礦山救援地面生命保障孔高效成孔關(guān)鍵技術(shù)

張 彪，康玉國，黃 勇，張 明，周 光，任英舉，劉建林，高 科，趙 研

(1.北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040；2.中煤地質(zhì)集團有限公司，北京 100040；3.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750011；4.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；5.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130061)

地面生命保障孔是發(fā)生瓦斯爆炸、巷道坍塌及透水等礦山災(zāi)害事故后，開展地面應(yīng)急救援施工的第一條通道，肩負搜尋人員、提供給養(yǎng)、維持生命的責(zé)任[1-4]，為后續(xù)大直徑井救援和巷道救援施工贏得時間與空間[5-6]。近年來，地面生命保障孔作為應(yīng)急救援體系建設(shè)不可或缺的重要一環(huán)，受到礦山安全領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。國際上現(xiàn)已有多個鉆孔救援成功案例，如2002 年美國賓夕法尼亞州魁溪煤礦事故救援、2010 年智利圣何塞銅礦事故救援，均采用搜救孔探生、大直徑救生孔提升等方式，分別挽救9 名和33 名礦工生命[7]。在中國，2004 年4 月21 日，河南省鄭煤集團超化煤礦透水事故中，利用生命保障孔與被困人員取得聯(lián)絡(luò)，并投送給養(yǎng)，通過井下巷道掘進成功救援12 名礦工；2015年12 月25 日，山東平邑石膏礦發(fā)生坍塌事故，施工的4 個生命保障孔中有2 個探測到生命信息，在維持被困人員生命體征的同時，通過大直徑救援施工挽救人員4 名，奠定了國內(nèi)“小直徑生命保障孔＋大直徑救援井+提升技術(shù)裝備”的地面救援模式；2020 年1 月10 日，山東棲霞笏山金礦發(fā)生爆炸坍塌事故，利用地面生命保障孔與井下580 m 處的11 名礦工取得聯(lián)系，并輸送給養(yǎng)藥品，事故發(fā)生14 d 后，被困礦工通過回風(fēng)井筒逃生獲救[8-9]。

生命保障孔施工的核心任務(wù)是快速安全鉆進和精準(zhǔn)透巷，目前常用鉆孔救援技術(shù)還無法滿足全時空、多場景救援要求，存在的主要問題有：深厚覆蓋層施工中過度依賴泥漿正循環(huán)、空氣潛孔錘工藝，面對惡性漏失、坍塌卡鉆等情況時，存在一次堵漏難度大且易發(fā)生井下事故等問題；強富水含水層及裂隙發(fā)育層等復(fù)雜地層施工中，泥漿正循環(huán)、空氣潛孔錘、空氣泡沫等單一工藝適應(yīng)性差，起下鉆趟數(shù)多、切換工藝耗時長，整體施工效率低；軌跡控制方面以鐘擺鉆具組合、滿眼鉆具組合及塔式鉆具組合等為主的防斜打直技術(shù)，在高造斜力地層中效果差，且不具備糾斜能力，透巷精度難以保障，VertiTrak、VDS 等自動垂鉆系統(tǒng)防斜打直效果好，但工藝復(fù)雜、造價昂貴而難以推廣[10-11]；以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、地質(zhì)導(dǎo)向為主的定向斜井控制技術(shù)，在石油天然氣、煤層氣開發(fā)等領(lǐng)域應(yīng)用成熟，實現(xiàn)了L 型井、V 型井、U 型井、多分支井等復(fù)雜井型的施工[12]，軌跡調(diào)整時鉆速會大大降低，中靶精度較差，多大于2.0 m。

針對以上問題，筆者依托國家重點研發(fā)計劃課題“地面生命保障孔精準(zhǔn)定位及快速成孔技術(shù)”，開展了基于生命保障孔成孔的應(yīng)急救援先進技術(shù)研究，圍繞快速與精準(zhǔn)兩條主線，以高效安全成孔為目標(biāo)，重點對復(fù)雜條件下快速鉆進、孔身軌跡控制等方面開展深入研究，優(yōu)化成孔關(guān)鍵技術(shù)和施工工藝，形成地面生命保障孔高效成孔技術(shù)體系，并將技術(shù)成果在示范工程和救援現(xiàn)場進行了應(yīng)用。

