術(shù)，并取得了良好的應(yīng)用效果，為后續(xù)生命保障孔施工積累了寶貴經(jīng)驗。

1 生命保障孔井筒構(gòu)建

1.1 生命保障孔井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

合理的井身結(jié)構(gòu)，就是按照現(xiàn)場救援要求，根據(jù)被困人員可能位置、鉆遇地層情況、當(dāng)前鉆井設(shè)備現(xiàn)狀、鉆井工藝技術(shù)水平、鉆井工具條件及施工能力等一系列因素，設(shè)計出滿足鉆井及搶險救援要求的套管程序，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計合理與否，是關(guān)系到該井能否精準(zhǔn)透巷、完成救援任務(wù)的首要問題。為減少下套管用時時間，地面生命保障孔采用套管程序力求簡單，考慮到鉆井安全性及實用性的總體特點，通常采用三開結(jié)構(gòu)設(shè)計，圖1 為典型的直井型生命保障孔井身結(jié)構(gòu)。

一開表層套管以封固松散層、漏失層及易垮塌層等復(fù)雜地層為主，防止井下事故，采用大尺寸鉆頭鉆進(jìn)，保證開鉆井眼、完鉆井眼相對較大，為后續(xù)井段鉆頭和套管的選擇留有余地，一般情況選擇?311.1 mm 鉆頭開孔，下入?244.5 mm 表層套管，一般情況下不固井，直接進(jìn)行二開鉆進(jìn)。

二開鉆進(jìn)，以防斜、防漏、防塌為主，快速精準(zhǔn)鉆進(jìn)至距離巷道10～15 m 處停鉆，一般情況選擇?215.9 mm 鉆頭，下入 ?177.8 mm 技術(shù)套管，如果地層涌水量小，可選擇不固井，涌水量大時，必須進(jìn)行固井。

三開鉆進(jìn)，二開套管下入后，無論固井與否，井筒中充滿泥漿或清水，繼續(xù)采用泥漿鉆進(jìn)透巷，會導(dǎo)致泥漿或清水灌入巷道中，對被困人員造成二次傷害。因此在進(jìn)行三開鉆進(jìn)時，必須先下入小直徑常規(guī)鉆桿至井底，接入空壓機(jī)將井筒中泥漿吹干，用空氣潛孔錘繼續(xù)鉆進(jìn)10～15 m 實現(xiàn)透巷。

由于井深較淺，套管程序較為簡單，復(fù)雜地層條件下，鉆孔宜為四開結(jié)構(gòu)，一開孔徑為?445 mm，下入?340mm×12.00 mm 套管；二開孔徑為?311.1 mm，下入?244.5 mm×8.94 mm 套管；三開孔徑為?215.9 mm，下入?177.8 mm×8.05 mm 套管；四開（透巷）孔徑為?152.4 mm。

1.2 生命保障孔套管選用

生命保障孔的套管扣型、鋼級、壁厚等需做到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，方便展開快速救援作業(yè)，通常選用市場上常見規(guī)格，便于快速部署。技術(shù)套管可以選用無縫鋼管、螺旋鋼管或石油鋼管。套管內(nèi)徑應(yīng)滿足施工井徑的需要，套管壁厚以能保證安全下入井內(nèi)和鉆井施工中不發(fā)生套管破損、擠毀變形的需要為要求。技術(shù)套管材質(zhì)應(yīng)符合以下要求：石油鋼管應(yīng)符合API 5A 規(guī)范；無縫鋼管和螺旋鋼管應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）、《普通流體輸送管道用埋弧焊鋼管》（SY/T5037-2018）、《螺旋鋼管》（GB/T9711.1）等有關(guān)規(guī)定，一般應(yīng)優(yōu)選強(qiáng)度較高、塑性較好、剛性較強(qiáng)、可焊性好的普通碳素鋼和低合金鋼。

成井套管直徑宜首選API 標(biāo)準(zhǔn)的石油鋼管，應(yīng)采用絲扣連接，且符合API 5A 規(guī)范，其次選用無縫鋼管，采用絲扣連接或電焊焊接連接，螺旋鋼管宜采用電焊焊接連接。采用電焊焊接時宜采用埋弧焊或手工電弧焊，條件具備時，宜配合使用熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊，套管壁厚＞6 mm 時，需在套管端面打設(shè)坡口，坡口角度40°左右、深度為3/5 壁厚，焊接材料材質(zhì)應(yīng)盡可能與套管材質(zhì)相一致，成井套管連接部位應(yīng)牢固、同心、密封良好。

