漂浮下管技術在瓦斯抽排井中的應用

白領國

(河南省煤田地質局四隊，河南 平頂山 467000)

250mm；對井身質量要求較高，如井眼的垂直度、狗腿度等；鉆井過程中要嚴格控制鉆井液的濾失量，抑制泥頁巖地層的吸水膨脹，同時采用固控設備最大限度去除鉆井液中無用固相，使井壁形成的泥皮薄而致密。

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漂浮下管技術在瓦斯抽排井中的應用

白領國

(河南省煤田地質局四隊，河南 平頂山 467000)

瓦斯抽排孔套管直徑設計一般在?450～?1500mm。由于套管質量較大，遠遠超過鉆機的提升能力，研究和選擇合適的下管方法顯得尤為重要。以山西省高平市長平礦的瓦斯抽排井為例，介紹了漂浮下管技術的原理，并進行了相關的計算，對下管的技術措施進行了較為全面的說明。應用表明，該技術更適合直徑較大、套管壁較厚、套管柱總質量較大的工程井；對套管與鉆孔直徑間隙要求較大，一般

瓦斯抽排孔井；漂浮下管技術；平衡液；應用

大口徑工程井作為礦山企業(yè)連接井下和地面的通道，在瓦斯抽排、救援、注漿送料、井下降溫等方面發(fā)揮著越來越大的作用。近幾年，我國探礦工程技術人員經(jīng)過研究和探索分別借用石油、水源、工程等不同型號的鉆機，采用先導孔鉆進、分級擴孔和一次成井等鉆進技術方法，完成了一大批高質量的大直徑工程井。特別針對鉆井設備提升能力小，入井套管質量大等技術難題，根據(jù)套管直徑、井深等不同情況，分別研究和采用了提吊+浮塞下管、大型起重機直接提吊等技術，取得了較好成效。但是，有些工程井，設計的套管抗擠毀強度和耐磨性特別高，這樣就造成套管管壁較厚，質量較大，從經(jīng)濟技術角度考慮，漂浮下管技術更適合該類工程井下管的需要。

1 工程概況

該瓦斯抽排井位于山西省高平市長平礦，鉆遇的地層自上而下依次為第四系，二疊系上統(tǒng)上石盒子組，二疊系下統(tǒng)下石盒子組和山西組。鉆孔結構為：一開Φ1600mm×10m，下入Φ1500mm×25mm護壁套管并固井，二開Φ1350mm×580m，下入Φ1050mm×25mm工作套管并固井。從鉆孔結構不難看出，該工程套管總質量約350t,能否安全順利把套管下入孔內是工程施工的主要難點之一。本文重點介紹漂浮下管技術在瓦斯抽排井的應用。

2 漂浮下管技術

漂浮下管技術是我國施工超大直徑(2.5～10.8m)礦山豎井建設中，下入鋼結構混凝土井壁采用的主要技術方法。該方法有效解決了井眼直徑和井管總質量大的下管技術難題,同時改變了井管的受力狀況(由抗拉變?yōu)榭箟?，提高了套管的安全程度。漂浮下管是根據(jù)阿基米德定律設計的。在套管不斷加長過程中，當浮力大于套管的質量時，通過向套管內注入配重水，并把鉆孔內和下入套管等體積的鉆井液排出，使套管逐步下沉入井。下沉速度和深度可通過控制加入配重水的速度和數(shù)量來完成(本工程配重水或平衡液均使用孔內排出鉆井液)。

2.1 井管漂浮下沉有關計算

鉆井作用完成后，將帶有套管鞋的套管下入充滿鉆井液的孔內。隨著套管長度增加，將平衡液(鉆井液)定量地注入套管內，套管會在鉆井液中逐漸下沉至設計深度(圖1)。

圖1 套管內液柱示意Figure 1 A schematic diagram offluid column in casing

采用漂浮下管技術，在下管過程中需要回灌一定高度的平衡液，隨著套管下沉，套管內外的液面差逐漸增大，因此，設計的工作套管抗擠毀強度必須大于最大液面差產(chǎn)生壓力。

