矿山钻探施工中的孔内事故处理方式研究

王生军

（青海省第一地质勘查院，青海 海东 810600）

青海省第一地质勘查院钻探队伍在近些年的地质找矿岩心钻探施工过程中，发生了多次孔内埋钻事故。事故发生的原因是钻探区域的地层岩性较为复杂，底层破碎严重，导致钻探施工项目无法正常钻进，严重地影响了正常的施工进度。这样一来，不仅会严重拖延工期，还会导致矿山钻探成本的增加。以往人们在处理钻孔内事故时，常常会采用全面钻进的方式，只要全面推进，将地层岩心的所有破碎带清除，就能轻松解决矿山钻探施工过程中的各种问题[1]。但是这样的方式很容易导致钻探方向的偏移，进而发生圆孔轴心不按原定方向钻进的问题，使钻孔倾斜，从而产生矿山钻探过程中的孔内事故，影响钻孔质量，使钻孔在矿山钻探工程中无法产生应有的效果，浪费大量的人力、财力，并影响到施工的正常。因此，本文基于本次事故，对矿山钻探施工中的孔内事故处理方式进行研究。

1 矿区事故概况

本次的事故发生矿区位于大柴旦北西约75km，属青海省海西蒙古族藏族自治州大柴旦行政委员会大柴旦镇管辖。孔内事故出现地层为斑点状碳质绢云千枚岩区域，该地层岩心破碎程度高，遇水即成为泥巴状，取芯难度大，因泵压过高从而导致岩心采取率达不到地质钻探指标，而泵压太小又会造成孔内岩粉清理不干净，很容易导致孔内事故的发生。本次矿区钻探工程钻进至541.4m处就出现了岩粉埋钻事故，此时地质目的已达到，施工钻孔按终孔处理，但孔内全部钻杆被埋住无法起拔。为降低损失，工作人员采用水力割刀器作为切割工具，将下入钻杆连接水力割刀器，并从钻具扩孔器上部将钻杆切割。为了在矿区事故发生时减少损失，本文对矿山钻探施工中孔内事故处理方式进行深入研究。

2 矿山钻探施工中的埋钻事故

2.1 断层带事故

在矿山钻探过程中，遇到张性构造的断层带或断层群是十分普遍的现象，这类断层的钻进十分困难，因为断层带中的充填物通常都是处于最原始的状态，一般只存在角砾岩，由这类物质混合堆积而成[2]。当这些充填物的外表显示为泥沙状态时，其紧密性一般非常差，但是当充填物中除泥沙外还有一些钙类物质时，其坚固性就会有一定程度的提高。而且断层中的填充物体积和形状的分布十分不均衡，其最原始的状态就是相对稳定的结构。因此当断层受到施工钻探的作用力影响时，填充物就会被人为灌注的高压水冲洗排除，而其中的角砾岩则会因为失去了钙类物质的支撑而变成松散如泥沙状的堆积体。而当断层带的紧密度相对较高时，钻头的作用力会导致岩石直接被切削成任意结构，其所能形成的钻头刃部在拨动填充物时，会直接在短距离内推动钻具向前行动[3]。但是在这样的情况下，矿山钻探设备的钻具会直接造成填充物的卡钻现象。因此张性构造断层带之所以会发生卡钻现象，其根本原因就是矿山钻探时所选择的矿区内部，地层构造带的介质强度过高。矿山地下的张性构造断层带填充物造成的卡钻现象如图1所示。

图1 张性构造断层带中填充物卡钻现象示意图

2.2 孔内坍塌引发的埋钻事故

在矿山钻探工程中，会导致埋钻事故发生的因素有很多，但是最主要原因就是矿区地质构造、矿区成矿条件、矿物富存条件以及矿区开采的钻进工艺条件等。对于孔内坍塌而言，可以将矿区钻探施工过程中的孔内坍塌划分为3种形式，即前置式坍塌、后置式坍塌以及联合式坍塌[5]。本次事故主要的产生原因是前置式坍塌，一般情况下，前置式坍塌的埋钻情况如图2所示。

