陶粒置換泥漿法下管技術(shù)研究

張義俊 余大有 夏紅兵 張雷 鄭應(yīng)鍵

摘要：采用雙塞自平衡法下瓦斯抽排管時(shí)，上部空管段長(zhǎng)度達(dá)到了300 m，管內(nèi)外壓力差和提管拉力共同作用，發(fā)生癟管事故。基于此，提出了在上部工作管內(nèi)用陶粒置換泥漿的下管技術(shù)。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得普通陶粒的抗圍壓強(qiáng)度為2.4 MPa。當(dāng)泥漿密度為1 200 kg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)陶粒放置深度200 m，并分析了普通陶粒的在圍壓作用下的破壞機(jī)理?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，用陶粒置換泥漿，明顯減輕鉆塔負(fù)荷；減小了管內(nèi)外壓力差值，有效避免了套管的癟管事故。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽排管；自平衡浮力法下管技術(shù)；雙塞下管

中圖分類號(hào)：TD713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A [WT]文章編號(hào)：1672-1098（2014）02-0079-04

近幾年來(lái)，越來(lái)越多的煤礦，采取大口徑瓦斯抽排井作為防治瓦斯災(zāi)害和合理利用瓦斯的主要方法[1-2]。隨著開(kāi)采的深度越來(lái)越大，相應(yīng)瓦斯抽排井工作管長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，工作管的重量已經(jīng)大大超過(guò)了目前鉆井機(jī)械的起吊能力。因此，人們提出了很多減輕鉆塔吊載的方法，較常用的浮力法下管技術(shù)。浮力法下管技術(shù)[3-6]在工作管內(nèi)充入空氣，置換泥漿，來(lái)減輕吊載，分為單塞浮力法和雙塞浮力法。由于下管深度的增大，單塞浮力法中的空氣柱長(zhǎng)度會(huì)隨著泥漿壓力的變大而變短，空氣柱所提供的浮力變小，鉆塔的吊載減輕不明顯。雙塞下管時(shí)，兩塞間的空氣柱體積不變，但下管結(jié)束時(shí)，上塞排氣速度難以控制，造成泥漿管噴現(xiàn)象；當(dāng)鋼管上段空管（未充入泥漿）的高度較大時(shí)，管內(nèi)外壓差較大，發(fā)生癟管事故。基于以上原因，本文提出了一套以陶粒作為浮管材料來(lái)減輕鉆塔吊載的下管方法（已申請(qǐng)發(fā)明專利），以期實(shí)現(xiàn)安全下放大口徑瓦斯抽排管。

1 癟管原因分析

淮南礦業(yè)集團(tuán)某礦下瓦斯抽排管，采用單塞浮力法，總管深580 m。當(dāng)下管深度達(dá)到565 m時(shí)，發(fā)生癟管[7-9]事故。所用管材為Q235鋼材，630 mm×14 mm，上部未注漿的空管段長(zhǎng)度為160 m，泥漿密度取1 150 kg/m3，拉力表讀數(shù)為500 kN。

2 陶?？箛鷫涸囼?yàn)

陶粒由頁(yè)巖與粘土煅燒而成[10-12]，陶粒的外觀特征大部分呈圓形或橢圓形球體，它的表面是一層堅(jiān)硬的外殼，這層外殼呈陶質(zhì)或釉質(zhì)，具有隔水保氣作用，并且賦予陶粒較高的強(qiáng)度。陶粒具有以下優(yōu)點(diǎn)：密度輕：陶粒的堆積密度小于900 kg/m3，分為超輕陶粒（200～300 kg/m3）、普通（結(jié)構(gòu)保溫）陶粒（500～700 kg/m3）、高強(qiáng)陶粒（700～900 kg/m3）；耐久性好，強(qiáng)度大：粉煤灰陶粒的耐久性主要表現(xiàn)在抗凍性、吸水率、安定性、軟化系數(shù)等方面，用粉煤灰陶粒制造的混凝土比用天然石料生產(chǎn)的混凝土強(qiáng)度大；適應(yīng)性強(qiáng)：根據(jù)各地資源條件不同，可分別采用黏土、頁(yè)巖、粉煤灰或其他固體廢棄物生產(chǎn)陶粒，根據(jù)用途不同和市場(chǎng)需要，可以生產(chǎn)不同堆積密度和粒度的陶粒產(chǎn)品，也可生產(chǎn)有特殊用途的陶粒，如耐高溫陶粒、耐酸陶粒和花卉陶粒等。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

抗圍壓試驗(yàn)壓力罐（內(nèi)腔直徑300 mm、深500 mm），手動(dòng)油泵和0～6 MPa量程壓力表如圖2所示。

2.2陶粒試樣本次試驗(yàn)選用陶粒普通陶粒， 粒徑為10～20 mm， 其堆積密度為500 kg/m3， 筒壓強(qiáng)度為1.6 MPa（見(jiàn)圖3）。

2.3試驗(yàn)步驟

1） 將普通陶粒涂抹高耐候性外墻乳膠涂料當(dāng)做防油層，再將普通陶粒試樣做封皮處理，目的是防止試樣在壓力罐中受壓時(shí)，液壓油進(jìn)入試樣中。

