鉆井浮力閥法下管技術(shù)的實(shí)踐與理論研究

馬力

摘 要：含瓦斯煤層的工程開采前，瓦斯抽排井的建設(shè)工作至關(guān)重要。較傳統(tǒng)的吊車下放瓦斯套管，使用水泥塞浮力閥進(jìn)行瓦斯套管的下放，利用浮力閥提供的浮力，可以使套管的下放作業(yè)更加安全，且有更高的經(jīng)濟(jì)效益。該文對(duì)淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司潘三煤礦瓦斯抽采入井鉆孔（新7號(hào)孔）工程中浮力閥下管法實(shí)踐進(jìn)行介紹，并進(jìn)一步對(duì)浮力閥法下管技術(shù)的理論進(jìn)行了介紹和研究。

關(guān)鍵詞：煤礦 瓦斯套管 水泥塞浮力閥 下管 工程

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（b）-0021-02

含瓦斯煤層的開采作業(yè)實(shí)施之前，需要建設(shè)瓦斯抽排井，對(duì)煤層內(nèi)的瓦斯進(jìn)行治理。瓦斯抽排井是大口徑的鋼管進(jìn)行焊接后形成的，一般每段鋼管長度不大于9 m。抽排井的工作，是先將工作管下放到井底，將水泥漿灌入到套管和孔壁間，然后排除管內(nèi)泥漿，最后完成固井成井工作。

隨著開采深度的逐漸增大，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，瓦斯抽排井的口徑越來越大，深度越來越深，由此導(dǎo)致下放鋼管的重量大，甚至超過鉆井機(jī)械的起吊能力。傳統(tǒng)的套管下放方式是使用吊車，此種方法有著較多的實(shí)踐應(yīng)用，但是對(duì)于大重量的套管下放工作，成本較高。因此提出了減輕鉆井吊重的方法，即新型的大口徑鉆井自平衡浮力法下管的方法。此方法是在瓦斯套管的合適位置（鉆機(jī)的安全提升力處）設(shè)置浮力塞，即在鋼管內(nèi)設(shè)置隔塞，并在塞下充氣，在較大的浮力作用下，減小套管對(duì)鉆機(jī)的壓力，使其至在工作套管的自重超過了鉆機(jī)的起吊能力時(shí)，也能完成套管的下放工作。利用浮力法下放套管的過程中，分為單塞空氣柱自平衡下管技術(shù)和雙塞空氣柱下管技術(shù)[1]。在套管中設(shè)置浮力塞后，下管過程中，可以通過回灌泥漿或水來調(diào)節(jié)浮力的大小，借助上部空管在泥漿中產(chǎn)生的浮力，將套管重力抵消。

1 工程概況

淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司潘三煤礦，需在工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)新增瓦斯抽采入井鉆孔（新7號(hào)孔）1個(gè)，鉆孔設(shè)計(jì)孔深為836.5 m。

考慮到工程技術(shù)要求、地層因素以及以往經(jīng)驗(yàn)，鉆孔結(jié)構(gòu)擬采用二級(jí)設(shè)計(jì)。

（1）一開新地層段：先用Φ311mm鋼齒牙輪鉆頭打?qū)蚩?，鉆進(jìn)至375 m；再用Φ600mm導(dǎo)向牙輪組合鉆頭二次擴(kuò)孔到370 m，之后用Φ820mm導(dǎo)向牙輪組合鉆頭三次擴(kuò)孔到363.7 m，最后用Φ1080mm導(dǎo)向牙輪組合鉆頭四次擴(kuò)孔到穩(wěn)定基巖面以下30 m。成孔后用Φ880mm順孔器順孔。在確保套管能順利下到指定深度后，下放D880mm×12mm護(hù)孔管。

