陶粒置换泥浆法下管技术研究

张义俊 余大有 夏红兵 张雷 郑应键

摘要：采用双塞自平衡法下瓦斯抽排管时，上部空管段长度达到了300 m，管内外压力差和提管拉力共同作用，发生瘪管事故。基于此，提出了在上部工作管内用陶粒置换泥浆的下管技术。通过室内试验，测得普通陶粒的抗围压强度为2.4 MPa。当泥浆密度为1 200 kg/m3时，对应陶粒放置深度200 m，并分析了普通陶粒的在围压作用下的破坏机理。现场应用表明，用陶粒置换泥浆，明显减轻钻塔负荷；减小了管内外压力差值，有效避免了套管的瘪管事故。

关键词：瓦斯抽排管；自平衡浮力法下管技术；双塞下管

中图分类号：TD713 文献标志码：A [WT]文章编号：1672-1098（2014）02-0079-04

近几年来，越来越多的煤矿，采取大口径瓦斯抽排井作为防治瓦斯灾害和合理利用瓦斯的主要方法[1-2]。随着开采的深度越来越大，相应瓦斯抽排井工作管长度越来越长，工作管的重量已经大大超过了目前钻井机械的起吊能力。因此，人们提出了很多减轻钻塔吊载的方法，较常用的浮力法下管技术。浮力法下管技术[3-6]在工作管内充入空气，置换泥浆，来减轻吊载，分为单塞浮力法和双塞浮力法。由于下管深度的增大，单塞浮力法中的空气柱长度会随着泥浆压力的变大而变短，空气柱所提供的浮力变小，钻塔的吊载减轻不明显。双塞下管时，两塞间的空气柱体积不变，但下管结束时，上塞排气速度难以控制，造成泥浆管喷现象；当钢管上段空管（未充入泥浆）的高度较大时，管内外压差较大，发生瘪管事故。基于以上原因，本文提出了一套以陶粒作为浮管材料来减轻钻塔吊载的下管方法（已申请发明专利），以期实现安全下放大口径瓦斯抽排管。

1 瘪管原因分析

淮南矿业集团某矿下瓦斯抽排管，采用单塞浮力法，总管深580 m。当下管深度达到565 m时，发生瘪管[7-9]事故。所用管材为Q235钢材，630 mm×14 mm，上部未注浆的空管段长度为160 m，泥浆密度取1 150 kg/m3，拉力表读数为500 kN。

2 陶粒抗围压试验

陶粒由页岩与粘土煅烧而成[10-12]，陶粒的外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体，它的表面是一层坚硬的外壳，这层外壳呈陶质或釉质，具有隔水保气作用，并且赋予陶粒较高的强度。陶粒具有以下优点：密度轻：陶粒的堆积密度小于900 kg/m3，分为超轻陶粒（200～300 kg/m3）、普通（结构保温）陶粒（500～700 kg/m3）、高强陶粒（700～900 kg/m3）；耐久性好，强度大：粉煤灰陶粒的耐久性主要表现在抗冻性、吸水率、安定性、软化系数等方面，用粉煤灰陶粒制造的混凝土比用天然石料生产的混凝土强度大；适应性强：根据各地资源条件不同，可分别采用黏土、页岩、粉煤灰或其他固体废弃物生产陶粒，根据用途不同和市场需要，可以生产不同堆积密度和粒度的陶粒产品，也可生产有特殊用途的陶粒，如耐高温陶粒、耐酸陶粒和花卉陶粒等。

2.1 试验设备

抗围压试验压力罐（内腔直径300 mm、深500 mm），手动油泵和0～6 MPa量程压力表如图2所示。

2.2陶粒试样本次试验选用陶粒普通陶粒， 粒径为10～20 mm， 其堆积密度为500 kg/m3， 筒压强度为1.6 MPa（见图3）。

2.3试验步骤

1） 将普通陶粒涂抹高耐候性外墙乳胶涂料当做防油层，再将普通陶粒试样做封皮处理，目的是防止试样在压力罐中受压时，液压油进入试样中。

2） 将做好防油层封皮的试块放入抗围压试验压力罐，盖上法兰盘，对好螺丝孔，拧紧所有螺栓；安装好压力表（0～6 MPa），把手动油泵的输油管连接于压力表和油泵；检查个螺丝杆是否拧紧，检查压力表、输油管、油泵相互之间连接处是否拧紧；最后，使用手动油泵慢慢加压，并观察压力表读数的变化过程，记录压力表读数（见图4）。

