摘要
近些年来，在矿井事故应急救援中，钻探垂直救援井是重要手段之一。当矿井事故发生后，人员被困井下，地面救护人员无法通过井巷进行快速救援的情况下，在被困井下人员生命尚存的“黄金救援”时限内，运用先进的钻探工程技术方法，可安全、快速、精准地打通地面直通井下巷道的钻孔，从而达到维持生命、营救井下被困人员的预期目的。本文根据宁东煤田羊场湾煤矿地质条件，进行矿山钻探垂直应急救援小口径钻孔孔身结构设计、钻井方法选择、钻具结构设计、钻井液设计及钻井参数设计等快速钻井技术研究，旨在为宁夏矿山钻探垂直救援孔提供支持，促进矿山事故救援成功率的提升。
总结以往的矿井事故救援案例，当矿井事故发生后，由于井巷内情况复杂，采用井下平行救援的方法，救援时间的长短无法确定，往往延误救援最佳时机。即使最后透巷成功，被困人员也许早已无生命体征。例如：2003年4月，湖南娄底涟源市七一煤矿发生突水事故，17名矿工被困井下。矿方采取新掘绕巷的方式组织救援，第6 d才到达灾区的巷道，被困矿工已经死亡。如果在事故发生后第一时间打通与被困人员的联系通道，并且及时提供有效的给养物资，在维持矿工生命的条件下，逐步开展下一步的救援工作，将大大降低人员伤亡率。
近年来，在矿井事故应急救援中，钻探垂直救援井是重要手段之
宁夏煤矿开采大致分3个主要区域，石嘴山采煤区基本全部停产，宁东地区和固原地区进行采煤工作，其中宁东地区为主要产煤区，且羊场湾煤矿属于风险等级较高的橙色煤矿，单班下井人数超过几百人，采深已达800多米，出现风险的可能性较大。本文以宁东煤田羊场湾矿区为例，分析研究快速钻井技术在矿难发生后快速打通生命保障通道的运用。
羊场湾矿区表层地层为厚约11 m的第四系覆盖层，与下伏侏罗系地层不整合接触，主要由风积砂、细砂、卵砾石组成，地层松软，易掉块、易漏、坍塌。下伏的侏罗系安定组、直罗组、延安组软弱基岩地层主要由泥岩、砂质泥岩、各粒级砂岩及煤系地层组成。地层由于受采煤沉陷影响，裂隙可能非常发育，再加上该地层夹杂泥岩地层，遇水易膨胀，造成缩径现象发生。具体见
根据羊场湾矿区地层岩石特性和地层含水情况，该区块第四系和侏罗系地层可钻性在1~5级，岩性较软，且含水层涌水量按216 mm孔径疏干计算为27.2
小口径生命保障孔要求在拥有较快的钻进速度的同时，还要能有效控制钻进轨
李12井二开后的3种钻具组合均为液动螺杆马达加PDC钻头组合，具有钻进速度快且防斜打直的特点。其中首选钻具组合为塔式钻具组合带螺杆，特点是结构简单，轻钻压、高转速、防井斜。备选1钻具组合为钟摆塔式带螺杆钻具组合，特点是在钻头以上20~30 m处加一个与钻头尺寸相近的扶正器，防斜能力更强，但是结构复杂一些。备选2钻具组合为“四合一”钻具组合，此钻具组合的特点是不但防斜还能随时定向纠斜，与MWD随钻测量仪配合使用。
钻井液主要功能是携带和悬浮岩屑、稳定井壁和平衡地层压力、冷却和润滑钻头与钻具、传递水功率。以井内安全、快速钻进为目标，根据地层物性及地质构造特征、水文特征及钻探经验选择合适钻井液体系，配置优质性能的钻井液，保障生命通道的快速打通。具体参数见
（1）一开细分散钻井液。2%~5%膨润土＋0.07%~0.15%NaOH＋0.1%~0.3%CMC＋0.2%~0.3%Na2CO3。
（2）二开低固相聚合物钻井液。1%~3%钠基膨润土＋0.1%~0.5%K-PAM＋0.1%~0.3%PAC-141＋2%~4%FT-1＋0.1%~0.3%CMC＋0.07%~0.1%NaOH。
（1）一开：①要选用优质的钠基膨润土，配浆要用软化水，若水中含有大量C
