鋼板式浮塞下管工藝在煤礦大口徑工程井中的應(yīng)用

白領(lǐng)國(guó)，李源匯

（1.河南省資源環(huán)境調(diào)查四院，河南 鄭州450016；2.河南省大口徑鉆井工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州450016）

0 引言

大口徑工程井廣泛應(yīng)用于煤礦井下瓦斯、積水等介質(zhì)的大流量抽排，為滿足使用功能需要，下入的井管一般管壁較厚，直徑與質(zhì)量較大，重的工作管達(dá)到300 t以上，遠(yuǎn)超鉆井設(shè)備的提升能力［1］。對(duì)此，一般采用在入井套管柱中間或底部安裝浮力裝置，利用漂浮下管技術(shù)完成大口徑工程井井管下放，有效解決了井眼直徑和井管總質(zhì)量大的下管難題，同時(shí)改變了井管的受力狀況，提高了入井套管的安全性［2-3］。

當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)套管柱漂浮的應(yīng)用裝置以水泥浮力塞居多，在同時(shí)滿足設(shè)備提升能力和空管長(zhǎng)度要求的條件下，一般安裝在套管柱中部，其具有制作方便、易鉆穿等一系列優(yōu)點(diǎn)［4］，但采用水泥浮塞下管工藝存在以下問(wèn)題：

（1）大直徑工作管固管作業(yè)前，需要先下入鉆頭鉆穿水泥塞，以便下入固井鉆具，導(dǎo)致破碎的水泥塊混入鉆孔泥漿中造成破壞，影響固井質(zhì)量。

（2）工作管固管結(jié)束，鉆掃水泥塞后脫落的水泥塊全部堆積在工作管底口可達(dá)10余米，難以直接從套管內(nèi)清除出地面，若預(yù)留較高的套管沉渣段易造成浪費(fèi)，從井下巷道清運(yùn)時(shí)又存在水泥塊墜落傷人的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）水泥塞鉆掃不徹底，附著于套管內(nèi)壁上形成殘留，造成管道斷面變窄，影響流體介質(zhì)的排量。

除水泥浮塞外，部分單位將石油鉆井領(lǐng)域的浮箍、浮鞋裝置引入了大口徑工程井下管作業(yè)，但非標(biāo)準(zhǔn)系列的浮箍、浮鞋均需要特殊定制，且加工成本較高。為此，開展了鋼板式浮塞下管技術(shù)應(yīng)用研究，并在多個(gè)大口徑工程井進(jìn)行了有益嘗試，取得了較好的實(shí)踐效果。

1 工程概況

霍州煤電某煤礦為提高瓦斯抽采能力，在2號(hào)風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)布置一個(gè)大口徑瓦斯抽采鉆孔，成孔孔徑1050 mm，鉆孔內(nèi)敷設(shè)?836 mm×18 mm瓦斯抽采管路，管路有效使用長(zhǎng)度411 m。

瓦斯孔施工位置地面標(biāo)高+776.113 m，鉆遇地層自上而下依次為第四系（Q）、古近-新近系上新統(tǒng)（N2）、二疊系上統(tǒng)石千峰組（P3sh）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P3s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）與二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），終孔孔深413.5 m。

質(zhì)量技術(shù)要求：鉆孔落底偏移距＜2 m；套管對(duì)接牢固，無(wú)刺漏，工程交付時(shí)工作管內(nèi)無(wú)淋水；成井后井底套管內(nèi)沉渣厚度≯0.5 m，井內(nèi)水柱高度≯20 m。

2 成井工藝

2.1 成井設(shè)備與配套器具

鉆井設(shè)備選用TSJ-3000型水源鉆機(jī)，最大輸出扭矩30 k N·m，配套JJ110-29A型鉆塔，高2.1 m平臺(tái)，最大提升能力900 kN；3NB-1000型泥漿泵；2臺(tái)TBW850/5B型固井泵；SQDD120型電子多點(diǎn)測(cè)斜儀；YST-48R型MWD無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀；配套旋流除砂器、振動(dòng)篩、離心機(jī)等泥漿固控系統(tǒng)。

施工配套鉆具為?159、178、203 mm鉆鋌，? 165 mm無(wú)磁鉆鋌，?172 mm螺桿，?127 mm鉆桿和?310 mm螺旋扶正器；配備?222 mm PDC鉆頭，? 580、850、1050 mm與?1300 mm組合牙輪擴(kuò)孔鉆頭，?550 mm與?850 mm復(fù)合片擴(kuò)孔鉆頭。

