“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置研發(fā)與應用

李 開 聶新明

（1.冀中能源股份有限公司東龐礦，河北 邢臺 054201；2.中化地質礦山總局河北地質勘查院，河北 石家莊 050031）

1 研發(fā)背景

在鉆探施工過程中，因技術要求，需要做鉆孔抽水、壓水試驗，用來獲取鉆孔的涌水或漏失及其他水文情況。使用傳統(tǒng)的封孔孔口裝置[1]，需要把孔內鉆具全部提出孔外，嚴重影響施工進度?！鞍牒鲜健狈忾]鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置的研發(fā)，可在不提鉆的情況下完成壓水試驗，既可以大幅度縮短工期，又能減少工人的體力勞動，同時也降低了孔內事故率[2-5]。另外，當鉆孔一旦發(fā)生巖屑埋鉆事故，鉆桿將不能提出孔外，需要對鉆孔環(huán)狀空間進行封閉，實施壓水或注氣處理，封孔裝置是一種理想的裝置。

2 結構原理

“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置，總體設計為上下兩部分，用法蘭連接成一個整體，如圖1 所示。

圖1 “半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置結構圖

此裝置可分解為上盤和下盤兩部分。（1）上盤配件大多設計成兩個半塊而后合為一個整體，稱之為“半合式”。上法蘭盤制作成兩塊，“揣手”對接，“揣手”接縫處用密封膠密封。上、下法蘭接觸面加工有“子母扣”，“子母扣”間壓裝密封圈實現(xiàn)密封（圖1A 放大）。上法蘭體上面分別對應加工兩半式密封盒，密封盒外加工有密封盒緊固耳，通過螺栓夾緊。密封盒內安放密封橡膠圈，密封圈均沿著軸向切成兩半，密封圈切縫與密封盒接縫應錯位安放，密封圈壓蓋對縫與密封盒對縫以及密封圈切縫均需錯位安放。密封盒與密封圈壓蓋用螺栓聯(lián)接，通過調整螺栓的松緊來調整密封圈對孔內所需密封鉆桿或鉆具的密封程度。（2）下盤主體是由下法蘭與孔內的同型號套管構成。下端加工套管公扣與井內套管相連，下部管體側面裝有壓力表和管接頭，壓力表用以采集壓力數(shù)據(jù)，管接頭應用時加裝安全控制閥門,連接壓水或注氣設備。下法蘭上面加工有母口，母口內置O 形密封圈，與上法蘭體下面加工的子口對接密封。（3）上下法蘭用高強度螺絲聯(lián)接。

3 鉆孔壓水試驗孔口裝置在煤田防治水領域應用

3.1 煤田防治水工程實例

冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400 采區(qū)奧灰區(qū)域注漿改造一期工程，該項目最初設計DB1和DB2 兩個地面主孔，11 個水平分支孔。根據(jù)工程需要，進行了多次設計變更，最后確定為DB1、DB2 和DB3 三個地面主孔，40 個水平分支孔。工程布置如圖2 所示。

圖2 工程設計鉆孔軌跡平面投影圖。

根據(jù)煤礦帶壓開采地面區(qū)域治理技術管理有關規(guī)定[2-3]要求：地面定向多分支注漿鉆孔在鉆進過程中，當鉆井液消耗量≥5 m3/h 時，應起鉆注漿；如果鉆孔內泥漿長距離出現(xiàn)不消耗時或泥漿消耗量＜5 m3/h 時，要每鉆進100～150 m 先進行孔口壓水試驗，根據(jù)壓水試驗結果，確定注漿參數(shù)。若壓水過程中壓力上升快，且在最小泵量(35 L/min)壓水時計算單位吸水率小于0.01 L/MIN.m.m，則不需要注漿，可以繼續(xù)鉆進，進行下一孔段施工。為此，在一個分支孔施工過程中往往需要多次孔口壓水試驗或注漿，頻繁使用孔口裝置對鉆孔實施密封。

3.2 裝置使用方法

（1）使用傳統(tǒng)封孔裝置每做一次壓水試驗均需把孔內所有鉆具提出孔外，安裝孔口裝置，接通壓水設備管路，通過壓力數(shù)據(jù)，計算出試驗段的吸水率，確定是否需要注漿，若不需要注漿，拆卸孔口裝置，下鉆，繼續(xù)鉆進。

（2）使用“半合式”封孔裝置，主孔套管下完固井結束后，就將該裝置的下盤與套管聯(lián)接緊固，繼續(xù)后施工期間不需拆除。在鉆進過程中，長距離泥漿消耗量＜5 m3/h 時，每鉆進100～150 m 應進行孔口壓水試驗，這時不需要把鉆具提出孔外，直接將“半合式”孔口裝置上盤組件安裝在下盤上，完成對鉆孔環(huán)狀空間的有效密封，壓水設備管路與下盤管接頭相連（圖3），通過壓水試驗獲取壓力數(shù)據(jù)，計算出試驗段的吸水率，進而確定是否需要注漿，若不需要注漿，卸去上盤組件繼續(xù)鉆進。在鉆進過程中，出現(xiàn)孔內泥漿消耗量＞5 m3/h 時，需要壓水或注漿，提鉆，將該裝置上盤用盲板替換，壓水注漿設備管路與下盤管接頭相連，與傳統(tǒng)的孔口裝置功能相同。