1 生命保障孔優(yōu)化設(shè)計

地面鉆孔構(gòu)建井上下生命保障通道，基于2 個條件：一是在被困人員具備生命體征期間，能夠?qū)崿F(xiàn)快速精準(zhǔn)透巷；二是成孔后能夠滿足信息搜尋、給養(yǎng)輸送等條件。因此，地面生命保障孔設(shè)計應(yīng)著眼于成孔目的和成孔效率[13-14]。

1.1 孔型選擇

垂孔型為大多數(shù)救援現(xiàn)場首選，在地面施工條件差或有井下需要繞障時，宜選擇定向孔型?，F(xiàn)有信息偵測設(shè)備和給養(yǎng)物資主要依靠重力下放，因此，全孔段孔斜角不宜超過30°。定向孔型剖面軌跡目前主要有3 種：三段制“直—增—穩(wěn)”孔型軌跡造斜段短、施工操作方便；四段制“直—增—穩(wěn)—降”孔型軌跡在起鉆時容易出現(xiàn)鍵槽，加大下鉆摩擦力，造成卡鉆事故，或形成巖屑床導(dǎo)致埋鉆；五段制“直—增—穩(wěn)—降—直”孔型軌跡在靶點呈垂直狀態(tài)，易于套管、探測設(shè)備及給養(yǎng)下放。其中，三段制、五段制在現(xiàn)場最為常用，四段制一般不適用。

1.2 孔身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

生命保障孔孔徑越大，施工難度越高，成孔效率越低。基于快速救援的要求，生命保障孔終孔時裸孔直徑一般小于216 mm，結(jié)合信息偵測設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足徑向通過尺寸要求的生命保障孔終孔孔徑不宜小于150 mm。

生命保障孔裸眼鉆進結(jié)束后，必須下入套管固井，以確保搜救通道穩(wěn)定，便于設(shè)備物資投放。為減少多次更換鉆具組合、下套管及固井等作業(yè)消耗時間，在滿足安全鉆進的前提下，井身結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，孔身一般采用三開結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。一開以封固表土層為目的，一般進入基巖層以下2 m 左右，表層套管底部綁縛麻繩下至井底，套管與井壁環(huán)空用棉絮、碎布等填實，免固井直接進入下一開段；二開為基巖段鉆進，鉆至距巷道頂部10～15 m 處停鉆，下套管固井；三開為裸眼透巷段，為防止透巷時孔內(nèi)液體潰入巷道，對被困人員造成二次傷害，透巷前須吹干孔內(nèi)液體，采用空氣鉆進工藝透巷[15]。

圖1 生命保障孔常用孔身結(jié)構(gòu)Fig.1 Well bore structure of life support hole

2 生命保障孔快速安全鉆進技術(shù)

救援區(qū)地層特征復(fù)雜多變，面對松散破碎的覆蓋層及多類型、軟硬夾雜的基巖層鉆進時，應(yīng)針對各類地層的特性，全方位、多層次的優(yōu)選鉆進工藝及配套設(shè)備，實現(xiàn)復(fù)雜地層的快速精準(zhǔn)鉆進。

2.1 深厚覆蓋層鉆進

覆蓋層一般為新生代第四紀(jì)淤泥土、殘破積土及砂礫石層等，鉆進時易出現(xiàn)惡性漏失、井壁坍塌及埋鉆等事故，針對深厚覆蓋層地質(zhì)特征，提升高壓射流與潛孔錘跟管鉆進能力，以解決深厚覆蓋層快速安全鉆進難題。

2.1.1 高壓射流鉆進技術(shù)

高壓射流依靠機械破巖+水力作用實現(xiàn)快速鉆進[16]，高壓射流的水力沖刷和漫流作用能有效凈化井底，避免巖屑重復(fù)切削和緩解井底壓持效應(yīng)，與此同時，在鉆頭機械作用和高速射流共同作用下，巖石內(nèi)部擴張力增加，水力劈解作用促使井底巖石表面提前破碎，最終實現(xiàn)快速鉆進。以往多應(yīng)用于硬巖層鉆進，研究認(rèn)為在鉆遇土體為主的覆蓋層時，常規(guī)泥漿鉆進容易產(chǎn)生泥包、堵塞水眼現(xiàn)象，高壓射流鉆進技術(shù)可利用高速水力能量迅速破壞土體結(jié)構(gòu)，同時沖刷鉆頭，避免發(fā)生事故，提高鉆進效率。

