基于遠(yuǎn)程輸漿條件下地面注漿工藝研究

趙鵬飛

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

邢東礦1300 采區(qū)地面定向鉆探防治水工程重點(diǎn)對(duì)邢東礦1300 采區(qū)內(nèi)F15 和F19 導(dǎo)水?dāng)鄬舆M(jìn)行探查治理，共設(shè)計(jì)2 個(gè)鉆場(chǎng)。此次討論的FZ2 鉆場(chǎng)重點(diǎn)對(duì)F15 導(dǎo)水?dāng)鄬舆M(jìn)行探查治理，在解放其防水煤柱的同時(shí)，對(duì)斷層下盤(pán)奧灰一定深度進(jìn)行注漿加固，以增加2 煤底板隔水層厚度。該鉆場(chǎng)共設(shè)計(jì)1 個(gè)主孔，24 個(gè)分支孔，鉆探工程量14 213 m，預(yù)計(jì)注水泥11 371 t。根據(jù)注漿工程量，設(shè)計(jì)1 個(gè)注漿站，制漿能力不低于40 m3/h，配套2 個(gè)水泥儲(chǔ)存罐，單個(gè)容量不小于100 t。

2 FZ2 鉆場(chǎng)場(chǎng)地條件

FZ2 鉆場(chǎng)地處邢東礦西側(cè)北張家屯村西北部，為農(nóng)房和圍墻合圍三角區(qū)，面積僅3 000 m2，如圖1 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，當(dāng)鉆機(jī)及配套設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后，場(chǎng)地不具備放置制漿機(jī)和水泥存儲(chǔ)管的空間。因鉆場(chǎng)位于村莊北部，只有1 條村道（僅3 m 寬）可行，向現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)送水泥時(shí)，運(yùn)輸車(chē)輛須在村莊內(nèi)部穿行2 km，運(yùn)輸困難，影響注漿效果。

圖1 FZ2 鉆場(chǎng)場(chǎng)地條件示意圖Fig.1 FZ2 drilling site conditions schematic

3 FZ2 鉆場(chǎng)注漿站設(shè)計(jì)

因FZ2 鉆場(chǎng)周邊村莊較多，且空地以基本農(nóng)田為主，就近建設(shè)注漿站的可行性不高。考慮到FZ3 鉆場(chǎng)空間大，水泥運(yùn)輸便利，同時(shí)方便管理，遂設(shè)計(jì)將FZ2 鉆場(chǎng)注漿站建在FZ3 鉆場(chǎng)，F(xiàn)Z2 鉆場(chǎng)采用遠(yuǎn)程管路輸漿的設(shè)計(jì)思路。

3.1 制漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足工程施工要求，制漿系統(tǒng)采用一體化移動(dòng)智能制漿系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由一級(jí)高速渦流制漿、二級(jí)儲(chǔ)漿桶、水箱、空壓機(jī)氣路系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、配電及計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)等部分組成。采用集裝箱式密封設(shè)計(jì)，吊裝方便，滿足環(huán)保要求。與制漿機(jī)相配套的是2 個(gè)容量150 t 的水泥儲(chǔ)存罐和2 臺(tái)獨(dú)立的螺旋上料機(jī)。制漿系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配比，日制漿能力1 000 m3。制漿系統(tǒng)設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 制漿系統(tǒng)設(shè)備明細(xì)Table 1 Pulping system equipment details

3.2 注漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FZ2 鉆場(chǎng)注漿時(shí)采用遠(yuǎn)程管路輸漿，現(xiàn)場(chǎng)注漿的方式進(jìn)行。為保證注漿效果，特對(duì)注漿系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

注漿站現(xiàn)場(chǎng)安裝1 臺(tái)無(wú)級(jí)變速輸漿泵，型號(hào)BW850/5 雙缸，額定注漿能力1 224 m3/d，壓力10 MPa，輸漿泵連接制漿系統(tǒng)和輸漿管路。FZ2 鉆場(chǎng)安裝3 臺(tái)注漿泵，型號(hào)NBB390 和NBB260，配套有2 個(gè)攪拌池，容積10 m3。制漿完成后，輸漿泵通過(guò)輸漿管路將水泥漿送至FZ2 鉆場(chǎng)攪拌池，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿泵注入孔內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況，隨時(shí)調(diào)整輸漿量。

3.3 輸漿管路設(shè)計(jì)

FZ2 鉆場(chǎng)遠(yuǎn)程輸漿管路線路如圖2 所示。FZ2鉆場(chǎng)地面標(biāo)高+61 m，F(xiàn)Z3 鉆場(chǎng)地面標(biāo)高+59 m，輸漿過(guò)程中存在爬坡現(xiàn)象。為繞開(kāi)地面建筑，輸漿線路達(dá)1 400 m，且存在存在多處拐彎。

