陳為民，郝 峰，丁磊明，張部民

(山東省第四地質礦產勘查院，山東濰坊261021)

對于復雜地層鉆探［1］，通常采用套管隔離的方法進行護壁，當鉆孔施工完成后，套管往往會被復雜地層卡、埋住，起拔不上來;同時在深孔繩索取心鉆進中，當發(fā)生孔內燒鉆、卡鉆、埋鉆事故，或鉆頭、擴孔器被巖屑卡住后，鉆桿提不出來。遇到以上兩種情況多用“絲錐反”起拔法［2］處理，即用反絲鉆桿配反絲公(母)錐將套管或鉆桿逐段反開，這樣處理的后果就是:一則采用分段多次起拔可能會使下段處理更加困難;二則破壞絲扣，甚至扭傷鉆桿、套管;三則勞動強度大，處理周期長、成本高，不安全因素多。在長期的鉆探實踐中，我們根據(jù)調研情況，在總結了各種偏(離)心割管器［3－5］、實心活塞水壓割管器［6－7］優(yōu)缺點的基礎上研制了一種新型的貫通式水壓割管器。

1 工作原理及創(chuàng)新點

其總成裝配示意圖見圖1。

圖1 貫通式水壓割管器裝配示意圖

割管器通過鉆桿下入孔內預定割管位置，在隨后投入的阻水器到位后，加之活塞體O形密封圈的作用，沖洗液通道被封閉;開泵送沖洗液后，泵壓隨之升高，漸漸推動阻水器、錐形活塞體自其初始位置向下移動;錐形活塞體迫使短柱狀割刀體自其初始位置慢慢外伸，直至合金切削刃接觸待割管內壁，此時開動鉆機即可進入割管工作狀態(tài)。割管完成，停泵打開回水閥并打撈出阻水器后，整個鉆桿內卸壓，活塞體復位彈簧推動錐形活塞體向上移動，活塞體回歸其初始位置;同時割刀復位彈簧推動割刀體水平內縮移動，割刀體彈回割刀架內。提鉆時沖洗液順著貫通水口流出。

該貫通式水壓割管器創(chuàng)新主要有如下幾個。

(1)設計增加了可打撈式阻水部件，實現(xiàn)了提鉆卸開鉆桿時不再發(fā)生憋水噴漿現(xiàn)象，保證了現(xiàn)場環(huán)保、操作安全、工人干凈(尤其是冬季施工時);提鉆時不產生活塞抽吸作用，不會破壞孔壁;避免了由于深孔時活塞體頂部沖洗液背壓過高，復位彈簧難以匹配、割刀體復位難、不徹底，造成提鉆時割刀頭刮割破壞套管;增加了沖洗液循環(huán)冷卻切削刃的功能。

(2)錐形活塞體上設計增加了多道O形密封圈，既使得工作腔密封加壓可靠又保證活塞體上下滑動自如。

(3)將割刀體常規(guī)采用的薄型彈簧片復位或燕尾槽式滑鍵復位改用螺旋拉伸型彈簧復位，制作更簡單，又增加了其工作強度及復位的可靠性。

2 結構部件制作與加工

首先根據(jù)擬割套管或繩索鉆桿內徑及壁厚確定割管器(活塞套、割刀架)最大外徑及割刀外出刃高度，再依次確定各零部件的相應配套尺寸。在平度大莊子礦區(qū)處理91 mm套管(壁厚5 mm)時割管器最大外徑采用75 mm;山西靈丘腰站礦區(qū)處理S95鉆具(91 mm鉆桿，壁厚5 mm)時割管器最大外徑采用75 mm。主要尺寸選擇可遵循如下原則:割管器最大外徑=擬割管內徑(接箍內徑)－3～4 mm;割刀外出刃高度=擬割管的壁厚+1～2 mm。

(1)可打撈式阻水器:選用45優(yōu)質碳素結構鋼加工，也可選用廢舊的繩索取心撈矛頭加工而成。

(2)活塞套:選用45優(yōu)質碳素結構鋼，厚壁管或圓鋼加工。見圖2。

(3)錐形活塞體:選用45優(yōu)質碳素結構鋼，圓鋼加工。見圖3。

(4)O形密封圈:根據(jù)所選錐形活塞體的外徑確定。

(5)割刀架:選用45優(yōu)質碳素結構鋼，厚壁管或圓鋼加工。見圖4。

(6)活塞體復位彈簧:選用合適的舊彈簧制作。見圖5。

圖2 活塞套

圖3 錐形活塞體

圖4 割刀架

圖5 活塞體復位彈簧

(7)短柱狀割刀體:選用45優(yōu)質碳素結構鋼加工。見圖6。

(8)割刀體復位彈簧:選用合適的舊彈簧制作。見圖7。

圖6 短柱狀割刀體

圖7 割刀體復位彈簧

(9)硬質合金切削刃:選用YT15硬質合金塊鑲焊，然后根據(jù)需要磨制刃尖。

(10)可根據(jù)自有鉆探機具管材型號、施工口徑要求，提前預制割管器備用。

3 適用條件

3．1 擬割管徑

適用于處理管徑70 mm及以上的S75配套鉆桿或套管;小于以上直徑的套管或繩索取心鉆桿因其管內徑太小，割刀復位彈簧難以合理匹配，故該型割管器將受到一定的限制，此時可考慮采用燕尾槽式滑鍵結構實現(xiàn)割刀復位。

