煤礦地面注漿泵站送料孔下管工藝技術方法研究

任貴陽,曹東風

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

煤炭一直是我國的主要能源，在一次性能源結構中占據著不可替代的重要地位。為滿足國民生產需要，煤礦在加大采煤力度的同時，采用地面、井下預注漿技術措施，提高礦井地層穩固程度，從而減少了透水等事故的發生。目前，部分煤礦在場區內建設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方法進行探討和研究。

1 下管關鍵技術難點分析及應對措施

1.1 技術指標要求

下管材質不低于國標50錳鋼標準。規格為φ68 mm×10 mm；數量：分三路下入二級套管內(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，穩壓持續時間不小于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封固三路送料管，并要求水泥不能進入到三路送料管內。

1.2 關鍵技術難點分析及應對措施

根據技術要求，結合實際情況，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下入4路鋼管。下管過程中存在的關鍵技術難點分析及應對措施如下。

(1)難點1：送料管內保持清潔，不準進入水泥漿、泥漿等物質。措施：送料管最下端設置外絲扣，安裝相應規格堵頭。注意事項：應計算送料管重力、浮力。當重力大于浮力時，按程序下入送料管；當浮力大于重力時，可向送料管內注入清水。

(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生管體互相纏繞難以下入的情況。措施：設計固定圓盤，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，圓盤規格按送料管、注漿管、二級套管外徑、承重等實際情況設計。

(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：設計特殊井口板。注意事項：設計井口板時需考慮強度，并根據送料管、固定圓盤、操作舒適性等設計井口板結構。

2 下管工藝技術方法研究

2.1 下管關鍵材料設計

(1)固定圓盤設計。所設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。其結構和實物如圖1所示。

圖1 固定圓盤結構和實物Fig.1 Fixed disc structure and objects

(2)井口板的設計。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，上層挖孔的結構與下入的四路鋼管配套。其結構和實物如圖2所示。

圖2 井口板結構和實物Fig.2 Wellhead plate structure and physical objects

2.2 下套管工藝技術方法

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

(2)焊接作業。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。②在鉆井平臺上對接送料管。管口利用對接扶正環固定位置，使用經緯儀測量送料管是否同心，達標后方可焊接。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。

(3)下管作業。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。②閉合井口板，將下入的送料管坐放在井口板。③使用經緯儀對正送料管，使其上下同心，保持在一條直線上，然后進行焊接作業。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重復以上程序，直至下管完成。

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

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

3 工程應用

3.1 工程概況

某煤礦需要在場內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、三疊系下統劉家溝組、二疊系上統石千峰組、上石盒子組及二疊系下統下石盒子組、山西組上部地層，設計井深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)，施工隊采用電測數據為：孔深692.00 m，井斜0.13°，閉合位移2.71 m，閉合方位195.00°。

3.2 下入送料管技術要求

材質不低于國標50錳鋼標準，規格φ68 mm×10 mm，分3路下入二級套管內(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，穩壓持續時間不小于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封固3路送料管，并要求水泥不能進入到3路送料管內。下管作業如圖3所示。

圖3 下管作業Fig.3 Down tube operation

3.3 下管作業過程

按照前期下管工藝技術方法研究成果及設計，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。送料孔結構示意如圖4所示。隨后進行了試壓作業。測試壓力22.5 MPa，30 min后壓力無下降；接著進行固井作業。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 送料孔結構示意Fig.4 Schematic diagram of the structure of the feeding hole

4 結語

通過該煤礦場內施工一個地面注漿泵站送料孔項目，在進行下管作業時，必須注意以下幾點：固定圓盤的材質不低于所下套管的材質級別。其設計結構及參數必須保證與外套管最小間隙2.5 mm以上；井口板結構設計要滿足坐放套管的要求，承重安全系數不小于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。