大直徑救援井高效鉆井技術及裝備現(xiàn)狀與展望

郝世俊，張 晶

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

頂板坍塌、透水、沖擊地壓等礦山災害事故會導致巷道堵塞，井下作業(yè)人員被困，通過大直徑井連通地面與被困區(qū)域，快速構建被困礦工逃生通道，是礦山災害應急救援的重要技術途徑[1-2]。大直徑鉆孔技術在2002年美國魁溪煤礦透水事故、2010年智利圣何塞銅礦坍塌事故、2015年山東平邑石膏礦坍塌事故應急救援中的成功應用，使其成為礦山災害應急救援技術發(fā)展的熱點。國內(nèi)外典型礦山事故鉆孔救援技術分析表明，為實現(xiàn)高效碎巖，提高救援通道構建效率，鉆孔救援一般以空氣鉆進為主[1-3]，平邑石膏礦坍塌事故救援中，針對復雜地質條件，分別采用旋挖鉆進和單體式潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝進行覆蓋層段和基巖層段鉆進[4]，不同裝備與工藝相互配合，成功進行了大直徑救援井實施。同時也暴露出大直徑救援井鉆井技術的局限性。旋挖鉆進過程中井眼軌跡難以精確控制與測量[4]，復雜井段下套管封固后，只能逐級縮小井徑；空氣鉆進在鉆遇松散覆蓋層、強富水含水層、裂隙發(fā)育等復雜地層時，易出現(xiàn)井壁坍塌、掉塊、涌水等問題[5]。大直徑救援井鉆井技術與裝備在安全性與地層適應性等方面仍存在諸多局限，限制了救援通道的構建效率。

國家重點研發(fā)計劃項目課題“復雜地層地面大直徑救援井高效鉆進及安全透巷技術”開展了地面大直徑救援通道快速構建技術研究，并取得階段性成果?；谘芯砍晒?、資料調(diào)研與筆者大直徑井鉆井實踐，總結了大直徑救援井鉆井技術與裝備現(xiàn)狀，以提高救援通道構建效率為目標，提出大直徑救援井鉆井技術與裝備發(fā)展趨勢。

1 大直徑救援井高效鉆進技術

與礦區(qū)常規(guī)地面大直徑鉆孔相比，大直徑救援井施工要求以救援通道高效構建為目標，實現(xiàn)“鉆得穩(wěn)、鉆得準、鉆得快”?！般@得穩(wěn)”是鉆井安全范疇，要求在鉆井過程中不出現(xiàn)地面、井下、被困空間內(nèi)事故；“鉆得準”是鉆井質量范疇，要求在井身質量滿足安全下套管支護的前提下，實現(xiàn)精確透巷，形成救援通道；“鉆得快”是鉆井效率范疇，要求在盡可能短的時間內(nèi)構建救援通道。

為高效構建救援通道，大直徑救援鉆孔施工已初步形成了以旋挖為主的覆蓋層施工技術和空氣潛孔錘鉆進為主的基巖段鉆井技術體系，成功實施的礦山救援井施工工藝見表1。

表1 典型礦山救援井施工工藝

1.1 井身結構

依據(jù)我國人體尺寸國家標準，結合救生艙結構參數(shù)[6]，大直徑救援井透巷段井徑不宜小于580 mm，按照“自下而上”的井徑設計順序，同時，考慮井下復雜導致的開次增加，確定常規(guī)地層大直徑救援井井身結構，見表2。

表2 大直徑救援井三開井身結構參數(shù)

1.2 覆蓋層優(yōu)快鉆井技術

覆蓋層井段井徑一般大于1 000 mm，超過常規(guī)鉆井設備施工能力，施工中易出現(xiàn)縮徑、坍塌、掉塊等現(xiàn)象，井斜、井徑等關鍵質量參數(shù)難以控制，是大直徑救援井施工難點之一。借鑒山東平邑石膏礦難救援覆蓋層施工得失，優(yōu)選樁工施工工藝進行覆蓋層鉆進。

1)人工挖孔法。人工挖孔法是采用人工開挖方式挖掘形成大直徑井的施工方法，一般施工深度小于30 m。其突出特點是施工工藝簡單、施工簡便、復雜地形適應性強，是建筑工程中樁基施工、滑坡防治中抗滑樁施工的主要施工方法之一。若施工區(qū)域地形復雜，構建大型設備施工條件的同時，可采用人工挖孔法進行覆蓋層施工，提高救援效率。

