邵志勇，孙文华，褚文营

(1.中原油田普光分公司应急救援中心，四川达州 6350002.中原油田消防支队，河南濮阳 457000)

救援钻孔装备选型及技术应用

邵志勇1，孙文华2，褚文营1

(1.中原油田普光分公司应急救援中心，四川达州6350002.中原油田消防支队，河南濮阳457000)

通过对中原油田定向钻井技术和国家矿山应急救援队高效车载式钻机的分析，探讨大孔径定向钻孔救援关键技术及配套装备的选用，能够在矿山事故现场实现有效钻孔，给事故现场被困人员建立通讯和生命通道，及时输送氧气、饮水、食品和救援物资，为巷道掘进、巷道排水等救援工作争取时间。

钻孔 救援装备 装备选型 定位技术

矿井发生透水、冒顶、瓦斯突出等灾害事故时，常导致井下巷道堵塞、矿工被困，传统救援技术无法在短时间内打通救援通道、实施有效救援，往往会造成不必要的人员伤亡。

1 钻孔救援装备选型

结合矿山救援现场的要求，钻孔救援装备应当具备钻孔深度大、钻孔速度快、便于运输等特点，车载式钻机是最佳选择，具有机动性好、适用场地小、便于安装等特点。目前，石油行业中使用的空气钻(氮气钻)能够承担7 000 m以内施工任务，且配备车载空气压缩机、旋转防喷器等装备，在普光气田开发建设中发挥了重要作用，完成了多口井的钻探开发。

2 救援钻孔定位技术

2.1 现代钻探定位技术

在矿山救援中，准确钻孔直接关系到被困人员的生命安全，因此定位钻孔技术至关重要。目前，煤层气开发中的水平井、直井连通技术在国内外已被广泛应用。2007年，中原油田40583钻井队完成的H4-L井，在国内创造首例水平井与定向井连通成功的记录；2011年9月17日美国钻井承包商在沙特ANDR-30井进行大修井作业，发生井喷失控，钻机主体设备全部烧毁，在3部参与救援任务的钻机中，中原油田沙特公司SINO-15队采取定位磨穿事故井套管，实施压井作业，成功处置井喷火灾。

2.2 定向仪器选用

2.2.1常规定位系统

常规定位系统利用大地的重力场、磁场和天体坐标系，产生与这三种测量媒介有关的测量仪器，常用有MWD无线随钻仪器或LWD地质导向仪器。该类系统对救援井要求有详细的巷道走向、深度和方位等资料来确定明确目标靶点，可分辨地层，确定地层岩性，砂泥岩含量评价。

2.2.2磁矢量测量定位系统

能够在无法确定巷道具体位置，只有大致方向的情况下，利用煤矿存在金属的特点，采用磁矢量测量定位系统，此系统可以检测到距离钻头50 m范围内地层中金属物体。

工作原理：利用原井眼内遗留的金属材料，如套管、钻具等具有电磁传导特性的物质具有的磁性特征，在钻井施工过程中，MWD或LWD工具中装入正交矢量强磁感应接收短节，通过磁场感应的强弱来精确计算新钻井眼与磁性物体之间的距离和方位。磁矢量测量定位是随着特殊井的需要而发展起来的，诸如救援井、稠油开采双水平井(水平注蒸汽、水平抽油)、多分支井连通等。

2.2.3旋转磁场定位系统(RMRS)

此仪器要求提前在巷道中放入探管，钻头上接强磁短节，探管通过计算机接收信号。

工作原理：巷道洞穴中放入特制的旋转磁场定位系统(探管)，连接计算机；在水平井中的钻头和马达之间接入一根强磁短节来发射磁场，由直井中旋转磁场定位系统接收，并及时把信息传送到计算机中，连通工程师根据传送的信息判定钻头钻进的方向与洞穴连通点位置的方位，然后下达指令给定向工程师，再由定向工程师不断控制钻井中钻头井斜、方位，以调整井眼轨迹剖面直至连通。探管一般在80 m之内，就可以接受到强磁发射的信号，距离越近，反应愈明显。

2.3 定向钻井快速施工技术

定向井是指按照事先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻进的井，主要应用于地面环境条件限制、地下地质条件要求、处理井下故障要求三个方面。在石油钻井中多数井为定向井，主要技术包括：直井段防斜打直技术、定向造斜技术、控制段轨迹控制技术、定向井安全施工技术等。

