煤礦大口徑瓦斯抽放孔下管工藝實踐

趙福森

（中國煤炭地質(zhì)總局 第二水文地質(zhì)隊，河北 邢臺 054000）

1 工程概況

河南省許昌新龍礦業(yè)梁北礦瓦斯直排井，鉆孔開孔孔徑960 mm，下入φ820 mm×12 mm 護(hù)壁套管76.0 m；二開φ780 mm 組合牙輪擴(kuò)孔至686.08 m 后全孔下入20 號鋼φ630 mm，管套壁厚24 mm無縫管，套管空氣中理論重量358.66 kg/m，管串總重量246.22 t。設(shè)計要求對技術(shù)套管進(jìn)行全段水泥固井、耐壓試驗。施工采用GZ-2600 型鉆機(jī)，鉆塔為四角塔，最大荷載900 kN。

2 地質(zhì)概況

導(dǎo)向孔施工結(jié)束后，該孔進(jìn)行了常規(guī)物探測井。根據(jù)測井資料結(jié)合礦方原始資料劃分地層。

第四系（Q）深度0～44.80 m，厚度44.80 m，底部礫石層深度38.85～44.80 m，厚度5.95 m。

石千峰組（P2sh）深度44.80～129.10 m，厚度84.30 m。

上石盒子組（P2s）深度129.10～361.05 m，厚度231.90 m。

下石盒子組（P1x）深度361.05～701.32 m，厚度340.27 m（未揭穿）。

3 下管工藝

3.1 圓孔、探孔

由于導(dǎo)向孔施工過程中采用MWD 無線隨鉆工藝，使鉆孔軌跡“狗腿”（全角變化）較大，為了減小下套管作業(yè)過程中的阻力，需采用圓孔器對鉆孔進(jìn)行多遍圓孔作業(yè)。此次采用長度為9 m 的φ780 mm 圓孔器進(jìn)行圓孔，并在“狗腿”處進(jìn)行多次上下重復(fù)圓孔，直到鉆孔軌跡圓滑，上拉下放無阻力為止。

圓孔結(jié)束后使用φ780 mm、長度20 m 探孔器進(jìn)行試探孔，探孔過程準(zhǔn)確記錄了多個“遇阻”點，以便下管過程中到此處加以注意。

3.2 調(diào)整泥漿性能

由于此次下管預(yù)計時間較長，因此在保證鉆孔孔壁完整性的前提下盡量減少孔壁對套管的摩阻力。結(jié)合測井資料該孔鉆遇地層以平頂山砂巖為主，孔壁完整性較好，在探孔結(jié)束后重點對泥漿潤滑性能進(jìn)行了充分的調(diào)整，密度1.10～1.20 g/cm3，粘度在28～35 s，失水量不大于8 mL/30 min，含砂量＜4‰，pH=9，保證孔底無沉砂。性能調(diào)節(jié)好后循環(huán)泥漿時按比例0.3%～0.5%緩慢加入2 t 液體無熒光潤滑劑（型號GLUB），泥漿循環(huán)3 周，保證泥漿的性能達(dá)到設(shè)計要求，以降低下套管摩擦阻力。

3.3 場地準(zhǔn)備

下管作業(yè)前將中心開孔、底部緊貼中心孔邊緣的正方形長2 m×寬2 m×厚0.26 m 底座+長2 m×寬2 m×厚0.05 m 正方形鋼板（中心孔φ700 mm）水平置于井口。正式下管前，拆除部分鉆機(jī)設(shè)備，并對現(xiàn)場進(jìn)行清理滿足下管需要，保證現(xiàn)場清潔，工器具擺放有序，便于取用。

3.4 設(shè)備檢查及保養(yǎng)

為了保證套管下放過程機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性，在套管下方前對鉆塔、天輪、游動滑車等連接處螺栓、銷釘進(jìn)行統(tǒng)一檢查、緊固；將鉆機(jī)提升鋼絲繩進(jìn)行統(tǒng)一更換，保證受力鋼絲繩的有效安全系數(shù)；將鉆機(jī)制動性能進(jìn)行仔細(xì)的校核，必要時更換新剎車片，并保證電子剎車性能完好。

3.5 套管規(guī)格、重量及強度校核

由于鉆塔額定荷載900 kN，下入套管空氣中重量約2 460 kN，因此利用現(xiàn)場已有條件采用“掏空浮力法”。在下管作業(yè)前要對套管的抗擠破壞強度進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，既要保證鉆塔承受荷載不超過額定荷載，又要保證套管不因擠壓而破壞，此次套管性能校核數(shù)據(jù)如下。