2.2 成井技術(shù)

采用常規(guī)正循回轉(zhuǎn)環(huán)鉆進(jìn)工藝，利用垂直定向鉆井技術(shù)先鉆超前導(dǎo)向孔，中靶的前提下，帶超前導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭鉆進(jìn)成孔，擴(kuò)孔鉆進(jìn)的級(jí)數(shù)依鉆機(jī)能力和鉆具強(qiáng)度而定［5-6］。先導(dǎo)孔尺寸選用?222 mm，然后根據(jù)設(shè)計(jì)最大井眼尺寸，進(jìn)行合理分級(jí)，按從小到大的順序依次進(jìn)行擴(kuò)孔。

一開孔徑1300 mm，孔深11.3 m，鉆過(guò)表土層至基巖界面以下2 m后，孔內(nèi)下設(shè)?1120 mm×10 mm的表層套管，水泥固管。二開孔徑1050 mm，孔深413.5 m，全孔下設(shè)安裝?836 mm×18 mm直縫工作管413.5 m（底部2.5 m為出漿孔尾管），水泥固管，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.1 Borehole structure

3 下管工藝

3.1 漂浮下管工藝原理

在套管柱底部安裝鋼板，使用鉆機(jī)提吊下套管的同時(shí)，套管柱內(nèi)部形成空管段，排開鉆孔內(nèi)泥漿產(chǎn)生的浮力抵消超出鉆機(jī)提升力以外的套管自重，使鉆機(jī)以不大的提升力下放套管［7-8］。其工藝原理見圖2。

圖2 漂浮下管工藝原理Fig.2 Pr inciple of the floating casing r unning process

由漂浮下管工藝原理可知，套管下放過(guò)程中，在垂直方向受到3個(gè)力的作用：上浮力F，自重G以及鉆機(jī)提升力N，三者關(guān)系為：

式中；：ρ1——鋼材密度，kg/m3；ρ2——泥漿密度，kg/m3；t——套管壁厚，m；D——套管外徑，m；h——套管長(zhǎng)度，m。

由以上公式可知，上浮力F和自重G均隨著套管下入長(zhǎng)度增加而加大。

為了套管安全順利下入，需滿足提升力N不能超出鉆機(jī)的最大提升能力，即滿足：

當(dāng)N值為零，套管上浮力F與自重G相等時(shí)，滿足：

即（D/t）2ρ2-4ρ1（D/t-1）=0，ρ1取7.85×103kg/m3，ρ2取1.2×103kg/m3，計(jì)算出：

該計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于大直徑套管，理論上當(dāng)其徑厚比D/t＞25.12時(shí)，套管受到的上浮力F大于其自重G，可選擇漂浮下管工藝。本工程終孔下入? 836 mm×18 mm的工作管，其徑厚比達(dá)到46.44，滿足漂浮下管工藝要求。

3.2 套管強(qiáng)度校核

以上漂浮下管工藝原理表明，采用漂浮法下放過(guò)程中套管所受浮力均大于自重，必須向套管內(nèi)部不斷注漿（泥漿或清水），使套管與環(huán)空內(nèi)漿液的總重力大于浮力，才能保證順利下放。但向套管內(nèi)注漿，需要嚴(yán)格控制注入量，注漿量過(guò)大，將額外增加鉆機(jī)提升力；注漿量過(guò)少，造成套管空管段長(zhǎng)度增加，套管柱受到的外擠壓力增加，需要對(duì)套管的強(qiáng)度進(jìn)行校核［9-12］。

套管在下放過(guò)程中，受外壓擠毀的形式主要有2種，一種是套管柱受徑向外壓作用，套管柱穩(wěn)定性不足，發(fā)生彈性失穩(wěn)變形；另一種是套管強(qiáng)度不夠，套管發(fā)生材料屈服破壞。對(duì)于一般大直徑套管而言，研究表明，受外壓擠毀失效的形式都是失穩(wěn)失效，此時(shí)外部載荷尚未達(dá)到材料的屈服極限，但對(duì)管柱的破壞力極強(qiáng)［13-14］。

套管失穩(wěn)的常用計(jì)算公式：

式中：Pte——套管失穩(wěn)臨界載荷，MPa；E——鋼管材料的彈性模量，MPa；μ——泊松比；t——套管壁厚，m；D——套管外徑，m。

套管屈服強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：Pyp——套管屈服載荷，MPa；δ——鋼管材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

