摘要
介绍了地质钻探小口径水力割管器的基本工作原理、技术性能以及在陕南、北山地区地质岩心钻探中的应用。实践表明，小口径水力割管器具有设计简单、操作方便、工作效率高等优点，在钻孔卡钻、埋钻等孔内事故处理中发挥了巨大作用，取得了很好的应用效果。同时，在实际应用中，水力割管器也存在一些问题，如刀头焊接质量不高、存在环切震动以及刀头崩刃的现象。通过分析和总结实际应用情况，针对存在的问题提出了一些改进意见，以便该设备的推广应用。
在地质岩心钻探工程施工中，经常因各种因素发生孔内事故，致使施工中断，需要花费大量的人力和财力来处理，造成巨大的经济损失。在复杂地层深孔钻进施工
要使管材在需要的位置断开或解卡，使用割管器是目前常用的处理方法之一。目前市场上地质岩心小口径钻探所用的割管器主要有离心式割管器、偏心割管
所用水力割管器由无锡锡钻地质装备有限公司生产制造，主要规格型号有HQG、NQG和BQG三种，其主要由导向头、割刀、割刀架、芯轴、复位弹簧、接头、转换接头等部件组成。
图1 NQG型水力割管器装配示意
1—导向头；2—圆柱销；3—刀体；4—刀头；5—圆销；6—盖板；7—沉头螺钉；8—弹簧套；9—弹簧；10—芯轴；11—接头；12—上接头；13—总成
该种水力割管器主要适用于处理管径70 mm及以上的S75配套钻杆或套管，对于小于以上直径的套管或绳索取心钻杆，固体岩心钻探中一般不用，因此不考虑。
水力割管器的本体直径一般比所割钻杆（套管）的口径小1~2个口径，一般以小一径为佳。
| 所割钻杆（套管）规格 | NTW薄壁钻杆（NQ钻杆） | HTW薄壁钻杆（HQ钻杆） | Ø108mm套管 |
|---|---|---|---|
| 水力割管器型号（外径） |
BTW （Ø58mm） |
NTW (Ø74mm) |
HTW (Ø94mm) |
（1）检查水力割管器的整体性能情况，可以在施工现场或提前拆解组装，重点检查水力割管器两侧刀体是否一致，刀头是否完整。
（2）按压芯轴，观察刀体能否正常弹出，弹簧能否正常复位。
图2 水力割管器实物拆解
（1）将水力割管器与钻杆连接，进行孔口预切割，详细记录水力割管器的运行情况及切割钻杆（套管）时的相关参数。
（2）整理预切割时的相关技术参数，进一步明确割管步骤，确保切割过程思路清晰。经测试得知，泥浆泵泵压达到0.3 MPa时，水力割管器的刀头即从两侧伸出，开始切割作业，具体预切割参数见
| 钻机型号 | EP600PLUS |
|---|---|
| 初始切割水压/MPa | 0.3 |
| 切割水压/MPa | 1.1~2.1 |
|
切割转速/(r·mi | 160~200 |
在施工过程中，要每天记录岩心完整程度和采取情况，尤其在钻遇坍塌掉块、破碎带以及水敏性较高等复杂地层时，要准确记录岩心破碎时的起止位置。在此类地层中钻进时，经常会伴有泵压升高、扭矩增大的现象，是钻探事故高发位置，需要重点关注，一旦发生卡、埋钻等事故，可根据记录的岩心情况，帮助确定事故头位置，进行切割位置的有效判定。
将水力割管器连接钻杆，下入孔内预切割位置后，调节泥浆泵至最小泵量，先开泵送水，在水压作用下，刀头向两侧伸出，使之紧贴被切割钻杆（套管），然后开动钻机动力头慢速旋转，约旋转十几圈后，逐步调节泥浆泵泵量阀，增大泵量，并逐步提高钻机动力头转速，实施切割。一般约15~20 min后，即可将8~10 mm壁厚的钻杆（套管）割断。待切割完成后，先调节减小泥浆泵泵量，使刀头收回，再降低钻机转速，直至停钻。
在切割钻杆（套管）的过程中，应该注意加强对割管全过程的观察或判断，在切割过程中，泵压会出现突然陡降的现象，作为钻杆割断的标识（孔内返水时）。原因分析，当割管时，泥浆泵泵量一定的情况下，孔内钻压保持在一个数值，当完成割管时，冲洗液原有的流通渠道被改变，打开了第二通道，环空间隙明显增大，致使泵压会突然下降甚至“丢失”，但随后会逐步恢复。
此外，还可以将钻孔的孔口管出露部分用透明塑料布进行包裹，在孔口放一把铁锹或者其他容器，收集上返的水进行过滤并观察水中的残留物，作为切割是否正常进行的辅助判断（见
图3 切割过程中的观察与监测
（1）在安装水力切割器前，对所用的刀头情况进行仔细检查，尽量选取刀头焊接良好、刀刃露头一致的割刀刀头。
（2）为了减少因工作不平稳造成刀头损坏的几率，在割管器工作过程中，钻机尽量不换挡，不停机。
（3）完成切割作业，将孔内钻杆和割管器提出，若发现刀头磨损严重，先进行起拔，确认是否割断套管或钻杆，如不能提动，应更换刀头，进行二次循环作业。
（4）严防油缸滑动。将割刀下入指定位置后，要对机上余尺进行固定，防止因钻杆和钻具自重造成油缸下行，引起切割位置发生变化导致切割失败。
（5）若本次切割作业未能判断出管材是否割断，应加长切割时间，提高切割作业成功率。
