煤礦地面注漿泵站送料孔下管工藝技術(shù)方法研究

任貴陽,曹東風(fēng)

(1.河南省資源環(huán)境調(diào)查二院，河南 洛陽 471000; 2.河南省壓裂工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471000)

煤炭一直是我國的主要能源，在一次性能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著不可替代的重要地位。為滿足國民生產(chǎn)需要，煤礦在加大采煤力度的同時，采用地面、井下預(yù)注漿技術(shù)措施，提高礦井地層穩(wěn)固程度，從而減少了透水等事故的發(fā)生。目前，部分煤礦在場區(qū)內(nèi)建設(shè)一種地面注漿泵站送料孔。送料孔作為地面與煤礦巷道連通通道，承擔(dān)著輸送水泥砂漿原材料的重任。因此，研究地面注漿泵站送料孔成孔、落位、下管等施工工藝技術(shù)有著重要意義。本文主要圍繞地面注漿泵站送料孔的送料管施工工藝技術(shù)方法進行探討和研究。

1 下管關(guān)鍵技術(shù)難點分析及應(yīng)對措施

1.1 技術(shù)指標(biāo)要求

下管材質(zhì)不低于國標(biāo)50錳鋼標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)格為φ68 mm×10 mm；數(shù)量：分三路下入二級套管內(nèi)(鉆孔一開套管為一級套管，二開套管為二級套管)。試壓：送料管工作壓力為15 MPa，耐壓試驗要求壓力不低于工作壓力的1.5倍，穩(wěn)壓持續(xù)時間不小于30 min，清水無消耗為合格。否則，需將輸漿管提出補焊。固定：使用水泥在二級套管內(nèi)封固三路送料管，并要求水泥不能進入到三路送料管內(nèi)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)難點分析及應(yīng)對措施

根據(jù)技術(shù)要求，結(jié)合實際情況，需要另下入一路注漿管，通過注漿管注入水泥漿，達到固定三路送料管的目的。因此，一共需要在二級套管內(nèi)下入4路鋼管。下管過程中存在的關(guān)鍵技術(shù)難點分析及應(yīng)對措施如下。

(1)難點1：送料管內(nèi)保持清潔，不準(zhǔn)進入水泥漿、泥漿等物質(zhì)。措施：送料管最下端設(shè)置外絲扣，安裝相應(yīng)規(guī)格堵頭。注意事項：應(yīng)計算送料管重力、浮力。當(dāng)重力大于浮力時，按程序下入送料管；當(dāng)浮力大于重力時，可向送料管內(nèi)注入清水。

(2)難點2：由于孔斜及管體的柔韌性，4路鋼管分開下入可能產(chǎn)生管體互相纏繞難以下入的情況。措施：設(shè)計固定圓盤，將鋼管與圓盤焊接，4路鋼管同時下入二級套管。注意事項：每組鋼管(4根鋼管)上下端共焊接2個圓盤，圓盤距離端部約0.5 m，圓盤規(guī)格按送料管、注漿管、二級套管外徑、承重等實際情況設(shè)計。

(3)難點3：鉆機大鉤如何起吊4路鋼管。措施：使用鋼絲繩直接穿過固定圓盤直接掛在大鉤上。注意事項：計算鋼絲繩承載能力，確保安全系數(shù)大于2；鋼絲繩長度需要考慮大鉤到鉆機平臺的距離、送料管長度、固定圓盤位置。

(4)難點4：由于送料管與二級套管之間環(huán)空較小，送料管之間連接困難(不能使用接箍連接)。措施：采用焊接方法連接。注意事項：焊接送料管時，使用專業(yè)儀器測量，確保連接平直；焊接強度不低于管體強度。

(5)難點5：下管時，考慮如何放置在井口。措施：設(shè)計特殊井口板。注意事項：設(shè)計井口板時需考慮強度，并根據(jù)送料管、固定圓盤、操作舒適性等設(shè)計井口板結(jié)構(gòu)。

2 下管工藝技術(shù)方法研究

2.1 下管關(guān)鍵材料設(shè)計

(1)固定圓盤設(shè)計。所設(shè)計的固定圓盤外徑為193.14 mm，分別在對稱位置開挖3個半徑為35 mm半圓、1個半徑為27 mm半圓，圓盤厚度為15 mm。焊接四路鋼管后，外圓直井為250 mm。其結(jié)構(gòu)和實物如圖1所示。

圖1 固定圓盤結(jié)構(gòu)和實物Fig.1 Fixed disc structure and objects

(2)井口板的設(shè)計。井口板分為上下2層，下層為邊長1 000 mm、厚30 mm的正方形鋼板，中心開挖直徑為300 mm圓孔。上層分成對稱的兩部分，與下層“合頁”式連接，上層挖孔的結(jié)構(gòu)與下入的四路鋼管配套。其結(jié)構(gòu)和實物如圖2所示。

