煤礦井下可退式卡瓦打撈筒的研制及應(yīng)用

伍 濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層穩(wěn)定性差，且高瓦斯礦井占多數(shù)[1]，在煤礦井下鉆進(jìn)過程中卡鉆、埋鉆導(dǎo)致的孔內(nèi)斷鉆事故不斷增多，不僅影響了煤礦開采的生產(chǎn)進(jìn)度，還會(huì)因成套鉆具丟失帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，處理事故過程更會(huì)耗費(fèi)大量人力物力。煤礦井下孔內(nèi)斷鉆事故打撈處理工藝和裝備研究一直是一個(gè)重要課題[2-6]。

常見的煤礦井下的鉆具打撈工具有公絲錐和母絲錐[7-9]，公絲錐在斷裂鉆桿的內(nèi)孔圓柱面處造扣，母絲錐則在斷裂鉆桿外部造扣，二者均是靠絲扣鎖住第一根鉆桿實(shí)現(xiàn)上提打撈的方法。在卡鉆、埋鉆等造成斷鉆事故的打撈中，公母絲錐打撈往往存在以下3 個(gè)方面的不足：在高強(qiáng)度高韌性鉆桿上造扣能力低；在鉆桿上造扣過程產(chǎn)生的摩擦熱使絲扣軟化導(dǎo)致造扣強(qiáng)度不高；打撈斷口不規(guī)則的鉆具時(shí)，公母絲錐認(rèn)扣套住鉆具難度較高[10-11]。王英[12]指出在使用公絲錐和母絲錐進(jìn)行打撈斷裂鉆具時(shí)，公母絲錐都出現(xiàn)不同程度的認(rèn)扣困難和脫扣情況，需嘗試多次打撈。張杰等[13]針對(duì)大尺寸井眼打撈研制了引導(dǎo)式自鎖鉤打撈工具，提高了打撈工具的認(rèn)扣能力。郭昆明[14]針對(duì)復(fù)雜鉆孔研制了套銑加造扣的復(fù)合錐打撈工具。李文鵬[15]、李帥帥[16]、張杰[17]等針對(duì)公母絲錐的不足研制了新型打撈工具，認(rèn)扣能力在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中得到了認(rèn)可，但在復(fù)雜孔內(nèi)事故中，其對(duì)斷裂鉆具抱緊強(qiáng)度的提高不明顯。鑒于此，筆者從引鞋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助扶正鉆桿，卡瓦與外筒楔形螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變傳統(tǒng)造扣方式，增加鍵槽控制環(huán)設(shè)計(jì)保證打撈失敗后鉆具可退式操作等多個(gè)方面開展研究，研制一種可退式卡瓦打撈筒，以便更好地解決煤礦井下斷鉆事故的現(xiàn)場(chǎng)打撈。

1 卡瓦打撈筒打撈工藝

1.1 打撈工藝原理

可退式打撈筒的打撈工藝原理：打撈筒螺紋連接在主動(dòng)鉆桿上，沿著鉆孔緩慢回轉(zhuǎn)下鉆至斷鉆點(diǎn)，通過引鞋扶正使得斷裂鉆桿順利進(jìn)入打撈筒內(nèi)，推動(dòng)卡瓦軸向移動(dòng)至外筒最大外徑處，卡瓦直徑變大直至鉆桿完全進(jìn)入卡瓦內(nèi)，卡瓦在右旋內(nèi)螺紋的作用下逐漸抱緊鉆具，并帶動(dòng)鉆具一起回轉(zhuǎn)，此時(shí)鉆機(jī)上儀表顯示回轉(zhuǎn)壓力和給進(jìn)壓力逐漸增大。緩慢回轉(zhuǎn)并上提鉆具，卡瓦楔形面與外管體楔形面緊密貼合，鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩及起拔力轉(zhuǎn)換為卡瓦對(duì)鉆桿的抱緊力，直至最終將斷裂鉆具從孔內(nèi)打撈出。