2)旋挖法鉆進。旋挖法是應用廣泛的樁孔施工方法，旋挖鉆機通過動力頭驅動鉆桿、鉆頭破碎巖土體，并將其裝在鉆斗內(nèi)提出卸土，如此反復，直至鉆達設計深度。旋挖鉆機與牙輪筒斗或大直徑潛孔錘相配合，可進行基巖層段施工，滿足大直徑救援井覆蓋層施工要求。旋挖法在平邑礦難大直徑救援井覆蓋層施工中得到成功應用，鉆井深度達54.15 m，中完井徑1 250 mm[4]；2021年棲霞金礦救援中，旋挖鉆機在10號孔施工中也得以應用。

與油氣井鉆機不同，旋挖鉆機主要通過桅桿調(diào)垂裝置進行井斜控制，在軟硬交互等復雜地層，井斜控制困難，制約了旋挖鉆機在大直徑救援井中的應用。

3)全套管鉆進。全套管鉆進是指利用全回轉套管鉆機對孔內(nèi)套管施加轉矩和垂直荷載，以套管柱作為鉆桿在地層中鉆進，同時，使用沖抓斗或旋挖鉆機在套管內(nèi)部鉆掘取土實現(xiàn)全面鉆進[7]。同時實現(xiàn)鉆進與下套管作業(yè)，在流砂層、卵礫石層、松散填土層等坍塌、破碎性地層適應性強；套管鉆進與內(nèi)部鉆進同時進行，鉆進速度與配套的旋挖或沖擊鉆施工相當，已成為復雜地層樁孔施工的優(yōu)選工藝。

全套管鉆進的技術特點使其在大直徑救援井覆蓋層鉆進中有顯著的技術優(yōu)勢：①套管內(nèi)未開挖土體可起到阻止井眼偏斜的作用，鉆孔垂直度達1/500；②施工中不會出現(xiàn)井內(nèi)復雜，施工效率高；③套管可依據(jù)要求進行起拔、更換，使后續(xù)施工中救援井井身結構調(diào)整成為可能，為下部井段套管支護提供便利。

中煤科工集團西安院有限公司基于超聲測距法，研究推導了全套管鉆進井底井斜、方位及偏移量計算方法，為精確透巷提供技術支撐。

1.3 基巖段鉆井技術

1.3.1 先導孔鉆進技術

常規(guī)大直徑井施工中為實現(xiàn)精確透巷(中靶)，一般先進行先導孔鉆進，在先導孔鉆進的基礎上進行擴孔鉆進。圣何塞銅礦救援中采用透巷鉆孔作為先導孔進行擴孔鉆進，先導孔作為下排渣通道實現(xiàn)了快速鉆進與排渣；平邑救援中由于未施工先導孔，?565 mm鉆孔未能實現(xiàn)直接透巷[3]。在大直徑井定向鉆進技術取得突破前，先導孔的施工很有必要。

覆蓋層施工完成后，在井筒內(nèi)居中下入導管，以導管為上部井筒，進行基巖層段先導孔鉆進，先導孔不宜透巷，主要包括2項技術：

1)優(yōu)快鉆進技術。在漏失不嚴重地層，采用“PDC鉆頭+大轉矩螺桿馬達” 復合鉆井技術，利用鉆機轉盤與大轉矩螺桿馬達同時回轉驅動PDC鉆頭高速切削巖層實現(xiàn)快速鉆進，與無線隨鉆測量系統(tǒng)相結合，還可實現(xiàn)易斜地層的防斜快打，新疆阜康礦區(qū)急傾斜地層采用復合鉆井技術，全井平均機械鉆速最高達16.58 m/h，復合鉆井技術是近年來煤層氣鉆井領域機械鉆速快速提高的關鍵技術[8]；在漏失嚴重地層，可采用空氣鉆進技術，利用塔式鉆具組合和“輕壓吊打”實現(xiàn)防斜保直與快速鉆進。

