割拔管技術(shù)在礦區(qū)地面治理工程中的應(yīng)用

邵望洋

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056000）

礦山防治水地面區(qū)城治理工程是從地面施工一定深度的垂直鉆孔，再鉆進(jìn)1個(gè)定向造斜段，造斜段底部一般設(shè)計(jì)進(jìn)入目的層位，并下置能夠滿足后續(xù)注漿的生產(chǎn)套管，且進(jìn)行水泥固井后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。為了保證后續(xù)施工分支孔滿足實(shí)際開(kāi)采需要，同時(shí)考慮工程經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡可能減少鉆探工程量，提高鉆探效率，因此設(shè)計(jì)割管及拔管后利用已施工的垂直主孔進(jìn)行新的造斜段施工。

1 割管技術(shù)

該技術(shù)原多應(yīng)用于鉆探工作中，隨著壓裂、酸化、大修等增產(chǎn)措施的不合理實(shí)施，加之管外地層壓力的作用，礦企從節(jié)約成本的角度出發(fā)，對(duì)套管進(jìn)行割管后進(jìn)行取換套管作業(yè)，后逐漸應(yīng)用于礦區(qū)域治理定向鉆孔中。割管工具主要有兩種：水力內(nèi)割刀及機(jī)械式內(nèi)割刀，目前最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的切割工具就是機(jī)械式內(nèi)割刀，機(jī)械式內(nèi)割刀在取換套施工中應(yīng)用范圍廣，可以重復(fù)使用，機(jī)械式內(nèi)割刀切割技術(shù)在取換套施工中的成熟應(yīng)用，對(duì)取換套施工提高時(shí)效，降低施工風(fēng)險(xiǎn)起到了重要作用。割管技術(shù)在礦山防治水區(qū)域治理項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始較多的應(yīng)用，為滿足礦山防治水治理區(qū)全覆蓋，利用一個(gè)垂直主孔，每個(gè)造斜段完孔后需要滿足后續(xù)分支順利鉆進(jìn)，若無(wú)法滿足全部分支孔的施工則需要將工作套管在斜孔段割斷并拔出一部分，重新造斜施工下一組分支孔。切割套管、起拔套管技術(shù)保證了主孔的有效利用和治理分支孔的實(shí)施[1]。

2 實(shí)際應(yīng)用

以新集二礦1組開(kāi)采地面超前區(qū)域探查治理工程為實(shí)例，該工程共包含兩個(gè)采區(qū)的探查治理，分別為2201采區(qū)（剩余塊段）、2301（東翼）采區(qū)。其中2201采區(qū)（剩余塊段）設(shè)計(jì)1個(gè)垂直主孔，9個(gè)定向分支孔，全部采用沿地層及工作面走向平行布置，2301（東翼）采區(qū)設(shè)計(jì)1個(gè)垂直主孔，18個(gè)定向分支孔，南部為沿工作面走向平行布置，北部為羽狀布置。

2.1 主孔結(jié)構(gòu)

直孔段：一開(kāi)孔徑為Φ311mm，穿過(guò)基巖，下入Φ244.5×8.94mm管路，并封固地表疏松層、礫石層。造斜段：二開(kāi)孔徑為Φ216mm，采取定向鉆井，鉆至12灰，全孔段下Φ177.8×8.05mm生產(chǎn)套管，并固結(jié)牢固。其中S1主孔需要割拔管一次施工后續(xù)瓦斯孔，S2主孔需要割拔管一次施工兩個(gè)造斜段。近水平段：三開(kāi)孔徑Φ152mm，裸孔，全部在12灰層內(nèi)鉆進(jìn)，直至終孔位置。