1.2 可退工藝原理

斷裂鉆桿打撈成功后，需在孔口釋放鉆具，如果打撈失敗也需要打撈工具釋放孔底鉆具，防止二次斷鉆事故?？赏耸酱驌仆苍O(shè)計(jì)了控制環(huán)單元以調(diào)整卡瓦在外筒中的位置，進(jìn)而控制打撈筒對(duì)斷裂鉆具的解除抱緊力操作。具體原理是在控制環(huán)單元上設(shè)置了多組鍵槽，卡瓦上凸臺(tái)與鍵槽配合，初始回轉(zhuǎn)給進(jìn)狀態(tài)下卡瓦位于控制環(huán)抱緊鍵槽中，卡瓦在外筒體上可軸向移動(dòng)但無旋轉(zhuǎn)自由度，斷裂鉆桿可順利進(jìn)入卡瓦中，進(jìn)而進(jìn)行打撈作業(yè)。打撈成功或者孔口釋放鉆具時(shí)，鉆機(jī)起拔鉆具并反向回轉(zhuǎn)一周，將卡瓦置于松開鍵槽中，此時(shí)卡瓦固定在外筒體內(nèi)螺旋的最大外徑處且無旋轉(zhuǎn)自由度，外筒對(duì)卡瓦的抱緊力解除，在起拔過程中鉆具就能順利滑出打撈筒，實(shí)現(xiàn)釋放鉆具功能。

2 卡瓦打撈筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可退式卡瓦打撈筒結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括上接手、外筒、卡瓦、控制環(huán)、引鞋5 個(gè)部件，外筒內(nèi)表面為螺距40 mm 的楔形螺旋，卡瓦一端設(shè)計(jì)有凸臺(tái)，另一端車有外螺旋與外筒的內(nèi)螺旋相配合連接，二者螺旋面直徑不同導(dǎo)致中間留有間隙，卡瓦可在一個(gè)螺距內(nèi)沿軸向運(yùn)動(dòng)，引鞋一端為螺旋面，另一端與外筒螺紋連接，控制環(huán)上銑有鍵槽，裝配在引鞋與外筒中間。

圖1 卡瓦打撈筒結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the slip overshot

2.1 引 鞋

由于鉆孔孔徑大于斷裂鉆桿，斷裂鉆具在孔內(nèi)呈傾斜狀態(tài)，因此，打撈筒設(shè)計(jì)具有扶正效果的引鞋，引鞋設(shè)計(jì)為螺旋面結(jié)構(gòu)，當(dāng)孔內(nèi)打撈筒與斷裂鉆具錯(cuò)開時(shí)，通過回轉(zhuǎn)可將斷裂鉆具引入打撈筒內(nèi)。在一定螺距內(nèi)，引鞋螺旋面長度設(shè)計(jì)越長，斷裂鉆具的扶正距離越大，但螺旋面設(shè)計(jì)越長，螺旋面管體強(qiáng)度越低。綜合考慮打撈筒的扶正效果以及引鞋強(qiáng)度，將引鞋螺旋面長度設(shè)計(jì)為120 mm，螺旋面的螺距設(shè)計(jì)為160 mm，打撈筒設(shè)計(jì)的螺旋面在孔內(nèi)與斷裂鉆桿錯(cuò)位后，可以通過回轉(zhuǎn)將斷裂鉆桿扶正并導(dǎo)入打撈筒內(nèi)，大大提高卡瓦打撈筒認(rèn)扣鎖住斷裂鉆桿的成功率。