2)精確定向技術。先導孔精確定向技術包含2個方面內(nèi)容:①依托礦區(qū)控制點，尤其是近井點進行地面鉆孔精確定位，使救援井井口中心與井下巷道位于同一坐標系內(nèi)，并進行誤差校正[9]。②利用超聲測距及相關技術方法，確定井底中心位置坐標，并以此為基點，利用高精度隨鉆測量探管，加密測量，采用“勤定、少定”的方式實現(xiàn)井眼軌跡的精確控制，考慮套管下入，定向段狗腿度以小于3°/30 m為宜；為確保透巷段施工精確中靶，先導孔中完點需進行不同方向偏移校驗。

1.3.2 大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進技術

空氣潛孔錘鉆進能夠實現(xiàn)小鉆壓高效碎巖，反循環(huán)排渣能夠降低上返通道面積，提高上返流速與井眼清潔效率，大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進技術將快速鉆進與高效攜屑相結合，是大直徑井快速鉆進的重要方法。吉林大學研制的大直徑貫通式潛孔錘與配套反循環(huán)鉆頭，能夠實現(xiàn)全井段反循環(huán)鉆進，在井深50.8 m以淺井試驗段實現(xiàn)了4.5 m/h的平均機械鉆速，并通過現(xiàn)場試驗得出鉆具回轉速度、注氣量與機械鉆速呈正相關[10]。神華寧煤環(huán)安公司采用?660 mm集束式潛孔錘在較硬地層最高機械鉆速達9 m/h[11]。平邑礦難救援中采用?711 mm單體式潛孔錘局部反循環(huán)鉆進工藝，基巖段鉆進高效[4]。

針對大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進中存在的反循環(huán)建立困難、井底阻風環(huán)易卡阻等問題，中煤科工集團西安研究院有限公司基于研制的?710 mm/311 mm、?580 mm/311 mm大直徑集束式反循環(huán)潛孔錘與配套密封裝置，開展了井口密封、井底軟密封反循環(huán)鉆進工藝研究，結構原理如圖1所示。在井深較淺、地層出水量較小時，利用大直徑井口密封裝置實現(xiàn)密封；井深較深及地層出水條件下，通過注水及氣舉反循環(huán)排水等方式，使井底維持一定液柱高度，利用井底液柱密封實現(xiàn)局部反循環(huán)。

圖1 反循環(huán)形成示意Fig.1 Schematic of reverse circulation formation

大直徑集束式潛孔錘井底軟密封式反循環(huán)鉆進工藝在山西坪上煤業(yè)公司?711 mm大直徑井鉆井中進行現(xiàn)場試驗。注氣量35.5～70.0 m3/min，注氣壓力1.0～2.0 MPa時，反循環(huán)排渣效果良好，平均機械鉆速達2.1 m/h，較同等條件其他工藝提高了1.6倍[12]。

1.3.3 大直徑PDC擴孔鉆進技術

潛孔錘鉆進技術在不穩(wěn)定地層、涌水地層應用受限[13]，牙輪鉆頭擴孔鉆進效率低，且存在牙掌脫落風險。PDC導向擴孔鉆頭在地勘領域、煤礦井下以及非開挖領域已有所應用[14-16]，擴孔鉆進效率、鉆頭壽命顯著提高。借鑒上述領域實踐經(jīng)驗，工程技術人員研制PDC擴孔鉆頭，在大直徑井擴孔鉆進中進行應用，相同地層條件下，較牙輪擴孔鉆頭擴孔鉆進效率提高100%～160%[17]，但仍存在鉆具憋跳嚴重、PDC磨損不均導致的鉆頭壽命短、上返流速低導致的排渣困難等問題。

在數(shù)值模擬與相似模擬的基礎上，中煤科工集團西安研究院有限公司開展大直徑PDC擴孔鉆頭擴孔級序、鉆頭優(yōu)化設計及配套鉆進工藝研究。河南古漢山礦大直徑排水孔現(xiàn)場應用表明，通過增加減震短節(jié)、優(yōu)化鉆具組合與PDC鉆頭結構能夠顯著減少鉆具憋跳問題，多刀翼、非均勻布齒及15°～20°齒前角能夠有效延長鉆頭壽命，氣舉反循環(huán)能夠提高排渣效率。與牙輪擴孔鉆進相比，全井平均機械鉆速提高248%。