按上述2個(gè)公式分別對(duì)套管進(jìn)行失穩(wěn)和屈服強(qiáng)度校核，并選取最小值。因套管失穩(wěn)和屈服強(qiáng)度計(jì)算公式都是在假定套管的初始橢圓度為零，且材料均勻無(wú)缺陷的條件下推導(dǎo)出來(lái)的，而實(shí)際上套管在孔內(nèi)的受力非常復(fù)雜，鉆孔彎曲作用于套管的橫向彎折力使套管由圓形變?yōu)闄E圓形，橢圓形套管在圓周截面上受力呈不均勻狀態(tài)，致使套管的實(shí)際抗擠毀強(qiáng)度小于公式計(jì)算值，因此需對(duì)計(jì)算值進(jìn)行系數(shù)修正，計(jì)算得出滿足套管安全下入的最大空管段長(zhǎng)度。

本工程?836 mm×18 mm的工作管，徑厚比46.44，彈性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度235 MPa，分別得出：

本次計(jì)算參照文獻(xiàn)［15］中取值0.7125，此修正系數(shù)是根據(jù)實(shí)際API套管大量試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)得到的［15］。

修正后的套管抗擠毀強(qiáng)度為3.26 MPa，泥漿密度1.2×103kg/m3，計(jì)算出最大空管段長(zhǎng)度hmax=276 m，即在下管過(guò)程中需要通過(guò)注漿將空管段控制在276 m以內(nèi)。

3.3 鋼板浮塞設(shè)計(jì)

鋼板浮塞是用圓形鋼板焊接安裝在套管柱底部，考慮到下管后的固井施工，將圓形鋼板中心開一?100 mm的圓孔，作為固井注漿時(shí)的出漿口。在圓形鋼板下端，用一鐵盤密封塞（帶密封圈）反向密封出漿口，套管下放時(shí)依靠液柱產(chǎn)生的壓力向上壓緊圓盤，起到逆止作用。鐵盤密封塞邊緣處加工有4個(gè)固定螺絲，通過(guò)螺絲連接與圓形鋼板結(jié)合固定。浮力板以下2.5 m作為尾管，尾管上割有若干個(gè)? 30 mm螺旋出漿孔，下管結(jié)束后，從套管內(nèi)下入鉆具搗開鐵盤密封塞，即可實(shí)現(xiàn)漿液的循環(huán)。

鋼板浮塞設(shè)計(jì)參數(shù)：浮力板厚度50 mm，直徑836 mm；鐵盤密封塞總厚度80 mm，浮力板以下厚30 mm，直徑150 mm，嵌入浮力板10 mm深位置直徑120 mm，用于安裝密封圈。固定螺絲長(zhǎng)度大于40 mm，嵌入浮力板深度＞10 mm。

鋼板浮塞結(jié)構(gòu)與實(shí)物裝配圖如圖3、圖4所示。

3.4 鋼板浮塞強(qiáng)度計(jì)算

鋼板浮力塞為材質(zhì)Q235B的熱軋低碳鋼，常溫抗拉強(qiáng)度σb=375 MPa，屈服強(qiáng)度σs=225 MPa，常溫下許用應(yīng)力［σ］=113 MPa，剪切許用應(yīng)力［τ］=0.6～0.8［σ］，取值67.8 MPa，浮力板厚度L=0.05 m，直徑D1=0.836 m，套管內(nèi)徑D2=0.8 m，套管浮力板下深h=411 m，泥漿密度ρ取1.2 g/cm3。

3.4.1 浮力板強(qiáng)度計(jì)算

浮力板底面積A0=（1/4）πD12=0.5486 m2；

浮力板底部最大受壓Pmax=ρgh=4.83 MPa；

浮力板與套管接觸面積A1=（1/4）π（D12-D22）=0.04623 m2；

抗壓承載力［F］1=［σ］A1=5.22×106N；

浮力板受壓力F1=PmaxA0=2.65×106N＜［F］1，抗壓強(qiáng)度滿足要求。

圖3 鋼板浮塞結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Steel buoyancy plug str ucture

