水力割刀在岩心钻探烧钻事故处理中的应用

摘要

宁强县中坝外围预查区岩心钻探ZK1102钻孔地层裂隙发育，钻孔漏失严重。由于送浆时间不足，冲洗液未到达孔底即开始钻进，导致钻孔发生严重烧钻事故。烧钻事故发生后，通过尝试传统起拔、旋转等方法均无效后，结合便携式全液压钻机装备特点和地层条件现状，在能够确保找矿成果和事故处理的安全性、经济性以及可靠性的前提下，进行科学分析研判，甄选出了最佳事故处理方案，即利用BTW钻杆连接水力割刀切割事故段钻具，而后下入NTW钻具连接磨铣钻头研磨剩余钻具钻头，高效、经济、稳妥地解决了烧钻事故。在水力割刀实际应用中，分析总结了在不同操作顺序和切割参数下切割失败的原因，为施工人员积累了丰富的经验，为烧钻事故顺利处理打下了坚实的技术基础。本文对利用水力割刀处理岩心钻探烧钻事故进行了积极探索，为其他地区使用水力割刀处理类似复杂钻孔事故提供了参考。

关键词

水力割刀; 便携式全液压钻机; 烧钻事故; 事故处理; 研磨

0 引言

宁强县中坝外围预查区岩心钻探ZK1102孔施工中，在171.20 m处发生严重烧钻事故，经全力起拔无效后，通过全面分析论证，采用水力割刀对钻具进行切割，而后使用磨铣钻头对孔内遗留钻具研磨后继续钻进^［1-2］，有效降低了烧钻事故造成的经济损失，为钻孔安全顺利施工打下了坚实的基础。

1 钻孔概况及烧钻事故分析

1.1 工作区地质特征

根据工作区地质资料，宁强县中坝外围预查区地层由浅至深为第四系残坡积物；志留系，主要为含铁菱镁矿绢云千枚岩、糜棱岩化变砂岩、粉砂质板岩、硅质岩薄层；下寒武统，主要为糜棱岩化含碳硅质板岩、硅质岩薄层，在碳质板岩内终孔。地层层间褶曲、揉皱及强挤压裂隙、节理非常发育，钻进过程中极易发生漏失问题，地层中硬，可钻性级别为5~7级。

1.2 钻孔概况

ZK1102钻孔设计孔深320 m，开孔方位角130°，倾角80°，采用金刚石绳索取心钻进，三级成孔工艺（Ø110 mm开孔钻进至基岩，HTW钻进通过破碎带，NTW钻进至终孔），终孔孔深320.29 m。

1.3 钻探装备

使用珠海市英格尔特种钻探设备有限公司EP600型便携式全液压钻机，钻机主要由操作台、液压油箱、3台柴油机、柴油箱、钻机底座、钻架（含动力头）、泥浆泵、卷扬机和泥浆搅拌器组成^［3］。EP600型便携式全液压钻机主要性能参数见表1。

表1  EP600型便携式全液压钻机主要性能参数

Table 1  Main specifications of EP600 portable full hydraulic drill

名称	参数
钻机动力/（kW×数量）	涡轮增压柴油发动机	23.5×3/33×3
最高压力/MPa		21
动力头	最大扭矩/(N·m)	600
	最高转速/(r·min-1)	1200
	提升力/给进力（双油缸加倍）/kN	60/30
泥浆泵	最大流量/(L·min-1)	120
	最高压力/MPa	7
夹持器	夹持能力	114/HTW/NTW/BTW
钻进能力	钻杆选择	HTW/NTW/BTW
	钻进深度/m	100/300/600
钻机质量/kg		1100

1.4 烧钻事故分析

ZK1102孔采用NTW钻具钻进至171.20 m时，钻进回转扭矩突然增大卡死，同时泥浆泵憋泵，采用钻机单油缸起拔钻具，无效果；而后采用双油缸顶、转、拉钻具，钻具丝毫未动；内管可顺利拉起，拉起后内管内无岩心。通过当前情况判定钻孔内发生严重烧钻事故，孔内有钻具1根3.92 m、钻杆168 m，共计171.92 m。烧钻事故发生前一回次钻进过程中，泥浆泵工作正常，钻孔严重漏失，孔口无返水。结合120~171 m所取上来的岩心来看，孔底地层较完整、但裂隙发育，钻孔严重漏失，在钻进过程中，因泵量较小，送水时间不足，导致冲洗液还未到达孔底即开始钻进，造成钻头局部高温，金刚石晶体颗粒熔化挥发，胎体熔融变形或与岩石熔融粘连，进而造成严重的烧钻事故^［4-5］。