2.2 卡 瓦

打撈筒卡瓦結(jié)構(gòu)如圖2 所示?？ㄍ邇?nèi)壁為楔形正螺旋，卡瓦前端有4 組凸臺(tái)，凸臺(tái)與控制環(huán)的鍵槽配合，卡瓦上銑加工有4 條豁槽，豁槽設(shè)計(jì)使斷裂鉆桿在進(jìn)入卡瓦后可以徑向脹大卡瓦并回轉(zhuǎn)進(jìn)入卡瓦內(nèi)，待斷裂鉆桿完全進(jìn)入卡瓦后起拔鉆具，卡瓦內(nèi)表面車有牙高2 mm 的細(xì)螺紋，鉆桿帶動(dòng)卡瓦軸向移動(dòng)使得卡瓦外表面楔形螺旋面與外筒楔形螺旋面接觸，卡瓦受到外筒螺旋面產(chǎn)生的徑向力，在徑向力的作用下抱緊鉆具。

圖2 卡瓦結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the slip

2.3 控制環(huán)

控制環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，控制環(huán)結(jié)構(gòu)主要作用是控制卡瓦與外筒之間的位置關(guān)系，設(shè)計(jì)安裝于打撈筒外筒與卡瓦之間，控制環(huán)內(nèi)壁上銑有4 組相連通的環(huán)形鍵槽，卡瓦上凸臺(tái)置于控制環(huán)鍵槽內(nèi)，控制環(huán)設(shè)計(jì)的環(huán)形鍵槽使卡瓦在筒體中的相對(duì)位置可通過鉆機(jī)動(dòng)作進(jìn)行程序式控制。鉆機(jī)的給進(jìn)、起拔、回轉(zhuǎn)操作實(shí)現(xiàn)卡瓦在鍵槽內(nèi)不同位置的變換，卡瓦在鍵槽內(nèi)不同位置的變換對(duì)應(yīng)卡瓦的抱緊和松開狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)抱緊和釋放鉆具等功能。

圖3 控制環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the control ring

打撈筒整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下有益功能：通過引鞋螺旋面設(shè)計(jì)可提高打撈筒的回轉(zhuǎn)認(rèn)扣(引入鉆桿斷頭)成功率；通過內(nèi)外螺旋楔形面設(shè)計(jì)將鉆機(jī)對(duì)鉆桿的起拔力轉(zhuǎn)換為打撈筒對(duì)斷裂鉆桿的抱緊力，起拔力越大對(duì)應(yīng)抱緊力越大，與常規(guī)絲錐造扣相比具有更大的把持力；通過控制環(huán)鍵槽設(shè)計(jì)可以在打撈成功或失敗后更好地釋放鉆具，在卡鉆、埋鉆等復(fù)雜事故中無法打撈情況下，也可孔內(nèi)釋放鉆具防止出現(xiàn)二次斷鉆事故的發(fā)生。

3 卡瓦打撈筒管柱力學(xué)分析

打撈筒在進(jìn)行打撈作業(yè)抱住鉆桿后回轉(zhuǎn)起拔過程中，受到扭矩和軸向正應(yīng)力作用，發(fā)生斷鉆事故往往伴隨有卡鉆、埋鉆事故，打撈作業(yè)時(shí)鉆機(jī)的強(qiáng)力起拔操作，使得鉆具受到比常規(guī)情況下更大的扭矩和正應(yīng)力[18]。設(shè)計(jì)卡瓦打撈筒時(shí)需進(jìn)行管柱力學(xué)分析，通過外筒受到扭轉(zhuǎn)的剪切應(yīng)力和起拔的軸向正應(yīng)力，來確定打撈筒的合理壁厚尺寸，取二者較大值作為打撈筒壁厚設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。通過分析卡瓦打撈筒對(duì)斷裂鉆桿的抱緊力分析來驗(yàn)證在鉆機(jī)最大起拔力條件下打撈的成功率，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論參考依據(jù)。

3.1 外筒扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力計(jì)算

打撈筒外筒壁厚遠(yuǎn)小于其外筒中徑，可假設(shè)打撈筒外筒為薄壁圓筒[19]，其兩端面承受扭轉(zhuǎn)變形的扭矩，外筒截面上扭矩產(chǎn)生的切應(yīng)力，通過在外筒中徑處截面上取一小方塊做微分方程，橫截面上扭矩與切應(yīng)力間的靜力關(guān)系為：

