鉆井浮力閥法下管技術的實踐與理論研究

馬力

摘 要：含瓦斯煤層的工程開采前，瓦斯抽排井的建設工作至關重要。較傳統的吊車下放瓦斯套管，使用水泥塞浮力閥進行瓦斯套管的下放，利用浮力閥提供的浮力，可以使套管的下放作業更加安全，且有更高的經濟效益。該文對淮南礦業（集團）有限責任公司潘三煤礦瓦斯抽采入井鉆孔（新7號孔）工程中浮力閥下管法實踐進行介紹，并進一步對浮力閥法下管技術的理論進行了介紹和研究。

關鍵詞：煤礦 瓦斯套管 水泥塞浮力閥 下管 工程

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（b）-0021-02

含瓦斯煤層的開采作業實施之前，需要建設瓦斯抽排井，對煤層內的瓦斯進行治理。瓦斯抽排井是大口徑的鋼管進行焊接后形成的，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，根據現實需要，瓦斯抽排井的口徑越來越大，深度越來越深，由此導致下放鋼管的重量大，甚至超過鉆井機械的起吊能力。傳統的套管下放方式是使用吊車，此種方法有著較多的實踐應用，但是對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（鉆機的安全提升力處）設置浮力塞，即在鋼管內設置隔塞，并在塞下充氣，在較大的浮力作用下，減小套管對鉆機的壓力，使其至在工作套管的自重超過了鉆機的起吊能力時，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和雙塞空氣柱下管技術[1]。在套管中設置浮力塞后，下管過程中，可以通過回灌泥漿或水來調節浮力的大小，借助上部空管在泥漿中產生的浮力，將套管重力抵消。

1 工程概況

淮南礦業（集團）有限責任公司潘三煤礦，需在工業廣場內新增瓦斯抽采入井鉆孔（新7號孔）1個，鉆孔設計孔深為836.5 m。

考慮到工程技術要求、地層因素以及以往經驗，鉆孔結構擬采用二級設計。

（1）一開新地層段：先用Φ311mm鋼齒牙輪鉆頭打導向孔，鉆進至375 m；再用Φ600mm導向牙輪組合鉆頭二次擴孔到370 m，之后用Φ820mm導向牙輪組合鉆頭三次擴孔到363.7 m，最后用Φ1080mm導向牙輪組合鉆頭四次擴孔到穩定基巖面以下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護孔管。

（2）二開基巖段：護孔管固管止水完畢并驗收合格后，下入Φ311mm鑲齒牙輪鉆頭沿原導向孔繼續鉆進，鉆至846.5 m。再用Φ600mm及Φ820mm導向牙輪組合鉆頭，分兩次擴孔，導向牙輪組合鉆頭擴孔到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，之后使用優質泥漿對鉆孔進行換漿，待孔內返出全新優質泥漿后。用石油固井技術G級水泥固管，并在候凝72 h后做止水實驗。

2 采用浮力閥的下管方案下放D880mm瓦斯套管

在下管工作實施前，需要根據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，動力為160 kW電動機。鉆機額定載荷85 t，D880mm×12mm的瓦斯套管重90 t，按照傳統下管方式，則會出現鉆塔超負荷的情況，甚至鉆塔倒覆。在該工程中，考慮到鉆塔的負荷問題，使用水泥塞浮力閥下放。該方法不僅有效解決套管的超負荷問題，利用浮力閥將鉆塔受力控制在安全范圍之內，更同時節約了工程成本，有較大優勢。

2.1 水泥塞浮力閥下放瓦斯套管方案

（1）先通過理論計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）對下管過程進行施工模擬，計算出工程進展過程中各項參數，為實際的作業做好準備；（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。先靠鉆機自身提升拉力下管，再采用浮力器下管。鉆機下放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，下放過程中當套管浮力過大時在管內回灌泥漿下管，確保套管順利下放。

2.2 下管注意事項

（1）各管段之間的焊縫需要密實，尤其是穿杠孔部分，需要焊實后再加加強板加固，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）下管前需要認真檢查鉆機鉆塔、天輪、穿杠、鋼絲繩、提拉等各部分的連接部位，確保合格后可實施下井作業；（4）現場記錄要認真詳實，對比實際參數與理論參數，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。總的來說，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包括：壓縮空氣的總量，水泥塞浮力閥的安裝位置，初始壓縮空氣壓強和最終的壓縮空氣壓強等。

3.2 瓦斯套管空管強度和穩定性

在水泥塞浮力閥下放瓦斯套管的過程中，因為浮力塞之上部的套管的外壁，會受到水泥漿的最大的側向壓力，此時為了施工安全性能得到保障，側向壓力一定要小于抗壓實驗得到的套管側向抗壓的能力。因此，空管在水泥漿壓力作用之下，其強度和穩定性的分析對保障工程的安全實施十分重要。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定性。在進行施工前，需要掌握瓦斯套管的承受強度參數和穩定性值，并對二者進行認真校核，從而保證下管工作的順利施行。

3.3 水泥塞浮力閥的設計

增加水泥塞浮力閥的摩擦力，對浮力閥作用的發揮有促進作用。因此選擇膨脹水泥配置水泥漿，對膨脹水泥的原材料進行篩選，對其配制方法進行研究，對其性能進行實驗并對現場施工方法進行技術探索，都對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驗

對于水泥塞浮力閥在套管下放工程中使用性能的研究，一般需要進行以下幾個內容的實驗研究。（1）浮力閥的模擬充氣實驗。進行水泥塞浮力閥的模擬充氣實驗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。通過實驗模擬得到參數，以對實踐中的充氣過程提供參考。（2）浮力閥高壓空氣的泄壓實驗，此實驗的目的，是通過高壓泄氣實驗得到泄氣速度與孔徑、氣壓等的關系，以便得到高壓空氣的泄壓規律。（3）浮力閥下管現場模擬實驗。對瓦斯套管的下放過程進行模擬，此實驗的目的是對下管過程中的工藝和施工過程進行考察，發現規律并得到參數，最終應用到實際下管的工程操作過程中。

以上3個實驗在水泥塞浮力閥應用于瓦斯套管下管的工程中得實施，有著重要的意義，可以很好地保證實際操作的安全性和穩定性。

4 結語

水泥塞浮力閥在瓦斯套管下放作業中的應用，主要是針對大口徑地鉆孔的下管能安全實施而提出，并在采煤開礦工程中應用日益廣泛。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約成本。在淮南礦業（集團）有限責任公司潘三煤礦瓦斯抽采入井鉆孔（新7號孔）的工程中，使用了水泥塞浮力閥技術，用TSJ-2600鉆機下放了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，這次新技術的合理使用節約了成本。

參考文獻

[1] 余大有，陳月化，唐志宏.加臨時浮力塞自平衡浮力法下管技術研究[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，2014，26（6）：69-70.