鉆頭結(jié)構(gòu)能夠改善和強化射流水力特性，是提高射流鉆進能力的關(guān)鍵因素，其中噴嘴直徑和位置對鉆效的影響最明顯，噴嘴數(shù)量與直徑的確定與選擇，采用以下公式[17]：

式中：d為噴嘴直徑，mm；p為噴射壓力，MPa；q為噴射流量，L/min；n為噴嘴數(shù)量；η為噴嘴效率系數(shù)，取1.05～1.10。

根據(jù)射流鉆頭優(yōu)化原理，設(shè)計一種三翼刮刀噴射鉆頭(圖2)，有3 個噴嘴通道及噴嘴，每個噴嘴通道中軸線與接頭體中軸線成30°，3 組共15 個截齒相互交錯分布，無死角切削地層；高壓鉆井液從噴嘴中噴出沖擊地層，先行水力切割地層便于截齒切削，并沖刷截齒；保護套起到扶正器作用。

圖2 三翼刮刀噴射鉆頭Fig.2 Three-wings scraper jet bit

在河北峰峰礦區(qū)高壓射流鉆進先導(dǎo)性試驗中，采用?445 mm(3 個?6 mm 噴嘴)三翼刮刀噴射鉆頭及配套機具，在第四紀(jì)黏土、砂質(zhì)黏土組成的覆蓋層中鉆進時，泵壓2.41～4.42 MPa，排量740～920 L/min，轉(zhuǎn)速20～40 r/min，鉆壓20～40 kN。鉆進期間安全高效，進尺28.2 m，機械鉆速30.0～63.8 m/h，平均機械鉆速47.38 m/h，與同等條件下的泥漿正循環(huán)牙輪鉆頭鉆進相比，鉆速提高2 倍以上。

2.1.2 空氣潛孔錘跟管鉆進技術(shù)

空氣潛孔錘跟管鉆進技術(shù)以壓縮空氣為動力，跟管鉆具在潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進過程中，實現(xiàn)套管同步跟進。配套部件主要由氣動沖擊器、偏心跟管鉆頭、套管及套管靴等組成，配套使用外平鉆桿。鉆進步驟為：開孔→跟管鉆進、鉆出大于套管外徑的孔→強吹孔排屑→鉆至預(yù)定孔深→反轉(zhuǎn)收斂偏心滑塊跟管鉆頭→提鉆、套管留在孔內(nèi)，如圖3 所示。

圖3 空氣潛孔錘跟管鉆進Fig.3 Schematic diagram of air DTH hammer following pipe drilling

空氣潛孔錘跟管鉆進技術(shù)將裸眼高效鉆進和下套管兩個接續(xù)步驟同步進行，有效縮短了起下鉆具和套管下入作業(yè)時間。鑒于救援鉆孔開孔多為第四紀(jì)地層，采用常規(guī)鉆探工藝，安全系數(shù)低、施工速度慢，如遇卵礫石、厚砂層、縮徑地層等，成孔及下套管難題。應(yīng)用空氣潛孔錘跟管鉆進技術(shù)能夠解決覆蓋層鉆進時巖屑無法上返、地層坍塌及裸眼鉆進完成后套管無法下入等難題，具有干式鉆進、綜合鉆進效率高等優(yōu)點[18]?？諝鉂摽族N跟管鉆進技術(shù)受孔壁與套管間摩擦阻力的約束，適用于200 m 以淺的松散破碎復(fù)雜地層中鉆進。

在河北峰峰礦區(qū)空氣潛孔錘跟管鉆進先導(dǎo)性試驗中，采用?300 mm 氣動潛孔錘跟管鉆具，在第四紀(jì)卵礫石、流砂層組成的覆蓋層中鉆進時，空氣壓力1.75 MPa，空氣排量41.3 m3/min，鉆壓1.5～15.5 kN，轉(zhuǎn)速33～46 r/min，施工進尺20 m，成孔安全高效，平均成孔速度13.33 m/h，相比于同等條件下常規(guī)鋼牙輪正循環(huán)鉆進后下入套管，成孔速度提高2.3 倍以上，試驗結(jié)果對比見表1。

表1 峰峰礦區(qū)常規(guī)鉆進與跟管鉆進試驗結(jié)果對比Table 1 Comparison of test results between conventional drilling and pipe following drilling in Fengfeng mining area

2.2 復(fù)雜基巖層鉆進

基巖層鉆進是生命保障孔施工的主要任務(wù)，是實現(xiàn)高效成孔的關(guān)鍵階段。基巖層施工須根據(jù)救援區(qū)地層層厚、巖性、富水性等條件，優(yōu)選施工工藝，做到一孔一工藝[19-20]。