圖2 井口板結(jié)構(gòu)和實物Fig.2 Wellhead plate structure and physical objects

2.2 下套管工藝技術(shù)方法

(1)下管前準(zhǔn)備工作。按孔深準(zhǔn)備足量的送料管3a根，并保證每根長度、直徑、厚度等規(guī)格相同；按孔深準(zhǔn)備足量注漿管；準(zhǔn)備固定圓盤數(shù)量2a個，其中10 mm厚2/3a個、15 mm厚2/3a個、20 mm厚2/3a個；準(zhǔn)備井口板2套，規(guī)格按設(shè)計確定；準(zhǔn)備凈長2 mφ32 mm鋼絲繩12根；準(zhǔn)備電焊機2臺，高規(guī)格焊條足量，測直儀器1套；其他需要的材料。

(2)焊接作業(yè)。①在地面將送料管與固定圓盤焊接。送料管與固定圓盤垂直焊接，并連接牢固。為了方便吊裝，固定圓盤焊接位置距離送料管端部0.5 m以內(nèi)。②在鉆井平臺上對接送料管。管口利用對接扶正環(huán)固定位置，使用經(jīng)緯儀測量送料管是否同心，達標(biāo)后方可焊接。③使用509以上級別焊條焊接完成，待溫度降低到90 ℃后，方可將送料管下入至孔內(nèi)。

(3)下管作業(yè)。①將鋼絲繩穿過固定圓盤直接掛在鉆機大鉤起吊，將第一組送料管緩慢下入孔內(nèi)。②閉合井口板，將下入的送料管坐放在井口板。③使用經(jīng)緯儀對正送料管，使其上下同心，保持在一條直線上，然后進行焊接作業(yè)。④送料管焊接完成后，起吊鉆機大鉤，打開井口板，下入第二組送料管。⑤重復(fù)以上程序，直至下管完成。

(4)試壓作業(yè)。①連接試壓管線，使用高壓柱塞泵進行試壓作業(yè)。②試壓管線須增加連入單向閥，防止回壓。③按設(shè)計實驗壓力完成試壓作業(yè)。

(5)封固作業(yè)。通過注漿管向孔內(nèi)注入水泥漿，注漿技術(shù)方法采用固井工藝技術(shù)方法。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某煤礦需要在場內(nèi)施工一個地面注漿泵站送料孔。該送料孔鉆遇地層自上而下為：新近系、三疊系下統(tǒng)劉家溝組、二疊系上統(tǒng)石千峰組、上石盒子組及二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組上部地層，設(shè)計井深691.1 m左右。某施工隊于完成一開鉆進，井徑φ480 mm，井深40.65 m，下入φ406 mm×8 mm螺旋焊管(以下簡稱一級套管)。鉆至井深692.00 m完鉆后，下入φ273 mm×8 mm套管(以下簡稱二級套管)，施工隊采用電測數(shù)據(jù)為：孔深692.00 m，井斜0.13°，閉合位移2.71 m，閉合方位195.00°。

3.2 下入送料管技術(shù)要求

材質(zhì)不低于國標(biāo)50錳鋼標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)格φ68 mm×10 mm，分3路下入二級套管內(nèi)(鉆孔一開套管為一級套管，二開套管為二級套管)。試壓：送料管工作壓力為15 MPa，耐壓試驗要求壓力不低于工作壓力的1.5倍，穩(wěn)壓持續(xù)時間不小于30 min，清水無消耗為合格。否則，需將輸漿管提出進行補焊。使用水泥在二級套管內(nèi)封固3路送料管，并要求水泥不能進入到3路送料管內(nèi)。下管作業(yè)如圖3所示。

圖3 下管作業(yè)Fig.3 Down tube operation

3.3 下管作業(yè)過程

按照前期下管工藝技術(shù)方法研究成果及設(shè)計，施工隊于下入4路管路(3路送料管，1路注漿管)77組共計694.40 m，入井692.00 m。送料孔結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。隨后進行了試壓作業(yè)。測試壓力22.5 MPa，30 min后壓力無下降；接著進行固井作業(yè)。采用普通硅酸鹽水泥，首先注入前置液4 m3，水泥漿最大密度1.69 g/cm3，最小密度1.63 g/cm3，平均密度1.66 g/cm3，最后注入頂替液0.9 m3，水泥返至地面。

圖4 送料孔結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of the structure of the feeding hole

4 結(jié)語

通過該煤礦場內(nèi)施工一個地面注漿泵站送料孔項目，在進行下管作業(yè)時，必須注意以下幾點：固定圓盤的材質(zhì)不低于所下套管的材質(zhì)級別。其設(shè)計結(jié)構(gòu)及參數(shù)必須保證與外套管最小間隙2.5 mm以上；井口板結(jié)構(gòu)設(shè)計要滿足坐放套管的要求，承重安全系數(shù)不小于2；所下套管等長定做，兩端加工處理，便于焊接；焊接作業(yè)時，必須使用測量儀器保證下管垂直度；下管前，套管下端必須帶堵頭密封。下管完成后，測試壓力22.5 MPa，保證30 min后壓力無下降。