（6）若孔内地层复杂，存在多段坍塌掉块或破碎地层，即使套管或钻杆割断也可能存在提拉不动的情况，这时要根据孔内实际情况，重新判断可能解卡的位置，下入割管器重新切割，如此反复，直至成功。
该孔岩层较破碎，采用NTW薄壁绳索取心工艺钻进，在施工过程中，一直有轻微卡钻现象，施工至285.7 m时卡钻严重，动力头回转“吃力”，加大钻机马力，全力回转+起拔，均未见明效，且愈发严重，最终导致钻机动力头彻底无法回转，经分析研判认为：主要是由于268~285.7 m段岩层破碎，并夹带褐色至黑色淤泥，卡钻主要是坍塌掉块所致，并在处理过程中进一步坍塌造成埋钻，由于未达到地质设计深度，加之担心会造成二次井故，未进行强力起拔，为加快施工进度，降低施工成本，决定换径继续施工，待终孔后再进行处理。终孔后，首先采用钻机双油缸强力起拔未果，随采用BTW（Ø56.7 mm）钻杆连接BQG型水力割管器下入孔内切割，先后切割4次，4次纯割管时间共计60 min，实际有效切割2次，成功将套管割断提出，具体切割过程如下：
第一次，切割位置281.6 m处（285.7-4.1=285.6 m），避开钻具（4.1 m），先开泵至0.3 MPa，而后进行回转，逐渐增加泵量和转速， 切割泵压 0.9~1.2 MPa，转速160~170 r/min，切割时间15 min，期间泵压出现骤降的现象，停泵停止回转后，提拉旋转NTW 钻杆，无反应，提钻检查割刀，刀头轻微磨损。原因分析：割刀刀头磨损，说明切割有效，泵压骤降，说明NTW钻杆已经割断，判断埋钻位置可能在钻具上方，需要进一步切割。
第二次，切割位置272.4 m处（281.6-9-0.2=276.9 m），切割位置上提6根钻杆（单根1.5 m），避开破碎层+钻杆丝扣20 cm，开泵至0.3 MPa并回转，逐渐增加泵量和转速，切割泵压 1.4~1.6 MPa，转速170~190 r/min，切割时间15 min，期间泵压未反应，停泵停止回转后，提钻检查割刀，刀头崩刃。原因分析：起始泵压和转速过高，刀头未贴合钻杆壁导致环切不稳产生震动，导致刀头崩刃。
第三次，切割位置272.3 m处，切割参数参考第二次，提钻发现刀头崩刃。原因分析：刀头质量不合格，焊接质量不好且对称性不足。
第四次，切割位置272.0 m处，开泵至0.2 MPa并回转，逐渐增加泵量和转速，切割泵压1.6~1.7 MPa，转速180~190 r/min，切割时间20 min，期间泵压骤降，又继续切割10 min，然后停泵停止回转后，成功将NTW钻杆提起。
该地区主要岩性为长石石英细砂岩、石英杂砂岩、硅质岩，岩性较硬，最高可达7级，多发育裂隙和微溶洞，施工的ZK04孔，采用EGREP600PLUS型便携式全液压钻机施工，浅层施工时即有轻微漏失，钻井液上返流速缓慢，流量较小，施工至21.57 m时孔口钻井液上返量“丢失”，随即采取泥浆泵泵送和孔口同时灌注的措施，确保钻头的润滑和冷却，但是孔壁稳定性因为钻井液漏失而大大降低，孔壁常有碎石掉落，时常伴随有卡钻现象，当NTW口径施工至141.3 m时卡钻严重，随即采用双油缸+低速马达处理该事故，多次尝试后无果，经技术商讨后决定采取水力割管器处理，用BTW（Ø56.7 mm）薄壁钻杆连接BQG型水力割管器进行切割，切割位置在137.2 m处（钻具长4.1 m），开泵至0.2 MPa并回转，逐渐增加泵量和转速，切割泵压1.7~1.8 MPa，转速180~190 r/min，纯割管时间15 min，一次割断，成功将钻杆提出（见
图4 割断的钻杆
小口径地质水力割管器应用效果明显，为地质岩心钻探事故处理提供了更多的处理方法和手段，但也存在一些不足：
（1）该型水力割管器刀头部分的硬质合金块焊接工艺较为粗糙，对称性明显不足，容易造成崩刃和无效磨损的情况。建议加强对出厂刀头焊接质量的检查，确保刀头焊接良好。
（2）切割过程中刀头磨损很
（3）切割存在环切震动问题。由于两翼刀体安装精度的问题以及刀体不对称问题，导致切割钻杆时存在环切震动的现象，造成切割不平稳，尤其在斜孔中使用时此种现象更加突出，会出现偏割的情况。可将两翼刀体设计改为三翼或全盘设计，能够有效增加割刀运行时的稳定性，保证割管成功率。
现场实践表明，该型水力割管器的结构设计简单、安装方便、操作灵活、切割速度快，成为处理钻探事故的有力工具，现有的各种口径的水压切割器，基本可以满足地质小口径钻探事故处理，其使用效果明显，极大地缩短了事故处理的时间，降低工人劳动强度，统计表明，相较传统处理方法，施工成本节约可达70%~80%，值得进一步改进并推广应用。
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