3．2 割管深度

采用繩索取心鉆桿做處理機具，其割管適用深度可符合繩索取心鉆桿鉆進深度;若采用50 mm外平ZT520鋼級地質鉆桿(匹配ZT590鋼級以上的鎖接頭)做處理機具，理論上可用于2800 m深孔。鉆桿強度驗算可參考鄢泰寧主編的《巖土鉆掘工藝學》［8］。

4 操作流程及注意事項

(1)將割管器孔外組裝好，通過頂端公扣與上部鉆桿連接，精確下到孔內預定割管位置。

(2)將可打撈阻水器投入鉆桿內，用水泵送水將阻水器送到錐形活塞體上部位置，泵壓開始升高。

(3)繼續(xù)送水的同時，開動鉆機，保持轉速220～300 r/min之間，由于轉速較低，所以割管器對泥漿的介質要求不高，使用鉆孔正常鉆進時的沖洗液即可。另外割管位置須距孔底有一段距離，視孔深、沖洗液中巖粉含量等情況建議此距離≮1.0 m，孔內巖粉皆沉淀于此，以防巖粉沉淀對割管作業(yè)造成影響。

(4)硬質合金割刀接觸套管或鉆桿內壁后，開始正常割管作業(yè)。割管期間注意隨時根據(jù)電流變化調節(jié)水泵壓力。

(5)可根據(jù)鉆機運行電流情況等判斷孔內割管是否成功:割管作業(yè)時鉆機電流比較穩(wěn)定，一旦鉆機電流升高或出現(xiàn)急劇波動，應停止回轉，如上提鉆具遇阻，即可判斷管具已被割斷，此時打開水泵回水閥，卸掉壓力。

(6)用打撈器將阻水器撈出，合金割刀彈回。

(7)將整個鉆桿及割管器提出，完成本次割管作業(yè)。

(8)若本次作業(yè)合金割刀磨損嚴重，未能完全割斷套管或鉆桿，則于孔外更換硬質合金割刀后進入二次循環(huán)作業(yè)。有時因套管或鉆桿割斷處上部因孔壁不穩(wěn)定或巖屑存集產生卡埋鉆情況，即使套管或鉆桿割斷后也可能存在提拉不動的現(xiàn)象，這時要根據(jù)孔內情況重新判定割管位置，實施再次割管作業(yè)。

5 應用實例

5．1 平度大莊子礦區(qū)ZK69－18鉆孔

5．2 山西靈丘腰站礦區(qū)ZK5204鉆孔

該礦區(qū)地層復雜易卡鉆、燒鉆，ZK5204鉆孔用S95繩索取心鉆進到405.1 m時發(fā)生事故燒鉆、卡鉆。強力提拔，打吊錘均沒有效果，后在404.8 m處下入該割管器，一次將鉆具割斷，成功將鉆桿提出。純割管時間25 min。

5．3 山西靈丘腰站礦區(qū)ZK4804鉆孔

用S95繩鉆打到876.5 m遇到復雜地層發(fā)生事故卡鉆。在876.2 m處下入該割管器，2次將鉆具割斷，成功將鉆桿鉆具提出。純割管時間共計50 min。

6 結語

該新型貫通式水壓割管器在處理深孔繩索取心鉆進卡鉆、埋鉆事故中，較好地解決了其它常規(guī)方法勞動強度大、機具易損壞、處理周期長、成本高且不安全因素多等缺陷，具有事故處理效率高、環(huán)保、安全、快捷、可控性高等特點，值得推廣應用。

［1］ 劉錫金．陳臺溝鐵礦復雜地層深孔鉆探施工技術［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(10):41 －44．

［2］ 王年友．巖心鉆探孔內事故處理工具手冊［M］．湖南長沙:中南大學出版社，2011．

［3］ 孔叔平．簡易切管器［J］．探礦工程，1958，(8):38 －39

［4］ 徐光鑫．離心割管器的應用［J］．探礦工程，1974，(4):53 －54．

［5］ 張紹源．用鉆桿制成的簡易切管器［J］．探礦工程，1959，(8):30－31．

［6］ 王晚中．自制水壓割管器及其應用［J］．探礦工程，2001，(5):33．

［7］ 煤田113隊工程科．水壓割管器在起拔套管中的應用［J］．探礦工程，1974，(4):45 －46．

［8］ 鄢泰寧．巖土鉆掘工藝學［M］．湖南長沙:中南大學出版社，2014．