深孔地质钻探孔内事故专用处理工具之探讨

朱江龙

（1．中国地质装备总公司 技术中心，北京100102；2．中国地质大学（北京），北京100083）

1 引言

进入21世纪，资源形势日趋紧张，全国机械岩心钻探工作量逐年激增，近两年来已逼近2000万延米，每年工作量为上世纪90年代年均工作量的10倍之多；且随着浅部资源的日益枯竭，探矿深度也日益加大，国家鼓励大力拓展500～2000m的“第二找矿空间”。随着钻探工作量的增多，钻深的加大，深孔地质情况越来越复杂，孔内下入套管级数越来越多，孔内事故，尤其是卡钻、卡套管、埋钻、烧钻的发生几率也成倍增加。在野外钻探实践中，深孔地质钻探事故处理的难度、周期和成本，已经严重影响到所运转数千机台的台月效率和综合效益，成为困扰众多地质勘探施工单位的主要难题之一。

地质钻探孔内事故的避免首先以预防为主，但是，面对日益复杂的地质钻孔，事故的发生在所难免，如何采取有效的技术手段与装备来应对已经发生的和可能发生的孔内事故，成为钻探设备工程技术人员需要解决的问题。

2 现有的事故处理技术装备手段

2．1 钻机的强拉与起拔

与石油钻机、水井钻机相比较，地质钻机的事故处理能力较小，主要取决于：钻塔（桅杆）承载力，绞车能力，油缸起拔力等。例如，SGZ24型重载四角钻塔（4轮游钩）的承载力仅为500kN，3000m钻深钻机（包括全液压钻机与机械立轴钻机）的给进油缸起拔力为300kN，以上数据均为深孔重载地质钻机的提升及起拔能力，仅可勉强支撑3000m全孔钻具重量（N口径钻具）及孔壁摩擦阻力的起拉需求，而深孔钻机、中深孔钻机的钻塔、卷扬，桅杆及给进油缸远远不能满足深孔钻杆、钻具及套管在孔内遇卡时的特殊起拔要求。

2．2 打捞及事故处理工具

与专业的石油钻探工具厂提供的数十种较为齐全的打捞工具、事故处理工具、井下工具相比较，当前地质专用工具十分单一，多数钻探工具厂只生产钻杆公母锥，套管公锥（图1和表1），并不重视地质钻探打捞及事故处理工具的研发，据资料显示，这方面的技术装备水平一直停留或低于上世纪80年代的发展水平，与当前深孔地质钻探孔内事故处理“层出不穷”的现状严重脱钩。如何针对地质岩心钻探，特别是绳索取心钻探的小口径、薄壁钻杆、满眼钻进、环状间隙小等工艺技术特点，研制多样化、系列化的地质钻杆、套管打捞及事故处理工具，以满足地质钻探施工的不时之需，成为当务之急。

图1

表1 部分公母锥及套管公锥的规格（mm）

2．3 孔口辅助工具

地质钻机一般匹配大吨位的拔管机作为辅助井口工具，多选择400kN，750kN两种起拔能力（表2、图2），用于起拔孔内套管及事故钻杆，但由于较为笨重，安装不便，各种规格绳索钻杆的卡瓦适配性不好，钻杆抗拉强度有限等原因，导致许多施工单位并未配套，或者原配的拔管机闲置未发挥作用。

表2 张探公司的千斤顶规格

图2 张探公司千斤顶

3 发展地质钻探事故专用工具的思考与实践

通过以上对于钻机与专业工具的现状分析，可以看出，仅靠依赖主机设备肯定不能扭转孔内事故突发时无计可施、无可奈何的现状，只能寄希望于地质专用安全打捞及事故（孔内）工具的新一轮研制，并进一步增强孔口工具的适用性，以孔内工具与主机设备相结合，孔内工具与孔口工具相结合，追求主机设备、孔内工具、孔口工具的一体化协同能力，并进行多样化、系列化的配套性及专业化生产，施工单位有所择，有所备，有所用，有备无患，追求孔内事故处理的便捷、高效、低成本与操作规范化，才可应对实战中“层出不穷”的孔内事故。

3．1 研制新型孔内工具

石油打捞工具较为齐全，较为常用的主要有：高强度公锥、母锥、可退式卡瓦打捞矛、可退式卡瓦打捞筒、提放式可退倒扣捞矛、提放式可退倒扣捞筒等。由于岩心钻探的井身结构、环状间隙、钻杆的规格及材质特点，上述工具都无法直接选用。但可研制针对地质钻杆及套管的特点，最常用的可退式打捞矛、倒扣打捞矛完全可以进行借鉴性和适配性研制。

（1）可退式打捞矛

一种结构简单、强度高、从钻杆内径进行打捞的工具（表3、图3），可抓捞自由状态下的钻杆、套管，也可抓捞遇卡管柱，打捞矛反转抓死，上提遇卡钻具。如果打捞不成功，可下击芯轴，正转自由退出。