（2）二開基巖段：護(hù)孔管固管止水完畢并驗(yàn)收合格后，下入Φ311mm鑲齒牙輪鉆頭沿原導(dǎo)向孔繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆至846.5 m。再用Φ600mm及Φ820mm導(dǎo)向牙輪組合鉆頭，分兩次擴(kuò)孔，導(dǎo)向牙輪組合鉆頭擴(kuò)孔到836.5 m（即-813.5 m處）。接著在確保瓦斯工作管能順利下到指定深度后下D630mm×15mm無縫鋼管，之后使用優(yōu)質(zhì)泥漿對(duì)鉆孔進(jìn)行換漿，待孔內(nèi)返出全新優(yōu)質(zhì)泥漿后。用石油固井技術(shù)G級(jí)水泥固管，并在候凝72 h后做止水實(shí)驗(yàn)。

2 采用浮力閥的下管方案下放D880mm瓦斯套管

在下管工作實(shí)施前，需要根據(jù)地層情況和所下套管重量，在確保安全的前提下，合理選擇下管方法。該工程中，使用TSJ2600型鉆機(jī)，動(dòng)力為160 kW電動(dòng)機(jī)。鉆機(jī)額定載荷85 t，D880mm×12mm的瓦斯套管重90 t，按照傳統(tǒng)下管方式，則會(huì)出現(xiàn)鉆塔超負(fù)荷的情況，甚至鉆塔倒覆。在該工程中，考慮到鉆塔的負(fù)荷問題，使用水泥塞浮力閥下放。該方法不僅有效解決套管的超負(fù)荷問題，利用浮力閥將鉆塔受力控制在安全范圍之內(nèi)，更同時(shí)節(jié)約了工程成本，有較大優(yōu)勢(shì)。

2.1 水泥塞浮力閥下放瓦斯套管方案

（1）先通過理論計(jì)算得到瓦斯套管的單位長度的重量，和其在泥漿中的浮力；（2）對(duì)下管過程進(jìn)行施工模擬，計(jì)算出工程進(jìn)展過程中各項(xiàng)參數(shù)，為實(shí)際的作業(yè)做好準(zhǔn)備；（3）通過填充純水泥漿，制作水泥浮力塞鋼管；（4）完成下管工作。先靠鉆機(jī)自身提升拉力下管，再采用浮力器下管。鉆機(jī)下放160 m（42 t），然后下放水泥塞浮力器以減輕套管總重量，總浮力為155 t，下放過程中當(dāng)套管浮力過大時(shí)在管內(nèi)回灌泥漿下管，確保套管順利下放。

2.2 下管注意事項(xiàng)

（1）各管段之間的焊縫需要密實(shí)，尤其是穿杠孔部分，需要焊實(shí)后再加加強(qiáng)板加固，以防跑氣漏氣；（2）水泥浮力閥下井前，需要檢查水泥塞浮力閥氣密性是否完好；（3）下管前需要認(rèn)真檢查鉆機(jī)鉆塔、天輪、穿杠、鋼絲繩、提拉等各部分的連接部位，確保合格后可實(shí)施下井作業(yè)；（4）現(xiàn)場(chǎng)記錄要認(rèn)真詳實(shí)，對(duì)比實(shí)際參數(shù)與理論參數(shù)，獲得信息。

3 利用浮力閥下放瓦斯套管的理論研究

3.1 水泥塞浮力閥下管工藝

通過在套管下部設(shè)置浮力閥，并在過程中通過回灌泥漿，控制好浮力的大小，本質(zhì)上是通過上部的空管在水泥漿中的浮力消減套管重力，使瓦斯套管的下放工作可以更安全、成本更低?？偟膩碚f，主要是利用密閉的壓縮的空氣將泥漿排開，使工作管受到浮力。在下管過程中，需要考慮的重要參數(shù)包括：壓縮空氣的總量，水泥塞浮力閥的安裝位置，初始?jí)嚎s空氣壓強(qiáng)和最終的壓縮空氣壓強(qiáng)等。

