水力内割刀与可退式捞矛在打捞深孔事故钻杆中的应用

2015-01-01罗永贵王年友王红阳冯治平

钻探工程 2015年1期

罗永贵，王年友，王红阳，冯治平

(1．河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院，河南洛阳471023;2．中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000)

0 引言

随着深孔钻探工作量的增多，对深孔事故处理的安全性、可靠性、及时性及经济性等，越来越被各钻探施工单位所重视。河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院在招远市栾家河金矿区47ZK3孔施工中，于孔深2297 m发生一起跑钻事故，经与中国地质科学院勘探技术研究所合作，采用水力内割刀配合可退式捞矛的处理方法，安全、快捷地打捞出1449 m事故钻杆，极大地降低了事故造成的经济损失。

1 钻孔及事故概况

1．1 钻孔概况

栾家河金矿区47ZK3孔设计孔深2570 m，终孔口径≮75 mm;钻进方法为金刚石绳索取心钻进，套管与PHP－PAV无固相冲洗液护壁。主要钻探设备为:XY－8型钻机，BW320型泥浆泵，SG24Z型钻塔，71 mm CNH(T)绳索取心钻杆。

1．2 跑钻事故概况

47ZK3孔钻进至2297 m时，发生孔内事故，由于“落鱼”处理难度较大，采用偏心楔进行侧钻绕障。在导斜过程中提引钻杆时，突发跑钻事故，2250 m绳索取心钻杆及2 m单管钻具从801 m钻杆公接手丝扣处蹾断，其余1449 m钻杆坠入孔底(偏心楔顶2277 m)，跑钻高度约20 m，经顶、拉、转等措施处理，均无效果。经分析认为，蹾落的钻杆柱所连接的扩孔钻具(无内管)，其最薄弱的部位是扩孔器与钻头，12 t左右的钻杆，由约20 m高度自由跑下，扩孔器与钻头已被膨胀在孔壁上，甚至包含钻杆柱下部的部分钻杆接手一并被蹾胀。

2 处理方法确定

由于事故钻孔深度较大，所采取的处理方案必须对其安全性、经济性、可靠性等进行认真地分析比对，方可在孔内实施。

2．1 反丝钻杆丝锥打捞

采用反丝钻杆打捞孔内事故钻杆，是钻探工程常用的传统手段，具有操作简单、打捞可靠等优点，但在2000余米的深孔中使用反丝钻杆存在诸多问题。

2．1．1 处理周期长

47ZK3孔跑钻事故跑入孔内钻杆80.5个立根，每个立根18 m，事故钻杆顶孔深828 m，事故底孔深2277 m。由于钻孔深度大，起下钻需占用大量台时，事故上部每天最多处理3趟钻，事故下部每天最多处理1趟钻，理想状态下，平均按每天打捞出3个立根计算，整个反钻杆时间也需近一个月时间，甚至更长。

2．1．2 机械故障率高

反钻杆是由钻机的反向回转，通过反丝钻杆传递反扭矩至事故钻杆上来实现退出事故钻杆的。在对反丝丝锥反复上劲过程中，钻机离合器始终是频繁地离合，直至反开事故钻杆，因此，极易损坏钻机离合器;当孔内事故钻杆扭矩较大时，回转器强行对反丝钻杆施加扭矩，极易将钻机回转器伞型齿轮打坏。

2．1．3 反丝钻杆用量大

反丝钻杆处理事故的钻杆用量一般都是按照“落鱼”底孔深配备。因此，2000余米的孔深则需大量的反丝钻杆，钻杆的运输、搬运都需耗费大量的资金和时间;另外，大量的钻杆在机台内的摆放也存在诸多不便。

2．1．4 处理风险大

在孔深较大的钻孔使用反丝钻杆处理事故钻杆，若事故钻杆扭矩大时，易出现反丝钻杆折断及反丝丝锥锥死在事故钻杆上现象，所以，反丝钻杆在钻孔深度较大的情况下处理事故钻杆，其叠加事故的风险较大。

2．2 割刀与捞矛打捞

处理小口径绳索取心钻杆所采用的割刀一般为水力式内割刀，其工作原理是将割刀送至拟割断的钻杆深度后，高压冲洗液泵入割刀体内，高压液体推动活塞压缩弹簧使活塞杆下行，活塞杆下端推动2个刀头向外张开与钻杆或套管内壁接触，张开的刀片随同切割钻具旋转，刀头周向同时切割，割断钻杆或套管后，关闭泥浆泵，刀头复位收回(见图1)。钻杆割断后，使用可退式捞矛打捞出事故钻杆(见图2)。这种处理方法存在的问题是，水力内割刀切割钻杆对操作细节及参数的配合要求较高，若实施过程中，某一环节出现失误，将导致切割失败，耗费处理时间。

