卡钻事故处理研究论文

煤矿井下近水平定向钻孔事故可分为卡钻事故和钻具断落事故两类。

一、卡钻事故

卡钻事故指钻具在孔内失去活动自由，既不能转动又不能来回起下，这是定向钻进过程中常见的钻孔事故。卡钻事故可能会发生在钻进、起钻、下钻、循环冲孔以及设备检修等过程中，可由多种原因造成，常见卡钻类型主要有孔壁坍塌卡钻、缩径卡钻和沉渣卡钻三种。

(一)孔壁坍塌卡钻

孔壁坍塌卡钻是因孔壁失稳造成的，卡钻原理如图7-1所示。孔壁坍塌卡钻是卡钻事故中情况最为复杂的一种，因为处理这种卡钻事故的工序最复杂，劳动强度最大，耗费时间最多，风险性最高，极易导致钻具、仪器掉入孔内无法捞出的后果，造成财产损失，所以在定向钻进施工中应尽力避免此类事故发生。煤层具有强度低、节理、应力复杂等特性，且孔壁坍塌卡钻预兆不明显、突发性强，这使得煤层定向钻进孔壁坍塌卡钻极为普遍，是一种最为常见的卡钻事故。因此，孔壁坍塌卡钻具有严重性、普遍性和突发性。

图7-1 坍塌卡钻示意图

1.事故原因

造成孔壁坍塌的原因分为地质、物化和工艺三个方面。

(1)地质方面原因

1)地应力影响。这里所指的地应力包括原始地应力和次生地应力。原始地应力是地壳在不断运动中，煤层中形成的不同构造应力(挤压、拉伸、剪切等);次生地应力是在煤矿掘进、开采过程中，由于人为对原始煤层扰动形成的附加应力，这种扰动改变了煤层原始受力边界条件，形成全新的应力分布。当煤层应力超过其自身强度时，便会产生断裂并释放能量;在应力尚未达到煤层本身强度时，这些应力则以潜能的方式存储在煤层中，待机释放。钻孔钻穿煤层后，钻孔孔壁产生自由面，应力重新分配，当孔壁应力超过煤层强度极限时便会发生破裂，导致钻孔孔壁坍塌，引发卡钻事故。

2)地质构造影响。处于近水平状态煤层稳定性较好，但由于构造运动，会发生局部区域断裂、褶皱、滑动、升降等现象，使得本来稳定的煤层变得错综复杂，在地层中产生大量的破碎带和裂隙带，煤层稳定性大大降低。钻遇此类煤层时，极易发生钻孔孔壁坍塌和卡钻事故。

3)煤层自身特性影响。我国大多数地区煤层本身具有节理发育、连续性差的特点，钻进中易发生孔壁坍塌并导致卡钻;煤层顶底板，乃至煤层中常有层理发育的泥页岩层，泥页岩层虽然横向连续性较好，但近水平定向钻进中钻孔以与层理面近似平行的方向延伸，容易发生泥页岩层以片状从孔壁脱落坍塌，导致卡钻。

(2)物化方面原因

定向钻进冲洗介质多以清水为主，钻进地层多为含水量较少的煤层和岩层。大量研究试验表明，当煤层和岩层遭遇水浸入时，由于水化、毛细作用等，会产生应力变化，削弱煤层的结构强度，这是造成钻孔坍塌的另一重要原因。

(3)钻进工艺方面原因

1)冲洗液对孔壁的冲蚀作用。定向钻进中，冲洗液排量较大，通常形成紊流态的高速返水，以满足排渣的需要。但是，随之而来的负面影响不容小觑，高压水射流对孔壁煤层会产生严重冲蚀，尤其是在某一孔段长时间冲孔循环，极易造成孔壁坍塌，引起卡钻事故。

2)钻具对孔壁的撞击。定向钻进冲孔时，经常会伴有钻具的转动，转动的钻具会将钻孔孔壁下缘沉积的煤屑搅起，以便水流将其携出孔外，从而提高冲孔效率和改善冲孔效果。然而，钻具在转动搅动煤屑的同时对孔壁产生撞击，这种撞击容易使钻孔孔壁煤层产生破坏脱落，从而导致孔壁坍塌，引起卡钻事故。