快速施工技术中，施工速度主要取决于装备功率大小、泵排量大小、井眼尺寸、地层可钻性等因素。目前，中原油田内部钻井速度常规井眼尺寸可达到400 m/d水平，考虑到救援井上部地层疏松，可钻性好，预测215.9 mm井眼平均机械钻速可达到45 m/h以上，660.4 mm井眼平均机械钻速可达到20 m/h以上。

3 大孔径救援钻孔技术

3.1 井眼尺寸的选择

国际上钻头大小一般有12个尺寸，救援钻孔建议采用牙轮钻头。国内钻头厂家可提供大部分尺寸钻头。

救援井需建立通讯、氧气输送、饮用水及食物输送时，建议采用311.1 mm或215.9 mm尺寸井眼，该钻头尺寸较小、钻速高，定向井易于施工，特别是215.9 mm井眼定向技术最为成熟。需通过通道下入救援舱救人时，建议采用660.4 mm或更大尺寸钻头，此类型井眼钻进速度慢，定向配套工具少。

3.2 钻井方式选择

钻井方式主要是钻井液钻井和空气钻井的选择。

a)钻井液钻井。可钻性好的地层，该技术成熟，可对付一般井塌、井漏、缩径、盐层等井下复杂情况。

b)空气钻井。空气钻井技术利用空气作为钻井流体进行钻井，常用于钻井液钻井无法施工或钻速过慢情况，该技术钻速快且单个钻头进尺高。缺点是井下出水易造成井壁不稳定和携屑困难，而且由于空气中存在氧气，容易发生井下燃爆。另外，还有采用氮气钻，氮气钻井可以克服爆燃问题，但存在成本高和现场供应困难等问题。

因此，在救援过程中，要结合实用性、总气量、所需气体的供给速率及化学相容性等因素，选择合适方式。

3.3 定向施工与钻具结构选择

3.3.1直井段防斜打直

造斜点深度小于500 m，采用塔式或钟摆钻具组合，严格控制钻压、保证井斜角不大于1。

3.3.2定向点选择

定向点的选择应充分考虑地层稳定性、可钻性的限制。尽可能把造斜点选择在稳定地层，避开软硬夹层、岩石破碎带、漏失地层、流沙层、易膨胀或易坍塌的地段，以免出现井下复杂情况，影响定向施工。定向点深度根据设计井的垂深、水平位移和选用的轨道类型来决定。

3.3.3剖面选择

常用剖面有“直-增-稳”三段制、“直-增-稳-降-直”五段制、“直-增-稳-增-稳”双增剖面等。根据施工要求和目标点选择具体剖面，剖面选择越简单越好，尽量选择三段制，避免五段制。

3.3.4定向造斜

a)靶点深度影响。对于靶深度较浅地层可钻性较好的大斜度定向井，可以使用动力钻具把井斜增到20°以上甚至最大井斜，减少或避免转盘增斜的同时增(或减)方位的不良后果；对于靶深度比较深、地层可钻性较差的大斜度定向井，为了提高钻井速度，可把造斜点提前，缩短动力钻具造斜段，增大转盘增斜段，由于增斜段较长，若井斜、方位不合适，有调整余地。

b)合适的全角变化率。造斜段井眼曲率选择要合适。井眼曲率过大，一方面井身质量会超标；另一方面会给下部钻井施工造成困难。但井眼曲率也不能太小，太小往往需要增加造斜段长度。实践总结出，动力钻具造斜段采用1°～1.25°单弯螺杆，造斜率控制在10～15°/100 m。

3.4 定向井安全施工措施

a)短程起下钻。定向井特别是大斜度定向井由于钻屑的自重作用，极易在下井壁形成“砂床”，不易被钻井液带出，严重时会造成“砂床”卡钻。而短程起下钻可以破坏“砂床”，再通过循环钻井液带出井眼，从而达到清砂的目的。施工中规定斜井段每钻进200 m(或40 h)要短程起下钻一次。

b)保持钻井液润滑性。大斜度井易形成“砂床”，钻具躺在下井壁，极易发生压差卡钻，因此，要求此类井的钻井液既要有较强的携砂能力，又要有较好的润滑性。允许混油的定向井，要及时混原油，原油含量达到8%～10%。

c)简化钻具组合。定向井进入深井段或井斜较大时(大于30°)应及时简化钻具组合(减少扶正器的数量，少使用钻铤、多使用加重钻杆等)。测完多点通井，必须甩掉扶正器及无磁钻铤。