圖4 浮力板與鐵盤密封塞實(shí)物裝配Fig.4 Assembly of the steel buoyancy plug

抗剪力［Q］1=［τ］A1，其中A1=πD2L；

剪力Q1=PmaxA2，其中A2=（1/4）πD22=0.5024 m2；

抗剪安全系數(shù)K1=［Q］1/Q1=3.51＞1。

因此浮力板強(qiáng)度滿足要求，同時(shí)可以計(jì)算出其厚度L必須大于14.25 mm。

3.4.2 鐵盤密封塞強(qiáng)度計(jì)算

鐵盤密封塞底面直徑d1=0.15 m，內(nèi)徑d2=0.12 m，鐵盤密封塞浮力板以下厚l1=0.03 m；鐵盤底面積S0=（1/4）πd12=0.01766 m2；

圓盤底部最大受壓仍為Pmax=4.83 MPa；

圓盤與浮力板接觸面積S1=（1/4）π（d12-d22）=0.006359 m2；

抗壓承載力［F］2=［σ］S1=7.22×105N；

圓盤受壓力F2=PmaxS0=8.5×104N＜［F］2，抗壓強(qiáng)度滿足要求。

抗剪力［Q］2=［τ］S2，其中S2=πd2l1；

剪力Q2=PmaxS2，其中S2=（1/4）πd22=0.0113 m2；

安全系數(shù)K2=［Q］2/Q2=14＞1。

因此鐵盤密封塞強(qiáng)度同樣滿足要求，且其最小厚度必須大于2.14 mm。

為進(jìn)一步增加浮力板的抗壓能力，在其上部用20 mm鋼板焊接成“井”字形支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了便于搗開鐵盤密封塞，在中心孔位置加工成喇叭口形狀，如圖5所示。

3.5 下管作業(yè)

工作管下放采用常規(guī)割孔穿杠提吊下管法，套管接縫處逐根焊接，并補(bǔ)焊穿杠孔。

浮力板下入后，向套管內(nèi)注入泥漿，保證工作管順利入井的同時(shí)，控制空管段長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)注漿總量149 m3，工作管下管數(shù)據(jù)見表1。最終全部套管入井時(shí)，設(shè)計(jì)理論空管段長(zhǎng)度114.42 m，大鉤理論載荷572.61 k N，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)空管段長(zhǎng)度為98.4 m，實(shí)際注漿157 m3，大鉤載荷627.2 k N。導(dǎo)致理論空管長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)空管長(zhǎng)度存在差別，主要源于向套管內(nèi)回灌漿液時(shí)，單次注漿量控制不夠精確，且漿液密度變化較大，下管期間累計(jì)注漿16次，注漿總量比設(shè)計(jì)值多出8 m3。

圖5 鋼板浮力塞支撐結(jié)構(gòu)Fig.5 Support structure of the steel buoyancy plug

表1 工作管下管數(shù)據(jù)（部分）Table 1 Casing running data（part）

下管作業(yè)結(jié)束，將套管柱固定在井口，向管內(nèi)注滿泥漿，并下入喇叭扶正器搗開浮力板中心的鐵盤密封塞，見圖6，開泵建立泥漿循環(huán)，為大直徑套管井口密封內(nèi)插管法固井作業(yè)做準(zhǔn)備，固井施工井口密封裝置見圖7。

圖6 喇叭扶正器Fig.6 Bell type centr alizer

圖7 固井示意Fig.7 Cementing

4 結(jié)論

（1）采用鋼板式浮塞順利完成了煤礦大口徑工程井套管的下放作業(yè)，實(shí)踐驗(yàn)證了此工藝的可行性。開展此工藝的應(yīng)用，必須對(duì)入井套管進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定最大空管段長(zhǎng)度。進(jìn)行浮板與鐵盤密封塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，避免下管時(shí)浮力裝置失效。

（2）鋼板浮塞下管結(jié)束后，浮力板將留在孔內(nèi)，不再進(jìn)行鉆掃。為此，根據(jù)成孔的工藝需要，結(jié)合礦方給定的管路有效使用長(zhǎng)度，鉆孔施工深度應(yīng)綜合考慮底部浮力板的位置與尾管的長(zhǎng)度。

（3）鋼板式浮塞下管工藝可以有效減少下管固井期間起下鉆的工作量，縮短作業(yè)時(shí)間，套管內(nèi)無(wú)水泥塊殘留，不會(huì)污染固井前的泥漿，且浮力鋼板加工制作過(guò)程簡(jiǎn)單，工藝操作方便，具有一定的推廣價(jià)值。