“半合式”封闭钻孔环状空间孔口装置研发与应用

李 开 聂新明

（1.冀中能源股份有限公司东庞矿，河北 邢台 054201；2.中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北 石家庄 050031）

1 研发背景

在钻探施工过程中，因技术要求，需要做钻孔抽水、压水试验，用来获取钻孔的涌水或漏失及其他水文情况。使用传统的封孔孔口装置[1]，需要把孔内钻具全部提出孔外，严重影响施工进度。“半合式”封闭钻孔环状空间孔口装置的研发，可在不提钻的情况下完成压水试验，既可以大幅度缩短工期，又能减少工人的体力劳动，同时也降低了孔内事故率[2-5]。另外，当钻孔一旦发生岩屑埋钻事故，钻杆将不能提出孔外，需要对钻孔环状空间进行封闭，实施压水或注气处理，封孔装置是一种理想的装置。

2 结构原理

“半合式”封闭钻孔环状空间孔口装置，总体设计为上下两部分，用法兰连接成一个整体，如图1 所示。

图1 “半合式”封闭钻孔环状空间孔口装置结构图

此装置可分解为上盘和下盘两部分。（1）上盘配件大多设计成两个半块而后合为一个整体，称之为“半合式”。上法兰盘制作成两块，“揣手”对接，“揣手”接缝处用密封胶密封。上、下法兰接触面加工有“子母扣”，“子母扣”间压装密封圈实现密封（图1A 放大）。上法兰体上面分别对应加工两半式密封盒，密封盒外加工有密封盒紧固耳，通过螺栓夹紧。密封盒内安放密封橡胶圈，密封圈均沿着轴向切成两半，密封圈切缝与密封盒接缝应错位安放，密封圈压盖对缝与密封盒对缝以及密封圈切缝均需错位安放。密封盒与密封圈压盖用螺栓联接，通过调整螺栓的松紧来调整密封圈对孔内所需密封钻杆或钻具的密封程度。（2）下盘主体是由下法兰与孔内的同型号套管构成。下端加工套管公扣与井内套管相连，下部管体侧面装有压力表和管接头，压力表用以采集压力数据，管接头应用时加装安全控制阀门,连接压水或注气设备。下法兰上面加工有母口，母口内置O 形密封圈，与上法兰体下面加工的子口对接密封。（3）上下法兰用高强度螺丝联接。

3 钻孔压水试验孔口装置在煤田防治水领域应用

3.1 煤田防治水工程实例

冀中能源股份有限公司东庞矿北井9400 采区奥灰区域注浆改造一期工程，该项目最初设计DB1和DB2 两个地面主孔，11 个水平分支孔。根据工程需要，进行了多次设计变更，最后确定为DB1、DB2 和DB3 三个地面主孔，40 个水平分支孔。工程布置如图2 所示。

图2 工程设计钻孔轨迹平面投影图。

根据煤矿带压开采地面区域治理技术管理有关规定[2-3]要求：地面定向多分支注浆钻孔在钻进过程中，当钻井液消耗量≥5 m3/h 时，应起钻注浆；如果钻孔内泥浆长距离出现不消耗时或泥浆消耗量＜5 m3/h 时，要每钻进100～150 m 先进行孔口压水试验，根据压水试验结果，确定注浆参数。若压水过程中压力上升快，且在最小泵量(35 L/min)压水时计算单位吸水率小于0.01 L/MIN.m.m，则不需要注浆，可以继续钻进，进行下一孔段施工。为此，在一个分支孔施工过程中往往需要多次孔口压水试验或注浆，频繁使用孔口装置对钻孔实施密封。

3.2 装置使用方法

（1）使用传统封孔装置每做一次压水试验均需把孔内所有钻具提出孔外，安装孔口装置，接通压水设备管路，通过压力数据，计算出试验段的吸水率，确定是否需要注浆，若不需要注浆，拆卸孔口装置，下钻，继续钻进。

（2）使用“半合式”封孔装置，主孔套管下完固井结束后，就将该装置的下盘与套管联接紧固，继续后施工期间不需拆除。在钻进过程中，长距离泥浆消耗量＜5 m3/h 时，每钻进100～150 m 应进行孔口压水试验，这时不需要把钻具提出孔外，直接将“半合式”孔口装置上盘组件安装在下盘上，完成对钻孔环状空间的有效密封，压水设备管路与下盘管接头相连（图3），通过压水试验获取压力数据，计算出试验段的吸水率，进而确定是否需要注浆，若不需要注浆，卸去上盘组件继续钻进。在钻进过程中，出现孔内泥浆消耗量＞5 m3/h 时，需要压水或注浆，提钻，将该装置上盘用盲板替换，压水注浆设备管路与下盘管接头相连，与传统的孔口装置功能相同。