3.5.1 套管規(guī)格

套管外徑及材質(zhì)20 號鋼無縫管。

3.5.2 套管長度

套管設(shè)計長度683.50 m+0.50 m+逆止閥、旋流孔2.50 m=686.50 m（高出地面0.50 m）。

3.5.3 套管重量

單米重量358.66 kg，套管總重量686.50 m×358.66 kg/m=246 220.10 kg≈246.22 t。

3.5.4 套管強度及最大允許掏空校核

（1）抗拉強度。依據(jù)材質(zhì)單，φ630 mm 無縫鋼管抗拉強度為475 MPa。

（2）套管強度。φ630 mm 套管材質(zhì)為20 號鋼，依據(jù)材質(zhì)單中屈服強度為272 MPa，按照《鉆井工程技術(shù)手冊》公式計算套管抗擠毀強度。

當(dāng)Dc/δ≤（Dc/δ）yp時，

當(dāng)（Dc/δ）yp≤Dc/δ≤（Dc/δ）pt時，

其中，

當(dāng)（Dc/δ）pt≤Dc/δ≤（Dc/δ）te時，

其中，

式中：Dc 為套管外徑630 mm，δ 為套管壁厚，24 mm；Yp為管材屈服強度，272 MPa；Pco為擠毀強度，MPa。

經(jīng)上述公式計算，（Dc/δ）為yp 屈服擠毀與塑性擠毀交點的徑厚比，取16.48；(Dc/δ）為pt塑性擠毀與過渡擠毀交點的徑厚比，取27.07。

φ630 mm 外管徑厚比（Dc/δ）630/24=26.25。

由于16.48＜26.25＜27.07，即（Dc/δ）yp＜（Dc/δ）＜（Dc/δ）pt

所以抗擠毀強度計算公式：

當(dāng)（Dc/δ）yp≤Dc/δ≤（Dc/δ）pt時，

抗擠毀強度Pco=12.898 MPa

（3）最大允許掏空。

式中：H為最大允許掏空深度，m；P為H1處套管的抗擊強度，MPa；取12.898；H1為最薄弱套管底界井深，m；取683.50；ρ 為管外泥漿密度，g/cm3；取1.20。

經(jīng)計算最大允許掏空為1 009.79 m。

由于φ630 mm 套管可以掏空1 009.79 m，因此在下套管過程中可以滿足“浮力”的借用，從而利用荷載900 kN 的鉆塔可以施工此次套管下放。

3.6 生產(chǎn)套管連接

套管起吊、下放過程中設(shè)置吊裝指揮2 人，24 h 輪班指揮作業(yè)。

（1）采用升降機(jī)起吊、吊卡夾持+浮力法下入套管。

浮力法通過在套管底部設(shè)置單向閥，并在下管過程中通過回灌泥漿，計算好浮力大小，本質(zhì)上是通過上部的空管（管材內(nèi)掏空部分）在水泥漿中的浮力消減套管重量，有效解決套管的超負(fù)荷問題。

（2）套管就位后，第一根套管于地面焊接逆止閥、浮鞋。

（3）起吊第一根套管，在套管吊裝頂塊以下安裝吊卡，確保套管吊卡頂面與吊裝頂塊底面貼合、吊卡內(nèi)邊與管壁貼合之后，采用升降機(jī)提吊套管吊卡起吊套管至井口，其中將套管吊起離地面20 cm 時作停頓，檢查升降機(jī)穩(wěn)定性，確認(rèn)無誤后由吊裝指揮人員進(jìn)行下步起吊作業(yè)。

（4）將起吊套管緩慢下入井筒內(nèi)部，將下入套管的吊卡架于井口板以后，摘掉吊索，起吊第二根套管至鉆井平臺。

（5）為確保套管對接的垂直度，利用簡易的套管對接扶正塊和高精度激光投線儀（垂向定位）手段進(jìn)行校驗和核準(zhǔn)。機(jī)長或工程技術(shù)人員負(fù)責(zé)觀察管材對接情況，嚴(yán)格確保對接精度符合要求，無誤后在套管對接縫處對稱點焊、正常焊接。