式中：r0為外筒中徑，m；δ為外筒壁厚，m；τ為扭矩產(chǎn)生的切應(yīng)力，MPa；A為外筒橫截面積，m2；M為外筒受到扭矩，N·m。

對(duì)微小單元積分得到外筒橫截面面積A：

由式(1)和式(2)可知壁厚與扭矩和切應(yīng)力的關(guān)系：

根據(jù)材料屈服強(qiáng)度關(guān)系可確定外筒受到的切應(yīng)力τ與許用切應(yīng)力τmax的關(guān)系為：τ≤τmax

確定打撈筒外筒截面壁厚最小值為：

式中：δmin為外筒橫截面最小壁厚，m；τmax為外筒材料的許用切應(yīng)力，MPa。

以?73 mm 打撈筒為例，針對(duì)煤礦井下常規(guī)鉆孔常用鉆機(jī)扭矩M為4 000 N·m，打撈筒外筒材料為45 號(hào)鋼材，根據(jù)45 號(hào)鋼國家標(biāo)準(zhǔn)GB 699?88《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45 號(hào)鋼材材質(zhì)的要求，乘以煤礦施工特殊工況下鋼材安全系數(shù)后，打撈筒外筒的安全許用切應(yīng)力為88 MPa，?73 mm 外筒中徑r0為50 mm，計(jì)算可得δmin≥2.9 mm，即僅考慮扭轉(zhuǎn)變形條件且不考慮其他因素影響的情況下，打撈筒外筒的安全壁厚不應(yīng)小于2.9 mm。

3.2 軸向正應(yīng)力計(jì)算

打撈筒外筒可近似看作薄壁圓筒，在確定了鉆機(jī)的最大起拔力后還需判斷橫截面的軸向正應(yīng)力分布情況，通過度量橫截面正應(yīng)力分布集中度以及材料承受載荷的能力來判斷筒體是否會(huì)因拉伸強(qiáng)度不足而破壞，進(jìn)而可確定打撈筒外筒的最小壁厚。

假設(shè)外筒橫截面上正應(yīng)力 σ均勻分布，則有：

式中：F1為鉆機(jī)起拔力，N。

對(duì)微小單元積分得到外筒橫截面面積A：

即軸向正應(yīng)力σ 的計(jì)算公式為：

以?73 mm 打撈筒為例，針對(duì)煤礦井下常規(guī)鉆孔常用ZDY4000S 鉆機(jī)最大起拔力為155 kN，打撈筒外筒材料為45 號(hào)鋼材，根據(jù)45 號(hào)鋼國家標(biāo)準(zhǔn)GB 699?88《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45 號(hào)鋼材材質(zhì)的要求，乘以煤礦施工特殊工況下鋼材安全系數(shù)后，乘以安全系數(shù)的打撈筒正應(yīng)力屈服強(qiáng)度極限為152 MPa，?73 mm 外筒中徑r0為50 mm，計(jì)算可得δmin=3.25 mm，即僅考慮扭轉(zhuǎn)變形條件且不考慮其他因素影響的情況下，打撈筒外筒的安全壁厚應(yīng)不小于3.25 mm。