2.4 试验结果及分析

2.4.1试验记录数据

试验完毕后，数据记录如表1所示。分别拆开陶粒试样1、2、3，试验1、2已经发生破坏，并随着压力增加，破坏越明显。三个试样的防油层封皮拆完之后的状态如图5所示。

2.4.2 试验结果及分析

每次试验液压表读数由最大降低到最低的原因在于：①试样的体积收缩，造成压力罐中液压油的体积相对增大，压强变小；②压力罐的罐体膨胀，压力罐中液压油的体积相对增大，压强变小。

陶粒试样1、2都已经发生破坏，试样1中的陶粒绝大部分发生整体破坏，近一半发生粉碎性破坏；试样2发生颗粒局部破坏，但还具有完整的稳定性和强度；试验3外观依然保持完好，强度和稳定性也和承压之前相同。分析陶粒试样1、2的破坏原因，得出的结果是：当最大压力为3.2 MPa时，压力已经超出了陶粒破坏强度极限，陶粒之间相互挤压，导致绝大部分陶粒整体碎裂；当最大压力为2.9 MPa时， 压力接近陶粒的破坏极限， 并且由于陶粒的形状的不规则， 其表面的尖突点与相邻陶粒的平滑位置相互挤压， 导致尖突位置的高耐候性外墙乳胶涂料防油层脱落， 其整体稳定并没有发生变化； 当最大压力为2.7 MPa时， 压力小于陶粒破坏极限， 陶粒之间虽发生相互挤压， 但是其并没有发生任何破坏， 说明陶粒的抗围压强度不小于2.4 MPa。

3 现场应用

山西省柳林县某煤矿瓦斯抽排井孔下管，孔深为830 m，工作管尺寸为Φ830 mm×18 mm，工作管总重为3 037 kN，但是起吊设备最大提重不超过800 kN，超出负荷2 237 kN。因此，采用双塞自平衡下管法和陶粒置换上部管内泥浆发下管。泥浆密度取1 200 kg/m3（见图6）。

为确保陶粒与泥浆隔离，先将陶粒装入塑料袋内，并扎好口；为防止施工中损坏塑料袋，再外套编织袋，并扎上口；为阻止陶粒袋在工作管中上浮，用铁丝在钢管内设置三角形阻拦索。考虑到下管施工中孔壁与工作管的摩阻力，为了安全起见，将下管施工时钻塔的起吊最大负荷设定为600 kN。以600 kN承重，计算出钻机承受最大工作管长度为190 m。根据以往下管的施工经验，当上部空管段超过160 m时，发生瘪管现象，为此上部空管段控制在100 m。因此在下管190 m至370 m之间采用双塞自平衡浮力法下管，370 m至530 m段采用注满泥浆，530 m至730 m采用放入直径750袋装普通陶粒，并且陶粒袋和管壁之间注满泥浆，730 m至830 m段采用空管段（不注泥浆）。陶粒总浮力为618 kN，经计算共需陶粒88 m3，每节管材最多放置4 m3，在第54节钢管内放入袋装陶粒。现场所用陶粒袋为直径760 mm、高1 000 mm的圆柱体，由工厂定制，每袋陶粒重2.9 kN。当所有工作管下完时，使用Φ750 mm钻头将工作管内固定陶粒袋的阻拦索以及固定铁丝的螺母扫掉，然后取出漂浮在工作管内的袋装陶粒。

4结论

1） 双塞下管，管材破坏按长管失稳计算，安全系数m值取3，计算出的失稳载荷与现场载荷一致。

2） 通过对普通陶粒的抗围压试验研究，普通陶粒的抗围压强度不小于2.4 MPa，对应泥浆中的最大放置深度为200 m。

3） 现场应用表明，陶粒置换管内泥浆，减轻钻塔负载，效果较好。

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（责任编辑：何学华，吴晓红）