1.4 透巷段鉆井技術

1)安全透巷距離。井下巷道或避難硐室開鑿后，地應力重新分布，井巷周圍產(chǎn)生松動圈與裂隙[18-19]；潛孔錘沖擊荷載對井底巖層產(chǎn)生軸向擾動，形成破碎、損傷區(qū)域，固井水泥漿液柱壓力會加劇破碎、損傷區(qū)域的擴展。為確保最不利條件下被困區(qū)域安全，基巖層段鉆進預留安全透巷距離，依據(jù)頂板巖性、完整程度、鉆完井工藝的不同，安全透巷距離一般選擇20～30 m。

2)透巷段鉆進工藝。透巷段鉆進以確保被困人員安全為前提，采用阻風環(huán)方式實現(xiàn)局部反循環(huán)的大直徑空氣潛孔錘鉆進工藝，能夠滿足防止大量流體、巖屑潰入被困區(qū)域的安全要求；低鉆壓、中高鉆速、較低的注氣量、合理的透巷位置，能夠有效降低透巷過程引起頂板冒落等二次災害的概率。

1.5 大直徑井下復雜預防與處理

由于地層條件、受力狀態(tài)復雜、機械鉆速要求高，大直徑救援井施工中井下復雜多發(fā)，魁溪礦難救援、圣何塞銅礦救援、平邑石膏礦救援中均不同程度的出現(xiàn)鉆具斷落、坍塌卡鉆等井下復雜情況。由于井身結構的特殊性與救援工作的緊迫性，鉆井救援采取預防為主、處理為輔的策略。

1)井下復雜情況預防。先導孔預注漿、壓力堵漏能夠實現(xiàn)井眼強化[20]，提高大直徑井井壁穩(wěn)定性；井底鉆具組合與反循環(huán)形成方式優(yōu)化，尤其是集束式潛孔錘的開發(fā)和井底軟密封反循環(huán)方式的實現(xiàn)，使井底鉆具外徑小于鉆孔直徑，局部坍塌、掉塊、縮徑等不致卡、埋鉆具；頂驅+倒劃眼鉆具的配合使用，增強了大直徑井井下復雜的預防能力；優(yōu)化反循環(huán)進漿口形態(tài)，能夠有效減少反循環(huán)內(nèi)管堵塞問題。

2)井下復雜情況處理。救援井井下復雜情況處理遵循“快速、靈活”原則。應對鉆具斷落，主要有喇叭口對扣、公錐母錐打撈等方法；針對井下落物，主要有筐兜式打撈、反循環(huán)打撈筒打撈、強磁打撈等方法；環(huán)空插管氣舉反循環(huán)工藝能夠有效處理井壁坍塌、掉塊，并在平邑礦難救援中得到成功應用[3]。

2 大直徑救援井施工裝備

大直徑救援井施工裝備需要滿足“快”和“穩(wěn)”的要求，“快”要求裝備具有良好的機動性，能夠迅速到達現(xiàn)場、快速安裝、快速開鉆；要求裝備具有較強的施工能力，實現(xiàn)快速鉆進?！胺€(wěn)”要求在正常保養(yǎng)情況下，無故障工作時間長；不同工藝條件下運行平穩(wěn)。目前已初步形成了以車載鉆機、雙壁鉆具、大直徑潛孔錘為代表的大直徑救援井裝備體系。

2.1 覆蓋層施工裝備

1)旋挖鉆機。旋挖鉆機是各類樁孔施工的主要裝備，機、電、液高度集成，具有功率大、地層與工藝適應性強、安全高效等優(yōu)點。意大利土力公司的AF系列、德國寶蛾公司的BG系列以及我國徐工集團的XR系列、三一重工股份有限公司的SR系列市場占有率較高，便于緊急動員。旋挖鉆機動力頭轉矩覆蓋80～800 kN·m，最大鉆孔深度150 m，最大鉆孔直徑達4 800 mm，滿足不同深度、不同井徑覆蓋層施工能力要求。