2.2.1 復(fù)合“一趟鉆”提速增效技術(shù)

復(fù)合鉆進技術(shù)采用泥漿為循環(huán)介質(zhì)，在動力頭和液動螺桿動力鉆具聯(lián)合驅(qū)動下實現(xiàn)快速鉆進，適用于大多數(shù)地層，可應(yīng)用于多種井型的施工，是應(yīng)急救援現(xiàn)場最常用鉆進技術(shù)，“一趟鉆”指的是一套鉆具組合打完一個開段。因此，在復(fù)合鉆進工藝基礎(chǔ)上實現(xiàn)“一趟鉆”成孔，對72 h 黃金救援時間內(nèi)高效成孔意義重大。

復(fù)合“一趟鉆”提速增效技術(shù)研究主要從4 個方面展開：一是優(yōu)化PDC 鉆頭，提高破巖效率，優(yōu)化步驟為地層巖石力學(xué)分析→力平衡分析→水馬力優(yōu)化→流體優(yōu)化→制作高效PDC 鉆頭；二是采用最大鉆頭水功率方法進行水力參數(shù)優(yōu)選，提高螺桿工作效率；三是優(yōu)化鉆井液體系，保證泥漿具有良好的防塌、防漏等性能前提下，盡可能使用常見、方便配置的泥漿材料；四是優(yōu)化鉆具組合，在滿足有效控制井眼全角變化率及井斜角的基礎(chǔ)上盡量簡化鉆具組合，形成復(fù)合“一趟鉆”提速增效技術(shù)組合。技術(shù)組合如圖4 所示。

圖4 復(fù)合“一趟鉆”提速增效鉆進技術(shù)組合Fig.4 Combination of compound drilling technology,one trip drilling speed increase and efficiency increase drilling technology

國家礦山應(yīng)急救援大地特勘隊在山西新元煤礦利用煤層氣鉆井項目進行應(yīng)急救援演練，采用復(fù)合一趟鉆提速增效技術(shù)組合，以T200 車載鉆機和TBW850泥漿泵為主要設(shè)備，以1.5°單彎螺桿+優(yōu)化PDC 鉆頭為主要鉆具組合，使用膨潤土+纖維素+隨鉆堵漏劑鉆井液體系，克服二開全孔段鉆井液漏失難題，實現(xiàn)二開基巖層“一趟鉆”完鉆，鉆孔深度644.50 m，成孔孔徑215.9 mm，用時55.75 h，平均鉆速11.56 m/h，對應(yīng)急救援演練在72 h 內(nèi)高效成孔起到了關(guān)鍵作用。

2.2.2 空氣潛孔錘“一趟鉆”提速增效技術(shù)

空氣潛孔錘鉆進以壓縮空氣為動力，在氣動沖擊器和轉(zhuǎn)盤(動力頭)驅(qū)動下進行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，適用于硬巖層。在硬巖層鉆進時效率遠高于常規(guī)泥漿鉆進，鉆遇破碎帶、軟塑性強、富水性好的復(fù)雜地層時，破巖效果和護壁穩(wěn)定性較差，鉆進效率大大降低。對沖擊動載碎巖機理和沖擊載荷作用下孔壁穩(wěn)定性進行深入研究，改進、提升沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝在易碎、軟塑性、強富水含水層軟巖等復(fù)雜地層中施工能力，能夠為復(fù)雜地層空氣潛孔錘工藝“一趟鉆”成孔創(chuàng)造條件[21-23]。

為揭示沖擊破巖機理，模擬易碎、軟塑性、強富水含水層等復(fù)雜地層，開展室內(nèi)試驗。研究表明：載荷作用下巖體的損傷演化分為初期零星損傷、損傷穩(wěn)定增長、損傷快速增長、大裂紋貫穿整個巖體4 個階段，如圖5 所示。在加載過程中，鉆頭棱角處周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋增殖、擴展，最終通過大裂紋連通，從而造成試樣破壞；軟塑性巖體應(yīng)用小沖擊功、高頻沖擊利于提高鉆進效率，巖體軟塑性的增強會導(dǎo)致大部分沖擊功轉(zhuǎn)換為軟巖的塑性應(yīng)變能，不利于破巖；巖體在飽水情況下，抵抗球齒壓入能力更加弱化，在沖擊作用下易在側(cè)方發(fā)生剪切破壞；動載荷相比于靜荷載作用，破巖效果更好；節(jié)理的存在改變了裂紋擴展方向，巖體越破碎，破巖效果越明顯。

