水力割刀在巖心鉆探燒鉆事故處理中的應(yīng)用

段 曉，皮建偉，顧科偉，楊 可

（中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710000）

0 引言

寧強縣中壩外圍預(yù)查區(qū)巖心鉆探ZK1102 孔施工中，在171.20 m 處發(fā)生嚴重燒鉆事故，經(jīng)全力起拔無效后，通過全面分析論證，采用水力割刀對鉆具進行切割，而后使用磨銑鉆頭對孔內(nèi)遺留鉆具研磨后繼續(xù)鉆進［1-2］，有效降低了燒鉆事故造成的經(jīng)濟損失，為鉆孔安全順利施工打下了堅實的基礎(chǔ)。

1 鉆孔概況及燒鉆事故分析

1.1 工作區(qū)地質(zhì)特征

根據(jù)工作區(qū)地質(zhì)資料，寧強縣中壩外圍預(yù)查區(qū)地層由淺至深為第四系殘坡積物；志留系，主要為含鐵菱鎂礦絹云千枚巖、糜棱巖化變砂巖、粉砂質(zhì)板巖、硅質(zhì)巖薄層；下寒武統(tǒng)，主要為糜棱巖化含碳硅質(zhì)板巖、硅質(zhì)巖薄層，在碳質(zhì)板巖內(nèi)終孔。地層層間褶曲、揉皺及強擠壓裂隙、節(jié)理非常發(fā)育，鉆進過程中極易發(fā)生漏失問題，地層中硬，可鉆性級別為5～7 級。

1.2 鉆孔概況

ZK1102 鉆孔設(shè)計孔深320 m，開孔方位角130°，傾角80°，采用金剛石繩索取心鉆進，三級成孔工藝（?110 mm 開孔鉆進至基巖，HTW 鉆進通過破碎帶，NTW 鉆進至終孔），終孔孔深320.29 m。

1.3 鉆探裝備

使用珠海市英格爾特種鉆探設(shè)備有限公司EP600 型便攜式全液壓鉆機，鉆機主要由操作臺、液壓油箱、3 臺柴油機、柴油箱、鉆機底座、鉆架（含動力頭）、泥漿泵、卷揚機和泥漿攪拌器組成［3］。EP600 型便攜式全液壓鉆機主要性能參數(shù)見表1。

表1 EP600 型便攜式全液壓鉆機主要性能參數(shù)Table 1 Main specifications of EP600 portable full hydraulic drill

1.4 燒鉆事故分析

ZK1102 孔采用NTW 鉆具鉆進至171.20 m 時，鉆進回轉(zhuǎn)扭矩突然增大卡死，同時泥漿泵憋泵，采用鉆機單油缸起拔鉆具，無效果；而后采用雙油缸頂、轉(zhuǎn)、拉鉆具，鉆具絲毫未動；內(nèi)管可順利拉起，拉起后內(nèi)管內(nèi)無巖心。通過當前情況判定鉆孔內(nèi)發(fā)生嚴重燒鉆事故，孔內(nèi)有鉆具1 根3.92 m、鉆桿168 m，共計171.92 m。燒鉆事故發(fā)生前一回次鉆進過程中，泥漿泵工作正常，鉆孔嚴重漏失，孔口無返水。結(jié)合120～171 m 所取上來的巖心來看，孔底地層較完整、但裂隙發(fā)育，鉆孔嚴重漏失，在鉆進過程中，因泵量較小，送水時間不足，導(dǎo)致沖洗液還未到達孔底即開始鉆進，造成鉆頭局部高溫，金剛石晶體顆粒熔化揮發(fā)，胎體熔融變形或與巖石熔融粘連，進而造成嚴重的燒鉆事故［4-5］。

2 燒鉆事故處理方案制定

結(jié)合孔內(nèi)燒鉆和鉆探設(shè)備實際，所采取的處理方案必須對其安全性、經(jīng)濟性、可靠性等進行認真的分析比對，方可在孔內(nèi)實施［6］。受全液壓模塊化鉆機自重較輕、提升力不強和無鉆塔設(shè)計的限制，無法使用反絲鉆桿、絲錐打撈和打吊錘來處理鉆孔事故［7-8］。

2.1 采用BTW 鉆具

利用BTW 鉆具研磨穿透燒鉆事故段，而后將NTW 鉆具和鉆桿作為套管，使用BTW 鉆進至終孔。BTW 鉆具具有回轉(zhuǎn)阻力小、鉆進速度快、鉆進效率高等優(yōu)點，但在巖心鉆探中仍存在以下問題。

（1）巖心直徑不符合規(guī)范要求。根據(jù)金礦鉆探巖心采取要求，原則上巖心直徑≮57 mm，利用BTW 鉆進所采取巖心僅為42 mm，無法滿足找礦標準要求，嚴重影響找礦成果。同時在終孔后面臨NTW 鉆具無法起拔的問題，燒鉆事故仍未得到解決。