d)活动钻具和划眼方法。钻具在斜井段静止不得超过3 min；活动钻具禁止原地转动，以大幅度上下活动为主；禁止接单根测斜；斜井段划眼以冲、通为主，可以快放划眼，若划眼速度过慢，应及时分析原因，采取必要措施，防打出新井眼。

e)排量保持井眼清洁。311.1 mm井眼排量<55 l/s,215.9 mm井眼<28 l/s。

f)改变钻具组合(特别是弯接头定向组合)下钻遇阻不超过10 t，禁止硬压、硬砸，弯接头定向组合不可划眼。

g)裸眼斜井段应Ⅰ档起钻，禁止转盘卸扣。

3.5 空气钻井技术

3.5.1空气钻作业基本条件

a)地层压力剖面、岩性剖面和油、气、水性质清楚。

b)裸眼井段不应存在多个压力系统、易垮塌地层和高产水层。

c)地层流体中硫化氢含量不超过20 mg/m3。

d)可安装、使用溢流控制和处理装置。

3.5.2现场准备

a)井场外100 m远应挖一燃烧池，其容积由钻井工程设计提出。燃烧池应进行防渗和防垮塌处理。从井场到燃烧池铺设一条路面，便于驾设燃烧管线。

b)在上风方向设立风向标。

c)井场配备有足够的带快速接头的正压式空气呼吸器；配备与空气呼吸器配套的空气压缩机，空气压缩机应安放在上风口处。

d)应储备足量的气体中毒抢救医疗器械及药品，现场应备有足够的清水。

e)套压接近设计上限时，应及时采取措施；如套压值经采取措施后仍上升，关应闭封井器，调整钻井液密度。

3.5.3空气钻安全施工措施

a)钻井时，要求送钻均匀，并注意立管压力及井下情况，发现立管突然升高、扭矩变化、憋跳严重、上提遇卡等井下异常现象时，应立即停钻，活动钻具，循环观察，及时处理。

b)由于空气不可能悬浮岩屑，空气钻井时，起钻或接单根前必须进行充分循环，将井下钻屑或其他沉积物带到地面。循环时间长短取决于井下情况，具体应观察排岩管线出口，确认钻屑含量明显降低，才能开始起钻或接单根作业。

c)原则上每钻进100～300 m测斜一次，实际根据层位变化，邻井资料和井身质量控制效果来调整测斜间距。

d)观察分析取出岩屑的粒度、湿度和返量，判断井下出水量大小及井壁稳定性，根据不同情况分别采取循环、增大注气量等措施。

e)当钻速较快或存在放空现象时，控制钻时在3 min以上。

f)每2趟钻须对钻铤及辅助工具进行探伤检查，尽可能减少钻具事故。根据发生的钻具问题及时调整钻具结构。

g)全烃含量达到3%或有硫化氢时，立即停止注气，实施关井程序，放喷点火，采取防回火措施。

4 结语

中国石油、中国石化等大型石油石化企业具有成熟的钻井施工和工程服务能力，能承钻7 000米以内的石油天然气井、煤层气井、地热井、盐井以及老井修复等工程，拥有多套MWD和LWD仪器，可提供钻井工程设计、地质录井、钻具工具供应、定向井、水平井工程技术、随钻测量、陀螺测斜、陀螺定向等技术及服务，具有较强的钻孔救援施工能力，对未来复杂矿山救援具有重要意义。

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[3] 李新宏,张志军.导向钻进非开挖地下管线施工技术的应用[J].西部探矿工程,2004(02)：109-111.

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RescueDrillingEquipmentSelectionandApplication

Shao Zhiyong1, Sun Wenhua2, Chu Wenying1

(1.Zhongyuan Oilfield Puguang Branch Emergency Rescue Center, Sichuan, Dazhou，635000 2.Zhongyuan Oilfield Fire Detachment, Henan, Puyang，457000)

Through the analysis of Zhongyuan Oilfield directional drilling technology and the National Mine Emergency Rescue Team efficient vehicle rig，this paper explores the large diameter directional drilling technology and rescue key accessory equipment selection to achieve effective drilling in the mine accident scene for trapped personnel to establish communication and life channels, timely delivery of oxygen, water, food and relief supplies for roadway excavation, roadway drainage and other relief efforts.

drilling; rescue equipment; equipment selection; location technology

2016-03-28

邵志勇，工程师，2007年毕业于中国人民武装警察部队学院消防工程专业，现在中原油田普光分公司应急救援中心从事应急管理培训等工作。