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套铣打捞技术在定向钻进事故处理中的应用

文档作者：赵建国，牟培英，许超，董昌乐，范运林文档来源：中煤科工集团西安研究院		点击数：	更新时间： 2022年12月09日
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2013年第8期 中州煤炭 总第212期
套铣打捞技术在定向钻进事故处理中的应用
赵建国，牟培英，许 超，董昌乐，范运林
(中煤科工集团西安研究院，陕西西安710077)
摘要：列举了煤矿井下定向钻进施工中常见的钻孔事故类型，对比了常用的钻孔事故处理方法。分析了套铣
打捞技术的打捞原理、特点及工艺参数，介绍了套铣打捞技术用于煤矿井下随钻测量定向钻进孔内事故处理
的配套设备、钻具及应用情况。采用套铣打捞技术成功打捞出孔深216 m处断落的钻具，应用表明，该技术
是解决煤矿井下近水平定向钻进卡、埋钻及钻具断落事故的有效方式之一。
关键词：定向钻进；事故处理；套铣打捞
中图分类号：P634．8 文献标志码：B 文章编号：1003—0506(2013)08—0075—03
随钻测量定向钻进技术是指在钻进过程中不间
断测量近钻头孔底相关信息，并根据钻孔轨迹参数
实时调整孔底马达弯头方向，使钻孑L沿设计轨迹延
伸至目标孔深的钻进方法。该技术具有对钻孔倾
角、方位角调节控制能力强，定向精度高，效果好，易
于实现千米以上近水平孔及多分支孑L钻进等特
点⋯ 。自从1997年松藻矿务局首次引进LHD-75
型1 000 m定向钻设备用于沿煤层水平抽采孑L钻进
施工，到我国自主研究开发并研制成功适合我国矿
井地质条件的千米定向钻进装备、测量系统及配套
钻进技术至今，随钻测量定向钻进技术在国内煤矿
井下瓦斯抽采钻孔施工领域得到迅速推广 。
随着定向钻进技术与装备的不断发展和完善，
煤矿井下近水平定向长钻孔施工技术也得到了迅速
推广。然而由于煤层复杂地质条件、操作失当及其
他突发事件等原因造成的卡钻、埋钻事故屡屡发生，
不仅延长了定向长钻孔的施工周期，增加了施工成
本，而且给煤矿的安全生产带来了隐患。如何有效
解决定向钻进过程中遇到的卡钻、埋钻以及钻具掉
落事故，对于随钻测量定向钻进技术的进一步推广
应用具有重要意义。
1 常见钻孔事故类型
煤矿井下坑道钻探施工中，常见孔内事故主要
有卡钻与钻具断落2种。①卡钻事故是指钻具在孔
收稿日期：2013—05—31
作者简介：赵建国(1983一)，男，河南焦作人，助理工程师，硕士，
2010年毕业于吉林大学，现从事煤矿井下近水平瓦斯抽采钻孔施工
工艺与机具的研究工作。
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。按照发生机理，
常见的卡钻类型有孔壁坍塌卡钻、缩径卡钻和沉渣
卡钻3种。② 断钻事故多见于孑L内卡、埋钻事故处
理过程中。其发生的直接原因是施工过程中处理孔
内异常时，强力回转、起拔孔内钻具，导致孑L内钻具
的断裂。另外，钻具自身存在有缺陷，如长时间使用
后在薄弱部位形成的微裂纹或腐蚀坑导致钻杆薄弱
部位强度的降低，在外力作用下断裂失效，也是造成
孔内钻具断落事故的原因之一。
2 常见事故处理方法
2．1 强力回转、起下钻法
强力回转、起下钻法采用强力快速回转和快速
起下钻迅速反复转换结合的方式，将连续快速变化
的扭矩和轴向力传递到孔内钻具卡钻处，使卡钻处
钻具对坍塌碎屑产生挤压和碾压作用，将卡死的煤
岩屑压碎，使钻具松动；同时，钻具变形的快速变化，
在钻具卡钻处产生击震效果，也有利于卡钻处坍塌
碎块产生松动，从而达到解卡效果 。
强力回转、起下钻法对事故处理的时效性要求
较高，在即将发生卡钻事故或刚刚发生卡钻事故时，
及时捕捉事故先兆，分析孔内动态，在第一时间采取