2 烧钻事故处理方案制定

结合孔内烧钻和钻探设备实际，所采取的处理方案必须对其安全性、经济性、可靠性等进行认真的分析比对，方可在孔内实施^［6］。受全液压模块化钻机自重较轻、提升力不强和无钻塔设计的限制，无法使用反丝钻杆、丝锥打捞和打吊锤来处理钻孔事故^［7-8］。

2.1 采用BTW钻具

利用BTW钻具研磨穿透烧钻事故段，而后将NTW钻具和钻杆作为套管，使用BTW钻进至终孔。BTW钻具具有回转阻力小、钻进速度快、钻进效率高等优点，但在岩心钻探中仍存在以下问题。

（1）岩心直径不符合规范要求。根据金矿钻探岩心采取要求，原则上岩心直径≮57 mm，利用BTW钻进所采取岩心仅为42 mm，无法满足找矿标准要求，严重影响找矿成果。同时在终孔后面临NTW钻具无法起拔的问题，烧钻事故仍未得到解决。

（2）钻杆钻具故障率高。BTW钻杆为薄壁钻杆，在300 m的孔内高速回转，当发生卡钻、钻杆扭矩较大时，极易发生断钻事故。同时BTW内管总成、内管帽和卡簧座极易发生故障，给安全顺利钻进造成较大的风险。

（3）处理风险较大。在使用BTW钻具研磨穿透过程中，如若有扭矩较大情况时，极易发生卡死断钻事故。BTW作为最后一级钻具，如若发生卡死断钻事故，处理难度极大，可能导致钻孔直接报废。

2.2 采用水力割刀

利用水力割刀在烧钻位置上端进行切割，切割成功后，提出钻孔内钻杆钻具，换用新的NTW钻具，安装磨铣钻头对残留钻具进行研磨，研磨完成后正常钻进。采用水力割刀切割事故钻具可大幅度减少人力物力消耗，处理风险较低，节约生产成本^［9］。难点是对于切割工艺和操作细节要求较高，若切割期间某个环节出现失误或切割参数控制不佳，将导致切割失败。

2.3 事故处理方案选择

通过详细对比分析以上两种处理方案，利用水力割刀切割事故钻具处理周期短，对钻机损坏较小^［10］，若操作得当，可快速处理钻孔事故，继续使用NTW钻进，满足地质找矿需求。最终决定采用水力割刀对这起烧钻事故进行处理。

3 水力割刀的应用

3.1 水力割刀的结构和工作原理

选用英格尔特种钻探设备有限公司NTW水力割刀器（型号05.07.0002），该水力割刀器主要由柱塞缸、钢球、柱塞、弹簧、弹簧座、筒体、 割刀片组成（见图1、图2）。其工作原理是将割刀送至预定切割位置后，按照预设转速进行回转，利用泥浆泵将冲洗液送入钻杆内，逐渐增大泵量，使冲洗液压力推动钢球，钢球推动柱塞向下运动，柱塞推动刀头向外张开，与钻杆壁接触进行旋转切割，割断钻杆后，水泵压力减小，关闭泥浆泵，泄压后，钢球压力消失，刀头在弹簧作用下自动收回，提起钻杆和割刀器，完成切割^［11-13］。

图1  NTW水力割刀器实物

Fig.1  NTW hydraulic cutter

图2  水力割刀器结构示意

Fig.2  Structure of the hydraulic cutter

3.2 切割前准备与测试

在割刀使用前，对割刀的各个部件进行全面检查，确保安装牢固、工作正常。在割刀下入孔内前，在孔口对割刀进行切割测试^［14-15］。经测试，割刀从开始打开到完全打开需要的泵压为0.2~0.3 MPa，割刀正常工作泵压为1.2~2.5 MPa，泵压较小刀头打开后压力不足无法完成切割，压力过大容易发生崩刀问题；转速应控制在100~200 r/min，转速过低切割缓慢，转速过高容易发生崩刀问题，导致切割失败。在孔口试割期间，泵压为1.9~2.1 MPa，转速为180~200 r/min，用时56 min，完成切割（图3）。