3.3 卡瓦抱緊力計(jì)算

打撈筒在工作過程中，卡瓦與外筒的接觸情況及受力分析如圖4 所示。斷裂鉆桿進(jìn)入卡瓦內(nèi)部將卡瓦外徑脹大，卡瓦楔形螺旋面與外筒的楔形螺旋面接觸，當(dāng)受到鉆機(jī)起拔力F1作用時(shí)，沿外筒楔形面對(duì)卡瓦施加法向分力N，由于卡瓦設(shè)計(jì)有4 條豁槽，外筒對(duì)卡瓦的法向分力N將轉(zhuǎn)換為卡瓦對(duì)鉆桿的抱緊力F2和軸向拉力。因此，通過打撈筒外筒和卡瓦楔形螺旋面設(shè)計(jì)，將鉆機(jī)的起拔力等比例轉(zhuǎn)換為卡瓦對(duì)斷裂鉆桿的抱緊力，鉆機(jī)在打撈施工中對(duì)孔底鉆具的起拔力越大，打撈筒對(duì)斷裂鉆桿的抱緊力越大，故不易脫扣造成斷裂鉆桿滑落。在卡鉆、埋鉆事故處理中，對(duì)打撈筒卡瓦抱緊力的計(jì)算顯得更為重要，能為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論依據(jù)。

圖4 卡瓦與外筒接觸面受力分析Fig.4 Force analysis of contact surface between slip and outer tube body

根據(jù)受力分析：

對(duì)卡瓦進(jìn)行受力分析，卡瓦受到外筒體楔形面法向分力N可轉(zhuǎn)換為卡瓦對(duì)鉆桿的徑向抱緊力F2，則有：

可知鉆桿受到的徑向抱緊力F2為：

當(dāng)楔形面的坡角θ<45°時(shí)，鉆機(jī)對(duì)斷裂鉆桿的徑向抱緊力與鉆機(jī)起拔力成正比。

以?73 mm 打撈筒為例，針對(duì)煤礦井下常規(guī)鉆孔常用ZDY4000S 鉆機(jī)最大起拔力為155 kN，打撈筒外筒與卡瓦的楔形面坡角 θ設(shè)計(jì)為7.5°，徑向抱緊力則為20.06 kN。

3.4 卡瓦打撈筒研制

煤礦井下目前常用的鉆桿規(guī)格有?73 mm 和?89 mm，通過對(duì)卡瓦打撈筒的管柱力學(xué)分析，設(shè)計(jì)了2 種規(guī)格的可退式卡瓦打撈筒(表1)：?108/73 mm 可退式卡瓦打撈筒，設(shè)計(jì)打撈?73 mm 鉆桿，外筒最大直徑?108 mm，該打撈筒外筒的最小壁厚設(shè)計(jì)為3.5 mm；?118/89 mm 卡瓦打撈筒，設(shè)計(jì)打撈?73 mm 鉆桿，外筒最大直徑118 mm，該打撈筒外筒的最小壁厚設(shè)計(jì)為5.5 mm。

表1 打撈筒規(guī)格參數(shù)Table 1 Specifications and parameters of the overshot

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

利用研制的2 種卡瓦打撈筒進(jìn)行煤礦井下打撈?73 mm 和?89 mm 斷裂鉆桿試驗(yàn)，并在全國范圍內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4.1 鉆場(chǎng)概況

研制的?108/73 mm 可退式卡瓦打撈筒在山西省新源煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)打撈試驗(yàn)，新源煤礦開采2 號(hào)煤層，煤層平均厚度1.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，頂?shù)装鍘r性以砂巖為主，工作面地層傾角7°～12°，屬高瓦斯礦井。

此次山西省新源煤礦打撈作業(yè)位于2206 工作面，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)為穿巖見煤的穿層鉆孔，煤層走勢(shì)起伏在鉆進(jìn)過程中易鉆遇矸石層，鉆孔設(shè)計(jì)深度較大，鉆桿在孔內(nèi)受力不均導(dǎo)致彎曲起伏較大，加上塌孔煤渣對(duì)鉆桿局部的壓力，使得鉆桿在接頭處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，極易導(dǎo)致鉆桿因局部彎矩過大而造成接頭疲勞斷裂。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)施工的設(shè)備及規(guī)格型號(hào)情況見表2。

表2 設(shè)備規(guī)格型號(hào)Table 2 Equipment specification table

現(xiàn)場(chǎng)施工的ZDY4000s 鉆機(jī)重要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of the drilling rig