圖5 定速度下非飽水試樣破巖過程接觸應(yīng)力分布Fig.5 Distribution diagram of contact force in rock breaking process of non-saturated specimens at constant speed

通過孔壁失穩(wěn)試驗可以看出：鉆進孔壁附近均存在應(yīng)力集中且存在載荷一側(cè)最先出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時孔壁左右應(yīng)力差最大，方向基本為水平方向，極易發(fā)生剪切破壞，如圖6a 所示。從鉆頭貫入過程中最先在接觸面上形成細小的擠壓張裂隙與剪切裂隙，接著裂隙向應(yīng)力集中部位發(fā)展，在集中應(yīng)力的作用下鉆頭侵入對角處發(fā)育長裂隙，在應(yīng)力差作用下向鉆孔側(cè)壁發(fā)育橫向裂隙，如圖6b 所示。當(dāng)孔壁軟巖體的變形程度不能及時適應(yīng)軟巖體應(yīng)力重分布的過程時，孔壁失去抵抗變形的能力而失穩(wěn)，鉆孔發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)破壞。綜合試驗成果揭示出孔壁失穩(wěn)機理：孔壁失穩(wěn)主要是由于孔壁軟巖體自身強度不能滿足其應(yīng)力變化過程而發(fā)生拉張破壞，與孔壁巖體所處的原巖應(yīng)力環(huán)境和巖體力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)；應(yīng)力集中是裂紋增殖擴展的關(guān)鍵[24]，三角形鉆頭的破巖效果最好；沖擊幅值過大會造成軟巖壓實，對于提高軟巖破巖深度和破巖效率不明顯，且“擴徑”作用明顯，不利于孔壁穩(wěn)定。

圖6 孔壁失穩(wěn)模型應(yīng)力矢量與位移變化Fig.6 Contact force vector and displacement variation of hole wall instability model

沖擊破巖機理與孔壁失穩(wěn)機理為復(fù)雜地層空氣潛孔錘碎巖工具改進和鉆進參數(shù)優(yōu)化提供理論參考，為空氣潛孔錘高效碎巖齒的研制提供了理論依據(jù)。山東棲霞笏山金礦4 號生命保障孔，針對破碎帶發(fā)育、花崗巖層硬度高、礦井涌水量較大等復(fù)雜條件，應(yīng)用空氣潛孔錘“一趟鉆”提速增效鉆進技術(shù)，配備三角形齒潛孔錘頭，沖擊頻率1 080～1 500 次/min，鉆壓10～30 kN，空氣壓力0.8～2.0 MPa，空氣量470～940 L/s，4號孔實現(xiàn)“一趟鉆”安全高效成孔，58 h 完成583.00 m鉆探任務(wù)，平均鉆速10.05 m/h，距巷道中線軸線偏差0.14 m 高精度透巷，與3 號孔共同構(gòu)建起“生命保障雙保險”通道。

2.2.3 雙鉆頭自平衡鉆進技術(shù)

為改變地面鉆機對地下遠端鉆頭“長臂管轄”式驅(qū)動方式和克服鉆頭碎巖過程中產(chǎn)生的反扭矩，高科[25]、陳杭凱[26]、邢立東[27]等提出了雙鉆頭自平衡鉆進技術(shù)理論，通過內(nèi)外鉆頭異向同步回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)扭矩動態(tài)自平衡，具有井壁擾動小、鉆進效率高的特點?；谠撛硌兄屏穗p鉆頭自平衡垂鉆系統(tǒng)功能樣機，包括內(nèi)外鉆頭、回轉(zhuǎn)驅(qū)動、傳壓隔扭、鉆壓調(diào)節(jié)和泥漿循環(huán)等組件，樣機長度4.98 m，直徑165 mm，輸出功率38.75 kW，最大扭矩360 N·m，內(nèi)鉆頭內(nèi)徑100 mm，外鉆頭外徑170 mm，并研發(fā)了用于起下鉆具、輸送電力的鎧裝纜管和渦狀存儲系統(tǒng)等配套機具，雙鉆頭自平衡錘鉆系統(tǒng)組成如圖7 所示。