图3  试切割钻杆截面

Fig.3  Test‑cut section of the drill pipe

在切割过程中，特别要注意以下问题：

（1）严防油缸滑动。将割刀下入指定位置后，要对机上余尺进行固定，防止因钻杆和钻具自重造成油缸下行，引起切割位置发生变化导致切割失败。

（2）严格操作顺序。首先使割刀进行缓慢回转，而后逐渐增加泵压至0.2 MPa，待回转稳定后将泵压和转速逐渐增大至工作参数进行切割。如果先开泵后回转，极易发生崩刀问题。

（3）密切配合保障。准备工作完成后，钻机操作、冲洗液保障、计时登记等岗位要有专人负责、分工明确^［16］。

3.3 钻具切割

孔内发生烧钻事故的钻具为NTW绳索取心钻具，钻具组合为Ø75.3 mm金刚石钻头+Ø75.9 mm扩孔器+NTW绳索取心钻具+Ø73.3 mm钻杆。钻具从上至下依次为弹卡挡头、弹卡室、座环、钻具外管、扶正环、扩孔器和钻头。结合钻孔内烧钻实际情况和钻具结构组成，使用BTW（Ø56.7 mm）钻杆连接水力割刀下入孔内进行切割，切割位置选择避开钻具扶正环位置，防止因割刀带动扶正环旋转导致切割失败。

第一刀，在孔深170.60 m处进行切割，先开泵至0.2 MPa，而后进行回转，逐渐增加泵量和转速，切割泵压1.9~2.1 MPa，转速180~190 r/min，切割时间70 min，期间泵压未减小，停泵停止回转后，NTW钻杆提拉旋转均无反应。提起割刀后，两个合金割刀片均崩坏。

原因分析：在割刀下入后，由于操作失误，先开泵至0.2 MPa，而后进行回转，导致刀头崩坏，崩坏后刀头完全打开切割半径小于钻具半径，导致未切开。

第二刀，在孔深170.50 m处进行切割，先进行回转，而后逐渐增加泵量和转速，切割泵压1.9~2.1 MPa，转速190~200 r/min，切割时间70 min，期间泵压未减小，停泵停止回转后，NTW钻杆提拉旋转仍无反应。提起割刀后，割刀一侧刀头崩坏，一侧刀头磨损严重。

原因分析：在切割过程中，因高泵压、高转速导致一侧刀头崩坏，割刀在钻具内偏磨，未能割开。

第三刀，在孔深170.40 m处进行切割，先进行回转，而后逐渐增加泵量和转速，泵压1.8~1.9 MPa，转速180~190 r/min，切割至时间58 min时泵压突然减小至0.6 MPa，继续切割10 min，泵压无变化。停泵停止回转，回转NTW钻杆，在孔口听到清脆响声，NTW钻杆可轻松回转，提起割刀和NTW钻杆，切割位置钻杆断面部分为扭转断裂，切口呈“喇叭”口状（参见图4）。

图4  钻具切割后截面

Fig.4  Cut section of the drilling tool

4 研磨遗留钻具

利用水力割刀割断钻具后，孔内剩余钻具0.80 m（包含钻具外管、扩孔器和钻头），采用研磨的方式处理孔内剩余钻具。研磨钻具外管阶段，使用磨铣钻头为Ø76 mm平底式高硬度胎体孕镶金刚石钻头，磨铣钻进参数为钻压2~2.5 kN、转速200 r/min、泵量65 L/min；研磨孔底钻头阶段，换用Ø76 mm胎体硬度HRC15的孕镶金刚石钻头单管钻进，在钻具内壁焊接强磁铁吸附孔底铁屑，确保钻孔内干净无残留^［17］。研磨钻具耗时6 h，最终将孔内遗留钻具清理干净，烧钻事故处理成功，有效保障了钻孔后续施工顺利进行。

5 结语

（1）使用便携式全液压钻机处理烧钻事故具有较大的局限性和约束性，处理事故前要冷静心态、分析事故原因、摸清孔内实情，拟定多种处理方案和可能出现的次生事故，选取最稳妥的处理方案组织实施。

（2）水力割刀处理烧钻事故过程中，要选择正确的切割参数和操作步骤，严防因泵压过高、扭矩过大、转速过快或操作失误等，导致切割失败、处理时间增加、经济效益受损，甚至导致次生井故发生。

（3）ZK1102孔烧钻事故，采用水力割刀与研磨剩余钻具配合的处理方法，成功处理了烧钻事故，对比振击和强力起拔等传统处理方法，具有机械事故少、处理周期短、节省人力物力等特点。同时水力割刀在烧钻事故中的使用为其他地区处理类似事故提供了借鉴。