钻井浮力阀法下管技术的实践与理论研究

马力

摘 要：含瓦斯煤层的工程开采前，瓦斯抽排井的建设工作至关重要。较传统的吊车下放瓦斯套管，使用水泥塞浮力阀进行瓦斯套管的下放，利用浮力阀提供的浮力，可以使套管的下放作业更加安全，且有更高的经济效益。该文对淮南矿业（集团）有限责任公司潘三煤矿瓦斯抽采入井钻孔（新7号孔）工程中浮力閥下管法实践进行介绍，并进一步对浮力阀法下管技术的理论进行了介绍和研究。

关键词：煤矿 瓦斯套管 水泥塞浮力阀 下管 工程

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（b）-0021-02

含瓦斯煤层的开采作业实施之前，需要建设瓦斯抽排井，对煤层内的瓦斯进行治理。瓦斯抽排井是大口径的钢管进行焊接后形成的，一般每段钢管长度不大于9 m。抽排井的工作，是先将工作管下放到井底，将水泥浆灌入到套管和孔壁间，然后排除管内泥浆，最后完成固井成井工作。

随着开采深度的逐渐增大，根据现实需要，瓦斯抽排井的口径越来越大，深度越来越深，由此导致下放钢管的重量大，甚至超过钻井机械的起吊能力。传统的套管下放方式是使用吊车，此种方法有着较多的实践应用，但是对于大重量的套管下放工作，成本较高。因此提出了减轻钻井吊重的方法，即新型的大口径钻井自平衡浮力法下管的方法。此方法是在瓦斯套管的合适位置（钻机的安全提升力处）设置浮力塞，即在钢管内设置隔塞，并在塞下充气，在较大的浮力作用下，减小套管对钻机的压力，使其至在工作套管的自重超过了钻机的起吊能力时，也能完成套管的下放工作。利用浮力法下放套管的过程中，分为单塞空气柱自平衡下管技术和双塞空气柱下管技术[1]。在套管中设置浮力塞后，下管过程中，可以通过回灌泥浆或水来调节浮力的大小，借助上部空管在泥浆中产生的浮力，将套管重力抵消。

1 工程概况

淮南矿业（集团）有限责任公司潘三煤矿，需在工业广场内新增瓦斯抽采入井钻孔（新7号孔）1个，钻孔设计孔深为836.5 m。

考虑到工程技术要求、地层因素以及以往经验，钻孔结构拟采用二级设计。

（1）一开新地层段：先用Φ311mm钢齿牙轮钻头打导向孔，钻进至375 m；再用Φ600mm导向牙轮组合钻头二次扩孔到370 m，之后用Φ820mm导向牙轮组合钻头三次扩孔到363.7 m，最后用Φ1080mm导向牙轮组合钻头四次扩孔到稳定基岩面以下30 m。成孔后用Φ880mm顺孔器顺孔。在确保套管能顺利下到指定深度后，下放D880mm×12mm护孔管。

（2）二开基岩段：护孔管固管止水完毕并验收合格后，下入Φ311mm镶齿牙轮钻头沿原导向孔继续钻进，钻至846.5 m。再用Φ600mm及Φ820mm导向牙轮组合钻头，分两次扩孔，导向牙轮组合钻头扩孔到836.5 m（即-813.5 m处）。接着在确保瓦斯工作管能顺利下到指定深度后下D630mm×15mm无缝钢管，之后使用优质泥浆对钻孔进行换浆，待孔内返出全新优质泥浆后。用石油固井技术G级水泥固管，并在候凝72 h后做止水实验。

2 采用浮力阀的下管方案下放D880mm瓦斯套管

在下管工作实施前，需要根据地层情况和所下套管重量，在确保安全的前提下，合理选择下管方法。该工程中，使用TSJ2600型钻机，动力为160 kW电动机。钻机额定载荷85 t，D880mm×12mm的瓦斯套管重90 t，按照传统下管方式，则会出现钻塔超负荷的情况，甚至钻塔倒覆。在该工程中，考虑到钻塔的负荷问题，使用水泥塞浮力阀下放。该方法不仅有效解决套管的超负荷问题，利用浮力阀将钻塔受力控制在安全范围之内，更同时节约了工程成本，有较大优势。