2 生命保障孔鉆進(jìn)工藝分析

在松散覆蓋地層，較軟地層中和孔內(nèi)水位較淺時，宜采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，保證鉆進(jìn)安全性和鉆進(jìn)速度。地表出露巖石地區(qū)及巖石較硬的地層，宜采用空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)工藝。根據(jù)礦山常見地層特點、救援要求、井身結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平等制定生命保障孔鉆井工藝。

2.1 泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝

各開鉆具組合設(shè)計宜為：

（1）一開鉆具：?311.1 mm 牙輪鉆頭+630×4A10 轉(zhuǎn)換短節(jié)+?165 mm 無磁鉆鋌×1 根+?159 mm 鉆鋌×4 根+4A11×410 轉(zhuǎn)換短節(jié)+?127 mm鉆桿串，下入?244.5 mm×8.94 mm 套管；

（2）二開鉆具：?215.9 mm PDC 鉆頭+?165 mm 單彎 1.5°螺桿+?165 mm 定向短節(jié)（MWD）+?165 mm 無磁鉆鋌×1 根+?159 mm 鉆鋌×4 根+4A11×410 轉(zhuǎn) 換 短 節(jié) +4A11×410 轉(zhuǎn) 換 短 節(jié) +?127 mm 鉆桿，下入?177.8 mm×8.05 mm 套管。

鉆進(jìn)參數(shù)按照表1 要求，鉆壓、轉(zhuǎn)速參數(shù)可根據(jù)實鉆情況優(yōu)選，原則上在上部地層采用高轉(zhuǎn)速，適中鉆壓，在下部地層采用低轉(zhuǎn)速，大鉆壓。

表1 鉆井工藝參數(shù)Table 1 Drilling parameters

2.2 空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)工藝

選用空壓機(jī)時，在充分參考潛孔錘規(guī)定風(fēng)壓值的同時，也要考慮因管路消耗、克服水柱背壓、啟動潛孔錘的壓力及維持空氣或空氣泡沫循環(huán)的壓降等部分組成的額外壓力［9］，同時，需考慮較長管路中氣體壓縮性和泄露影響。一般來說，較高的空氣壓力將提高潛孔錘的工作效率，空氣壓力還決定了潛孔錘的鉆井深度，鉆井深度越深，所需空氣壓力越大［10］。潛孔錘鉆進(jìn)所需上返風(fēng)速應(yīng)盡可能達(dá)到20 m/s，一般情況下不小于15 m/s，否則孔內(nèi)巖屑多，會嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。如果出水量＞10 m3/h，需要在空氣中加入泡沫施工，必要時通過外置空壓機(jī)增加風(fēng)量、通過增壓機(jī)增加風(fēng)壓。

采用?215.9 mm 孔徑的潛孔錘鉆進(jìn)，最佳壓力在15 kN 左右。一般來說，按潛孔錘直徑計算，每增加1 cm 應(yīng)增加壓力0.5～0.8 kN，可根據(jù)地層情況適當(dāng)調(diào)節(jié)。最優(yōu)的鉆頭回轉(zhuǎn)速度，以獲得有效的鉆速、平穩(wěn)的操作和經(jīng)濟(jì)的鉆頭壽命作為一般要求，潛孔錘旋轉(zhuǎn)存在著最優(yōu)轉(zhuǎn)角，其值為11°，最優(yōu)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速、沖擊頻率之間的關(guān)系為：

式中：A——最優(yōu)轉(zhuǎn)角，（°）；n——轉(zhuǎn)速，r/min；f——沖擊頻率，次/min。

2.3 基于笏山金礦生命救援孔鉆進(jìn)實例的鉆進(jìn)工藝分析

小口徑生命保障孔施工目前采用國產(chǎn)鉆機(jī)完全可行，如正遠(yuǎn)SL1000 型鉆機(jī)和金科JKS800 型鉆機(jī)，最大提升力在370～520 kN，最大鉆進(jìn)直徑450～800 mm，扭矩約為20 kN·m，整機(jī)質(zhì)量在17 t 左右。在笏山礦難鉆孔救援中，由于當(dāng)前礦山救援隊配備了一些大噸位的鉆探設(shè)備，如進(jìn)口雪姆車載鉆機(jī)T200、徐工XSC1200 型等鉆機(jī)，應(yīng)急現(xiàn)場也經(jīng)常出現(xiàn)大鉆機(jī)鉆小孔的現(xiàn)象，這幾款鉆機(jī)最大提升力在900～1200 kN，最大鉆井直徑均在820 mm 以上，最大扭矩達(dá)30 kN·m，整機(jī)質(zhì)量達(dá)45～55 t。

