大孔径应急救援孔钻井工艺研究

张 才

(1.中国煤炭地质总局，北京 100038； 2.北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100043)

0 引言

地面钻孔救援已成为新时代矿山应急救援的一种有效手段。2002年美国宾夕法尼亚州魁溪煤矿透水事故和2010年智利圣何塞铜矿坍塌事故的成功救援引起了国内外对大孔径钻孔救援的广泛关注[1-2]。在国内，2015年山东平邑石膏矿坍塌事故和2021年山东笏山金矿爆炸事故的成功救援再次验证了地面大孔径钻孔救援技术的先进性[3]。近年来，国内学者对大孔径钻孔的不同钻进方法、施工工艺和配套装备进行了研究，形成多措并举的救援方法，为我国大孔径应急救援钻孔施工技术奠定了理论基础。

1 大孔径钻孔钻进方法

经历多年的积累和发展，目前国内外形成了多种较成熟的大孔径钻井技术，普遍采用的大孔径钻井技术有钢粒钻进、冲击钻进、组合式牙轮钻头钻进和空气潜孔锤钻进等。这些方法具有各自的特点，同时也有自身的局限性。

1.1 钢粒回转钻进

钢粒钻进是20世纪50年代以来基岩钻进的常规方法之一，可用于中硬以下地层中钻进大直径孔。钢粒钻进技术具有工艺要求简单、成本低的优点，可以在不停钻进和提钻的情况下获得较长的钻程[4]，但同样具有效率低、功耗大，且钻进规程参数难于控制的缺点。

1.2 冲击钻进

冲击钻进在漂石、卵砾石层中钻进效率较高。目前国内外在大直径基桩孔钻进中遇到“三石(漂石、抛石、孤石)”往往采用冲击钻进方法。但是冲击钻进在坚硬完整的基岩中钻进效率不高，而且护壁性能差、能量消耗大、纯钻进时间少。

1.3 组合式牙轮钻头钻进

组合式牙轮钻头钻进是当前大直径硬岩钻进中最常用的工艺方法。组合式牙轮钻头钻进在沉积岩中钻进效率较高，但是在6级以上硬岩中钻进效率偏低。缺点是在实际的工程中往往容易出现掉牙轮的事故，而且钻头在工程中损耗严重。

1.4 潜孔锤钻进

潜孔锤钻进是一种冲击加回转的钻进方式。潜孔锤在硬岩中的钻进效率较常规钻进方法效率可提高5～8倍[5]，而且成孔质量较好。但是潜孔锤钻进只能采用空气作为循环介质，对空压机和增压机等设备要求较高，且存在装备和工艺的兼容性问题。

2 钻孔救援主要设备

2.1 钻机

大型救援钻机是矿山事故地面钻孔救援的主要装备。近年来，除了引进国外的先进钻机设备，国内也开展了钻机设备的多功能性、模块化和机动性研究，以满足矿山应急救援的快速和高效性要求。

目前国家应急救援队和区域矿山救援队配备的钻机设备有进口的德国宝峨拖车钻机和美国雪姆车载钻机[6]，也有我国研制的一些高机动性车载钻机，如中煤科工集团西安研究院的MDY-60型钻机[7](表1)。

表1 常见矿山应急救援钻机性能参数Table 1 Performance parameters of mine emergency rescue drilling rig

2.2 钻头

目前在矿山地面钻孔救援中通常采用组合式牙轮钻头钻进技术和空气潜孔锤钻进技术。

1)组合牙轮钻头。组合牙轮钻进技术使用的组合牙轮钻头的产品已形成系列化，原国家地矿部研发的PZ系列组合式牙轮钻头直径从400～2 000mm有14种规格[8]，还能根据施工要求进行定制。PZ钻头采用双支点牙轮技术，极大地改善了牙轮受力状况，最大限度降低了牙轮脱落的风险。目前各国家应急救援队和区域矿山救援队也根据以往钻孔救援的经验，设计研发了适用于不同任务要求的组合牙轮钻头，有分级扩孔的组合牙轮钻头，也有一次性扩孔到位的组合牙轮钻头。

2)潜孔锤钻头。随着潜孔锤钻进技术在各钻孔领域的推广应用，潜孔锤钻头类型也开始多样化。从目前气动潜孔锤钻进技术的应用来看，潜孔锤按结构分为单体式和集束式，按排渣方式的不同又分为适用于反循环钻进的贯通式潜孔锤和适用于正循环钻进的非贯通式潜孔锤。大孔径潜孔锤的系列化发展也使得我国潜孔锤钻进技术跻身国际先进行列。