2.2 機(jī)械式割刀

本工程分別對(duì)S1主孔造斜段及S2主孔1#造斜段進(jìn)行了套管切割，使用的割刀為ND-178型機(jī)械式內(nèi)割刀。ND-178型機(jī)械式內(nèi)割刀主要是由心軸、刀片、刀枕、卡瓦總成、主彈簧、摩擦總成和底部螺帽等組成。割刀通過(guò)心軸上端的母扣與上部鉆具進(jìn)行聯(lián)接,心軸是空心軸，可以循環(huán)鉆井泥漿；心軸上有3個(gè)均布的槽，各安裝一把刀片和一個(gè)刀枕；心軸下端與底部螺帽螺紋聯(lián)接，底部螺帽的主要作用是引導(dǎo)割刀進(jìn)入管體[2]。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 兩主孔割管位置選擇

S1主孔原二開(kāi)177.8mm套管下管及固井情況：+5.42m～810m，下入Φ177.8*8.05mm石油套管，固井水泥設(shè)計(jì)孔深為410m～810m（由底口返高400m）。S2主孔原177.8mm套管下管及固井情況：+3.92m～920m，下入Φ177.8*8.05mm套管，固井水泥設(shè)計(jì)孔深為520~920m（由底口返高400m）。

套管割管位置選擇根據(jù)以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)Φ177.8mm套管固井時(shí)水泥漿上返高度，防止割管位置在水泥固結(jié)段。

（2）根據(jù)下管記錄接箍位置，切割位置無(wú)接箍。

（3）根據(jù)井斜的情況，切割位置井斜角要盡量小。

（4）割管后裸孔段必須滿足下步造斜段的順利造斜，且盡可能保證效益最大化。

根據(jù)以上要求，S1主孔初步選擇割管位置在360m～350m之間。S2主孔初步選擇割管位置在490m～480m之間。

2.4 割管過(guò)程

2.4.1 下井前的準(zhǔn)備

（1）檢查刀片及摩擦塊是否轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮自如，刀刃、卡瓦牙、上接頭螺紋是否完好，其它部件裝配是否正確。

（2）內(nèi)割刀下井前應(yīng)按跟蹤卡檢查核對(duì)，準(zhǔn)確無(wú)誤后，方可下井。

2.4.2 入井過(guò)程

內(nèi)割刀除扶正機(jī)構(gòu)的外徑外，其它部位外徑小于被切割管體的內(nèi)徑。因此，入井后扶正塊壓縮小彈簧，緊貼管體內(nèi)壁，扶正內(nèi)割刀垂直下放至預(yù)定部位。

在下入過(guò)程中，摩擦力矩阻止內(nèi)割刀旋轉(zhuǎn)，內(nèi)割刀才能順利地下放至預(yù)定部位。

2.4.3 坐卡過(guò)程

內(nèi)割刀下至預(yù)定部位后，用鉆具邊旋轉(zhuǎn)邊下放心軸，旋轉(zhuǎn)3轉(zhuǎn)～4轉(zhuǎn)，長(zhǎng)套簡(jiǎn)和牙板就脫離嚙合。與此同時(shí)，隨心軸一起下移的卡瓦錐體迫使三塊卡瓦向外張開(kāi)咬緊被切割曾體內(nèi)壁，從而將內(nèi)割刀坐卡在管體內(nèi)。為了坐卡牢固，需要給心軸足夠的下放壓力。

2.4.4 切割過(guò)程

當(dāng)內(nèi)割刀坐卡在披切剖管體內(nèi)以后，若繼續(xù)用鉆具邊旋轉(zhuǎn)邊下放心軸，則由于刀枕不能再隨心軸下移而只能隨心軸旋轉(zhuǎn)，所以三塊刀片就沿刀枕斜面下滑向外張開(kāi)并切入管體。隨心軸的不斷旋轉(zhuǎn)和下放，刀片就對(duì)管體進(jìn)行連續(xù)切削，直到切斷。

（1）以10轉(zhuǎn)/分～18轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)切割鉆具，進(jìn)行切割作業(yè)。切割過(guò)程中應(yīng)逐漸加壓，每次下切割鉆具約2mm，不要超過(guò)3mm。這樣當(dāng)下放鉆具總長(zhǎng)度為32mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)自如，無(wú)反扭矩出現(xiàn)（即扭矩值復(fù)原）表明切割完成。此時(shí)，可提高轉(zhuǎn)速至28轉(zhuǎn)/分，并反復(fù)加壓（5KN）兩次，若扭矩值無(wú)增，即證明管柱切斷。