2.事故预防

(1)合理的钻孔布置设计

设计钻孔时，在可满足煤层瓦斯抽采需要的前提下，钻孔布置应尽可能避开断层、陷落柱、褶皱、高地压等异常区域。

(2)探明并避开危险层位

地层资料不全的情况下，定向钻进过程中，应主动探测危险层位，通过钻进参数、孔口返水掌握其特点，并采用定向钻进开分支技术避开危险层位，原理如图7-2所示。

图7-2 探明并避开危险层位

(3)采用带反向切削齿的窄翼片定向钻头

钻具严重卡死的位置一般位于钻头体肩部，相同卡钻的情况下，连接宽翼片钻头的钻具回拖阻力要高于窄翼片钻头。所以，在存在卡钻隐患的地层中，应尽量选用窄翼片定向钻头。同时，为了提高钻头自行解卡的成功率，可在窄翼片钻头体肩部焊镶反向切削齿。两种定向钻头如图7-3所示。

图7-3 两种定向钻头

(4)及时发现并处理孔内异常

钻进过程中应注意给进、起拔、回转压力等工艺参数以及孔口返水的变化情况，任何一项指标发生突变应立即停止给进，及时分析原因并采取处理措施，防止卡钻事故发生。

(5)针对地层选择合理的钻进工艺参数

定向钻进过程中，根据现场施工经验选择合适的泥浆泵排量和冲孔钻机转速，一般情况下泥浆泵排量控制在150～250L/min之间，冲孔钻机转速在40～80r/min之间，以保证良好冲孔效果的同时维持钻孔孔壁稳定。

3.事故处理

(1)强力回转、起下钻法

强力回转、起下钻法是处理坍塌卡钻事故的首选方法。在采用该方法处理事故前，应先将定向钻机扭矩调整在3000N·m挡，保证钻机即使在最大扭矩情况下也不会将钻具安全接手(连接孔底马达和下无磁钻杆的铍铜接手)扭断。处理事故时，快速起下手柄和回转手柄同时配合使用，如图7-4所示，可采用正转转速快速变化和快速起下钻迅速反复转换结合的方法(注意:严禁钻具反转)，将连续快速变化的扭矩和轴向力传递到孔内钻具卡钻处，在这种频繁变化的扭矩及轴向力作用下，钻具在孔内的变形也在不断地快速变化，这种变化可使卡钻处钻具对坍塌碎屑产生挤压和碾压作用，将煤屑压碎，使钻具松动;同时，钻具变形的快速变化，在钻具卡钻处产生震击效果，有利于使卡钻处坍塌碎块产生松动，从而达到解卡的目的。处理事故时，应时刻注意钻机系统压力的变化，结合操作可判断解卡是否成功。比如:处理过程中，在采用回转、快速起下或两者结合的情况下，油泵压力较起初相同操作有所降低，说明卡钻处钻具开始松动。

图7-4 回转操作手柄和快速起下钻操作手柄

在坍塌卡钻后孔口返水可能有两种现象:一种是返水变小、泥浆泵压升高;另一种是返水停止、泥浆泵安全阀门憋开。孔口返水是一个好现象，在强力回转、起下钻法处理坍塌卡钻时，钻孔循环水流可对坍塌区域的煤碎块产生冲蚀，加速钻具解卡。在孔内水流循环因卡钻中断的情况下进行解卡处理时，应定时开泵，观察孔口返水;若循环通道重新连通，应连续开泵循环，以加速解卡。

(2)套铣打捞

在强力回转、起下钻法处理无效的情况下，可考虑采用套铣打捞法。该方法使用专用套铣打捞钻具(φ102mm打捞钻杆配套φ107mm打捞钻头或φ127mm打捞钻杆配套φ133mm打捞钻头、打捞送水器)以及12000N·m全液压坑道钻机打捞用动力头和夹持器，采用回转钻进工艺套取孔内定向钻具，打通卡钻部位阻塞，再分别将打捞钻具和定向钻具依次提出，完成打捞，套铣打捞原理如图7-5所示。12000N·m全液压坑道钻机打捞用动力头和夹持器、套铣打捞钻具将分别在本章第二、三节详细介绍。