圖2 FZ2 鉆場(chǎng)遠(yuǎn)程輸漿管路設(shè)計(jì)Fig.2 Design of remote slurry pipeline in FZ2 drilling field

為確保注漿質(zhì)量，工程要求水泥漿比重變化區(qū)間為1.2～1.65 t/m3。因此，遠(yuǎn)程輸漿面臨的直接問(wèn)題就是，輸漿過(guò)程中阻力較大，一旦水泥漿流速變緩，極易造成水泥掛壁，長(zhǎng)期運(yùn)行將造成管路縮徑、堵塞，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成管路損壞跑漿，造成環(huán)保問(wèn)題。為此，從管路材質(zhì)、管徑選取、管路接口等方面進(jìn)行分析。

3.3.1 管路材質(zhì)

現(xiàn)有的管路材質(zhì)主要有膠管和鋼管，兩者對(duì)比發(fā)現(xiàn)，膠管內(nèi)壁光滑度交叉，輸漿過(guò)程中容易附著水泥，即使頻繁沖洗也會(huì)殘存水泥，為此特選用了內(nèi)壁光滑度較高的鋼管。光管輸漿和沖洗過(guò)程中，通過(guò)沿線敲擊可有效降低水泥附著程度。

3.3.2 管徑選取

管徑計(jì)算公式：

式中：d 為管路內(nèi)徑，m；Q 為流量，m3/s；V 為流速，m/s。

依據(jù)式（1） 可知，在不考慮壓力的情況下，同等流量時(shí)，管徑越小流速越快。為兼顧輸漿壓力和流量，考慮管路耐壓性，特選取油田常用的耐壓鋼管，規(guī)格φ73 mm×11 mm，耐壓30 MPa。

3.3.3 管路接口

先期管路連接采用焊接法蘭對(duì)接方式，經(jīng)過(guò)壓水試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)焊接處存在滲水現(xiàn)象，同時(shí)管路拐彎造成輸漿壓力較大，嚴(yán)重影響工作效率。隨后將管路接口處全部安裝快速插頭，拐彎處采用膠管連接，消除直角彎，降低輸漿阻力，經(jīng)過(guò)運(yùn)行未發(fā)現(xiàn)漏漿和堵塞現(xiàn)象。

4 注漿工藝

為保證注漿正常進(jìn)行，在注漿系統(tǒng)和輸漿系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，依據(jù)邢東礦井田地質(zhì)條件和注漿技術(shù)要求，對(duì)注漿工藝進(jìn)行優(yōu)化。

工程要求注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為流量降至35 L/min，孔口終壓達(dá)12 MPa，且穩(wěn)定時(shí)間不小于30 min。為避免出現(xiàn)突然上壓，造成輸漿管路內(nèi)水泥漿無(wú)處排放，故采用提前壓水方式，在沖洗管路的同時(shí)，確保將水泥漿全部注入鉆孔漏失位置。

經(jīng)過(guò)多次嘗試，最終確定當(dāng)大泵量注漿壓力達(dá)到8 MPa 并穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始?jí)核?，根?jù)鉆孔深度計(jì)算壓水量和壓水時(shí)間，適當(dāng)調(diào)整壓水時(shí)機(jī)，確保壓水量不大于孔內(nèi)空間，保證水泥漿全部進(jìn)入孔內(nèi)，并且可以保證孔口終壓達(dá)到12 MPa。

因輸漿管路不具備埋在地下的條件，冬季存在管路上凍情況。為避免管路上凍，壓水時(shí)在清水內(nèi)加入一定量的食鹽，防止內(nèi)部結(jié)冰。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，食鹽濃度達(dá)到7%時(shí)，管路內(nèi)部不會(huì)結(jié)冰，內(nèi)部腐蝕程度也不大。

5 結(jié) 論

（1） 注漿工程自2021 年11 月開(kāi)始，截至目前已注漿8 次，最長(zhǎng)周期17 d，日注水泥可達(dá)410 t，累計(jì)注水泥近16 000 t。注漿期間注漿系統(tǒng)和輸漿系統(tǒng)運(yùn)行良好，注漿工藝得到檢驗(yàn)，有效保證了工程質(zhì)量。

（2） 實(shí)踐表明，地面注漿時(shí)采用遠(yuǎn)程輸漿方案是可行的。輸漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到路線規(guī)劃、設(shè)備及管路選型，并結(jié)合工程要求進(jìn)行全面論證和試驗(yàn)，最終確定合理的方案，保證注漿效果，達(dá)到工程施工目的。