（6）完成對口焊接—套管拉筋焊接等工序后，利用升降機(jī)起吊套管約0.5 m，穩(wěn)定后取出井口套管吊卡。

（7）將起吊套管落管，緩慢下入井筒內(nèi)部，直至吊卡穩(wěn)定架于井口板。

（8）將先前取出的套管吊卡安裝于下一根起吊套管吊裝頂塊下，利用副升降機(jī)提吊套管吊卡、起吊下一根套管至井口對接。

（9）重復(fù)上述過程，直至下管完畢。

（10）在套管柱底部30 m 范圍內(nèi)，增加3 組彈性扶正條，以保證下入孔內(nèi)套管居中，確保固井水泥環(huán)厚度均勻。

（11）下管過程中，安排專門記錄員隨時記錄每下一根套管單根長度及下入孔內(nèi)累計長度并記錄。

（12）下套管過程中速度要慢、穩(wěn)，避免閃動，嚴(yán)格控制下管速度，套管柱上提、下放要平穩(wěn)，減少沖擊載荷；井口處派專人隨時觀察下入孔內(nèi)管情況，若出現(xiàn)異常情況及時與吊車司機(jī)溝通。

（13）井口操作人員要細(xì)心，在井內(nèi)的套管口頂端覆蓋一木板，設(shè)專人看護(hù)以防止工具、手套等雜物掉入井內(nèi)。

（14）套管下完后及時核對下深，下入根數(shù)，剩余根數(shù)與總數(shù)是否相符，并記錄存檔。

3.7 套管焊接方法及注意事項

（1）焊接方法及焊材選擇。

焊接方法采用CO2氣體自動保護(hù)焊（二保焊），焊接質(zhì)量優(yōu)于手工焊接。焊條為CO2氣保護(hù)藥芯焊絲，型號JQ·CE71T-1。

二保焊優(yōu)點：①由于焊絲送進(jìn)自動化，電流密度大，熱量集中，因此焊接速度快，與普通焊接相比工作效率可提高2～4 倍；②飛濺小，降低焊絲堵嘴的頻率，避免飛濺過大損失鋼水，使焊縫更加飽滿；③在氣體保護(hù)下，不易受空氣侵害，焊接性能好，采用氣渣聯(lián)合保護(hù)，焊縫成型美觀；④熔敷速度快，生產(chǎn)效率高，相同電流下藥芯焊絲熔化速度更快；⑤焊縫抗裂性能高，焊后變形較小。

（2）管材質(zhì)量要求。

套管連接采用30°坡度對焊，焊接時要在現(xiàn)場將焊接部位除銹除油漆至見光。

（3）焊接質(zhì)量要求。

焊接時管口合縫、同心，焊縫要求不低于3遍、且無漏失、無氣孔、砂眼、虛焊，焊接處管內(nèi)無臺階（焊接完畢后，需專人負(fù)責(zé)檢查焊縫），焊縫檢查合格后加焊套管拉筋。

焊縫質(zhì)量必須滿足要求，不得有漏焊，或者焊縫中夾渣、裂紋等可能導(dǎo)致漏水的缺陷。

（4）每根套管的焊接口焊接合格，需焊工及現(xiàn)場檢查人員簽字確認(rèn)后，再進(jìn)行下道工序。

（5）焊接及時清理焊縫兩邊的飛濺物，修磨焊縫表面，要求外觀平整、光潔，應(yīng)待其冷卻后再下入孔內(nèi)，以防燒焊處驟然遇冷發(fā)生斷裂，降低抗拉強度。

（6）每班焊接人員執(zhí)行簽到制度，確保套管每條焊縫焊接質(zhì)量有據(jù)可查。

4 下管過程數(shù)據(jù)分析

下管作業(yè)過程對套管空氣中理論重量、套管提升、套管下放過程重量進(jìn)行統(tǒng)計、分析（表1），從而掌握套管下放過程中鉆塔承受荷載情況（圖1）。

圖1 套管下放過程鉆塔荷載統(tǒng)計Fig.1 Statistical Chart of Drill Tower Load during Casing Down

表1 套管下放過程鉆塔荷載統(tǒng)計Table 1 Load statistics of drilling tower during casing dropping

由以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計，套管在空氣中理論重量與套管累計長度成線性關(guān)系，最大重量接近250 t。在浮力作用下，鉆塔在套管勻速上提過程中承受荷載大于套管勻速下放過程所承受荷載。所以在“小型”鉆塔利用浮力下放重型套管時，主要考慮套管上提過程中鉆塔所承受荷載情況，因此需要操作人員格外注意上拉過程中的拉力表數(shù)據(jù)。