4.3 試 驗(yàn)

此次打撈作業(yè)中鉆桿斷裂部位位于鉆桿公接頭螺紋根部，斷口形貌平整，斷鉆點(diǎn)位于鉆孔孔深71 m 處，孔內(nèi)掉落鉆桿26 根，確定好斷鉆點(diǎn)后，下入打撈筒前反復(fù)沖孔和洗孔。利用鉆機(jī)回轉(zhuǎn)給進(jìn)下放打撈筒鉆遇鉆具后，在引鞋的作用下鉆具進(jìn)入筒內(nèi)，此時(shí)鉆機(jī)上儀表顯示回轉(zhuǎn)壓力和給進(jìn)壓力略微增大。鉆具完全進(jìn)入打撈筒后繼續(xù)回轉(zhuǎn)，若斷裂鉆具完全進(jìn)入打撈筒內(nèi)則帶動(dòng)鉆具一起回轉(zhuǎn)，此時(shí)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)壓力增大明顯，鉆機(jī)開始回轉(zhuǎn)起拔打撈筒的操作，起拔壓力也增大至完全套住鉆桿，最終打撈筒成功打撈出26 根斷裂鉆桿，打撈筒提鉆至孔口處，固定孔內(nèi)鉆具，鉆機(jī)前推打撈筒并反向回轉(zhuǎn)一周，再次提鉆打撈筒在孔口成功釋放斷裂鉆桿，順利完成此次斷裂鉆桿的打撈工作。施工完成后打撈筒的實(shí)物如圖5 所示。

圖5 卡瓦打撈筒實(shí)物Fig.5 Physical map of the slip overshot

4.4 推廣應(yīng)用情況

研制的?108/73 mm 和?118/89 mm 打撈筒因卡瓦豁槽設(shè)計(jì)使得可打撈的鉆具規(guī)格范圍較大，可打撈鉆具尺寸規(guī)格在±3 mm 范圍內(nèi)均可打撈，不僅適用于常規(guī)鉆桿還適用于通纜鉆桿，目前已在全國多個(gè)煤礦區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，如在華北地區(qū)山西大平煤業(yè)應(yīng)用于?73 mm 整體式螺旋鉆桿打撈，在西南地區(qū)貴州龍鳳煤礦、新田煤礦應(yīng)用于?89 mm 通纜鉆桿打撈，在華東地區(qū)淮南煤田顧橋煤礦應(yīng)用于?89 mm 通纜鉆桿和外平鉆桿打撈作業(yè)，與傳統(tǒng)公母絲錐打撈相比，可退式卡瓦打撈筒對(duì)斷裂鉆具抱緊強(qiáng)度高、認(rèn)扣效果好、操作簡便、可有效防止二次孔內(nèi)事故發(fā)生，應(yīng)用效果良好。

5 結(jié) 論

a.通過對(duì)卡瓦打撈筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變了常規(guī)的打撈絲錐造扣打撈原理，增強(qiáng)了對(duì)斷裂鉆桿的抱緊力，提高了打撈成功率，實(shí)現(xiàn)了卡瓦打撈筒可退式功能，方便孔口釋放鉆具，也可防止二次斷鉆等孔內(nèi)事故發(fā)生。

b.根據(jù)打撈作業(yè)管柱的力學(xué)特征，分析了打撈筒外筒與卡瓦的受力關(guān)系，對(duì)卡瓦打撈筒的壁厚等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行理論分析；計(jì)算打撈筒在打撈作業(yè)時(shí)起拔力轉(zhuǎn)換為對(duì)鉆具抱緊力的大小，為卡瓦打撈筒現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用推廣提供了理論依據(jù)。

c.研制的可退式打撈筒成功應(yīng)用于山西新源煤礦，并在全國范圍內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用，證明卡瓦打撈筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可退式釋放鉆具的功能具備可行性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。