（2）二开：①由于安定组地层较稳定，钻井液性能可适当放宽，满足正常携砂即可。②由于安定组地层岩石倾角大，易产生井斜，所以钻井液的润滑性能一定要好，防止粘卡的发生。③使用固控设备机械除砂，控制钻井液密度升高。④进入直罗组前50 m把钻井液一次性转换成强抑制性低固相聚合物钻井液。⑤在直罗组补充新浆一定要坚持勤补少补的原则，严禁大量补充新浆，保持钻井液性能稳定。⑥K-PAM量要加足，保证钻井液中含有足够的
钻探应急救援的核心使命是在最短时间内安全打通生命保障通道，保障被困人员基本物资供给和通讯联系，因此钻井速度是关键要素。根据钻具组合设计，影响钻井速度的主参数有岩石可钻性级值、螺杆级值、钻压、转速、钻井液流量和性能，根据李智鹏
以上钻井施工工艺技术在我单位施工的多口天然气井工程中已得到充分实践，尤其是在宁东区块气探井李12施工中运用比较明显。该井为直井，设计井深4400 m，实际完钻井深4390 m，采用ZJ50型石油钻机施工，一开井深为576 m，钻具组合为Ø346 mm镶齿牙轮钻头＋Ø203 mm螺杆＋Ø178mm钻铤（2根）+Ø165 mm钻铤（10根）+Ø127 mm钻杆，机械钻速为15.6 m/h，井斜为0.5°。二开完井井深为4390 m，钻具组合为Ø241 mm PDC钻头+Ø185 mm直螺杆＋Ø178 mm钻铤（1根）＋Ø214 mm扶正器（1个）+Ø178 mm钻铤（2根）+Ø165 mm钻铤（8根）+Ø127 mm钻杆（备选1钻具组合），机械钻速平均为11 m/h，全井段井斜未超过3°。在809 m钻孔施工中采用钻具组合结构和钻井参数设计，使钻速和防斜能力明显高于常规钻具组合。采用T200XD型大功率车载钻机和3NB1000型泥浆泵及相应配套设备施工，能够在该区块矿井事故应急救援“黄金72 h”的时间限定内，快速打通生命保障通道。
矿山事故钻探应急救援中，不但要求打得快还要求打得准，如果存在地面附着物（变电站、高压线路、道路、桥梁等）和地下障碍物（巷道等）等因素影响，钻井设备不能安装在垂直于救援点的位置，这就需要移动井口位置，采取定向钻井的方式，绕过障碍物进行快速钻井。备选2钻具组合就是应用“四合一”钻具组合技术和MWD无线随钻测量仪配合使用，即把PDC钻头、单弯螺杆、短钻铤和稳定器4种工具合并运用的一种钻具结
在煤矿生产过程中，可能存在由地表塌陷或地质构造形成裂隙、通道进入矿井的地表水危害，采空区和废弃巷道中的积水危害，含水地层以及裂隙等构造中的原岩水体的危害。救援孔的位置可能处于潜在水害危险区域，在钻至目标位置时要提前做好预防。
具体措施是在钻至目标位置时，根据地层坚硬程度，提前预留3~10 m厚度，起钻后直接下Ø178 mm套管用速凝水泥固井，水泥封住套管脚以上100 m即可。候凝后，采用气动潜孔锤钻进进行透巷，在透巷下钻的过程中分3段，用空气将管柱内的钻井液排出，确保井底无液体时开始透巷空气钻
透巷时，应当设有专职瓦斯检查员现场值班，随时检查空气成分。如果瓦斯或者其他有害气体浓度超过有关规定，应当做好防护措施，再进行透巷。
本文针对宁东煤田羊场湾矿区矿井事故钻探垂直应急救援进行分析研究。结合该区块地质条件分析认为宁东煤田羊场湾矿区不适合运用空气循环介质施工小井眼钻孔的钻井方法。提出了常规钻井液循环施工的小口径钻孔的井身结构、钻井液体系和配方、4种钻具组合工艺、钻井参数设计及安全透巷方法等。供钻探施工人员参考借鉴。
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