笏山礦難救援一共設(shè)計了4 口生命保障孔，設(shè)計孔深從578～629 m 不等，終孔直徑均為152 mm。其中3 號鉆孔采用正遠(yuǎn)SL1000 型鉆機(jī)，配合氣動空氣潛孔錘進(jìn)行鉆進(jìn)，取得了較好的鉆進(jìn)效果。但是由于該型鉆機(jī)動力頭采用的鉆桿無法與現(xiàn)場糾偏儀器配套，后又更換雪姆T200 型鉆機(jī)采用“螺桿馬達(dá)+隨鉆測斜儀（PMWD）”進(jìn)行定向鉆進(jìn)糾偏，隨后利用空壓機(jī)吹出鉆井泥漿，再次使用潛孔錘進(jìn)行鉆進(jìn)順利透巷。本次生命救援孔鉆進(jìn)中泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)和氣動潛孔錘鉆進(jìn)的方法均被采用，最后必須要氣體鉆進(jìn)完成透巷工作，但是兩者之間的切換耗時費力，當(dāng)前生命保障孔鉆進(jìn)工藝還不成熟，相關(guān)的鉆探裝備的適應(yīng)性也不強(qiáng)，需要針對礦山救援的特點，研發(fā)合適的鉆探工藝和配套裝備。

3 生命保障孔軌跡控制

3.1 生命保障孔軌跡要求

目前生命保障孔井型以直井型為主，生命保障孔垂直井型宜控制井眼全角變化率≤2°/30 m。在地面施工條件差或有井下繞障需要的情況下，則需采用定向井型。應(yīng)急救援時，生命保障孔施工存在地面條件限制、復(fù)雜地質(zhì)條件制約、地層自然偏斜因素的影響等原因時［11］，救援人員無法實現(xiàn)救援井的快速、精準(zhǔn)完成，如果鉆進(jìn)措施不當(dāng)還會引起事故甚至危及被困人員［12］。因此面對地面條件限制和復(fù)雜地層時［13］，要實現(xiàn)垂直鉆進(jìn)和精準(zhǔn)鉆進(jìn)，開展救援區(qū)定向鉆井最優(yōu)軌跡設(shè)計和軌跡控制是必不可少的。

現(xiàn)場救援情況復(fù)雜多變，往往出現(xiàn)鉆井工藝與地層的不適應(yīng)性問題［14-15］，考慮到鉆遇松散覆蓋層、強(qiáng)富水含水層、裂隙發(fā)育等異常地層，復(fù)雜的地質(zhì)條件情況下，不利于造斜段施工，盡量把造斜段設(shè)定在地質(zhì)條件穩(wěn)定、可鉆性又比較好的井段，根據(jù)地面鉆孔位置與井下待救援位置的距離與深度的分析，選擇不同的軌跡進(jìn)行設(shè)計施工，有利于快速地施工到目的位置，實現(xiàn)小孔徑救援與井下的受困人員取得聯(lián)系。

定向井下放救援設(shè)備過程中，容易遇阻遇卡［16-17］、也存在井壁不穩(wěn)定的問題，宜控制定向井型井眼全角變化率≤8°/30 m。生命保障孔孔深≯800 m，一般不使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，且透巷過程中需保證井下人員安全，快速鉆進(jìn)的要求下，定向精度不易保證，容易打偏，喪失黃金救援時間。井眼軌跡控制時，每鉆進(jìn)30 m 測量孔斜及方位角，易造斜地層及其他原因應(yīng)加密測量，孔斜及方位角超設(shè)計要求時，應(yīng)及時采取螺桿定向糾斜措施，糾斜后應(yīng)反復(fù)修井，確保滿足井身軌跡全角變化率要求。

3.2 生命保障孔超短距離螺旋糾偏技術(shù)

2021 年1 月，山東棲霞市笏山金礦在基建施工過程中，回風(fēng)井發(fā)生爆炸事故，造成22 人被困井下，經(jīng)全力施工，11 人獲救，這是近年我國發(fā)生的最大的一次井下事故［18-19］。該事故救援過程中，3 號生命保障孔前期采用空氣潛孔錘正循環(huán)工藝鉆進(jìn)施工［20-21］，鉆進(jìn)至 521.10 m 時，井底水平位移 7.41 m，此時與透巷距離僅剩60 m，必須進(jìn)行糾偏作業(yè)［22］。

3 號生命保障孔施工過程中，0.00～520.10 m 段井斜角 0.1°～1.5°，井深 520.10 m 處井底位移達(dá) 7.41 m，究其原因是鉆孔偏斜的方位基本維持在220°～280°，雖然井斜很小，但隨著井段不斷加深，井底水平位移不斷累加，最終導(dǎo)致了井斜小、井底水平位移偏大的問題。由圖2 可知：OA=AB×tanβ=OB×sinβ，距離OA和AB是固定不變的，要達(dá)到糾偏目的，首先須具備足夠的糾偏距離（OB）和井斜角（β），然后再采取降斜穩(wěn)斜的方式進(jìn)行糾偏。