表3 石油常用小井眼的可退式打捞矛规格

图3 可退式打捞矛

（2）倒扣打捞矛

使用打捞矛抓捞是处理打捞事故的主要方式，然而处理遇卡事故，单是抓捞是不够的，还必须具有传递扭矩的能力。倒扣打捞矛既适应打捞又能反转倒扣（表4，图4）。

表4 石油常用小井眼的倒扣打捞矛规格

图4 倒扣打捞矛

从上表3、表4可以看出，石油小井眼钻杆（或油管）打捞矛的内径、引锥直径以及抗拉载荷都与地质岩心钻探的规格尺寸较为相近，以可退式打捞矛为例，对其芯轴外径、接头规格、卡瓦外径进行适应性调整（图5），完全可以研制B规格、N规格、H规格、P规格等一系列地质岩心专用打捞矛，与公母锥抓取事故钻杆的不确定性相比较，打捞矛的抓取提升成功率将会大大提高。其他型式的打捞筒类、打捞矛类、倒扣类、震击器、小物件打捞工具等打捞及事故处理工具都可以按照地质钻具的结构型式对石油相近规格的孔内工具进行借鉴性与适用性研制。

图5 石油小井眼可退式打捞矛

3．2 增强孔口辅助工具的适用性

在目前常用的地质拔管机基础上，目前市场上有两种新型孔口起拔装置投入实用：轻便型单油缸起拔装置（500～1500kN），重载单油缸连续起拔装置（1500～2500kN）。

（1）轻便型起拔装置（图6）

作为小口径岩心钻机的辅助配套机具，采用手摇油泵作为动力；单油缸自动对心，重量轻、体积小，衔接方便；多套卡瓦，可适配地质取心小口径各种规格钻杆、套管（BQ、NQ、HQ口径钻具），以弥补岩心钻机较小的事故处理能力与套管起拔能力，在内蒙、河北等小口径深孔岩心钻探中得到了良好的应用。

（2）重载连续起拔装置（图7）

图6 轻便型起拔装置

作为大口径岩心钻机的配套设备，以电动超高压液压泵站作为动力，系统压力63MPa；大吨位单油缸起拔，起拔力可达2500kN；上端下部分别采用锥度卡瓦式卡盘，卡瓦自动对心；采用中位可保压液压操控阀，在任何起拔位置可实现承载保压悬停；侧入式卡盘，较为便利；上下卡盘可实现自动倒杆，连续起拔行程可达一根10m钻杆，以应对孔内卡钻事故在需要超过1500kN拉力的情况下，地质用重载钻塔的天车无法承受的工况。该设备在汶川断裂带科学钻探二号孔Ф150mm直径取心钻进到1300m，遭遇地层严重缩颈的情况下，成功解除一次卡钻事故。

图7 重载连续起拔装置

以上两种起拔装置虽然已经在实践中得到检验，有很好的野外应用效果。但是也暴露出一些问题：

① 卡瓦与绳索钻杆或套管在预夹紧时偶尔出现打滑现象；

② 单油缸安装很不方便，在处理事故需要快速应对的情况下，需要先将钻杆顶部穿过空心油缸进行操作，操作周期较长，较为费时费力；

③ 需要单独的电动超高压液压泵站，不能与钻机主机一体化设计。

图8 侧入式连续起拔装置

由此，中国地质装备总公司技术中心正在研制一种双油缸强力起拔、可侧入钻杆安装、上端下部分别为锥度卡瓦式卡盘自动对心、主机设备提供液压动力的大吨位连续起拔装置、高强度卡瓦夹紧钻杆。该设备具备50～146mm直径的全部地质钻杆、套管用卡瓦的配套，可满足1000～2000kN的孔内事故起拔能力，上下接力，可连续起拔整根18m立根长度。是目前深孔地质钻机较为理想的孔口配套设备。

3．3 加强机具协同，增强实效

单独依靠主机设备、孔内工具或者孔口起拔装置的某一种，其事故处理能力较小，功能较为单一。采用主机设备与孔内工具相结合，如石油钻机采用主机游钩加震击器、钻杆接打捞矛边循环边起拔，会大大增强事故解除的能力和功能；或者主机设备提供动力，孔口装置与孔内工具相结合，降低设备构成，并连续强力起拔，采用游车进行辅助提升，成倍加大事故处理能力。

综上，深部地质岩心钻探，面临深孔地层的复杂性，小口径井身结构的特殊性，主机设备能力的限制，其事故处理难度远远大于石油钻井及水井钻探，而地质专用事故处理工具又极为缺乏，导致施工成本、周期大大增加，甚至造成一些投入巨大资金和精力的深部取心钻探孔的直接报废，已经成为当前深孔地质钻探的一大难题，本文仅对其中很少一部分井口设备与孔内工具进行了探讨，旨在抛砖引玉，与业内专业人士一起努力，尽早形成深孔地质钻探事故处理专用机具的多样化、系列化配套体系。