图3 “半合式”封闭钻孔环状空间孔口装置现场工作图

3.3 两种钻孔孔口装置使用效果对比

正在施工的注浆孔，做孔口压水试验，使用传统的孔口装置，需要把孔内钻具全部提出孔外，地面定向水平多分支注浆钻孔一般情况下设计钻孔比较深，大多在1500 m 以上，提、下钻耗时费力。使用“半合式”封孔装置可以在不提钻的情况下完成压水试验，大大减少了提、下钻次数，减轻工人的劳动强度，降低了安全风险，加快了施工进度。

冀中能源股份有限公司东庞矿北井9400 采区奥灰区域注浆改造一期工程，从2017 年开始施工，目前属于在建工程。工程初始阶段，钻孔孔口压水试验使用的是传统的孔口装置，每钻进80 m 做一次孔口压水试验，如DB2-E5 压水试验时间统计见表1。在该工程项目两年多的施工中，为了加快工程进度，通过现场技术人员不断改革创新，曾先后研制出“分体式”不提钻压水试验孔口装置和“半合式”封闭钻孔环状空间孔口装置。后者是“分体式”不提钻压水试验孔口装置的改良版，在DB1-W4 分支孔正式开始推广使用，其压水试验时间统计见表2。

表1 DB2-E5 分支孔传统孔口装置提钻压水试验统计

表2 DB1-W4 分支孔使用“半合式”封闭钻孔环状空间孔口装置不提钻压水试验统计

对上述表1、表2 进行分析可以看出，采用传统孔口装置进行压水试验，每次孔口压水试验平均耗时14.39 h；使用“半合式”封闭钻孔环状空间孔口装置进行不提钻压水试验，平均每次耗时1.5 h。试验结果表明，使用该封闭钻孔孔口装置比使用传统孔口装置进行压水试验平均一次可节省提、下钻和装卸孔口的时间约12.89 h。

“半合式”封闭钻孔环状空间孔口装置进行不提钻压水试验，在冀中能源股份有限公司东庞矿北井9400 采区奥灰区域注浆改造一期工程项目后续18 个水平分支孔中应用，平均每孔使用6 次，大约可节省提、下钻和拆卸孔口装置时间1 392.12 h，大幅度缩短了施工工期，将获得巨大的经济效益。

4 装置在处理孔内事故中的应用

4.1 事故发生过程

DB3-S2-3 水平分支孔，设计孔深为1 705.35 m，钻进至1 701.50 m 时，孔内突然出现严重漏失，漏失量超过55 m3/h，钻井液处于失返状态，顶漏钻进至终孔。待现场验收完成后，进行提钻作业，称重压力表显示钻具悬重由50 t 逐渐上升至130 t，钻机扭矩表显示高达9 kN·m，钻具无法上提及回转，下部钻具已经被完全埋死。

4.2 处理埋钻事故过程及效果

使用多种传统方法处理[4]无效后，井队尝试用大风量高压“气动”方法对DB3-S2-3 埋钻事故处理，即：用空压机及空气增压机从事故钻杆与孔壁环状空间进行压气作业，大量的高压空气对环空内造成埋钻事故的岩屑、砂床或砂桥等自上而下进行吹刷；当气压达到一定压力后，突然进行放气作业，在钻孔环状空间内就形成了一股高速上升的涡旋气流，对钻孔内造成埋钻事故的固相颗粒自上而下进行抽吸和吹刷即制造出人为“井喷”；通过如此不间断的压气和突放气作业，对造成埋钻事故的固相物进行反复扰动或搬移，以达到事故钻具解埋的目的[5]。

钻孔发生埋钻事故，事故钻具很难提出孔外，使用大风量高压空气做动力处理埋钻事故时，必须要对孔内钻杆与套管间的环状空间实施可靠密封。“半合式”孔口装置是实现对钻孔环状空间理想密封装置，对处理DB3-S2-3 钻孔埋钻事故至关重要。

5 结论与建议

（1）“半合式”封闭钻孔孔口装置，设计合理，实用，密封可靠，拆装方便，是封闭钻孔环状空间十分有效孔口装置。

（2）根据所密封钻杆的外形需要，“半合式”封闭钻孔环状空间装置中心孔可加工成与钻杆外形相匹配的异形孔。

（3）“半合式”封闭钻孔孔口装置，在煤矿防治水工程做不提钻压水试验，埋钻事故处理方面已成功应用，在钻探工程及其他领域的应用有待开发。