該項目設計工作套管型號1050mm×25mm，單位每米質量0.632t，單位每米套管在井內排開液體的體積0.865m3，單位每米套管空管體積0.785m3。下管前鉆井液經(jīng)過大循環(huán)，實測鉆井液密度為1.30g/cm3。不考慮露鉆井液面以上井管和加工井鞋焊接其他部分質量，套管每入井1m可產(chǎn)生浮力1.125t。為克服浮力，除套管自重外，還需向管內回灌0.483m的鉆井液才能保持平衡，這樣每米會有空管段0.517m，當工作套管下沉到設計深度580m，最大空管段約300m。套管柱距地面300m處受到液柱壓力最大(3.9MPa)，設計選用的1050mm×25mm套管，根據(jù)三軸抗外擠毀強度計算為4.58MPa，完全滿足漂浮下管的需要。

2.2 套管漂浮高度與配重平衡液加水量計算

2.2.1 套管鞋總成的下入

實現(xiàn)漂浮下管要封閉工作套管底口，同時滿足固井需要。為此，設計了井管鞋總成(圖2)。井管鞋總成由井管導向、固井單向接頭(單向接頭設計雙接頭確保下管安全)、固井旋流孔、鋼板混凝土加強隔板、 固井時鉆具對扣導向等組成。井管鞋總成因焊接了單向閥組件、鋼板混凝土加強隔板等，另外鉆機工作臺面距井口鉆井液面還有一定的高度，井管鞋總質量一般大于套管進入鉆井液面產(chǎn)生的浮力，直接吊裝到孔口后用套管夾板固定。

圖2 井管鞋總成Figure 2 Casing shoeassembly

2.2.2 后續(xù)套管漂浮高度及平衡液加量計算

第二節(jié)套管與套管鞋總成對接后下沉，其可漂浮高度h2為：

h2=[(H2+h1)лR2γ-Q2]/лR2γ，

(1)

式中：h2—第二節(jié)套管與套管鞋下沉對接時可漂浮高度，m

H2—第二節(jié)套管長度，m

h1—套管鞋可漂浮長度，m

R—套管外徑，m

γ—鉆井液密度，取1.30t/m3

Q2—第二節(jié)套管質量，t

由于套管鞋總成實際質量往往大于理論值，套管鞋總成與第二節(jié)套管下放過程中實際漂浮高度h2與設計會有一些誤差，為消除誤差，通過向套管內添加鉆井液進行平衡較正，以確保下步每根套管入井后，套管口距鉆機工作臺面距離適合焊接作業(yè)。平衡液加量可按下式計算：

W2=γ[лR2(H1+H2-h1)+V1]-(Q1+Q2)