（2）鉆桿鉆具故障率高。BTW 鉆桿為薄壁鉆桿，在300 m 的孔內(nèi)高速回轉(zhuǎn)，當發(fā)生卡鉆、鉆桿扭矩較大時，極易發(fā)生斷鉆事故。同時BTW 內(nèi)管總成、內(nèi)管帽和卡簧座極易發(fā)生故障，給安全順利鉆進造成較大的風險。

（3）處理風險較大。在使用BTW 鉆具研磨穿透過程中，如若有扭矩較大情況時，極易發(fā)生卡死斷鉆事故。BTW 作為最后一級鉆具，如若發(fā)生卡死斷鉆事故，處理難度極大，可能導(dǎo)致鉆孔直接報廢。

2.2 采用水力割刀

利用水力割刀在燒鉆位置上端進行切割，切割成功后，提出鉆孔內(nèi)鉆桿鉆具，換用新的NTW 鉆具，安裝磨銑鉆頭對殘留鉆具進行研磨，研磨完成后正常鉆進。采用水力割刀切割事故鉆具可大幅度減少人力物力消耗，處理風險較低，節(jié)約生產(chǎn)成本［9］。難點是對于切割工藝和操作細節(jié)要求較高，若切割期間某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤或切割參數(shù)控制不佳，將導(dǎo)致切割失敗。

2.3 事故處理方案選擇

通過詳細對比分析以上兩種處理方案，利用水力割刀切割事故鉆具處理周期短，對鉆機損壞較?。?0］，若操作得當，可快速處理鉆孔事故，繼續(xù)使用NTW 鉆進，滿足地質(zhì)找礦需求。最終決定采用水力割刀對這起燒鉆事故進行處理。

3 水力割刀的應(yīng)用

3.1 水力割刀的結(jié)構(gòu)和工作原理

選用英格爾特種鉆探設(shè)備有限公司NTW 水力割刀器（型號05.07.0002），該水力割刀器主要由柱塞缸、鋼球、柱塞、彈簧、彈簧座、筒體、割刀片組成（見圖1、圖2）。其工作原理是將割刀送至預(yù)定切割位置后，按照預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速進行回轉(zhuǎn)，利用泥漿泵將沖洗液送入鉆桿內(nèi)，逐漸增大泵量，使沖洗液壓力推動鋼球，鋼球推動柱塞向下運動，柱塞推動刀頭向外張開，與鉆桿壁接觸進行旋轉(zhuǎn)切割，割斷鉆桿后，水泵壓力減小，關(guān)閉泥漿泵，泄壓后，鋼球壓力消失，刀頭在彈簧作用下自動收回，提起鉆桿和割刀器，完成切割［11-13］。

圖1 NTW 水力割刀器實物Fig.1 NTW hydraulic cutter

圖2 水力割刀器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the hydraulic cutter

3.2 切割前準備與測試

在割刀使用前，對割刀的各個部件進行全面檢查，確保安裝牢固、工作正常。在割刀下入孔內(nèi)前，在孔口對割刀進行切割測試［14-15］。經(jīng)測試，割刀從開始打開到完全打開需要的泵壓為0.2～0.3 MPa，割刀正常工作泵壓為1.2～2.5 MPa，泵壓較小刀頭打開后壓力不足無法完成切割，壓力過大容易發(fā)生崩刀問題；轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在100～200 r/min，轉(zhuǎn)速過低切割緩慢，轉(zhuǎn)速過高容易發(fā)生崩刀問題，導(dǎo)致切割失敗。在孔口試割期間，泵壓為1.9～2.1 MPa，轉(zhuǎn)速為180～200 r/min，用時56 min，完成切割（圖3）。

圖3 試切割鉆桿截面Fig.3 Test-cut section of the drill pipe

在切割過程中，特別要注意以下問題：

（1）嚴防油缸滑動。將割刀下入指定位置后，要對機上余尺進行固定，防止因鉆桿和鉆具自重造成油缸下行，引起切割位置發(fā)生變化導(dǎo)致切割失敗。

（2）嚴格操作順序。首先使割刀進行緩慢回轉(zhuǎn)，而后逐漸增加泵壓至0.2 MPa，待回轉(zhuǎn)穩(wěn)定后將泵壓和轉(zhuǎn)速逐漸增大至工作參數(shù)進行切割。如果先開泵后回轉(zhuǎn)，極易發(fā)生崩刀問題。