2)全套管鉆進裝備。全套管鉆進的主要設備為液壓式全回轉鉆機，目前國外全回轉鉆機的代表性廠家有日立建機公司和德國Leffer公司等[21]，廊坊勘探技術研究所、徐州盾安重工等開發(fā)的第2代全套管全回轉鉆機填補了國內(nèi)空白，在建筑工程領域應用廣泛，適用于救援井覆蓋層施工的設備參數(shù)見表3。

表3 大直徑救援井適用全回轉鉆機技術參數(shù)

2.2 基巖段施工裝備

1)鉆機。集成度高、配頂驅的全液壓車載鉆機、拖掛式鉆機能夠滿足高機動性和快速安裝的要求，是大直徑救援井首選鉆井設備。大直徑救援井基巖層段井徑不小于711 mm，井深一般不超過1 000 m，適用的鉆機類型主要有美國雪姆T200XD、德國寶峨RB-T90、國產(chǎn)ZMK5530TZJ100、CMD100等鉆機，大直徑救援井用車載鉆機一般對動力頭內(nèi)通徑進行改造，以適應反循環(huán)鉆進要求，主要技術參數(shù)見表4。

表4 大直徑救援井用車載鉆機主要參數(shù)

2)泥漿泵組。大直徑救援井先導孔需要進行高效、精確定向鉆進，選用石油鉆井用3NB系列和F系列泥漿泵，3NB系列泥漿泵主要型號有3NB800、3NB1000和3NB1300，F(xiàn)系列泥漿主要有F800、F1000和F1300型，為提高鉆進效率，采用大功率泥漿泵組驅動大轉矩螺桿實現(xiàn)快速鉆進。

3)空壓機及管匯?？諌簷C是空氣鉆進的動力設備，大直徑救援井施工中一般選用中風壓空壓機，單機排氣量20～35 m3/min，排氣壓力2.0～3.5 MPa，主要型號有阿特拉斯XRXS1275、XRXS1350、LUY280-25，壽力1250XH、1350XH及斗山XHP1070、XHP1170等，新型空壓機可實現(xiàn)供氣量二擋、三擋可調(diào)，優(yōu)化配置的注氣管匯也能夠實現(xiàn)單機、多機供氣，還可利用噴嘴放氣裝置，實現(xiàn)供氣量的實時調(diào)節(jié)，結構原理如圖2所示。

圖2 注氣管匯結構原理Fig.2 Schematic of injection manifold structure

4)雙壁鉆具。插管法反循環(huán)應用效果不佳，雙壁鉆具是大直徑井反循環(huán)實現(xiàn)的關鍵，包括雙壁鉆桿、雙壁鉆鋌、雙壁扶正器、雙壁止回閥、雙壁減震器、正反循環(huán)接頭、氣盒子等。石家莊探礦機械廠、中國地質科學院勘探技術研究所等已形成雙壁鉆桿系列產(chǎn)品，主要有：?127/70 mm、?178/113 mm、?219/152 mm型。石家莊探礦機械廠SG219/152型雙壁鉆具在平邑石膏礦5號大直徑救援井中得到成功應用。

5)大直徑潛孔錘?？V難救援采用美國Center Rock公司QL200S型大直徑潛孔錘透巷；圣何塞礦難救援井分別采用Center Rock公司的CR120單體擴孔潛孔錘與?711 mm、?660 mm集束式潛孔錘完成鉆進；平邑礦難救援采用?610 mm大直徑潛孔錘鉆具組合完成基巖層段鉆進[22]。大直徑潛孔錘是大直徑救援井高效鉆進的關鍵。

吉林大學研制了?660 mm和?445 mm的貫通式空氣潛孔錘，并依托樁基項目開展了反循環(huán)鉆進試驗，最高機械鉆速達6 m/h[13]；中煤科工集團西安研究院有限公司研制了?850/311 mm、?710/311 mm、?580/311 mm系列集束式潛孔錘，分別在山西坪上煤業(yè)、河南古漢山煤礦、安徽任樓煤礦大直徑井中開展現(xiàn)場應用研究[15]，針對地層涌水導致背壓過高進而影響潛孔錘正常工作難題，通過優(yōu)化鉆具組合，改進配氣室結構，一定程度緩解了地層涌水對集束式潛孔錘工作狀態(tài)的影響。