式中：W2—第二節(jié)套管與套管鞋對接時平衡液加量，t

H1—套管鞋長度，m

V1—套管鞋可產(chǎn)生浮力體積，m3

Q1—套管鞋質量，t

當下沉套管自重不足以使套管下沉到預定深度，均需向套管內加入平衡液。以此類推，計算出下沉時各節(jié)套管漂浮高度和加入平衡液加量(表1)。

表1 各節(jié)套管漂浮高度和加入平衡液加量統(tǒng)計

2.3 下管技術措施

2.3.1 下管前準備

(1)用長度要不小于50m的同徑套管進行探孔(保證有三個以上套管頭)，探孔作業(yè)通暢無阻后提鉆，否則需從新修孔。

(2)井內鉆井液必須大循環(huán)2周以上，鉆井液性能指標要滿足設計要求，鉆井液性能指標見表2。

表2 鉆井液性能指標

(3)根據(jù)套管下沉鉆井液排出量，準備相應容積的儲存池(或圍堰)儲存鉆井液，排出的鉆井液作平衡液和固井回灌等。

(4)在每節(jié)套管一端1m處焊接4塊均勻分布200mm×150mm×15mm鋼板，用于套管夾板提吊和井口固定。

2.3.2 套管焊接注意事項

(1)對口焊接的管口必須平整，套管鐵夾板緊靠井管拉板，將鐵夾板放在方木上，使井口保持水平。套管連接只能進行外壁焊接，兩連接端口打“V”型坡口，保證焊接質量。

(2)連接套管時，吊起的套管要垂直，將其對口后，由專人用儀器檢驗其垂直度，然后在四面點焊，避免因集中燒焊一面而導致套管歪斜。

(3)焊接后應待其自然冷卻后再下入井孔，以防燒焊處驟然遇冷發(fā)生斷裂，降低抗拉強度。焊縫質量經(jīng)檢查合格后方可進行下道工序。

2.3.3 套管下沉與添注平衡液

漂浮下管工藝流程見圖3所示。

圖3 漂浮下管工藝流程Figure 3 Casing floating technology flow chart

(1)第二節(jié)套管焊接完畢后，慢慢松放大鉤使套管下沉，開始套管依靠自重便可實現(xiàn)下沉，當大鉤提升力逐漸減少至零時，表明套管已處于漂浮狀態(tài)。隨后按設計套管上浮高度1m注入相應量的平衡液，使套管繼續(xù)穩(wěn)定下沉。此時，根據(jù)套管實際上浮高度與設計數(shù)據(jù)進行對比，在第三節(jié)套管添注平衡液時進行修正，確保套管上浮高度符合設計值。

(3)第三節(jié)套管焊接完成后，要緩慢上提，提升力略大于第三節(jié)套管質量，套管夾板不受力后即可卸掉，杜絕大提升力或快速提拉。

(2)每節(jié)套管的下沉速度、平衡液注入量以及套管的長度都要詳細記錄，直至套管下完為止。

(4)每接長一次套管，由于新接套管質量，套管柱受壓要下沉一段(大鉤處于懸重狀態(tài))，待套管處于漂浮狀態(tài)再添注平衡液。隨著平衡液的注入，平衡被打破，套管繼續(xù)下沉，直至新的平衡建立，套管停止下沉。

(5)套管下沉過程中，要注意觀察井管是否受阻，發(fā)現(xiàn)套管受阻要查明原因并排除故障。不可采用迫沉、強行加注平衡液和降低管內液面等措施。

(6)在套管下沉過程中，鉆井液面不得低于井口0.5m，不得采用降低鉆井液液面的方式加快套管的下沉。

(7)套管下沉到設計深度后，套管要固定牢靠，以防回灌鉆井液或固井建立循環(huán)時發(fā)生事故。

2.4 固井

(1)下管作業(yè)完成后，向套管內回灌鉆井液。然后下入鉆具，鉆具要用大鉗緊扣，在距單向閥接頭2m處循環(huán)沖孔，管內干凈無巖屑后停泵對扣。

(2)鉆具與單向閥組連接后，循環(huán)環(huán)狀間隙的鉆井液，在循環(huán)過程中逐漸降低密度至1.10g/cm3，鉆井液循環(huán)平衡后進行固井作業(yè)。先注入一定量的隔離液，然后注固井水泥漿，當井口返出鉆井液后，停泵泄壓，單向閥在井管內外壓差作用下快速關閉，然后倒掉井內鉆具侯凝。

3 結語

通過本工程成功實施，筆者的體會如下：

(1)漂浮下管技術更適合直徑較大、套管壁較厚、套管柱總質量較大的工程井。

(3)漂浮下管技術對井身質量要求較高，如井眼的垂直度、狗腿度等。

(4)施工直徑較大的鉆孔，建議采用氣舉反循環(huán)工藝，以提高攜帶巖粉能力，保證孔內干凈，提高鉆進效率。

(5)設計的套管抗擠毀強度必須滿足漂浮下管最大空管段的擠毀強度，以防套管受壓發(fā)生擠毀事故。

(6)鉆井過程中嚴格控制鉆井液的濾失量，抑制泥頁巖地層的吸水膨脹。同時采用固控設備最大限度去除鉆井液中無用固相，使井壁形成的泥皮薄而致密。

[1]張永成.鉆井施工手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[2]李云峰，等．煤礦大口徑瓦斯抽排井施工技術研究[R]．河南鄭州：河南豫中地質勘察工程公司，2013.

