陷落柱定向斜井下套管技術

王 英，劉炳志

(山東省煤田地質局第三勘探隊，山東泰安 271000)

陷落柱定向斜井下套管技術

王 英，劉炳志

(山東省煤田地質局第三勘探隊，山東泰安 271000)

介紹了陷落柱地層施工定向斜井下套管前順孔難點及事故井管處理方法，以及一種簡單易行的順孔管落井事故打撈工具的制做方法。該打撈工具簡單、有效，能快速處理大直徑井管落井事故，縮短事故處理時間，減少事故造成的損失;提出了與常規(guī)下套管存在的差異及其注意事項。為今后施工類似鉆孔積累了寶貴經(jīng)驗。

陷落柱;定向斜井;順孔管;打撈工具;下套管

1 概述

2010年10月，我單位在淮南潘三礦區(qū)施工了一口定向斜井，該孔的設計目的:一是通過鉆探查明12318工作面內的陷落柱與下覆各煤層的交面線位置以及各含水層間的水力聯(lián)系;二是獲取4－1煤和以下主要煤層頂板及太灰、奧灰及寒灰?guī)r石力學性質及電性特征參數(shù);三是進行相關測試工程，主要包括鉆孔數(shù)字測井、聲波測井、井中測溫、抽水試驗、鹽化擴散、擬流法測漏試驗、井中電法探測等技術方法，以保證探查結果的可靠性，有助于查清探查該區(qū)工程地質及水文地質特征。由于該孔位于陷落區(qū)，水深約2 m左右，若施工直孔，需用土石方從路邊墊到孔位，征地和修路費用約100余萬元，為節(jié)約成本，經(jīng)反復論證，決定施工一口定向斜井，以達到施工目的。

2 鉆孔結構和套管程序

該鉆孔設計為五開，一開孔徑445 mm，鉆穿第四系后下入339.7 mm×8.38 mm石油套管，下深450 m;二開孔徑311 mm，下入244.5 mm×8.94 mm石油套管，下深503 m，主要隔離16煤采空區(qū)及陷落柱;三開孔徑216 mm，下入177.8 mm×8.05 mm石油套管，下深687 m，主要隔離8煤采空區(qū)及陷落柱;四開孔徑152 mm，下入127 mm×5.59 mm石油套管，下深862 m，為下部抽水技術套管;五開孔徑110 mm，裸孔到底。

該孔設計為穿越兩層采空區(qū)的定向斜孔，定向位置為8煤防水煤柱上。按照設計要求，從第二路套管下好后開始連續(xù)造斜，造斜孔深510 m，孔徑118 mm，鉆孔初始頂角為0.5°，方位角為110°;施工到560 m深度時，鉆孔頂角為12.6°，方位角為280°。根據(jù)鉆孔設計要求，保持該鉆孔頂角和方位角進行鉆進，就可達到設計要求。后用118 mm牙輪鉆頭鉆進至636 m，孔內全漏失，此時將鉆孔擴大到216 mm，然后繼續(xù)用216 mm牙輪鉆頭鉆進至687 m，成功穿過8煤陷落柱和采空區(qū)。由于鉆孔漏失嚴重，施工過程中局部孔段出現(xiàn)嚴重垮塌，為保證下部安全順利施工，決定在687 m深度下入第三路177.8 mm石油套管。本文主要探討如何在定向斜孔段安全下入套管以及套管事故的處理。

3 下套管的技術難點

(1)該孔為陷落柱孔，本孔段穿過一個采空區(qū)，地層松散，漏失、破碎嚴重，在該孔段下入套管時，極易產(chǎn)生掉塊卡住套管，致使下套管失敗。

(2)煤系地層中含水敏性易縮徑地層，泥漿處理不好或順孔不到位，極易在該孔段產(chǎn)生套管遇阻下不去的現(xiàn)象，也會使套管下入不順利。

(3)該孔自510 m開始連續(xù)造斜，在50 m內，頂角自0.5°增至12.6°，方位角自110°變化至280°，頂角和方位角均有較大變化，而177.8 mm套管的剛性較大，如何使套管順利穿過該孔段，是一個主要技術難題。

4 定向斜孔下套管的施工方案

4.1 順孔

順孔管做好后，將順孔管下入孔內順孔。

4.1.1 順孔技術要求

(1)按要求將提前準備好的順孔管下入井內，下順孔管時一定要慢，對不順利的孔段，特別是從510～570 m人工造斜井段，不能強行加尺，一定要慢慢地上下來回沖掃，直到順孔管能暢通順利地在井內上下活動為止，確保井壁規(guī)則無障礙。

(2)嚴格執(zhí)行崗位責任制，按章操作。班長操作時，一定要集中精力，對掃孔過程中出現(xiàn)的憋車等異常時，采取措施一定要迅速、適當，提下鉆具和做其他輔助工作時，嚴禁將使用的工具掉入孔內，鉆具提出井口、將井口蓋好，并把井口附近的工具清理干凈放在安全之處。

4.1.2 順孔技術參數(shù)要求

(1)壓力控制在10 kN左右，三班壓力要均勻;