措施进行处理。倘若事故延续时间较长，孔内钻具
有可能完全卡死，即使强力回转、起拔也无法达到预
期的效果。
2．2 倒扣并采用反丝锥打捞法
反丝锥打捞是将钻机反转倒扣，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
· 75·
2013年第8期 中州煤炭 总第212期
落鱼情况选用反丝公锥或者反丝母锥配套反丝钻杆
捞取卡钻钻具，并反转使卡钻钻具从某处解扣，最后
将解扣处以上钻具提出，反复多次进行打捞。该种
方式也可用于孑L内断落钻具的打捞。反扣丝锥与反
丝钻杆如图1所示。
小
图1 反扣丝锥与反丝钻杆
反丝锥打捞需在落鱼最上部钻杆进行造扣，如
果需要将孔内钻具全部捞出，往往需要反复送钻一
造扣一捞取，如此不仅增加了工人的劳动强度，而且
打捞时反丝锥造扣会对于落鱼上部接头造成不可修
复的物理损伤，导致落鱼上部钻具丝扣损伤后无法
使用。因此从某种意义上讲，反丝锥打捞属于破坏
性打捞，增加了钻具的打捞成本。
3 套铣打捞技术
套铣打捞是指遇到孔内卡、埋钻事故时，采用内
通孑L直径较大的打捞钻杆与打捞钻头，采用回转钻
进工艺套取孔内定向钻具的孔内事故处理方法。
3．1 原理
如图2所示，首先从孑L口处将卡死的定向钻具
卸开，然后将打捞钻杆套住孔内钻具钻进至卡钻位
置。钻进时，高压水从孔内定向钻具外壁和打捞钻
具内壁间的环空流入，从打捞钻具外壁和钻孔内壁
间的环空流出，将孑L内造成卡、埋钻的钻渣由水流携
带至孔外，疏通卡钻部位阻塞。当打捞钻杆完全套
取孔内钻具后，可从口将打捞钻杆与孔内钻具逐根
交替提出孔外，达到解除孔内卡、埋钻事故的目的。
被打捞钻杆 孔内沉渣打捞钻头 套铣打捞钻杆
图2 打捞钻杆打捞原理
与其他打捞方式不同的是，套铣打捞是保护性
的打捞，打捞钻杆在套取孔内钻具过程中能够有效
避免打捞钻具对孔内钻具造成的损伤，钻具打捞上
· 76 ·
来之后仍可继续使用，减少了事故损失，降低了打捞
成本。
3．2 打捞设备
(1)钻机。钻机是为打捞施工提供扭矩与给进
起拔力的动力设备，定向钻进施工所用的矿用履带
式全液压坑道钻机可用于套铣打捞施工，如国产的
ZDY6000LD定向钻机及其改型钻机。该钻机动力
头回转扭矩为6 000 N·m，主轴通孑L直径95 mm，必
要时可通过更换钻机动力头，使其回转扭矩以及主
轴通孔满足打捞施工要求。
(2)泥浆泵。定向钻进施工时，泥浆泵作为高
压水驱动孔底马达的动力源，是保证施工顺利进行
不可缺少的关键装备。打捞施工过程中，泥浆泵同
样必不可少，其可以提供具有稳定流量与压力的高
压水介质，以满足打捞钻进施工时的排渣要求。
3．3 打捞钻具
(1)打捞钻杆。打捞钻杆是套铣打捞施工顺利
实施的关键。与普通钻杆相比，套铣打捞钻杆不仅
具有与套管相似的大通孔结构，而且钻杆整体强度
高，且内、外壁平。图3为(2j95 mm打捞钻杆，主要
用于 73 mm通缆钻杆、无磁钻杆以及相同规格定
向钻具的打捞。
图3 直径95 mm 打捞钻杆
(2)打捞钻头。套铣打捞施工时，打捞钻头应
与打捞钻杆配合使用。打捞钻头采用与套管鞋或取
心钻头相同的大通孔结构，其钢体外径与打捞钻杆
外径基本一致，钢体外部与底部唇面按照不同部齿
形式，镶嵌一定数量的切削齿。按照切削地层岩性
的不同，打捞钻头分为硬质合金打捞钻头与PDC打
捞钻头2种(图4)。
4 应用实例
4．1 事故概况
某煤矿使用国产ZDY6000LD全液压动力头式
坑道钻机、f2j73 mm定向钻具及YHD1—1000型随钻
测量系统进行井下本煤层瓦斯预抽钻孔施工。钻进
2013年第8期 赵建国。等：套铣打捞技术在定向钻进事故处理中的应用 总第212期
过程中，由于孔壁坍塌，造成孔内碎屑堆积，出现埋
钻情况，强力回转起拔之后，孔内钻具发生断裂。其
施工轨迹如图5所示。
(a)PDC钻头 (b)硬质合金钻头