圖7 雙鉆頭自平衡垂鉆系統(tǒng)Fig.7 Double bit self balancing vertical drilling system

雙鉆頭自平衡垂鉆系統(tǒng)擺脫了地面鉆機和鉆桿束縛，依靠系統(tǒng)內(nèi)置電機驅(qū)動鉆頭，一方面雙鉆頭驅(qū)動能將產(chǎn)生的反扭矩利用起來一同破碎巖石，加快了碎巖速度；另一方面上部鉆具無扭矩作用且不發(fā)生回轉(zhuǎn)，對上部井壁不產(chǎn)生擾動和攪動，保證了井壁的穩(wěn)定性，從而提高鉆進綜合效率。

樣機在室內(nèi)進行了鉆進試驗，以砂巖、灰?guī)r和花崗巖為鉆進對象，采用參數(shù)為轉(zhuǎn)速500～900 r/min，泵量40～50 L/min。試驗結(jié)果表明：樣機實現(xiàn)了扭矩自平衡，運行平穩(wěn)、對巖心和孔壁擾動微小，累計取心長度13.1 m，取心率高達100%，試驗取得初步成功。

3 生命保障孔精準(zhǔn)鉆進技術(shù)

3.1 精準(zhǔn)透巷技術(shù)要求

精準(zhǔn)透巷是構(gòu)建生命保障通道的核心任務(wù)[28]。據(jù)調(diào)研，我國巷道或避難硐室寬度b多在3.0～4.0 m，長度值L則遠大于寬度值b。生命保障孔透巷基本要求是：靶點在寬度方向偏移量Rb≤b/2，取巷道或避難硐室寬度最小值3.0 m 時，Rb≤1.5 m，該透巷精度滿足我國絕大多數(shù)礦山救援要求。

3.2 孔身軌跡監(jiān)測與控制

孔身軌跡控制是實現(xiàn)生命保障孔精準(zhǔn)鉆進的具體措施，根據(jù)鉆進工藝的不同，主要分為復(fù)合鉆進軌跡控制方法和空氣鉆進軌跡控制方法。

3.2.1 復(fù)合鉆進軌跡監(jiān)測與控制

復(fù)合鉆進采用“PDC 鉆頭+單彎螺桿+泥漿脈沖式無線隨鉆測量系統(tǒng)(MWD)”組合進行孔身軌跡監(jiān)測和控制，適用于生命保障孔全孔段施工。無線隨鉆測量系統(tǒng)主要作用是實時監(jiān)測孔內(nèi)鉆頭的井斜、方位等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并傳遞給鉆井工程師，為后續(xù)鉆進提供指導(dǎo)[29-30]。當(dāng)MWD 監(jiān)測顯示孔身軌跡偏離設(shè)計線時，單彎螺桿帶動鉆頭以滑動鉆進的方式進行軌跡控制，通過工具面的調(diào)整將井斜和方位控制在規(guī)定范圍，實現(xiàn)精準(zhǔn)中靶。生命保障孔施工時，應(yīng)在鉆壓和地層相對穩(wěn)定情況下確認(rèn)螺桿的造斜率大小，選擇相應(yīng)尺寸扶正器組成滑動定導(dǎo)向工具，常用的單彎螺桿彎曲度有0.75°、1.00°、1.25°、1.50°、1.75°等，增斜率的增加或減少可通過調(diào)整鉆壓或換用其他單彎度數(shù)的螺桿實現(xiàn)。在山西新元煤礦鉆孔應(yīng)急救援演練中，孔型為定向斜孔，施工采用國產(chǎn)MWD+1.75°單彎螺桿組合進行軌跡控制，鉆進至孔深644.5 m 時實現(xiàn)中靶，孔底與靶點偏移距離為1.12 m。