圖3 “半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置現(xiàn)場工作圖

3.3 兩種鉆孔孔口裝置使用效果對比

正在施工的注漿孔，做孔口壓水試驗，使用傳統(tǒng)的孔口裝置，需要把孔內鉆具全部提出孔外，地面定向水平多分支注漿鉆孔一般情況下設計鉆孔比較深，大多在1500 m 以上，提、下鉆耗時費力。使用“半合式”封孔裝置可以在不提鉆的情況下完成壓水試驗，大大減少了提、下鉆次數(shù)，減輕工人的勞動強度，降低了安全風險，加快了施工進度。

冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400 采區(qū)奧灰區(qū)域注漿改造一期工程，從2017 年開始施工，目前屬于在建工程。工程初始階段，鉆孔孔口壓水試驗使用的是傳統(tǒng)的孔口裝置，每鉆進80 m 做一次孔口壓水試驗，如DB2-E5 壓水試驗時間統(tǒng)計見表1。在該工程項目兩年多的施工中，為了加快工程進度，通過現(xiàn)場技術人員不斷改革創(chuàng)新，曾先后研制出“分體式”不提鉆壓水試驗孔口裝置和“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置。后者是“分體式”不提鉆壓水試驗孔口裝置的改良版，在DB1-W4 分支孔正式開始推廣使用，其壓水試驗時間統(tǒng)計見表2。

表1 DB2-E5 分支孔傳統(tǒng)孔口裝置提鉆壓水試驗統(tǒng)計

表2 DB1-W4 分支孔使用“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置不提鉆壓水試驗統(tǒng)計

對上述表1、表2 進行分析可以看出，采用傳統(tǒng)孔口裝置進行壓水試驗，每次孔口壓水試驗平均耗時14.39 h；使用“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置進行不提鉆壓水試驗，平均每次耗時1.5 h。試驗結果表明，使用該封閉鉆孔孔口裝置比使用傳統(tǒng)孔口裝置進行壓水試驗平均一次可節(jié)省提、下鉆和裝卸孔口的時間約12.89 h。

“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置進行不提鉆壓水試驗，在冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400 采區(qū)奧灰區(qū)域注漿改造一期工程項目后續(xù)18 個水平分支孔中應用，平均每孔使用6 次，大約可節(jié)省提、下鉆和拆卸孔口裝置時間1 392.12 h，大幅度縮短了施工工期，將獲得巨大的經濟效益。

4 裝置在處理孔內事故中的應用

4.1 事故發(fā)生過程

DB3-S2-3 水平分支孔，設計孔深為1 705.35 m，鉆進至1 701.50 m 時，孔內突然出現(xiàn)嚴重漏失，漏失量超過55 m3/h，鉆井液處于失返狀態(tài)，頂漏鉆進至終孔。待現(xiàn)場驗收完成后，進行提鉆作業(yè)，稱重壓力表顯示鉆具懸重由50 t 逐漸上升至130 t，鉆機扭矩表顯示高達9 kN·m，鉆具無法上提及回轉，下部鉆具已經被完全埋死。

4.2 處理埋鉆事故過程及效果

使用多種傳統(tǒng)方法處理[4]無效后，井隊嘗試用大風量高壓“氣動”方法對DB3-S2-3 埋鉆事故處理，即：用空壓機及空氣增壓機從事故鉆桿與孔壁環(huán)狀空間進行壓氣作業(yè)，大量的高壓空氣對環(huán)空內造成埋鉆事故的巖屑、砂床或砂橋等自上而下進行吹刷；當氣壓達到一定壓力后，突然進行放氣作業(yè)，在鉆孔環(huán)狀空間內就形成了一股高速上升的渦旋氣流，對鉆孔內造成埋鉆事故的固相顆粒自上而下進行抽吸和吹刷即制造出人為“井噴”；通過如此不間斷的壓氣和突放氣作業(yè)，對造成埋鉆事故的固相物進行反復擾動或搬移，以達到事故鉆具解埋的目的[5]。

鉆孔發(fā)生埋鉆事故，事故鉆具很難提出孔外，使用大風量高壓空氣做動力處理埋鉆事故時，必須要對孔內鉆桿與套管間的環(huán)狀空間實施可靠密封?！鞍牒鲜健笨卓谘b置是實現(xiàn)對鉆孔環(huán)狀空間理想密封裝置，對處理DB3-S2-3 鉆孔埋鉆事故至關重要。

5 結論與建議

（1）“半合式”封閉鉆孔孔口裝置，設計合理，實用，密封可靠，拆裝方便，是封閉鉆孔環(huán)狀空間十分有效孔口裝置。

（2）根據(jù)所密封鉆桿的外形需要，“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間裝置中心孔可加工成與鉆桿外形相匹配的異形孔。

（3）“半合式”封閉鉆孔孔口裝置，在煤礦防治水工程做不提鉆壓水試驗，埋鉆事故處理方面已成功應用，在鉆探工程及其他領域的應用有待開發(fā)。