（3）密切配合保障。準備工作完成后，鉆機操作、沖洗液保障、計時登記等崗位要有專人負責、分工明確［16］。

3.3 鉆具切割

孔內(nèi)發(fā)生燒鉆事故的鉆具為NTW 繩索取心鉆具，鉆具組合為?75.3 mm 金剛石鉆頭+?75.9 mm擴孔器+NTW 繩索取心鉆具+?73.3 mm 鉆桿。鉆具從上至下依次為彈卡擋頭、彈卡室、座環(huán)、鉆具外管、扶正環(huán)、擴孔器和鉆頭。結(jié)合鉆孔內(nèi)燒鉆實際情況和鉆具結(jié)構(gòu)組成，使用BTW（?56.7 mm）鉆桿連接水力割刀下入孔內(nèi)進行切割，切割位置選擇避開鉆具扶正環(huán)位置，防止因割刀帶動扶正環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致切割失敗。

第一刀，在孔深170.60 m 處進行切割，先開泵至0.2 MPa，而后進行回轉(zhuǎn)，逐漸增加泵量和轉(zhuǎn)速，切割泵壓1.9～2.1 MPa，轉(zhuǎn)速180～190 r/min，切割時間70 min，期間泵壓未減小，停泵停止回轉(zhuǎn)后，NTW 鉆桿提拉旋轉(zhuǎn)均無反應(yīng)。提起割刀后，兩個合金割刀片均崩壞。

原因分析：在割刀下入后，由于操作失誤，先開泵至0.2 MPa，而后進行回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致刀頭崩壞，崩壞后刀頭完全打開切割半徑小于鉆具半徑，導(dǎo)致未切開。

第二刀，在孔深170.50 m 處進行切割，先進行回轉(zhuǎn)，而后逐漸增加泵量和轉(zhuǎn)速，切割泵壓1.9～2.1 MPa，轉(zhuǎn)速190～200 r/min，切割時間70 min，期間泵壓未減小，停泵停止回轉(zhuǎn)后，NTW 鉆桿提拉旋轉(zhuǎn)仍無反應(yīng)。提起割刀后，割刀一側(cè)刀頭崩壞，一側(cè)刀頭磨損嚴重。

原因分析：在切割過程中，因高泵壓、高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致一側(cè)刀頭崩壞，割刀在鉆具內(nèi)偏磨，未能割開。

第三刀，在孔深170.40 m 處進行切割，先進行回轉(zhuǎn)，而后逐漸增加泵量和轉(zhuǎn)速，泵壓1.8～1.9 MPa，轉(zhuǎn)速180～190 r/min，切割至時間58 min 時泵壓突然減小至0.6 MPa，繼續(xù)切割10 min，泵壓無變化。停泵停止回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)NTW 鉆桿，在孔口聽到清脆響聲，NTW 鉆桿可輕松回轉(zhuǎn)，提起割刀和NTW鉆桿，切割位置鉆桿斷面部分為扭轉(zhuǎn)斷裂，切口呈“喇叭”口狀（參見圖4）。

圖4 鉆具切割后截面Fig.4 Cut section of the drilling tool

4 研磨遺留鉆具

利用水力割刀割斷鉆具后，孔內(nèi)剩余鉆具0.80 m（包含鉆具外管、擴孔器和鉆頭），采用研磨的方式處理孔內(nèi)剩余鉆具。研磨鉆具外管階段，使用磨銑鉆頭為?76 mm 平底式高硬度胎體孕鑲金剛石鉆頭，磨銑鉆進參數(shù)為鉆壓2～2.5 kN、轉(zhuǎn)速200 r/min、泵量65 L/min；研磨孔底鉆頭階段，換用?76 mm 胎體硬度HRC15 的孕鑲金剛石鉆頭單管鉆進，在鉆具內(nèi)壁焊接強磁鐵吸附孔底鐵屑，確保鉆孔內(nèi)干凈無殘留［17］。研磨鉆具耗時6 h，最終將孔內(nèi)遺留鉆具清理干凈，燒鉆事故處理成功，有效保障了鉆孔后續(xù)施工順利進行。

5 結(jié)語

（1）使用便攜式全液壓鉆機處理燒鉆事故具有較大的局限性和約束性，處理事故前要冷靜心態(tài)、分析事故原因、摸清孔內(nèi)實情，擬定多種處理方案和可能出現(xiàn)的次生事故，選取最穩(wěn)妥的處理方案組織實施。

（2）水力割刀處理燒鉆事故過程中，要選擇正確的切割參數(shù)和操作步驟，嚴防因泵壓過高、扭矩過大、轉(zhuǎn)速過快或操作失誤等，導(dǎo)致切割失敗、處理時間增加、經(jīng)濟效益受損，甚至導(dǎo)致次生井故發(fā)生。

（3）ZK1102 孔燒鉆事故，采用水力割刀與研磨剩余鉆具配合的處理方法，成功處理了燒鉆事故，對比振擊和強力起拔等傳統(tǒng)處理方法，具有機械事故少、處理周期短、節(jié)省人力物力等特點。同時水力割刀在燒鉆事故中的使用為其他地區(qū)處理類似事故提供了借鑒。