6)配套儀器。先導孔鉆進中，需要采用隨鉆測量儀器配合螺桿進行精確定向。目前常用的隨鉆測量儀器為泥漿脈沖式無線隨鉆測量儀，由脈沖發(fā)生器、電磁閥、測量探管、電池筒及坐鍵短節(jié)組成，地面系統(tǒng)由壓力傳感器、地面機、司鉆顯示器等組成，優(yōu)點在于技術成熟，價格相對較低；測量誤差一般為：井斜角±0.1°，方位角±1°，工具面±1°。隨著井深的增加，系統(tǒng)誤差可能導致透巷困難。

為了實現(xiàn)“鉆得準”，中煤科工集團西安研究院有限公司研制了高精度MWD探管，室內(nèi)試驗及現(xiàn)場RMRS旋轉磁導向系統(tǒng)驗證試驗表明：測量誤差顯著降低，井斜角誤差降低至±0.05°，方位角測量誤差降低至±0.6°，工具面測量誤差降低至±0.5°；將抗震型EM-MWD與空氣鉆井技術相結合，實現(xiàn)了高鉆速和高頻振動條件下實時監(jiān)測鉆孔軌跡的目標，保障了空氣鉆井的成孔質量和中靶精度[11,23]。

3 大直徑救援井施工技術與裝備展望

大直徑救援井鉆井技術與裝備的發(fā)展方向在于繼續(xù)以“鉆得穩(wěn)”“鉆得快”“鉆得準”為目標，不斷創(chuàng)新施工工藝與技術裝備，持續(xù)提高地面大直徑救援通道構建效率。

1)多領域多工藝技術融合，優(yōu)化施工工藝與裝備。油氣井鉆井、樁孔工程、非開挖工程及礦建工程領域均開展不同類型大直徑井施工，施工裝備、工藝及技術側重點各有不同，通過加強對不同領域相關優(yōu)勢技術的融合，提升大直徑救援井施工裝備與技術水平，提高大直徑救援通道構建效率。

2)先進工藝、技術與裝備的優(yōu)化應用。集成隨鉆成像測井、隨鉆地層測試等先進技術與裝備，變先導孔為先導勘查孔；應用自動垂鉆技術，降低井眼造斜率，探索救援井更合理井身結構；依托“慧磁”等國產(chǎn)旋轉磁導向系統(tǒng)，優(yōu)化形成旋轉磁引導技術，實現(xiàn)精準、安全透巷。

3)模塊化、智能化鉆探裝備的開發(fā)與應用。吸收油氣井、礦建井巷大直徑、大功率鉆井裝備技術優(yōu)勢，發(fā)展模塊化鉆探裝備，在保持高效動員、快速運輸?shù)那疤嵯?，實現(xiàn)模塊化組裝，大幅提升救援裝備施工能力與多工藝適應性，加強鉆桿傳送、鐵鉆工及自動送鉆裝置的研究與應用，提高裝備自動化、智能化水平；定制模塊化裝備，突破反循環(huán)等特殊工藝裝備瓶頸。

4)區(qū)域適應性快速鉆進技術研究與應用。我國幅員遼闊，地層千差萬別，在救援井高效鉆進通用技術與裝備研究與應用的基礎上，針對不同礦區(qū)地層條件，開展優(yōu)快鉆進適應性研究，為應急救援提供技術儲備。

5)大直徑救援井鉆完井信息系統(tǒng)構建與不斷完善。依托透明礦山建設進程，構建大直徑救援井鉆完井信息系統(tǒng)，實現(xiàn)施工工藝、裝備、人員與礦區(qū)地層、礦井井巷形態(tài)、開拓方式等數(shù)據(jù)的優(yōu)化匹配，為應急救援通道高效構建提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結 語

國內(nèi)外鉆孔救援的多次成功實施，使鉆孔救援成為礦山災害應急救援的重要途徑，初步形成了以車載鉆機和空氣潛孔錘鉆進為代表的裝備與技術體系，社會效益顯著。但大直徑救援井鉆完井過程中仍面臨井下事故多發(fā)、復雜地層應對能力差、大直徑鉆孔鉆進效率低等問題，鉆井技術與裝備研究人員仍需以救援通道高效構建為目標，繼續(xù)突破創(chuàng)新，提升鉆井效率與施工安全性，為我國礦山災害應急救援提供科技支撐。