(2)轉速為一速，48 r/min;

(3)提升速度控制在一速，0.136 m/s;

(4)泥漿泵排量控制在850 L/min;

(5)泥漿粘度一般控制在23～24 s(漏斗粘度);

(6)泥漿pH值在8～8.5;

(7)泥漿含砂量≯4%;

(8)泥漿膠體率控制在98%以上;

(9)泥漿的失水量≯10 mL/30 min。

4.1.3 順孔管落井事故的處理

鉆機在順孔至孔深530 m處時，由于該孔段為人工造斜段，頂角和方位角變化較大，順孔管當時由于掃孔時扭矩過大而從接頭與管子的連接處折斷，其中有2塊加強板剪斷，可能在落井的順孔管上，也可能掉入孔內;有一塊加強板在順孔管接頭上帶上來。掉入孔內的順孔管長度為7.6 m。

根據(jù)以往處理類似事故的經(jīng)驗，應該用公錐進行打撈，但現(xiàn)場沒有合適的公錐，采購需要等1～2天的時間。考慮到本次順孔管落井事故的特殊性，以及任務的緊迫性，決定利用現(xiàn)場已有的材料快速制做打撈工具。經(jīng)過反復比較，最后決定選用現(xiàn)場一根10 m長的127 mm套銑管，幾根厚度不同、長度不同的244.5、139.7 mm的石油套管做打撈工具(見圖1)。具體做法如下。

圖1 自制打撈工具示意圖

做好打撈工具后，鉆機下鉆，下到接近事故順孔管上頭時，班長操作應特別小心，緩慢下鉆，當鉆機拉力表指針下降，按計算打撈工具下頭接觸到事故順孔管上頭時，慢慢下放鉆具，倒刺在鉆具重力作用下，進入事故順孔管，當鉆機拉力表指針再次下降，并且下降較多時，證明倒刺通過事故順孔管，打撈工具上部焊接的梯形塊接觸事故順孔管上頭。此時下放鉆具，鉆具向下活動，證明事故順孔管向下活動，因此上提鉆具，鉆機拉力表指針比原鉆具時上升2 t左右，順利將落井順孔管提出孔外。由于落井順孔管上部比較居中，并且順孔管上頭不刮孔壁，所以上提時阻力很小。此次順孔管折斷掉入孔內事故處理僅用了不到一天。

鉆井事故一旦發(fā)生，關鍵是要從簡單到復雜做好處理方案，正確加工和選用打撈工具，特別是處理類似管子類落井事故，處理的關鍵要快，時間一長，落井順孔管一旦吸附到孔壁上或被巖粉埋住，就會造成很大的處理困難，從而造成較大的經(jīng)濟損失。本次工程加工的打撈工具，對處理孔內的類似事故效果較好，并能充分利用落井的事故順孔管，因此大大減少了經(jīng)濟損失，非常值得借鑒。

4.1.4 重新加工順孔管繼續(xù)順孔

事故順孔管撈出孔外后，利用折斷的接頭重新加工接頭，利用打撈上來的落井順孔管，將上部折斷處重新處理平整，將接頭與打撈上來的事故順孔管重新對接加工，制做了一條新的符合要求的順孔管。同原來的順孔管相比，接頭與順孔管管體做成一體，這樣處理使新制做的順孔管強度更高，只是長度略有縮短。由于只加工接頭及將接頭與管子連接，所以順孔管的二次加工速度特別快，只用了大約3 h就把一根新的順孔管加工好了。

由于該孔段下套管難度較大，因此鉆機操作人員必須把好順孔關，把下套管的困難在下套管之前化解。順孔時機班長加強責任心，下鉆開始遇阻時就慢慢掃孔，特別是在510～570 m孔段，順孔難度很大，一般每加一根鉆桿都要重復劃孔6～10次，上下順暢后，再提鉆加尺，繼續(xù)往下順孔。順孔到570 m后，相對阻力較小，下部順孔較快，離孔底大約1 m，順孔管遇阻，順不下去，提鉆用216 mm牙輪鉆頭投孔并調整泥漿性能，投孔到底后，將泥漿循環(huán)均勻后提鉆直接把排好的井管下入孔內。

按以往的施工經(jīng)驗，一般順好孔后，為保證套管順利下入孔內，下套管之前，要接起2～3根原管再順一遍，順孔通暢后才能下套管。根據(jù)本孔的具體情況，該孔下套管的最大難點在510 m之后，特別是在510～570 m之間，由于頂角和方位角變化率都比較大，套管下入過程中不可能在孔內居中，而且套管自身具有一定的柔性，套管柱接起來下入孔內時，容易按鉆孔軌跡往下走;但往上提則不然，上提時套管在重力作用下，在孔壁彎曲處，套管會貼向孔壁一邊。所以一旦上提鉆具時，下部的接頭處肯定碰掛孔壁，這樣就會造成孔壁薄弱部位不穩(wěn)定而塌孔，也有可能會掛住孔壁提不上來，一旦發(fā)生類似事故，處理起來將有2種可能:一種是提不出來，這樣將導致下一步施工非常困難;另一種是如果提出來，部分孔壁也會出現(xiàn)塌孔等現(xiàn)象，提上順孔管后還要繼續(xù)順孔，一旦這樣，至少也要損失2天的時間，還增加了施工的不安全因素。所以筆者分析認為直接下入事先排好的套管，相對會更加安全。經(jīng)后續(xù)下套管證明了這一觀點的正確性。

