摘要
近年来国内外开展的救援钻孔实践推动了矿山和地下工程应急救援技术的发展，探索出的“小直径生命保障孔+大直径救生孔”模式是进行矿山和地下工程灾害救援的一种有效途径。本文以矿山灾害救援地面生命保障孔钻井工艺为主线，分析了小直径生命保障孔井身结构设计和套管选用方法；分别介绍了泥浆正循环钻进工艺和空气潜孔锤正循环钻进工艺，并以山东栖霞笏山金矿生命救援孔钻进实例分析了当前生命保障孔钻井工艺难点。依据轨迹设计理论，针对笏山金矿救援3号生命保障孔出现的偏斜问题，创新提出了超短距离螺旋纠偏技术，并取得了良好的应用效果，为后续生命保障孔施工积累了宝贵经验。
煤矿开采和地下工程施工过程中，由于地下爆
生命保障孔是从地面向可能存在被困人员的事故区域施工小口径钻孔，一般终孔直径≮152 mm，其功能主要是与井下被困人员取得联系，了解井下灾区和人员情况，为被困人员提供新鲜空气、饮用水、食物、药品等维持生命的基本物品。2015年我国平邑石膏矿坍塌事
因此，我们开展了矿山灾害救援地面生命保障孔钻井技术的研究，在分析生命保障孔基本井型、直井结构、套管选用等基础上，从泥浆正循环钻进工艺、空气潜孔锤正循环钻进工艺、钻进实例等方面总结了生命保障孔钻井工艺。依据轨迹设计理论，针对山东栖霞笏山金矿救援3号生命保障孔出现的偏斜问题，创新提出了超短距离螺旋纠偏技术，并取得了良好的应用效果，为后续生命保障孔施工积累了宝贵经验。
合理的井身结构，就是按照现场救援要求，根据被困人员可能位置、钻遇地层情况、当前钻井设备现状、钻井工艺技术水平、钻井工具条件及施工能力等一系列因素，设计出满足钻井及抢险救援要求的套管程序，井身结构设计合理与否，是关系到该井能否精准透巷、完成救援任务的首要问题。为减少下套管用时时间，地面生命保障孔采用套管程序力求简单，考虑到钻井安全性及实用性的总体特点，通常采用三开结构设计，
图1 典型地面生命保障孔井身结构
Fig.1 Typical structural design of life support holes
一开表层套管以封固松散层、漏失层及易垮塌层等复杂地层为主，防止井下事故，采用大尺寸钻头钻进，保证开钻井眼、完钻井眼相对较大，为后续井段钻头和套管的选择留有余地，一般情况选择Ø311.1 mm钻头开孔，下入Ø244.5 mm表层套管，一般情况下不固井，直接进行二开钻进。
二开钻进，以防斜、防漏、防塌为主，快速精准钻进至距离巷道10~15 m处停钻，一般情况选择Ø215.9 mm钻头，下入Ø177.8 mm技术套管，如果地层涌水量小，可选择不固井，涌水量大时，必须进行固井。
三开钻进，二开套管下入后，无论固井与否，井筒中充满泥浆或清水，继续采用泥浆钻进透巷，会导致泥浆或清水灌入巷道中，对被困人员造成二次伤害。因此在进行三开钻进时，必须先下入小直径常规钻杆至井底，接入空压机将井筒中泥浆吹干，用空气潜孔锤继续钻进10~15 m实现透巷。
由于井深较浅，套管程序较为简单，复杂地层条件下，钻孔宜为四开结构，一开孔径为Ø445 mm，下入Ø340mm×12.00 mm套管；二开孔径为Ø311.1 mm，下入Ø244.5 mm×8.94 mm套管；三开孔径为Ø215.9 mm，下入Ø177.8 mm×8.05 mm套管；四开（透巷）孔径为Ø152.4 mm。
生命保障孔的套管扣型、钢级、壁厚等需做到统一标准，方便展开快速救援作业，通常选用市场上常见规格，便于快速部署。技术套管可以选用无缝钢管、螺旋钢管或石油钢管。套管内径应满足施工井径的需要，套管壁厚以能保证安全下入井内和钻井施工中不发生套管破损、挤毁变形的需要为要求。技术套管材质应符合以下要求：石油钢管应符合API 5A规范；无缝钢管和螺旋钢管应符合《钢结构设计标准》（GB50017-2017）、《普通流体输送管道用埋弧焊钢管》（SY/T5037-2018）、《螺旋钢管》（GB/T9711.1）等有关规定，一般应优选强度较高、塑性较好、刚性较强、可焊性好的普通碳素钢和低合金钢。