圖2 糾偏距離計算示意Fig.2 Schematic diagram of the correction distance

先增斜，再降斜，勢必會出現(xiàn)鉆柱彎曲，隨著井眼彎曲強(qiáng)度的增大，造成2個問題：一是鉆柱在井眼內(nèi)摩阻和扭矩逐漸增大，鉆柱起鉆負(fù)荷及下鉆阻力大，定向滑動鉆進(jìn)時鉆壓施加難度大，鉆速很低；二是鉆柱受到的軸向力也逐漸增大，如果鉆柱受到的軸向力≯臨界屈曲載荷，鉆柱是安全的，相反，當(dāng)高于此臨界值時，由于鉆具中和點以上及以下鉆具分別受拉和受壓，如果鉆桿承受不了軸向壓縮載荷，會因較小的抵抗軸向阻力而失效變彎，導(dǎo)致屈曲。如圖3 所示，若軸向壓力大大超過了臨界屈曲載荷，造成鉆具彎曲直至斷鉆桿等井下事故［12］。

圖3 山東棲霞笏山金礦救援3 號孔糾偏鉆具受拉受擠示意Fig.3 Forces on the correction drilling string in the No.3 hole in Qixia Hushan Gold Mine of Shandong

根據(jù)現(xiàn)場鉆井軌跡優(yōu)化設(shè)計和摩阻扭矩分析，采用泥漿驅(qū)動彎螺桿+MWD 復(fù)合鉆井工藝進(jìn)行糾斜，在超短距離情況下，單純用調(diào)整井斜的方法進(jìn)行強(qiáng)行糾偏作業(yè)，井眼曲率變化（“狗腿”度）大，鉆柱在井眼內(nèi)摩阻和扭矩高，起下鉆柱風(fēng)險高，滑動鉆進(jìn)速度慢甚至無法鉆進(jìn)，后續(xù)下套管作業(yè)施工困難，過大的井眼曲率還會使鉆柱軸向壓力超過臨界屈曲載荷而折斷，出現(xiàn)井下事故。最終決定采用如圖4 所示的超短距離螺旋糾偏技術(shù)，糾偏鉆具組合為：?152.4 mm PDC 鉆頭+?120 mm 單彎螺桿 1.5°+?105 mm 無磁鉆鋌（內(nèi)置MWD）+?89 mm 加重鉆桿+?89 mm 鉆桿。

圖4 超短距離螺旋糾偏技術(shù)示意Fig.4 Ultra-short-distance spiral correction drilling

糾偏過程中在增井斜、降井斜的同時，圍繞垂直井眼軸線，進(jìn)行扭方位作業(yè)，延長糾偏距離，降低糾斜段井眼曲率變化，減小井眼內(nèi)鉆柱摩阻扭矩和鉆柱軸向壓力，以達(dá)到井眼平滑、鉆柱安全的目的。如圖5 所示為井眼軌跡變化，通過糾斜，3 號孔井底水平位移減小至1.24 m，完成精準(zhǔn)透巷和下套管作業(yè)，取得了良好的糾偏效果，圓滿完成了生命保障孔鉆進(jìn)任務(wù)。

圖5 山東棲霞笏山金礦救援3 號孔井眼軌跡變化Fig.5 Hole trajectory change of the No.3 hole in Qixia Hushan Gold Mine of Shandong

4 結(jié)論與展望

近年來國內(nèi)外開展的救援鉆孔實踐，探索和推動了礦山應(yīng)急救援技術(shù)的發(fā)展，補(bǔ)充了礦山災(zāi)害應(yīng)急救援方法，成功救援實踐表明，“小直徑生命保障孔＋大直徑救生孔”的模式是進(jìn)行礦山災(zāi)害救援的一種有效途徑，生命保障孔是礦山應(yīng)急救援中重要物資保障和人員溝通的重要通道。針對山東棲霞笏山金礦救援3 號生命保障孔出現(xiàn)的偏斜問題，創(chuàng)新提出了超短距離螺旋糾偏技術(shù)，并取得了良好的應(yīng)用效果，為后續(xù)生命保障孔施工積累了寶貴經(jīng)驗。

但通過對山東笏山金礦事故救援暴露出當(dāng)前生命保障孔快速鉆進(jìn)工藝以及配套裝備還不成熟，未來需要轉(zhuǎn)變思維，針對復(fù)雜地層，加強(qiáng)氣動潛孔錘快速鉆進(jìn)工藝及機(jī)具研制；研發(fā)快速、簡便、可靠的定向氣動鉆進(jìn)工藝和控制機(jī)具，確保透巷安全性；研制配套的生命保障孔快速鉆進(jìn)裝備。