（2）停止轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，應(yīng)先緩慢上提，使內(nèi)割刀恢復(fù)初始狀態(tài)后，再將內(nèi)割刀起出井外。

2.4.5 脫卡過(guò)程

完成后，停止旋轉(zhuǎn)并上提鉆具，使心軸帶動(dòng)長(zhǎng)套筒順牙板齒向上滑動(dòng)，直到鋸齒形螺紋重新啦合。與此同時(shí)，卡瓦對(duì)管壁的卡緊力以及大彈簧的壓力解除，刀片沿刀枕斜面上行并在彈簧片的作用下退入刀槽內(nèi)。這樣，內(nèi)割刀就恢復(fù)了坐卡前的狀態(tài)。至此，完成了自動(dòng)脫卡。

2.5 實(shí)施效果

新集二礦地面超前區(qū)域治理工程共成功割管、拔管兩次，S2主孔于2019年8月30日將ND-178型機(jī)械式割刀下置孔深482m，一次性成功割管并成功拔管。S1主孔實(shí)際進(jìn)行了6測(cè)切割套管，最后在195m成功割管并起拔成功。S1主孔實(shí)際割管具體情況為：于2019年12月10日下ND-178型機(jī)械式割刀至孔深352m開(kāi)始割管，套管割斷后，起拔至100多噸拉力套管紋絲不動(dòng)，拔管未成功；后將割管位置上移至孔深300m下割刀進(jìn)行割管，割管完畢后，套管仍無(wú)法起拔；繼續(xù)上移割管位置至孔深254m，割管完畢后仍無(wú)法起拔，繼續(xù)上移至225m及217m孔深割管完畢后均不能起拔套管，最終上移割管位置至孔深195m割管后，對(duì)0m～195m孔段內(nèi)Φ177.8mm套管全部成功拔出孔外。

表1 鉆孔實(shí)施割管及拔管情況

S1主孔造斜段于2018年12月底下入Φ177.8mm套管并固井，在2019年12月進(jìn)行套管切割，孔內(nèi)靜置時(shí)間達(dá)12個(gè)月，期間進(jìn)行了9個(gè)分支孔的鉆探，注漿等工序，套管均被割刀成功切割，但因套管外部由于孔段坍塌、掉塊等因素卡死套管，直至切割深度進(jìn)入一開(kāi)套管內(nèi)部才成功起拔。S2主孔1#造斜段于2019年4月初下入Φ177.8mm套管并固井，在2019年8月底進(jìn)行套管切割，孔內(nèi)靜置時(shí)間不到4個(gè)月，且1#造斜段只進(jìn)行了4個(gè)分支的施工。通過(guò)對(duì)比分析，ND-178型機(jī)械式割刀在套管切割中效果明顯，對(duì)于每處切割深度均達(dá)到了成功切割，但在后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)行套管割管時(shí)需要考慮孔段的地層，套管在孔內(nèi)停置時(shí)間等因素。

3 結(jié)語(yǔ)

兩個(gè)主孔的造斜段成功割管及起拔，保證了后續(xù)鉆孔的順利施工，是新集二礦地面超前區(qū)域探查治理工程施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。ND-178型機(jī)械式割刀在本工程中進(jìn)行了多次下井并成功切割，充分表明該型割刀的施工可靠性，安全性，經(jīng)濟(jì)性。為后續(xù)成功割管及拔管積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)本工程中也反應(yīng)出在區(qū)域治理工程中割管仍具有一定的不確定性，設(shè)計(jì)進(jìn)行割管時(shí)，需要考慮切割位置的鉆孔巖石穩(wěn)定性，同時(shí)該造斜段套管距離下次切割的間隔時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。