3 大孔径救援钻孔施工难点

3.1 表层钻进不易成孔

大孔径应急救援孔首先要在表层松软破碎带开孔。表层松软破碎带与地下基岩在胶结程度、风化程度、地质应力和可成孔性上都有所不同，传统的基岩钻进方法和工艺，尤其是大孔径钻孔施工时面临不易成孔的难题，甚至存在边钻进边坍塌的现象，严重影响救援钻孔成孔质量和成孔效率。例如在2015年山东平邑石膏矿“12·25”坍塌事故抢险救援中，救援现场地表有5m左右的黄土泥沙层和3m左右基岩分化层，救援钻孔开孔时就存在易坍塌和成孔难的问题。

3.2 精准钻进的难题

目前大孔径钻进中还无法进行定向纠偏，无法达到应急救援孔的精确性要求。特别是在复杂地层条件下，大孔径钻孔很难准确钻透巷道，在影响成孔效率的同时降低了救援效率。

3.3 设备与工艺的兼容性问题

大孔径救援钻孔潜孔锤钻进施工往往需要使用带导向柱装置的非贯通式潜孔锤，同时为了解决正循环钻进时排渣难和易卡钻、埋钻等问题[9-10]，又需要采用反循环钻进工艺。非贯通式潜孔锤在反循环钻进中效果又不佳。因此大孔径救援钻孔施工配套设备与钻进工艺之间的兼容性不强。

4 钻进方法

4.1 表层旋挖钻井工艺

旋挖钻进施工采用的是直接挖取岩土层，然后直接提出孔外卸土，从而获得进尺。旋挖钻进对岩土层不进行全面破碎，而且不存在循环介质对井壁的冲刷，因此能够改善表层钻进中易坍塌的难题。2015年山东平邑石膏矿坍塌事故救援中就采用了此方法[11]。救援组根据地层地质条件对钻孔设计和施工方法做了变更，采用旋挖钻机和直径Φ1 250mm的旋挖钻头钻进至表层破碎带以下的基岩内(图1)，下入套管形成稳定的一开井段，为下一步钻进打好基础。

图1 山东平邑石膏矿表层旋挖钻进Figure 1 Surface rotary drilling in Pingyi gypsum mine, Shandong Province

4.2 小孔径钻孔导向技术

目前大孔径钻进中还无法采用无线随钻测量系统，特别是在复杂地层条件下，大孔径钻孔很难精准钻透巷道。平邑石膏矿坍塌事故救援就因大孔径钻孔无法精确控制钻进轨迹而未能实现直接钻透巷道[12]。解决大孔径无法精准钻进的方法是先施工一口孔径与大孔径钻头前端导向柱直径大致相当的小口径钻孔，然后再用大孔径钻头进行扩孔，扩孔过程中大孔径潜孔锤的导向柱始终卡在小孔径井眼中，使得大孔径扩孔的钻进方向始终沿着小孔径钻孔的方向，达到精准钻进的目的(图2)。

图2 小孔径钻孔导向技术示意Figure 2 Schematic diagram of small-aperture drilling steering technique

4.3 钻具组合优化

大孔径救援钻孔为实现精确钻进就得使用带导向柱的非贯通式潜孔锤，降低卡钻、埋钻的风险，实现高效钻进，则需采用反循环钻井工艺[13]。设备和工艺兼容性的问题可以通过优化钻具组合来解决。在钻具组合中加入正反循环转换接头、阻风板和气盒子(图3)，可实现非贯通式潜孔锤的反循环钻进[14]，进而保证钻孔井壁的稳定性。在实际施工过程中，阻风板的封堵严密性和耐用性是值得关注的问题，阻风板封堵严密性和耐用性不够往往需要花费时间进行维修和更换，从而影响了快速钻进的效果。

图3 非贯通式潜孔锤反循环钻进钻具组合示意Figure 3 Schematic diagram of the drilling assembly of non-penetrating reverse circulation DTH hammer drilling

5 结论与展望

大孔径钻孔钻进技术在逐渐的完善，各钻进技术也都存在一定的局限性。总体来看，组合式牙轮钻进和潜孔锤钻进是地面钻孔救援的首选钻进技术。尤其是潜孔锤钻井技术在国内外历次救援中已经验证了其先进性。但是大孔潜孔锤钻进技术在应急救援领域的应用仍然存在有待改进的地方，其在配套装备和钻进工艺的兼容性问题一旦解决，将迎来救援方面的广泛应用。

国内以往地面大孔径钻孔救援已经证明空气反循环钻进技术是大孔经救援孔成孔的关键工艺技术。如何解决非贯通式潜孔锤与反循环钻进工艺之间的兼容性问题依然是大孔径钻孔救援面临的技术难题和攻关方向。