图7-5 套铣打捞原理示意图

套铣打捞具有一定的风险性，因为在套铣打捞过程中，打捞钻具也存在着塌孔卡钻的危险，因此，在套铣打捞钻进过程中应时刻关注钻进参数及孔口返水变化，一旦发现异常应及时采取处理措施，防止事故进一步恶化。

(3)采掘打捞

强力回转、起下钻法处理无效，套铣打捞存在较大风险的情况下，如果卡钻位置处于待采掘区域，则可考虑在后期的煤层开采或巷道掘进时打捞卡钻钻具，这种打捞方法需要准确记录和精确计算卡钻钻具的空间位置，以保证在后期的开采或掘进作业中，揭露并提出卡钻钻具。

(4)强力拧断安全接手

在以上三种方法均无法有效实现打捞的情况下，可考虑强力拧断安全接手来处理卡钻事故，以使事故损失降至最低。安全接手是连接孔底马达和下无磁钻杆的铍铜接手，其连接关系如图7-6所示。该接手抗扭能力为3000～4000N·m。采用该方法的前提是卡钻位置位于安全接手至钻头之间。

图7-6 定向钻具安全接手连接示意图

(5)倒扣并采用反丝(左螺旋)公锥、母锥打捞

在以上四种方法均打捞无效的情况下，可采用钻机反转倒扣，使钻具从孔内某处解扣，将解扣处至孔口段钻具提出，再根据孔内落鱼情况选用反丝公锥或反丝母锥配套反丝钻杆套取卡钻钻具并反转使其解扣，再将其提出，在权衡时间和经济之后进行反复多次打捞。打捞公锥、母锥将在本章第三节详细介绍。

(二)缩径卡钻

缩径卡钻就是由于孔径缩小造成卡钻，是指钻头通过的孔段岩层发生膨胀，使得孔径发生缩小，其直径小于钻头直径，钻头无法顺利回拖通过，造成卡钻事故，缩径卡钻原理如图7-7所示。缩径卡钻事故也是煤矿井下定向钻进中常见的孔内事故，因其发展缓慢、征兆较明显，预防、处理均较坍塌卡钻容易一些。

1.事故原因

煤矿井下定向钻进过程中，缩径卡钻事故多数是由水敏性泥页岩遇水膨胀、变形导致钻孔缩径造成的。而在煤层的顶板和底板乃至煤层内部，均普遍存在着此类泥页岩层。

图7-7 缩径卡钻原理示意图

还有一种情况就是有些煤层顶、底板中存在含水的软泥岩，这种泥岩表现出很强的塑性，当钻穿这种岩层后，这种软泥岩在地压的作用下向孔内挤压，导致钻孔孔径缩小而卡钻。

2.事故预防

(1)查明并避开缩径泥岩所在层位

通过查阅地质资料和定向钻进主动探测的方法探明缩径泥岩所在层位，通过钻进参数及孔口返水掌握其特点，采用开分支孔的方法避开缩径泥岩层。

(2)加强循环冲孔和划眼

钻进至水敏性泥页岩时，由于泥岩水化速度较慢，因此在钻进中一般不会立即出现缩径卡钻情况，但是在后期的钻进、冲孔、划眼、起下钻时会出现阻卡现象。大量实践表明:钻进水敏性泥页岩时孔口返水和其他非水敏性类型泥页岩无明显区别，因此在不得不穿越泥岩层的情况下，加强泥岩孔段冲孔和划眼，必要时采用扩孔手段来预防卡钻事故发生。

(3)及时发现并处理孔内异常

钻进含水的软泥岩层时，由于其塑性强，在地压的作用下被挤入孔内，此时返水变得黏稠，并携有软泥块;钻进速度加快，泥浆泵压升高;钻机回转及起下钻阻力明显增大。这种情况下应立即停止给进，开泵循环，并大幅度活动钻具，将钻具提离危险孔段。

3.事故处理

(1)强力活动钻具

在遇卡初期，可尝试采用类似坍塌卡钻“强力回转、起下钻法”大幅度活动钻具，争取解卡。在起钻过程中遇卡，应大力下压;在钻进中遇卡，应多提或强扭，下压是没有意义的。这种时候，捕捉时机非常重要，要在钻具安全的前提下，敢于用大力，有可能迅速解决问题。如果活动数次(一般不超过10次)未能解卡，应采取其他措施。