3.2.2 空氣鉆進軌跡監(jiān)測

空氣潛孔錘破巖效率高、自身防斜打直能力強，生命保障孔采用空氣潛孔錘鉆進工藝時，一般配套抗震型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)(EM-MWD)，能夠?qū)咨碥壽E實時監(jiān)測，但不能進行定向施工，一旦出現(xiàn)較大偏斜而無法透巷時，需更換復(fù)合鉆進工藝進行糾斜。因此，“空氣潛孔錘+EM-MWD”組合適合在偏斜范圍可控的直井段施工[22]。目前空氣復(fù)合定向技術(shù)主要應(yīng)用于井下碎軟煤層瓦斯抽采孔，關(guān)鍵鉆具組合為“空氣螺桿+EM-MWD”，利用壓縮空氣為動力和循環(huán)介質(zhì)，驅(qū)動空氣螺桿高速運轉(zhuǎn)、排出巖渣，利用EM-MWD 獲取孔身軌跡參數(shù)，提供給井下鉆機，指導(dǎo)鉆孔的軌跡控制。中煤科工西安研究院(集團)有限公司在貴州某煤礦應(yīng)用?73 mm 空氣螺桿，配套隨鉆測斜設(shè)備，實鉆最大孔深達385 m，鉆孔軌跡全部在煤層中延伸[31]。空氣螺桿應(yīng)用于孔徑大于150 mm、深度大于600 m 的生命保障孔施工中，存在使用壽命短、排渣困難等情況，隨著空氣螺桿飛車制動和潤滑冷卻等關(guān)鍵問題的不斷解決，應(yīng)用空氣復(fù)合定向技術(shù)實現(xiàn)快速精準(zhǔn)鉆進，能夠大幅提升地面鉆孔應(yīng)急救援能力。

3.3 超短距離螺旋糾偏技術(shù)

生命保障孔施工過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆進方向嚴(yán)重偏離靶點，以至于無法透巷時，必須進行定向糾偏，來控制待鉆孔身軌跡，實現(xiàn)精準(zhǔn)透巷。根據(jù)孔斜角、水平位移及垂向位移的關(guān)系，在偏斜點水平位移L確定的前提下，剩余井段垂向距離H以及井斜角的選取是糾偏工作的關(guān)鍵，常規(guī)糾偏與超短距離螺旋糾偏如圖8所示。

圖8 常規(guī)糾偏與超短距離螺旋糾偏Fig.8 Schematic diagram of conventional deviation correction and ultra short distance spiral deviation correction

當(dāng)剩余井段垂向距離H過短時，常規(guī)糾偏會出現(xiàn)兩種情況：一是采用大狗腿度調(diào)整井斜，井眼軌跡為S1-1+S1-2段，隨著狗腿度的劇增，鉆柱在井眼內(nèi)摩阻和扭矩迅速增大，定向鉆進時加大鉆壓困難，鉆速極低；同時由于孔身急劇彎曲，鉆柱側(cè)向受壓嚴(yán)重，當(dāng)側(cè)向壓力大大超過鉆桿臨界屈曲載荷時，鉆具容易因過疲勞而出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲甚至斷裂，造成井下事故；過大的狗腿度還會造成套管作業(yè)困難、信息偵測設(shè)備無法下放等困難。二是采用安全狗腿度調(diào)整井斜，孔身軌跡為S1-1+S1-3段，能夠保證鉆進安全，但水平位移變化率過小，在剩余孔段垂向距離H范圍內(nèi)，不能進入巷道有效范圍，難以實現(xiàn)精準(zhǔn)透巷。

超短距離螺旋糾偏技術(shù)是在剩余孔段垂向距離H嚴(yán)重不足的情況下，借鑒“盤山公路”模式，設(shè)計孔身軌跡呈螺旋形，即在調(diào)整孔斜的同時，圍繞井口至靶點垂線，同時進行扭方位作業(yè)，最大限度地發(fā)揮定向工具的調(diào)整能力，在降低孔身彎曲程度、減小鉆柱摩阻扭矩及側(cè)向壓力的同時，確保水平位移變化率，進而實現(xiàn)精準(zhǔn)透巷、孔身平滑和后續(xù)套管下入作業(yè)等目的。

山東棲霞笏山金礦3 號生命保障孔，鉆進至521.10 m 時，孔底水平位移7.41 m，剩余孔段垂向距離60 m?，F(xiàn)場采用“單彎螺桿+MWD”為主的定向鉆具組合，應(yīng)用超短距離螺旋糾偏技術(shù)進行軌跡設(shè)計，并進行了鉆柱扭矩、摩阻、應(yīng)力、側(cè)向力、疲勞度等數(shù)值模擬，其中側(cè)向力和疲勞系數(shù)模擬如圖9a、圖9b 所示。分析得出糾偏段各項關(guān)鍵參數(shù)雖急劇增大，但螺旋形軌跡仍可保證鉆具在安全施工可控范圍內(nèi)。經(jīng)過糾偏，3 號孔孔底水平位移減小至1.24 m，順利完成精準(zhǔn)透巷和下套管作業(yè)。