圈4 打捞钻头
图5 钻孔施工轨迹
4．2 打捞方案
结合事故特点，综合考虑套铣打捞与反丝锥打
捞2种打捞方式的特点，最终决定采用套铣打捞。
打捞设备仍采用现场配备的ZDY6000LD型全液压
坑道定向钻机，其主轴通孔较大，可通过现场配备的
95 mm套铣打捞钻杆，无需更换动力头，但需更换
动力头主轴卡瓦与夹持器卡瓦。泥浆泵采用现场配
备的3NB320—118／3—8型泥浆泵。采用钻具组合为：
(2j133 mm PDC打捞钻头+ 95 mm打捞钻杆+转
换接手+(2j73 mm送水器。
4．3 打捞过程与分析
(1)打捞钻进。打捞钻进施工严格遵循低转
速、低钻压、小泵量的钻进原则。打捞钻进之前，可
在打捞钻杆内壁涂抹一层黄油，减少打捞钻杆与孑L
内钻具间的摩擦，降低回转阻力。正常钻进回转钻
进时，采取低转速、慢给进的钻进方式，回转压力保
持在4—6 MPa，回转速度为60 r／rain左右，给进压
力保持在2 MPa以内，给进速度保持在6 m／h。泥
浆泵采用二档供水，泵量为165 L，并根据孔口返渣
情况适时调节。打捞钻进时，应当充分考虑煤层中
潜在的不稳定因素，当钻遇破碎、高瓦斯区域煤层
时，应密切关注孔口反水与钻机回转、给进起拔压力
变化，一旦出现回转、起拔压力增加、孑L口返渣增多
等异常情况，应立即停止给进，进行反复倒杆冲孔，
避免钻渣碎块堆积诱发二次孑L内事故。反复倒杆冲
孔无效情况下，可考虑向循环水中添加入洗孔液，增
加循环水黏度，以提高水力携渣效果。
(2)卡取孔内钻具。孔内钻具的卡取是打捞成
功的关键。若打捞钻杆成功卡取孔底马达弯头部
位，孔内钻具会随着打捞钻杆的旋转而转动。孔内
钻杆完好(无钻具断裂情况)状态下，旋转打捞钻具
时孔口显示的马达工具面会随之变化，说明打捞钻
具成功卡取孔内被打捞钻杆，可试探性提钻。若孔
口监测显示马达工具面仍随打捞钻杆转动而变化则
说明成功卡取。若孔内钻具出现断裂，孔口监视器
无法监测到孔内探管信号，在打捞钻头钻至近孔底
马达弯头部位(图6)时，可根据泥浆泵压力与动力
头回转压力变化判断是否卡取成功。若泥浆泵压力
与钻机回转压力出现跳动，随后逐渐平稳，说明打捞
钻杆成功卡住孔内落鱼。该次打捞孔内钻具处于断
裂状态，当打捞钻头钻进至近马达部位时(189 rl1)，
泥浆泵压力突然升高至6 MPa，随后压力稳定在3—
4 MPa，可基本判定打捞钻杆成功卡取孔内落鱼。
由于孔内落鱼距孔底仍存在一段距离，为确保打捞
钻杆完全卡住孑L底马达弯头，继续向前钻进至孑L底，
再进行提钻。
打捞钻头 孔底马达 打捞钻杆 被打捞钻杆
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图6 卡取孔内钻具示意
(3)提钻。提钻时，钻机操作要稳，避免被打捞
钻杆从打捞钻杆内脱出。提钻采用孔内钻具与打捞
钻具交替卸扣的方式，直至将打捞钻杆与孔内钻具
全部提出。此次打捞施工从4月9日零点班开始，
至4月10日下午4点班圆满结束。
5 结语
采用套铣打捞技术成功打捞出随钻测量定向钻
孔内216 m处断落的孔底钻具组合，为施工单位挽
回经济损失的同时，保证了煤矿井下近水平瓦斯抽
采长钻孑L施工的顺利进行。该技术的成功应用证
明，套铣打捞技术是解决煤矿井下近水平定向钻孔
孔内卡、埋钻及钻具断落事故的有效方式之一。
据不完全统计，采用套铣打捞技术处理定向钻
进孔内卡钻、埋钻以及掉钻 (下转第79页)
· 77 ·
2013年第8期 刘进奎：莱新铁矿井简及硐室施工中的光面爆破控制 总第212期
分析，并采取了相应措施。
备注：钻z1身高较高，无论北侧和南侧
拱部中间均由其操作；钻工2长期往左打
钻．控制角度较好，其始终钻进左侧炮
眼；钻工3适应右侧打钻，其12层马头门
均由其施工右侧炮眼。
(a)1班
备注：钻工4熟悉拱部中间打钻，无论北