成井套管直径宜首选API标准的石油钢管，应采用丝扣连接，且符合API 5A规范，其次选用无缝钢管，采用丝扣连接或电焊焊接连接，螺旋钢管宜采用电焊焊接连接。采用电焊焊接时宜采用埋弧焊或手工电弧焊，条件具备时，宜配合使用熔化极活性气体保护电弧焊，套管壁厚>6 mm时，需在套管端面打设坡口，坡口角度40°左右、深度为3/5壁厚，焊接材料材质应尽可能与套管材质相一致，成井套管连接部位应牢固、同心、密封良好。
在松散覆盖地层，较软地层中和孔内水位较浅时，宜采用泥浆正循环钻进工艺，保证钻进安全性和钻进速度。地表出露岩石地区及岩石较硬的地层，宜采用空气潜孔锤正循环钻进工艺。根据矿山常见地层特点、救援要求、井身结构、技术水平等制定生命保障孔钻井工艺。
各开钻具组合设计宜为：
（1）一开钻具：Ø311.1 mm牙轮钻头+630×4A10转换短节+Ø165 mm无磁钻铤×1根+Ø159 mm钻铤×4根+4A11×410转换短节+Ø127 mm钻杆串，下入Ø244.5 mm×8.94 mm套管；
（2）二开钻具：Ø215.9 mm PDC钻头+Ø165 mm单弯1.5°螺杆+Ø165 mm定向短节（MWD）+Ø165 mm无磁钻铤×1根+Ø159 mm钻铤×4根+4A11×410转换短节+4A11×410转换短节+Ø127 mm钻杆，下入Ø177.8 mm×8.05 mm套管。
钻进参数按照
选用空压机时，在充分参考潜孔锤规定风压值的同时，也要考虑因管路消耗、克服水柱背压、启动潜孔锤的压力及维持空气或空气泡沫循环的压降等部分组成的额外压
采用Ø215.9 mm孔径的潜孔锤钻进，最佳压力在15 kN左右。一般来说，按潜孔锤直径计算，每增加1 cm应增加压力0.5~0.8 kN，可根据地层情况适当调节。最优的钻头回转速度，以获得有效的钻速、平稳的操作和经济的钻头寿命作为一般要求，潜孔锤旋转存在着最优转角，其值为11°，最优转角与转速、冲击频率之间的关系为：
| A=n×360/f | （1） |
式中：A——最优转角，（°）；n——转速，r/min；f——冲击频率，次/min。
小口径生命保障孔施工目前采用国产钻机完全可行，如正远SL1000型钻机和金科JKS800型钻机，最大提升力在370~520 kN，最大钻进直径450~800 mm，扭矩约为20 kN·m，整机质量在17 t左右。在笏山矿难钻孔救援中，由于当前矿山救援队配备了一些大吨位的钻探设备，如进口雪姆车载钻机T200、徐工XSC1200型等钻机，应急现场也经常出现大钻机钻小孔的现象，这几款钻机最大提升力在900~1200 kN，最大钻井直径均在820 mm以上，最大扭矩达30 kN·m，整机质量达45~55 t。
笏山矿难救援一共设计了4口生命保障孔，设计孔深从578~629 m不等，终孔直径均为152 mm。其中3号钻孔采用正远SL1000型钻机，配合气动空气潜孔锤进行钻进，取得了较好的钻进效果。但是由于该型钻机动力头采用的钻杆无法与现场纠偏仪器配套，后又更换雪姆T200型钻机采用“螺杆马达+随钻测斜仪（PMWD）”进行定向钻进纠偏，随后利用空压机吹出钻井泥浆，再次使用潜孔锤进行钻进顺利透巷。本次生命救援孔钻进中泥浆正循环钻进和气动潜孔锤钻进的方法均被采用，最后必须要气体钻进完成透巷工作，但是两者之间的切换耗时费力，当前生命保障孔钻进工艺还不成熟，相关的钻探装备的适应性也不强，需要针对矿山救援的特点，研发合适的钻探工艺和配套装备。
目前生命保障孔井型以直井型为主，生命保障孔垂直井型宜控制井眼全角变化率≤2°/30 m。在地面施工条件差或有井下绕障需要的情况下，则需采用定向井型。应急救援时，生命保障孔施工存在地面条件限制、复杂地质条件制约、地层自然偏斜因素的影响等原因