3.2 瓦斯套管空管強(qiáng)度和穩(wěn)定性

在水泥塞浮力閥下放瓦斯套管的過程中，因?yàn)楦×θ喜康奶坠艿耐獗冢瑫?huì)受到水泥漿的最大的側(cè)向壓力，此時(shí)為了施工安全性能得到保障，側(cè)向壓力一定要小于抗壓實(shí)驗(yàn)得到的套管側(cè)向抗壓的能力。因此，空管在水泥漿壓力作用之下，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性的分析對(duì)保障工程的安全實(shí)施十分重要。在下管的過程中，首要避免的問題就是瓦斯套管自身的破壞和失去穩(wěn)定性。在進(jìn)行施工前，需要掌握瓦斯套管的承受強(qiáng)度參數(shù)和穩(wěn)定性值，并對(duì)二者進(jìn)行認(rèn)真校核，從而保證下管工作的順利施行。

3.3 水泥塞浮力閥的設(shè)計(jì)

增加水泥塞浮力閥的摩擦力，對(duì)浮力閥作用的發(fā)揮有促進(jìn)作用。因此選擇膨脹水泥配置水泥漿，對(duì)膨脹水泥的原材料進(jìn)行篩選，對(duì)其配制方法進(jìn)行研究，對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工方法進(jìn)行技術(shù)探索，都對(duì)最后配制出較好性能和操作性的水泥漿并灌注后制得水泥塞浮力閥，有重要的意義。

3.4 水泥塞浮力閥研究實(shí)驗(yàn)

對(duì)于水泥塞浮力閥在套管下放工程中使用性能的研究，一般需要進(jìn)行以下幾個(gè)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)研究。（1）浮力閥的模擬充氣實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行水泥塞浮力閥的模擬充氣實(shí)驗(yàn)的目的是研究空氣柱的形成過程及其帶來的壓力變化，還有空氣體積的變化情況。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到參數(shù)，以對(duì)實(shí)踐中的充氣過程提供參考。（2）浮力閥高壓空氣的泄壓實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)的目的，是通過高壓泄氣實(shí)驗(yàn)得到泄氣速度與孔徑、氣壓等的關(guān)系，以便得到高壓空氣的泄壓規(guī)律。（3）浮力閥下管現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)。對(duì)瓦斯套管的下放過程進(jìn)行模擬，此實(shí)驗(yàn)的目的是對(duì)下管過程中的工藝和施工過程進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)規(guī)律并得到參數(shù)，最終應(yīng)用到實(shí)際下管的工程操作過程中。

以上3個(gè)實(shí)驗(yàn)在水泥塞浮力閥應(yīng)用于瓦斯套管下管的工程中得實(shí)施，有著重要的意義，可以很好地保證實(shí)際操作的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

水泥塞浮力閥在瓦斯套管下放作業(yè)中的應(yīng)用，主要是針對(duì)大口徑地鉆孔的下管能安全實(shí)施而提出，并在采煤開礦工程中應(yīng)用日益廣泛。通過在浮力閥下充入高壓空氣并形成高壓空氣柱，利用高壓空氣柱在套管處形成水泥漿的浮力，抵消瓦斯套管的重量，使工程中套管的下放工作更加安全也更加節(jié)約成本。在淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司潘三煤礦瓦斯抽采入井鉆孔（新7號(hào)孔）的工程中，使用了水泥塞浮力閥技術(shù)，用TSJ-2600鉆機(jī)下放了90 t的D880mm×12mm的瓦斯套管，較以往使用吊車下放瓦斯套管的方法，這次新技術(shù)的合理使用節(jié)約了成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 余大有，陳月化，唐志宏.加臨時(shí)浮力塞自平衡浮力法下管技術(shù)研究[J].四川建材，2014，40（4）：92-94.

[2] 劉波，馬黎明.大口徑鉆孔下管固管工藝探討[J].中國煤炭地質(zhì)，2014，26（6）：69-70.