(2)注入润滑剂

若采用上述措施仍无法解卡，可用泥浆泵向孔内注入油类和清洗剂或润滑剂，再配合活动钻具，尝试解卡。

(3)拧断安全接手

当卡钻位置位于安全接手以下并采用大力活动钻具和注入润滑剂两种措施均无效的情况下，可采用强力回转扭断安全接手，将安全接手以上钻具提出钻孔。

(4)倒扣配合反丝公锥、母锥打捞

在以上三种方法均不能解卡时，可考虑采用类似坍塌卡钻的处理方法，采用倒扣配合反丝公锥或母锥打捞剩余钻具。

(三)沉渣卡钻

沉渣卡钻指钻屑在钻孔内沉积，发生埋钻导致的卡钻。沉渣卡钻相对坍塌卡钻和缩径卡钻严重程度较低，也更容易处理。

1.事故原因

(1)地层因素

煤矿井下定向钻进地层多为煤层。在节理发育的煤层中钻进，煤屑颗粒较大，不易被返水携出钻孔，容易在孔内堆积，造成沉渣卡钻。

(2)工艺因素

造成沉渣卡钻的工艺因素主要包括:给进速度、泥浆泵排量选择、冲孔作业等。定向钻进速度过快会产生大量的大颗粒煤屑，这些大颗粒碎屑容易产生堆积导致卡钻;较大泥浆泵排量可提高钻孔返水速度，提高返水携渣能力，有利于避免沉渣卡钻事故的发生;定向钻进中，定期冲孔可有效减少孔壁下侧沉渣量，防止沉渣事故发生。

(3)钻孔结构

在上仰孔段，由于水流方向和钻屑重力分量———下滑力方向相同，有利于返水将钻屑携出钻孔;在下斜孔段，水流方向和下滑力方向相反，水流需要克服钻屑的下滑力才能将钻屑携出，这大大降低了返水携渣的能力;水平孔段返水携渣能力介于上仰孔段和下斜孔段之间。

(4)突发事件

主要指钻进中遇到突发事件，如停电、钻机故障无法运行等，泥浆泵无法向孔内供水，钻具也无法提出孔外，孔内钻屑堆积导致沉渣卡钻。

2.事故预防

(1)做好施工准备工作

施工前，仔细检查设备，排除存在的故障隐患;定期对设备进行保养，保证设备正常运转。

(2)设计合理的钻孔结构

钻孔设计阶段，选择合理的钻场位置，尽可能将钻孔设计为上仰钻孔或水平钻孔，尽可能避免下斜钻孔;尤其是大角度(≤-20°)下斜钻孔结构的出现;钻进施工阶段，应在满足生产需要的前提下保证钻孔轨迹平滑，避免出现钻孔轨迹大幅度起伏变化。

(3)选择合理钻进工艺参数

钻进施工中，应根据现场实际情况，选择合理的给进速度和泥浆泵量，保证在不产生大量大颗粒钻屑的情况下实现高效钻进。

(4)定期冲孔

正常定向钻进中应定期进行冲孔，一般每钻进30m冲孔一次，冲孔时间控制在20～40min，冲孔时根据实际情况选择泵量在150～250L/min之间，同时可配合钻机带动钻具回转，转速控制在40～80r/min之间。

3.事故处理

由于沉渣卡钻事故属于比较轻微的卡钻事故，一般可直接通过强力回转和起下钻就可使钻具解卡。在事故处理过程中，向孔内注水循环可能会出现两种情况:一种情况是泥浆泵压力升高，钻机回转、起下钻压力较不开泵循环时不变或有所降低，另一种情况是泥浆泵压力升高，钻机回转、起下钻压力较不开泵时有明显上升。第一种情况的原因是:沉渣卡钻处钻屑沉积较松散，可以建立水流循环，水流可对钻屑产生冲蚀，如图7-8(a)所示，这样有利于钻具解卡;第二种情况原因是:沉渣卡钻处钻屑沉积较密实，在钻杆和孔壁环空中形成了一段钻屑“活塞”，水流循环无法建立，在高压水的挤压下这个“活塞”产生变形，紧紧抱住中间的钻具，从而导致钻机回转、起下钻压力升高，如图7-8(b)所示，这样不利于钻具解卡。可见，在处理沉渣卡钻时，一味地开泵循环未必有用，应根据现场的具体情况采取相应的处理措施。

