矿用千米钻机钻杆打捞工具改进及应用分析

康腾飞

（晋能控股装备制造集团长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048400）

目前，国内煤矿的掘进深度为20～50m/a，目前已有50 个矿井深度在800～1200m 之间，在20a 内，我国许多煤矿的开采深度将达到1000～1500m。随着开采深度的逐渐增加，煤层的分布特征表现为高应力、高地温、高孔隙水压等特征，并且冲击地压、煤与瓦斯突出、底板突水，高地温等类型的地质灾害出现的频率也越来越高。

在我国矿井发生的主要灾害中，有70%是由于瓦斯造成的。当前煤矿的开采深度大，地应力大，瓦斯压力大。煤层渗气性差，煤层预抽难度大，煤层瓦斯排出量大，且煤层地质情况复杂，易出现煤与瓦斯突出现象。

随着瓦斯治理的日益困难，采用千米钻井技术来进行瓦斯抽排。在千米钻井平台上，因井下塌孔、遇软煤等原因，压杆、断杆等问题出现的频率日益提升。这主要是因为在钻杆线上承受的承压能力很低，在钻井时突然增加的压力没有得到合理的控制，而且钻井工人缺乏足够的技术和经验，导致了在打捞中出现了断裂和压杆现象。电机、DGS、铜钻杆等设备的成本较高，并且采购周期较长，造成设备被压进井中，从而延误了工程的进度，这会带来很大的经济损失。

1 现有钻杆打捞工具存在的问题

常用的打捞工具是公锥体和母锥体，其作用是将落入井中的钻具捞起，或者将钻具从某个位置解扣，并将脱扣点移到孔口段。然后，根据钻孔的具体条件，选择反丝公锥、反丝母锥进行打捞。在过去的一段时间，在千米钻井中出现了卡钻和钻杆断裂的情况下，都是用常规的公、母锥与原来的断裂钻杆相结合，再进行卡钻现象的处理。但是，在实际操作中，有下列问题：①常规的公锥体或母锥套接断裂的钻杆后，在拔出钻杆时易出现脱节。②常规的公、母锥在使用后，大多会损坏或磨损，通常不能再次使用[1]。

2 新型钻杆打捞工具的研制

由于传统的打捞钻杆工具在打捞时易发生脱节，因此，利用膨胀螺栓的原理，开发和制造了一种新型的打捞母锥和公锥。

2.1 新型钻杆打捞母锥的研制

（1）打捞母锥基本结构。新钻杆打捞母锥主体包括：钻杆接头、打捞本体、锥度衬套、止退套等4个部件，其构造见图1。

图1 新型钻杆打捞母锥结构（单位：mm）

具体新型钻杆打捞母锥结构描述如下：①钻杆连接：选择被打捞的钻杆，母扣端长200mm，必须保证丝扣的完整。②打捞钻杆主体：采用直径350mm、直径为114mm的无缝钢管，最右侧为渐缩体，与图中锥形套管相匹配的部位为渐开体，与锥形套管形成间隙配合。③锥度衬套：选用∅108mm×6mm 的无缝钢管，长度为70mm。外表面与图1中的圆锥部分相配合，其内部表面被加工成具有1mm螺距的细齿螺纹。该锥形套管是由2个圆锥安装于打捞主体内，锥形套管的内径为91～92mm。④止退套：选用∅108mm×6mm的无缝钢管，长度为30mm，加工成∅102mm×92mm的环形圈，根据图纸的尺寸，将其焊接到主体内部。将钻杆连接件与打捞主体紧密地焊接，保证焊缝的同心度为0～0.05mm。

（2）新型钻杆打捞母锥的工作原理。采用新的钻杆打捞母锥时，先将∅90mm的打捞钻杆公丝环与新的母锥母丝扣相连接，然后将其固定在一根3mm的打捞钻杆，用钻具将钻杆及母锥体缓慢送入钻孔中的折断位置，当打捞母锥体靠近破裂的钻杆点时，减缓推进速率，将断裂的钻杆平稳地插入到打捞母圆锥形套管中，并将其插入到钻杆的连接点，然后操纵钻机，转动钻杆，将钻杆在钻孔的同一时刻缓缓后撤。这时，锥形套管会收紧断裂的钻柱，在打捞钻头的同时，将钻头从钻孔中拉出来，将钻头与断裂的钻头紧紧地缠绕在一起，直到将断裂的钻头从钻孔中拉出来。