2） 將做好防油層封皮的試塊放入抗圍壓試驗(yàn)壓力罐，蓋上法蘭盤，對(duì)好螺絲孔，擰緊所有螺栓；安裝好壓力表（0～6 MPa），把手動(dòng)油泵的輸油管連接于壓力表和油泵；檢查個(gè)螺絲桿是否擰緊，檢查壓力表、輸油管、油泵相互之間連接處是否擰緊；最后，使用手動(dòng)油泵慢慢加壓，并觀察壓力表讀數(shù)的變化過(guò)程，記錄壓力表讀數(shù)（見(jiàn)圖4）。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.4.1試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

試驗(yàn)完畢后，數(shù)據(jù)記錄如表1所示。分別拆開(kāi)陶粒試樣1、2、3，試驗(yàn)1、2已經(jīng)發(fā)生破壞，并隨著壓力增加，破壞越明顯。三個(gè)試樣的防油層封皮拆完之后的狀態(tài)如圖5所示。

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

每次試驗(yàn)液壓表讀數(shù)由最大降低到最低的原因在于：①試樣的體積收縮，造成壓力罐中液壓油的體積相對(duì)增大，壓強(qiáng)變小；②壓力罐的罐體膨脹，壓力罐中液壓油的體積相對(duì)增大，壓強(qiáng)變小。

陶粒試樣1、2都已經(jīng)發(fā)生破壞，試樣1中的陶粒絕大部分發(fā)生整體破壞，近一半發(fā)生粉碎性破壞；試樣2發(fā)生顆粒局部破壞，但還具有完整的穩(wěn)定性和強(qiáng)度；試驗(yàn)3外觀依然保持完好，強(qiáng)度和穩(wěn)定性也和承壓之前相同。分析陶粒試樣1、2的破壞原因，得出的結(jié)果是：當(dāng)最大壓力為3.2 MPa時(shí)，壓力已經(jīng)超出了陶粒破壞強(qiáng)度極限，陶粒之間相互擠壓，導(dǎo)致絕大部分陶粒整體碎裂；當(dāng)最大壓力為2.9 MPa時(shí)， 壓力接近陶粒的破壞極限， 并且由于陶粒的形狀的不規(guī)則， 其表面的尖突點(diǎn)與相鄰陶粒的平滑位置相互擠壓， 導(dǎo)致尖突位置的高耐候性外墻乳膠涂料防油層脫落， 其整體穩(wěn)定并沒(méi)有發(fā)生變化； 當(dāng)最大壓力為2.7 MPa時(shí)， 壓力小于陶粒破壞極限， 陶粒之間雖發(fā)生相互擠壓， 但是其并沒(méi)有發(fā)生任何破壞， 說(shuō)明陶粒的抗圍壓強(qiáng)度不小于2.4 MPa。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

山西省柳林縣某煤礦瓦斯抽排井孔下管，孔深為830 m，工作管尺寸為Φ830 mm×18 mm，工作管總重為3 037 kN，但是起吊設(shè)備最大提重不超過(guò)800 kN，超出負(fù)荷2 237 kN。因此，采用雙塞自平衡下管法和陶粒置換上部管內(nèi)泥漿發(fā)下管。泥漿密度取1 200 kg/m3（見(jiàn)圖6）。

為確保陶粒與泥漿隔離，先將陶粒裝入塑料袋內(nèi)，并扎好口；為防止施工中損壞塑料袋，再外套編織袋，并扎上口；為阻止陶粒袋在工作管中上浮，用鐵絲在鋼管內(nèi)設(shè)置三角形阻攔索?？紤]到下管施工中孔壁與工作管的摩阻力，為了安全起見(jiàn)，將下管施工時(shí)鉆塔的起吊最大負(fù)荷設(shè)定為600 kN。以600 kN承重，計(jì)算出鉆機(jī)承受最大工作管長(zhǎng)度為190 m。根據(jù)以往下管的施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)上部空管段超過(guò)160 m時(shí)，發(fā)生癟管現(xiàn)象，為此上部空管段控制在100 m。因此在下管190 m至370 m之間采用雙塞自平衡浮力法下管，370 m至530 m段采用注滿泥漿，530 m至730 m采用放入直徑750袋裝普通陶粒，并且陶粒袋和管壁之間注滿泥漿，730 m至830 m段采用空管段（不注泥漿）。陶?？偢×?18 kN，經(jīng)計(jì)算共需陶粒88 m3，每節(jié)管材最多放置4 m3，在第54節(jié)鋼管內(nèi)放入袋裝陶粒?，F(xiàn)場(chǎng)所用陶粒袋為直徑760 mm、高1 000 mm的圓柱體，由工廠定制，每袋陶粒重2.9 kN。當(dāng)所有工作管下完時(shí)，使用Φ750 mm鉆頭將工作管內(nèi)固定陶粒袋的阻攔索以及固定鐵絲的螺母掃掉，然后取出漂浮在工作管內(nèi)的袋裝陶粒。

4結(jié)論

1） 雙塞下管，管材破壞按長(zhǎng)管失穩(wěn)計(jì)算，安全系數(shù)m值取3，計(jì)算出的失穩(wěn)載荷與現(xiàn)場(chǎng)載荷一致。

2） 通過(guò)對(duì)普通陶粒的抗圍壓試驗(yàn)研究，普通陶粒的抗圍壓強(qiáng)度不小于2.4 MPa，對(duì)應(yīng)泥漿中的最大放置深度為200 m。

3） 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，陶粒置換管內(nèi)泥漿，減輕鉆塔負(fù)載，效果較好。

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（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）