图7-8 沉渣卡钻的两种不同孔内情况

如果发生严重的沉渣卡钻事故，则可考虑采用套铣打捞钻具配套12000N·m全液压坑道钻机用动力头和夹持器进行套铣打捞。

二、钻具断落事故

钻具断落是煤矿井下定向钻进过程中经常遇到的钻孔事故。有的情况比较简单，处理起来比较容易，往往会一次成功。然而大多数钻具断落事故均伴随着卡钻事故的发生，如果处理不慎，会酿成新的事故。

1.事故原因

(1)疲劳破坏

疲劳破坏是金属材料破坏的最基本的形式之一。钻杆在长期的工作中承受拉伸、压缩、弯曲、剪切等复杂应力，而且在某些情况下还承受频繁的交变应力，这种应力达到一定强度和交变次数时，钻杆则会发生疲劳破坏。

(2)机械破坏

钻具发生机械破坏包括多个方面的原因，主要有:

1)钻具生产制造中形成的缺陷导致钻具机械性能先天不足，进而导致钻具过早损坏。

2)钻具在长期使用中的腐蚀和磨损，钻具某些部位管壁变薄，强度降低，在外力作用下容易从钻具的这些薄弱部位被拉断或扭断。

3)处理钻孔事故时，不恰当地用强力活动钻具，当应力超过钻具强度极限时，就会把钻具拉断。

4)上扣不紧，使螺纹连接处钻具失去螺纹台肩的支撑，在公母螺纹连接处产生频繁的交变应力，加速螺纹磨损和疲劳破坏。

5)长期使用钻杆而不对连接螺纹定期检查，以致螺纹磨损造成钻具脱落。

(3)事故破坏

1)在卡钻事故处理中，为了采用反丝钻具打捞卡钻钻具，不得不将一部分钻具倒装下入孔内。

2)在卡钻事故处理中，为了减少经济损失，人为将卡钻钻具从安全接手处强力拧断，将孔底马达、定向钻头留在孔内。

3)由于操作者的失误造成钻具反转卸扣，将钻具掉入钻孔。

2.事故预防

要有效防止钻具断落事故，除了必须正确使用钻具外，还应按照本手册有关钻具维护方法，做好钻具日常的维护和管理工作。钻具维护详见第五章。

3.事故处理

(1)公锥打捞

打捞公锥按螺纹旋向可分为右螺纹公锥和左螺纹公锥(反丝公锥)。右螺纹公锥常应用于打捞非卡钻情况下的掉钻事故，左螺纹公锥主要应用于卡钻时钻具倒扣打捞的情况。两种不同类型的打捞公锥的打捞原理是相同的，都是采用公锥高硬度的锥面丝扣在落鱼鱼顶通孔中造扣，将掉钻钻具和打捞钻具连接，可实现拉力、压力和扭矩的传递，最终通过提钻或倒扣将事故钻具打捞出来。

在煤矿井下定向钻进中，常规通缆式钻杆、上无磁钻杆均安装有通缆结构，探管外管内安装有随钻测量探管，所以打捞公锥不适用于此类钻具的打捞。

(2)母锥打捞

对于公锥不适于打捞常规通缆式钻杆、上无磁钻杆以及探管外管，可以用打捞母锥解决，打捞原理是采用母锥通孔中高强度锥面丝扣在被其套住的落鱼鱼顶造扣，将掉钻钻具与母锥连接起来，并可传递拉力、压力和扭矩，再通过提钻或倒扣的方法打捞事故钻具。

(3)开分支孔避开断落钻具

在多次打捞无效或经卡钻多次倒扣打捞后继续打捞的经济和时间效益不合理的情况下，可更换钻具选择合适的位置开分支，避开掉钻钻具，方法如图7-9所示。

图7-9 开分支孔避开断落钻具示意图