4.2 下套管

4.2.1 加工引鞋

在套管進場前，準備一塊直徑約200 mm的硬木，其下部加工成半圓球形。套管進場后，把套管按順序排好，將在最下部的套管多余部分用氣割割掉，下部絲扣待用，在套管的最下部，將加工好的半球形圓木，上頭加工成161 mm左右，打入套管內，在套管2側對稱打入2個銷釘固定。

4.2.2 加工返漿孔

4.2.3 加工護絲短節(jié)

將最下部套管割下部分距下絲扣上部1 m處割下，保護好下部絲扣，在上部通過一個加工好的圓盤將一個73 mm鉆桿母扣接頭連接到管子上，焊口處不能有沙眼，并焊接2遍，保證焊接強度;全部套管下入后，利用該護絲短節(jié)將套管送到位。

4.2.4 準確丈量套管

將事先準備好的井管排開，用鋼卷尺準確丈量每根的長度，并編號;全部丈量完后，計算用套管的準確長度，用最下部的那根套管調整套管全長與井深相吻合。

4.2.5 下入套管

順好孔后，將事先排好的套管按順序下入孔內，為保證套管下入過程準確，下入過程中每根套管重新丈量并記錄。大口徑井管的拖進拖出，管子下面嚴禁站人。副絞車和鉆機升降機操作人員要密切配合，其他輔助人員緊密協(xié)作，聽從指揮，嚴禁違章操作，特別是井管下頭超過510 m后，鉆機操作人員嚴禁強拉快放，場房內除操作和指揮人員外，其他人員一律不準在架子上和場房內駐留，杜絕孔內事故與人身事故的發(fā)生。

全部套管下入后，將事先加工好的護絲短節(jié)接到套管上部，將套管送到位。固好井后，把護絲短節(jié)從距下絲扣300 mm處割斷，絲扣留在套管上部以保護套管上絲扣，以防下一步施工過程中將套管上絲扣打壞。本次下套管共用4 h，套管下入687 m，套管下入非常順利。

4.3 固井

下好井管后，清理整頓好井口、機臺，將主鉆桿直接連接到護絲短節(jié)上部的節(jié)頭上。開泵循環(huán)泥漿，等泥漿正常循環(huán)，再循環(huán)大約2 h左右，循環(huán)好泥漿后向孔內注入2 m3清水作為隔離液，改泵按事先計算好的水灰比(0.5∶1)配制水泥漿。

嚴格按測井資料推薦的井徑計算好水泥漿用量，按設計要求(水∶灰為0.5∶1)配好水泥漿;用850/50型泥漿泵通過主鉆桿把水泥漿及時注入孔壁與套管間隙，進行固井。注完水泥漿后，根據(jù)事先計算好的替漿量，先用1 m3清水替漿，然后用泥漿將套管中的水泥漿及時替換，套管內預留10 m水泥柱，保證孔底套管固井質量。替漿完畢后，立即關閉泥漿泵回水閥門，保壓24 h后，將孔口處理好，水泥凝固3天后繼續(xù)進行下一步施工。

5 結語

通過本次陷落柱定向斜井下套管，總結了一套定向斜井下套管施工技術，特別是一種處理大口徑井管落井事故打撈工具的制作技術。經(jīng)實踐檢驗，該工具簡單實用，效果良好，并能充分利用落井的事故順孔管，極大程度地縮短處理事故時間，降低事故引起的經(jīng)濟損失，具有很好的推廣價值。另外，通過本次下套管施工證明，用順孔管順好孔后，可以直接下套管，而不用原管再順孔，就能保證套管順利下到位;這樣能大大減少下套管前的輔助時間，節(jié)約鉆井費用，縮短鉆井工期，減少下套管前順孔時把順孔管掉入井內的風險。

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Casing Technology of Directional Deviated Well in Collapse-columns

WANG Ying，LIU Bing-zhi(The Third Geological Brigade of Shandong Province Bureau of Coal Geology，Tai’an Shandong 271000，China)

The paper discusses the difficulties of hole cleaning before casing for directional deviated well construction in collapse-columns and presents an easy manufacturing method of fishing tool for hole cleaning pipe，which can handle fishing rapidly and effectively with less loss.The difference to common casing and the operation attentions are put forward.

collapse-columns;directional deviated well;hole cleaning pipe;fishing tool;casing

P634.7

B

1672－7428(2012)04－0020－04

2011－10－18;

2012－04－06

王英(1973－)，女(漢族)，河北饒陽人，山東省煤田地質局第三勘探隊高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事小口徑勘探、地熱水資源開發(fā)、煤層氣與淺層地熱開發(fā)等鉆探技術指導與管理工作，山東省泰安市泰山大街869號，wwj1491@163.com。