[3]翁家杰.井巷特殊施工[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.

[4]袁志堅.提吊加浮力塞下管法在大口徑瓦斯抽排孔的應用[J].探礦工程，2008，35(1):27-29.

[5]袁志堅. 大口徑特殊工程鉆孔套管事故原因及對策[J].探礦工程，2010，37(10):46-48.

[6]白領國.大直徑工程井成井下管方法探討[J].探礦工程，2014，41(2):33-36.

[7]彭桂湘．大口徑工程井套管事故及預防技術措施[ J]．探礦工 程(巖土鉆掘工程) ，2010，37(8) ：47 -53.

[8]耿建國，彭桂湘，袁志堅，等．煤礦瓦斯抽排井套管強度校核計算 方法探討[ J]．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37 (10)：78 - 81.

[9]緱延民，耿建國，等．煤礦大口徑輸冰井施工技術研究報告 [R]．河南平頂山：河南省煤田地質局四隊，2011.

《中國煤炭地質》雜志插圖要求

本刊現(xiàn)為銅版彩印，為保證刊物質量，規(guī)范論文插圖，美化版面，現(xiàn)就《中國煤炭地質》期刊插圖要求如下：

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4.插圖要素齊全，如圖序、圖題、標目、標值、圖注、量與單位、圖例等。其中標目是說明坐標物理意義的必要項目，由物理量名稱(或物理量名稱符號)和相應的單位組成。采用量與單位比值的形式，即“量名稱或量符號/單位”，比如“p/MPa”，或“壓力/MPa”(百分號“%”也可按單位處理，如“完成比例/%”)。

5. 對于2條以上曲線具有同一參變量時，可以將這些曲線描繪在同一幅函數(shù)圖上。即共用一個橫坐標軸，左右兩條縱坐標軸，兩個縱坐標軸的標目和標值分別標注。

Application of Casing Floating Technology in Gas Drainage Well

Bai Lingguo

(The Fourth Exploration Team, Henan Bureau of Coal Geological Exploration, Pingdingshan, Henan 467000)

The casing diameter designed for gas drainage well is ?450～?1500mm generally. But because of large weight, well over rig hoisting capacity, thus study and select casing method appear particularly important. Taking gas drainage well in the Changping coalmine, Gaoping City, Shanxi Province as an example, introduced the principle of casing floating technology, carried out relevant computation, and overall illustrated technical measures. The application has shown that the technology more adaptable to well engineering with larger diameter, thicker wall and larger casing string total weight; but needs larger annular clearance, generally250mm; better wellbore qualities, such as verticality, dogleg severity etc. Drilling fluid loss should be strictly controlled during drilling process, and argillutite strata water-swelling restrained. Meanwhile, uses solid control equipment farthest removing useless solids to make mud cake on wall thin and compact.

gas drainage well; casing floating technology; equilibrium fluid; application

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.13

1674-1803(2017)04-0062-04

白領國(1972—) ，男，河南浚縣人，高級工程師，從事鉆探技術及管理工作。

2016-11-01

250mm；對井身質量要求較高，如井眼的垂直度、狗腿度等；鉆井過程中要嚴格控制鉆井液的濾失量，抑制泥頁巖地層的吸水膨脹，同時采用固控設備最大限度去除鉆井液中無用固相，使井壁形成的泥皮薄而致密。

文獻標識碼：A

責任編輯：樊小舟