2.2 新型钻杆打捞公锥的研制

（1）打捞公锥基本结构。打捞用的新的打捞工具由打捞本体、锥形衬套、油缸组成，钻杆连接件4个部分组成，构造见图2。

图2 新型钻杆打捞公锥结构（单位：mm）

具体新型钻杆打捞公锥结构描述如下：①打捞主体：采用∅102mm×8mm 的无缝钢管，长400mm，最左边的一端是圆锥，中部是渐缩的锥形，渐缩锥从中间到顶端有3个直径为12mm的透明孔。②内锥形衬套：一种具有80mm 长的内锥形衬套，在衬套的外侧为细牙螺纹，螺纹间距为1mm，由3个三分之一的内锥轴套构成。③推进式液压缸：自行加工140mm 长的液压缸，在活塞本体中间加工2 个“O”形凹槽，并在凹槽中安装“O”形密封环。将3 个锥形轴瓦与缸体的一端用∅10mm圆钢进行焊接。在焊接后，保证圆锥轴瓦在气缸的驱动下进行往复运动。④钻杆连接：采用90mm的打捞钻杆，取母扣端长100mm，以保证丝扣的完整。将钻杆连接件与打捞主体紧密地焊接，保证焊缝的同心度为0～0.05mm。

（2）新型钻杆打捞公锥的工作原理。采用新的钻杆打捞工作锥时，先将∅90mm打捞钻杆公螺钉与新型打捞公锥母丝相连，再在尾部接上一根打捞钻杆，用钻机将打捞用的公锥体和钻杆送入钻孔内，将新的打捞公锥体插入到断裂的内壁1.5～2m 处，然后起动，利用供水压力将新型打捞公锥内的液压缸推向最大冲程，从而使内锥式套管充分打开并与断裂的钻杆内壁充分接触。操纵钻头，将钻头转动，将钻头在钻孔内的时候慢慢地将钻头从钻孔中拉出来，这时，钻头就会压住压碎的钻头，并将钻头从钻孔中拉出来，新的救生器与断裂的钻杆紧密地粘在一起，直到将断裂的钻杆从井中拉出[2]。

3 新型钻杆打捞工具的应用

3.1 工程应用背景

晋能装备制造集团公司某煤矿是一座瓦斯含量较高的煤矿。为了加强对天然气的控制，我公司引进了一台VLD-1000钻机，该钻机最大可钻深达1000m，钻直径96mm，以提高天然气的综合利用效率。在施工中，孔内钻杆的前端与DGS导向系统、电机（弯管）、无磁绝缘钻杆、钻头等设备相匹配。在施工期间，钻机驾驶员可以根据不同的煤层状况，随时调节弯曲的角度，推动排出孔沿着煤体排列，实现了对中、长孔钻井的钻探。但是，随着钻井深度的增大，钻杆使用寿命的延长，在钻具的施工中，往往会发生断裂[3]。

2015年3月31日，千米钻机在1400 抽放巷4 号钻场4 号钻孔施工到402m 时，由于钻杆卡住，钻机驾驶员在进行打捞作业时，8号钻杆（前公螺纹）断裂。导致1组DGS 导向系统、电机、非磁性钻杆、钻头、4 个常规∅70mm钻杆掉入钻孔内[4]。

公司的抽采单位在事故发生后，立即制订了打捞计划。抽放组当即按照计划实施，具体实施方案是：用一根∅90mm 的钻杆（专用的空心钻头）沿原来的钻孔轨迹扩大到断裂的位置，再用公圆锥进行打捞。在用∅90mm钻杆进行扩孔工作到204.9m的时候，∅90mm的钻杆断裂，6 个∅90mm 的钻杆从孔里掉了出来。在∅90mm 钻杆断裂的情况下，公司的有关负责人立即与生产部门的技术人员联系，并由生产单位的技术人员使用∅114mm 的扩孔器打捞出钻杆。在用∅114mm扩孔器打捞钻杆时，钻杆脱落了5个孔，使得整个打捞工作变得更加艰难。

在1套钻杆和2套打捞钻杆断裂掉入井中后，分别使用公丝锥和母丝锥对其进行了套接，但都没有效果[5]。

3.2 工程应用过程及结果

由于∅114mm 打捞钻杆是一种特殊的打捞钻杆，在钻孔中脱落5 个∅114mm 的打捞钻杆，目前市面上还没有相应的打捞设备。因此，利用自行开发和制造的新型打捞工具，将5 个从钻井中脱落的∅114mm 打捞钻杆成功地打捞了出来。

∅90mm打捞钻杆落入井中后，尽管厂家技术人员立即为其配备了一套专门的打捞母锥，但是在现场作业中，打捞母锥与断裂的钻杆对接后。打捞母锥体与断裂钻杆的脱钩现象屡次发生，致使∅90mm的打捞钻杆未能成功。采用以上所述的打捞母锥工具，一次成功地进行了现场打捞[6]。

4 结论

（1）为了解决当前千米级钻井平台上的钻井作业中出现的问题，创新开发了一种新型的打捞工具——公锥、母锥。

（2）晋能控股装备制造集团某煤矿一次打捞作业中，采用了一种新的钻杆打捞母锥和公锥，其打捞工作取得了较好的效果，为公司挽回了300余万元的经济损失。

（3）与目前市面上常用的常规钻井工具相比，新的钻杆打捞母锥、公锥的使用具有显著的可靠性和适应性。尤其是在打捞异型钻柱时，在市面上很难找到与之匹配的打捞母圆锥体和公圆锥体。按照上述的新钻柱打捞母、公钻的工作机理，可以由矿井自行加工。这种方法具有很大的应用前景。