侧和南侧拱部中间均有其操作；钻工5长
期往左打钻，控制角度较好，其始终钻进
左侧炮眼；钻工6适应右侧打钻，其l2层
马头门均由其施工右侧炮眼。
(b)2班
图1 “三定”人员分布示意
(1)人员方面。劳动态度差、不按光爆图表施
工、分工不明、管理不严、检查不力、培训未到位，技
术低。解决方法：严格劳动纪律、出台奖罚制度；定
人定岗，健全岗位责任制；加强管理，分奖全罚；加强
培训工作，岗位练兵。
(2)设备方面。钻具老化、钻杆、钻头质量差，
易变形、钻杆长度不合理。解决方法：加强维护，及
时更换；新购一批质量好的钢钎和钻头钻杆，将旧杆
裁短。
(3)管理方面。制度不健全、光爆标准及措施
交代不清。解决方法：岗位责任制再完善细化；技术
员在班前会上贯彻标准及措施。
(4)工艺方面。爆破图表没随岩性变化更改、
周边眼及内圈眼间距不合理、打眼角度及深度控制
不好。解决方法：按不同岩性，由地质员协助及时调
整爆破图表；严格按爆破图表操作；技术员跟班现场
培训，严格管理。
(5)地质方面。地质条件复杂，工作面淋水大。
解决方法：及时调整爆破图表。
4 应用效果
从莱新2 副井的光面爆破控制来看，过程比较
(上接第77页) 事故的成功率在50％ 左右，即套
系打捞方法不能百分之百保证孔内钻具的成功打
捞。其打捞成功率不仅受打捞工艺的影响，还受到
事故孔段地质条件、钻孔自身参数以及操作人员的
经验与技术水平等综合因素的制约。因此，在出现
孔内事故时，应综合考虑分析各种因素，制订出合理
的打捞方案，才能最大限度地降低打捞风险，提高打
捞成功率。
复杂，但效果显著，在施工中保证了安全、质量、效
益。由于460 m以上地层复杂，实现光面爆破困难；
而从460 m以下实现光面爆破后的各项指标可以发
现，实现光面爆破后安全、质量、经济效益各方面的
成果显著。
(1)安全方面。460 m以上发生2起片帮伤人
事故，460 m以下未发生一起安全事故。发生片帮
伤人事故的主要原因为掘进时光爆效果不佳，出现
超挖现象，临时支护困难，支护不到位，围岩整体性
破坏较严重。光爆效果较好的井筒及硐室眼痕率大
于50％ ，围岩稳定性较好，支护容易、牢固。
(2)质量方面。通过掘进分项检查表统计，460
m以上超、欠挖量为3％ ；460 m以下超、欠挖量不足
0．05％ 。
(3)效益方面。2 副井井筒净直径7 m，壁厚
0．5 m，每个施工段高为4 m，理论出矸量为每个段
高200 m ，在光爆较差井筒部位平均每个段高出矸
量在300 m 以上，按照使用4 m 吊桶计算，每个段
高多排矸石100 m ，提升机上下运行超设计25次，
每次上下运行时间为6 min，耗时4 h。每上下运行
一次耗电约100 kW。实现光爆后每次出矸量控制
在250 m 以下，省时、省力、省钱。设计每个段高浇
筑混凝土量为39 m ，井筒施工时未达到光面爆破
部分平均每个段高浇筑混凝土约58 m ，达到光爆
后浇筑量控制在45 m 以内。
参考文献：
[1] 崔云龙．简明建井工程手册[M]．北京：煤炭工业出版社，
2000．
[2】 董方挺．井巷设计与施工[M]．徐州：中国矿业大学出版社，
2004．
(责任编辑：秦爱新)
参考文献：
[1] 姚宁平．我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展[J]．煤田
地质与勘探，2008，36(4)：81-83．
[2] 张群，石智军，姚宁平，等．我国定向长钻孔技术和设备应用现
状分析与建议[J]．中国煤层气，2007，4(2)：1O—l3．
[3] 石智军，田宏亮，田东庄，等．煤矿井下随钻测量定向钻进使用
手册[M]．北京：地质出版社，2012．
(责任编辑：秦爱新)
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