图2 前置式坍塌埋钻情况示意图

在矿山钻探过程中，如上文所述，对于填充物的冲击力一般通过钻头切削或水力冲击来完成，当地下构造带的填充物含有钙类物质较多时，填充物一般较硬，此时的钻头应以切削工具为主，水力作用为辅；当地下构造带的填充物含有钙类物质较少时，填充物一般较软或较为松散，此时的水力冲击就成为了主要作用力，切削作用成为辅助力量。发生这类事件之后，用于冲击的高压水流会直接对填充物形成极为锋利的水力切割作用，导致钻头前端的填充物坍塌[6]。而坍塌的空间总量一般与矿山构造带填充物坍塌的渣量、水压、水量成比例。当水压变大，高压水流的水力切割作用也会相应变大，从而导致坍塌空间变大，泥沙填充物中的渣量变多；当水量变大时，高压水流导致的水力冲击效果就会越好，其排除泥沙填充物时的时间也会相应减少。

3 水力割刀器在埋钻事故中的实际应用

3.1 水力割刀器的选型

孔内坍塌引发的埋钻事故处理中常用的割管工具为水力割刀器，由无锡中钻地质装备有限公司生产，该公司生产割刀器有四种型号，按切割管子外径分为B-56mm、N-70-73mm、（为本文使用割刀器的型号）、H-89mm 和 P-114mm。在孔内出现事故而又无法处理的情况下，需要取出孔内的钻杆或套管时，可以使用水力割刀器处理。具体使用方法如下：①先测试割刀器。在放入孔内前，垂直将割刀器按工作状态放在地上，将榔头手柄放入割刀器上部孔内，向下按压，可以看到两把割刀伸出来，按到底就是工作状态。放开时，两把割刀会收回（不一定全部缩回，是正常现象）；②在割刀收拢的情况下，将电工胶带绕割刀器两圈，将割刀绕在内。割刀选用小规格的钻杆，下部通过变丝连接割刀器，缓缓的将割刀器放到需要切割的深度。开始使用最低挡每分钟100~200转旋转；并开启给水（水压为浅孔2MPa，深孔4MPa）使割刀器的两把割刀张开，均匀的在钢管内壁切削，切割完成后，可以看到水泵的压力马上减小；③水压减小后，割刀自动收回，然后提起钻杆及割刀器，钻杆切割过程完毕。

3.2 水力割刀使用前的测试

水力割刀器未投入使用前，要先检查刀体，保证水力割刀器的各部件与刀头完好无损，在细长杆的辅助下可以对埋孔进行施压，水力割刀器的刀头快速张开，不施加压力情况下，刀头可以快速收回。水力割刀器下入钻孔内前，检查机上钻杆与水力割刀的连接情况，缓开泥浆泵，控制好泥浆泵泵量。使用水力割刀作业中，割刀转动不是在持续平稳情况下运行，施加液压力要进行缓慢调整，割刀工作泵压维持在1MPa~3MPa这一范围内，当泵压较低时，刀头无法全部张开，在较高的泵压下，水力割刀的刀头易损坏，经过试验测试，在工作泵压为2.5MPa时，水力割刀刀头张开时切割直径可满足切割HQ钻杆要求。

3.3 水力割刀器应用效果

在矿山钻孔作业中减少钻杆晃动，水力割刀可持续稳定工作，钻杆预留足够空间，确保刀头正常退刀。埋钻事故处理中，孔号为19QLTZK206，埋钻孔深541.4m，倾角50°，方位247°。将经过测试后的水力割刀与绳索取心钻杆相连接，下入537m的NQ钻杆，预留合适的机上余尺，锁死上下卡盘，将上下卡盘将至最低，避免水力割刀切割时动力头出现向下位移。

钻进时先回转动力头，确保水力割刀在计划区域内转动，切割作业中转数保持恒定状态。水力割刀下至埋钻事故处切割，切割60min，成功割断埋钻钻杆，刀头时刻处在回转状态，迅速调整钻进转速，使之能够完成切割作业。

4 结束语

综上所述，矿山钻探施工过程中，钻具、钻杆及套管遇卡钻是发生最频繁、耗费时间最长、损失最大的孔内事故之一。为了避免孔内事故发生，或者在孔内事故发生时做到最佳处理，防止更大的人员及财产损失，就需要在矿山钻探施工开始前研究好该地区的基岩地层，了解清除该地区地层的复杂程度，并根据各地矿山内部岩性不同、地层的破碎程度不同，确定矿山地质钻孔结构。实践证明，水力割刀结构简单、操作方便、性能可靠、可准确控制切割位置，对埋孔事故处理是一种比较先进的工具。