由于孔壁與套管之間摩擦力、套管浮力的作用，套管在下放過程中摩擦力作用方向垂直向上、浮力作用方向垂直向上、套管重力垂直向下。當(dāng)摩擦力與套管浮力之和大于或等于套管柱重力時套管無法下降，套管出現(xiàn)漂浮狀態(tài)，此時需要通過向套管內(nèi)部注入泥漿，使套管柱重力大于摩擦力與套管浮力之和，回灌泥漿量每次不易過大，如果泥漿回灌量過大，套管上提過程鉆塔承受荷載會增大。此次套管下放過程共6 次，數(shù)據(jù)見表2。

表2 泥漿回灌統(tǒng)計Table 2 Statistics of mud reinjection

6 次回灌點均在鉆孔軌跡“狗腿”變化較大處，經(jīng)過6 次回灌泥漿使得套管穩(wěn)定的下入孔底。套管下放過程鉆塔承受最大荷載為260 kN，套管上提過程鉆塔承受最大荷載為450 kN，鉆塔額定荷載為900 kN，此次套管下放過程安全系數(shù)為2.0。

5 固井工藝

套管下放至預(yù)計位置后，進(jìn)行進(jìn)行水泥固井作業(yè)。在此過程中需要以下關(guān)鍵點：①充分循環(huán)泥漿，防止水泥漿上返過程的“串槽”現(xiàn)象；②由于套管直徑大固井過程中上端井口封閉板將承受巨大壓力，應(yīng)防止井口封閉板破裂；③根據(jù)套管抗擠毀強度控制固井水泥漿液與套管內(nèi)泥漿的比重差，從而防止套管被擠壞變形；④合理控制水泥用量，既能保證水泥漿充滿套管與鉆孔間環(huán)狀間隙，又要節(jié)約水泥。

套管下放至預(yù)計位置后，將套管內(nèi)灌滿泥漿。全孔下入φ127 mm 鉆桿，距套管底口13 m處，然后利用20 號厚30 mm 的鋼板通過焊接將套管井口封閉，為保證焊接位置牢固在鋼板上端，對稱加焊拉筋4 條，在鋼板上方安裝壓力表觀測固井過程壓力。開啟泥漿泵進(jìn)行泥漿循環(huán)，泵量遵循先小后大的原則，待泥漿充分循環(huán)后（此次循環(huán)3 個周期、泥漿中無粘稠物返出）注入前置液（清水）5 m3以防水泥漿液與泥漿混合產(chǎn)生過多粘稠混漿。

水泥用量及替漿計算0～683.50 m，采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行封井止水，水泥漿比重要求，水泥比水為1∶0.6。經(jīng)計算水泥漿用量149.86 m3，干水泥用量153.68 t，經(jīng)計算鉆桿內(nèi)體積、套管內(nèi)需替漿體積及地面管路三者之和，此次替漿量為5.59 m3（套管內(nèi)預(yù)留水泥10 m）。

為減小固井過程中井口板的受力，注漿期初階段遵循先稀后濃的原則。因本文計算套管抗擠毀強度Pco=12.898 MPa，因此不會因套管內(nèi)外壓差過大使套管擠壓變形。施工過程水泥漿比重平均保持均衡。固井結(jié)束后觀察預(yù)留水泥漿樣品凝固情況確定割管時間，此次在固井結(jié)束后6 h 水泥樣品已經(jīng)開始初凝，然后割管起鉆。待水泥侯凝72 h 后通過觀察管內(nèi)泥漿液面位置及打壓試驗確定套管密封性符合要求，至此工程套管下放、固井工作全部完成。

6 結(jié)語

此次下管、固井施工過程，嚴(yán)格落實了下管作業(yè)指導(dǎo)書中各項注意事項。通過合理的計算，套管下放、固井全過程順利進(jìn)行，從下管到固井共用時136 h，完成了該工程的所有任務(wù)，并順利通過甲方驗收。成功應(yīng)用荷載90 t 的鉆塔下放246 t 套管，節(jié)約了重型吊車租賃費42.5 萬元，鉆塔、鉆具拆裝時間7 d。通過精確計算套管抗擠毀強度，嚴(yán)格控制套管內(nèi)外液體壓差避免了套管因擠壓過大變形，該工程的下管、固井工藝的成功實踐為類似工程提供了重要的參考依據(jù)。