现场救援情况复杂多变，往往出现钻井工艺与地层的不适应性问
定向井下放救援设备过程中，容易遇阻遇
2021年1月，山东栖霞市笏山金矿在基建施工过程中，回风井发生爆炸事故，造成22人被困井下，经全力施工，11人获救，这是近年我国发生的最大的一次井下事
3号生命保障孔施工过程中，0.00~520.10 m段井斜角0.1°~1.5°，井深520.10 m处井底位移达7.41 m，究其原因是钻孔偏斜的方位基本维持在220°~280°，虽然井斜很小，但随着井段不断加深，井底水平位移不断累加，最终导致了井斜小、井底水平位移偏大的问题。由
图2 纠偏距离计算示意
Fig.2 Schematic diagram of the correction distance
β-井斜角；OA-井底水平位移；AB-偏斜点（520.10 m处）到靶点垂向距离；OB-偏斜点（520.10 m处）到靶点距离
先增斜，再降斜，势必会出现钻柱弯曲，随着井眼弯曲强度的增大，造成２个问题：一是钻柱在井眼内摩阻和扭矩逐渐增大，钻柱起钻负荷及下钻阻力大，定向滑动钻进时钻压施加难度大，钻速很低；二是钻柱受到的轴向力也逐渐增大，如果钻柱受到的轴向力≯临界屈曲载荷，钻柱是安全的，相反，当高于此临界值时，由于钻具中和点以上及以下钻具分别受拉和受压，如果钻杆承受不了轴向压缩载荷，会因较小的抵抗轴向阻力而失效变弯，导致屈曲。如
图3 山东栖霞笏山金矿救援3号孔纠偏钻具受拉受挤示意
Fig.3 Forces on the correction drilling string in the No. 3 hole in Qixia Hushan Gold Mine of Shandong
根据现场钻井轨迹优化设计和摩阻扭矩分析，采用泥浆驱动弯螺杆+MWD复合钻井工艺进行纠斜，在超短距离情况下，单纯用调整井斜的方法进行强行纠偏作业，井眼曲率变化（“狗腿”度）大，钻柱在井眼内摩阻和扭矩高，起下钻柱风险高，滑动钻进速度慢甚至无法钻进，后续下套管作业施工困难，过大的井眼曲率还会使钻柱轴向压力超过临界屈曲载荷而折断，出现井下事故。最终决定采用如
图4 超短距离螺旋纠偏技术示意
Fig.4 Ultra‑short‑distance spiral correction drilling
纠偏过程中在增井斜、降井斜的同时，围绕垂直井眼轴线，进行扭方位作业，延长纠偏距离，降低纠斜段井眼曲率变化，减小井眼内钻柱摩阻扭矩和钻柱轴向压力，以达到井眼平滑、钻柱安全的目的。如
图5 山东栖霞笏山金矿救援3号孔井眼轨迹变化
Fig.5 Hole trajectory change of the No. 3 hole in Qixia Hushan Gold Mine of Shandong
近年来国内外开展的救援钻孔实践，探索和推动了矿山应急救援技术的发展，补充了矿山灾害应急救援方法，成功救援实践表明，“小直径生命保障孔＋大直径救生孔”的模式是进行矿山灾害救援的一种有效途径，生命保障孔是矿山应急救援中重要物资保障和人员沟通的重要通道。针对山东栖霞笏山金矿救援3号生命保障孔出现的偏斜问题，创新提出了超短距离螺旋纠偏技术，并取得了良好的应用效果，为后续生命保障孔施工积累了宝贵经验。
但通过对山东笏山金矿事故救援暴露出当前生命保障孔快速钻进工艺以及配套装备还不成熟，未来需要转变思维，针对复杂地层，加强气动潜孔锤快速钻进工艺及机具研制；研发快速、简便、可靠的定向气动钻进工艺和控制机具，确保透巷安全性；研制配套的生命保障孔快速钻进装备。
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