图1 水力内割刀

图2 可退式打捞矛

2．3 两种方法的比选

经过对上述2种处理方案进行详细分析后认为，割刀切割钻杆的方法占用的处理钻杆少，在该孔跑钻事故中最多使用53.5 mm绳索取心钻杆1500 m，若分段切割，使用钻杆更少;钻机回转负荷小，对机械没有损害;处理周期短，若操作认真，参数配合合理，可快速结束事故。因此，在中国地质科学院勘探技术研究所专家的指导下，最终确定采用水力内割刀配合可退式捞矛处理47ZK3孔跑钻事故。

3 水力内割刀的应用

3．1 切割前的准备

3．1．1 确定切割泵量

水力内割刀的工作泵压为1～2 MPa，泵压过低，不易出刀;泵压过高则易损坏刀头硬质合金，根据水压割刀的工作原理，应采用小泵量为宜。该孔使用的BW320型泥浆泵，为保证割刀正常工作，泥浆泵工作最大排量确定为66 L/mim。

3．1．2 孔口试刀

割刀在入孔工作前，将割刀连接在立轴钻杆下，开泵检测割刀的出刀及退刀状态，测量最大出刀直径，并准确记录出刀时的工作泵压。

3．1．3 割刀连接

3．2 切割钻杆步骤

3．2．1 固定机上余尺及给进油缸

(1)由于钻孔深度较大，当割刀下入事故钻杆内拟切割位置后，考虑钻杆压缩、拉伸余量，机上余尺应控制在2.5 m左右，一是减少上部立轴钻杆晃动;二是便于割断钻杆后，立轴钻杆有足够的上下活动区间，便于退刀。

(2)机上余尺固定后，将上下卡盘紧死，并将上卡盘横梁落到底，坐死在回转器上。由于受孔口钻杆夹持器高度的影响，一般上卡盘落不到底，可在上卡盘横梁与回转器齿轮箱之间加装两根400 mm左右长的短管(见图3)，将上卡盘坐死在两根短管上，其目的是避免钻机回转时给进油缸产生上下位移，影响割刀刀头工作的稳定性，进而损坏刀头的硬质合金。

图3 给进油缸固定状态

3．2．2 出刀程序与切割参数

(1)正确的出刀程序是钻机先回转，割刀先在事故钻杆内做圆周运动，然后通过三通阀门逐渐向割刀泵送循环介质，使刀头逐渐向事故钻杆内壁撑开，开始切割钻杆动作。

(2)该事故孔采用的切割转速为79 r/min，最大泵量为66 L/min。切割钻杆过程中转速不可中途改变(立轴式钻机)，泵量随切割时间增加而逐渐增大，直至全泵量。

3．2．3 切断时间与退刀

(1)切割时间从预送冲洗液结束后，泵压表指针开始上升的瞬间就是出刀的初始时间，要及时准确计时，这期间泵压会逐渐上升，直至稳定。当割刀工作约20 min，孔口处听到几声清脆的响声后，证明钻杆已被割断，立即停止回转，并停泵回水。

(2)退刀。47ZK3孔所用的割刀，其回收刀头是靠弹簧复位后，活塞杆上移，刀头在橡皮筋弹力的作用下实现回收刀头。由于切割刀头是以60°锥面角渐进的，若能及时停刀，切口整齐，刀头沿钻杆锥面切口较容易收回;若不能及时停刀，刀头继续回转，导致事故钻杆切口磨损为不规则切口，或刀头进出窗口磨损严重，则退刀困难(见图4、图5)。若不能正常退刀，刀架则会兜住被割断事故钻杆底部一同拉出，或强行损坏刀架后拉出。