2.1 水泥塞浮力阀下放瓦斯套管方案

（1）先通过理论计算得到瓦斯套管的单位长度的重量，和其在泥浆中的浮力；（2）对下管过程进行施工模拟，计算出工程进展过程中各项参数，为实际的作业做好准备；（3）通过填充纯水泥浆，制作水泥浮力塞钢管；（4）完成下管工作。先靠钻机自身提升拉力下管，再采用浮力器下管。钻机下放160 m（42 t），然后下放水泥塞浮力器以减轻套管总重量，总浮力为155 t，下放过程中当套管浮力过大时在管内回灌泥浆下管，确保套管顺利下放。

2.2 下管注意事项

（1）各管段之间的焊缝需要密实，尤其是穿杠孔部分，需要焊实后再加加强板加固，以防跑气漏气；（2）水泥浮力阀下井前，需要检查水泥塞浮力阀气密性是否完好；（3）下管前需要认真检查钻机钻塔、天轮、穿杠、钢丝绳、提拉等各部分的连接部位，确保合格后可实施下井作业；（4）现场记录要认真详实，对比实际参数与理论参数，获得信息。

3 利用浮力阀下放瓦斯套管的理论研究

3.1 水泥塞浮力阀下管工艺

通过在套管下部设置浮力阀，并在过程中通过回灌泥浆，控制好浮力的大小，本质上是通过上部的空管在水泥浆中的浮力消减套管重力，使瓦斯套管的下放工作可以更安全、成本更低。总的来说，主要是利用密闭的压缩的空气将泥浆排开，使工作管受到浮力。在下管过程中，需要考虑的重要参数包括：压缩空气的总量，水泥塞浮力阀的安装位置，初始压缩空气压强和最终的压缩空气压强等。

3.2 瓦斯套管空管强度和稳定性

在水泥塞浮力阀下放瓦斯套管的过程中，因为浮力塞之上部的套管的外壁，会受到水泥浆的最大的侧向压力，此时为了施工安全性能得到保障，侧向压力一定要小于抗压实验得到的套管侧向抗压的能力。因此，空管在水泥浆压力作用之下，其强度和稳定性的分析对保障工程的安全实施十分重要。在下管的过程中，首要避免的问题就是瓦斯套管自身的破坏和失去稳定性。在进行施工前，需要掌握瓦斯套管的承受强度参数和稳定性值，并对二者进行认真校核，从而保证下管工作的顺利施行。

3.3 水泥塞浮力阀的设计

增加水泥塞浮力阀的摩擦力，对浮力阀作用的发挥有促进作用。因此选择膨胀水泥配置水泥浆，对膨胀水泥的原材料进行筛选，对其配制方法进行研究，对其性能进行实验并对现场施工方法进行技术探索，都对最后配制出较好性能和操作性的水泥浆并灌注后制得水泥塞浮力阀，有重要的意义。

3.4 水泥塞浮力阀研究实验

对于水泥塞浮力阀在套管下放工程中使用性能的研究，一般需要进行以下几个内容的实验研究。（1）浮力阀的模拟充气实验。进行水泥塞浮力阀的模拟充气实验的目的是研究空气柱的形成过程及其带来的压力变化，还有空气体积的变化情况。通过实验模拟得到参数，以对实践中的充气过程提供参考。（2）浮力阀高压空气的泄压实验，此实验的目的，是通过高压泄气实验得到泄气速度与孔径、气压等的关系，以便得到高压空气的泄压规律。（3）浮力阀下管现场模拟实验。对瓦斯套管的下放过程进行模拟，此实验的目的是对下管过程中的工艺和施工过程进行考察，发现规律并得到参数，最终应用到实际下管的工程操作过程中。

以上3个实验在水泥塞浮力阀应用于瓦斯套管下管的工程中得实施，有着重要的意义，可以很好地保证实际操作的安全性和稳定性。

4 结语

水泥塞浮力阀在瓦斯套管下放作业中的应用，主要是针对大口径地钻孔的下管能安全实施而提出，并在采煤开矿工程中应用日益广泛。通过在浮力阀下充入高压空气并形成高压空气柱，利用高压空气柱在套管处形成水泥浆的浮力，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节约成本。在淮南矿业（集团）有限责任公司潘三煤矿瓦斯抽采入井钻孔（新7号孔）的工程中，使用了水泥塞浮力阀技术，用TSJ-2600钻机下放了90 t的D880mm×12mm的瓦斯套管，较以往使用吊车下放瓦斯套管的方法，这次新技术的合理使用节约了成本。

参考文献

[1] 余大有，陈月化，唐志宏.加临时浮力塞自平衡浮力法下管技术研究[J].四川建材，2014，40（4）：92-94.

[2] 刘波，马黎明.大口径钻孔下管固管工艺探讨[J].中国煤炭地质，2014，26（6）：69-70.