圖9 超短距離螺旋糾偏鉆柱側(cè)向力與疲勞系數(shù)模擬Fig.9 Simulation of lateral force and fatigue coefficient of ultra short distance spiral deviation correction drill string

4 生命保障孔示范工程試驗

2021 年6 月，在寧夏梅花井礦開展生命保障孔示范工程試驗，設(shè)計鉆至+697 m 水平車場以下15 m 完鉆，設(shè)計孔深657 m，鉆遇地層由上至下依次為第四系，中侏羅統(tǒng)安定組、直羅組、延安組。施工風(fēng)險主要有：第四系礫石層易掉塊、卡鉆；涌水量30 m3/h 含水層3～5 層，鉆進過程中易漏失、縮徑、坍塌；地層傾角達17°，巖層頻繁互層膠結(jié)，地層自然造斜能力強，孔身易偏斜。針對梅花井礦地層特征，從提高機械鉆速能力、防斜糾斜能力、漏失地層鉆進能力、處理地層出水能力、控制地層坍塌能力、鉆進硬巖地層能力、鉆進深度能力7 個方面優(yōu)選鉆進工藝技術(shù)，最終決定采用復(fù)合“一趟鉆”提速增效技術(shù)和復(fù)合鉆進軌跡控制技術(shù)。

生命保障孔采用二開結(jié)構(gòu)設(shè)計，一開表層段孔深35.10 m，孔徑311.1 mm，鉆具組合?311.1 mm 優(yōu)化PDC 鉆頭+?178 mm 鉆鋌，下?244.5 mm 鋼套管，免固井；二開基巖段孔深670.50 m，孔徑215.9 mm，鉆具組合?215.9 mm 優(yōu)化PDC 鉆頭+?172 mm 單彎螺桿(1.5°)+?165 mm 無磁(內(nèi)置MWD)+?178 mm 鉆鋌+?127 mm鉆桿，下?177.8 mm 鋼套管固井完井。

鉆孔施工以T200 車載鉆機和F1300 泥漿泵為主要設(shè)備，使用膨潤土+纖維素鉆井液體系，依靠國產(chǎn)MWD+1.5°單彎螺桿組合進行軌跡控制，鉆進中克服了大傾角、中軟及涌水復(fù)雜基巖地層快速鉆進及軌跡控制難題，兩個開段均“一趟鉆”完成，從一開開鉆至二開基巖段鉆完用時46.83 h，成孔孔徑215.9 mm，平均鉆速14.32 m/h，鉆進至孔深670.50 m 靶點時，孔底水平偏移位移僅0.27 m，后續(xù)下套管及固井作業(yè)用時8.27 h，整個生命保障孔工程試驗實現(xiàn)55.1 h 高效成孔，超指標(biāo)完成600 m 深鉆孔72 h 黃金救援時間內(nèi)高效成孔要求。

5 結(jié) 論

a.地面生命保障孔作為礦山事故發(fā)生后井下被困人員的生命保障通道，在地面鉆孔應(yīng)急救援體系中占有重要地位，“優(yōu)化鉆孔設(shè)計、快速鉆進、精準(zhǔn)透巷”是地面生命保障孔高效成孔的關(guān)鍵。

b.高壓射流及空氣潛孔錘跟管鉆進技術(shù)可快速完成深厚覆蓋層段施工，“一趟鉆”提速增效技術(shù)大大提升了復(fù)合鉆進和空氣鉆進在救援中的應(yīng)用實效，解決了復(fù)雜基巖層快速和安全鉆進兩個難題，是生命保障孔實現(xiàn)高效鉆進的關(guān)鍵技術(shù)。

c.精準(zhǔn)透巷是生命保障孔核心目標(biāo)，對比分析了復(fù)合鉆進和空氣鉆進軌跡控制方法，為實現(xiàn)精準(zhǔn)透巷提供優(yōu)選方案，基于救援現(xiàn)場需要，提出了超短距離螺旋糾偏技術(shù)方法，成功應(yīng)用于救援現(xiàn)場。

d.應(yīng)急救援對高效成孔要求高、標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)，在面臨多種復(fù)雜條件同時存在的情況下，實現(xiàn)高效成孔仍是重大挑戰(zhàn)，還需要在理論上不斷完善，在實踐中繼續(xù)提升工藝水平，通過不斷推廣應(yīng)用，帶動地面鉆孔高效救援技術(shù)與裝備的發(fā)展。