图4 及时停刀的钻杆接手加厚部位

图5 未及时停刀的钻杆体部位

3．3 注意事项

(1)割刀到达拟切割位置后必须对切割钻具进行称重，以便切割结束后准确判断刀头是否收回。

(2)切割钻杆采用的循环介质必须清洁，固相含量尽可能的低，否则会影响出刀和退刀，最好采用清水作为循环介质进行切割。

(3)切割准备工作完成后，钻机回转、给水、计时等岗位均应分工明确，并由专人对切割程序统一指挥。

4 可退式捞矛的应用

孔内事故钻杆切断后，使用可退式捞矛打捞事故钻杆。可退式捞矛的工作原理是，当捞矛卡瓦接触“落鱼”时，卡瓦与矛杆产生相对移动，卡瓦从矛杆锥面脱开，矛杆继续下行，连接套顶着卡瓦上端面，迫使卡瓦缩进“落鱼”内。由于卡瓦直径大于“落鱼”内径，分瓣卡瓦受向内压力，靠其反弹力，卡瓦紧紧地贴在“落鱼”内壁上。捞矛到位后，称重下降，开始上提钻具，卡瓦、矛杆的内锥面贴合，产生径向张力，实现打捞。捞矛可根据事故类型加工异径接头，连接反丝钻杆或正丝钻杆。本次跑钻事故处理，采用割刀切割，捞矛配合打捞的方法进行处理。

(1)正常打捞。当切割钻杆完成后，即下入可退式捞矛打捞钻杆。下入捞矛前，手动将卡瓦固定在捞矛锥面键槽内;捞矛到达事故钻杆头位置后，利用钻杆自重或加压将捞矛压入事故钻杆内，然后上顶或提拉钻具，捞矛即与钻杆内壁胀紧，称重钻具质量增加，钻机稍作回转，若无反车现象，证明事故钻杆完全断开，即可起钻。

(2)中途退出捞矛。当捞矛进入事故钻杆内出现提拉不动的情况时，可退出捞矛打捞工作。此次事故第一次切割后，因事故钻杆下部钻具被膨胀在孔壁上，捞矛下入后，上顶、提拉不动，则将钻杆质量返回原称重质量后，稍向下施加压力，使捞矛杆与卡瓦内锥面脱开，然后钻机轻转钻杆(1/4圈)，使卡瓦下端大倒角进入捞矛杆锥面上三个键起端倾斜面夹角内，上提钻具，捞矛即退出事故钻杆。

5 应用效果

5．1 水力内割刀应用效果

47ZK3孔跑钻事故。事故底孔深2277 m，顶孔深828 m，跑钻“落鱼”为1449 m(不含导斜钻具2 m)绳索取心钻杆。采用水压式割刀，共实施切割4次，有效切割3次，分3段切割出事故钻杆。

(1)第一刀，割刀进入事故钻杆约1440 m处，试图一刀全部打捞出事故钻杆，但由于事故钻杆底部钻具扩孔器、钻头及部分钻杆接手膨胀变形，切割后打捞失败，正常退刀。

(2)第二刀，调整切割顺序为由上至下分段切割。割刀下至事故钻杆内330 m处切割，打捞出事故钻杆330 m，余事故钻杆1119 m。正常退刀，刀头损坏。

(3)第三刀，通过第二刀切割效果验证了割刀工作可靠，验证了事故钻杆与孔壁间阻力较小，孔内较干净，则第三刀切割事故增大切割事故钻杆数量，打捞出事故钻杆至640 m，余事故钻杆479 m。正常退刀。

(4)第四刀，考虑事故钻杆底部导斜钻具(2 m)上的扩孔器与钻头，以及部分钻杆接手已被跑钻膨胀在孔壁上，则放弃导斜钻具及20 m事故钻杆，将其余459 m事故钻杆全部打捞出。未能退刀，连同事故钻杆一并拉出。

该事故采用水力内割刀处理，共切割事故钻杆4次，使用切割刀头2套。

5．2 可退式捞矛应用效果

打捞事故钻杆传统的做法是用丝锥锥捞。这种捞取方法存在的弊端，一是锥不牢，当丝锥遇到质量不大且活动的“落鱼”时，就会出现我们常说的“跟着转”现象而锥不牢;二是易捋扣，当孔内“落鱼”阻力较大时，由于反复上扣，丝锥用上几次后，负荷稍大便出现丝锥捋扣现象;再者，当“落鱼”阻力大，使用新丝锥锥捞时，极易发生锥上“落鱼”后提拉不动(或反不动)，丝锥也退不掉的锥死现象，则导致事故处理出现反复。

此次跑钻事故处理中，使用可退式捞矛配合水压割刀打捞割断的事故钻杆，入孔打捞4次，除第一次因切割位置过深，提拉不动中途退出外，其余3次均一次顺利打捞出事故钻杆。可退式捞矛打捞事故钻杆状态见图6。