漂浮下管技术在瓦斯抽排井中的应用

白领国

(河南省煤田地质局四队，河南 平顶山 467000)

250mm；对井身质量要求较高，如井眼的垂直度、狗腿度等；钻井过程中要严格控制钻井液的滤失量，抑制泥页岩地层的吸水膨胀，同时采用固控设备最大限度去除钻井液中无用固相，使井壁形成的泥皮薄而致密。



漂浮下管技术在瓦斯抽排井中的应用

白领国

(河南省煤田地质局四队，河南 平顶山 467000)

瓦斯抽排孔套管直径设计一般在ø450～ø1500mm。由于套管质量较大，远远超过钻机的提升能力，研究和选择合适的下管方法显得尤为重要。以山西省高平市长平矿的瓦斯抽排井为例，介绍了漂浮下管技术的原理，并进行了相关的计算，对下管的技术措施进行了较为全面的说明。应用表明，该技术更适合直径较大、套管壁较厚、套管柱总质量较大的工程井；对套管与钻孔直径间隙要求较大，一般

瓦斯抽排孔井；漂浮下管技术；平衡液；应用

大口径工程井作为矿山企业连接井下和地面的通道，在瓦斯抽排、救援、注浆送料、井下降温等方面发挥着越来越大的作用。近几年，我国探矿工程技术人员经过研究和探索分别借用石油、水源、工程等不同型号的钻机，采用先导孔钻进、分级扩孔和一次成井等钻进技术方法，完成了一大批高质量的大直径工程井。特别针对钻井设备提升能力小，入井套管质量大等技术难题，根据套管直径、井深等不同情况，分别研究和采用了提吊+浮塞下管、大型起重机直接提吊等技术，取得了较好成效。但是，有些工程井，设计的套管抗挤毁强度和耐磨性特别高，这样就造成套管管壁较厚，质量较大，从经济技术角度考虑，漂浮下管技术更适合该类工程井下管的需要。

1 工程概况

该瓦斯抽排井位于山西省高平市长平矿，钻遇的地层自上而下依次为第四系，二叠系上统上石盒子组，二叠系下统下石盒子组和山西组。钻孔结构为：一开Φ1600mm×10m，下入Φ1500mm×25mm护壁套管并固井，二开Φ1350mm×580m，下入Φ1050mm×25mm工作套管并固井。从钻孔结构不难看出，该工程套管总质量约350t,能否安全顺利把套管下入孔内是工程施工的主要难点之一。本文重点介绍漂浮下管技术在瓦斯抽排井的应用。

2 漂浮下管技术

漂浮下管技术是我国施工超大直径(2.5～10.8m)矿山竖井建设中，下入钢结构混凝土井壁采用的主要技术方法。该方法有效解决了井眼直径和井管总质量大的下管技术难题,同时改变了井管的受力状况(由抗拉变为抗压)，提高了套管的安全程度。漂浮下管是根据阿基米德定律设计的。在套管不断加长过程中，当浮力大于套管的质量时，通过向套管内注入配重水，并把钻孔内和下入套管等体积的钻井液排出，使套管逐步下沉入井。下沉速度和深度可通过控制加入配重水的速度和数量来完成(本工程配重水或平衡液均使用孔内排出钻井液)。

2.1 井管漂浮下沉有关计算

钻井作用完成后，将带有套管鞋的套管下入充满钻井液的孔内。随着套管长度增加，将平衡液(钻井液)定量地注入套管内，套管会在钻井液中逐渐下沉至设计深度(图1)。

图1 套管内液柱示意Figure 1 A schematic diagram offluid column in casing

采用漂浮下管技术，在下管过程中需要回灌一定高度的平衡液，随着套管下沉，套管内外的液面差逐渐增大，因此，设计的工作套管抗挤毁强度必须大于最大液面差产生压力。

该项目设计工作套管型号1050mm×25mm，单位每米质量0.632t，单位每米套管在井内排开液体的体积0.865m3，单位每米套管空管体积0.785m3。下管前钻井液经过大循环，实测钻井液密度为1.30g/cm3。不考虑露钻井液面以上井管和加工井鞋焊接其他部分质量，套管每入井1m可产生浮力1.125t。为克服浮力，除套管自重外，还需向管内回灌0.483m的钻井液才能保持平衡，这样每米会有空管段0.517m，当工作套管下沉到设计深度580m，最大空管段约300m。套管柱距地面300m处受到液柱压力最大(3.9MPa)，设计选用的1050mm×25mm套管，根据三轴抗外挤毁强度计算为4.58MPa，完全满足漂浮下管的需要。

2.2 套管漂浮高度与配重平衡液加水量计算

2.2.1 套管鞋总成的下入

实现漂浮下管要封闭工作套管底口，同时满足固井需要。为此，设计了井管鞋总成(图2)。井管鞋总成由井管导向、固井单向接头(单向接头设计双接头确保下管安全)、固井旋流孔、钢板混凝土加强隔板、 固井时钻具对扣导向等组成。井管鞋总成因焊接了单向阀组件、钢板混凝土加强隔板等，另外钻机工作台面距井口钻井液面还有一定的高度，井管鞋总质量一般大于套管进入钻井液面产生的浮力，直接吊装到孔口后用套管夹板固定。

图2 井管鞋总成Figure 2 Casing shoeassembly

2.2.2 后续套管漂浮高度及平衡液加量计算

第二节套管与套管鞋总成对接后下沉，其可漂浮高度h2为：

h2=[(H2+h1)лR2γ-Q2]/лR2γ，

(1)

式中：h2—第二节套管与套管鞋下沉对接时可漂浮高度，m

H2—第二节套管长度，m

h1—套管鞋可漂浮长度，m

R—套管外径，m

γ—钻井液密度，取1.30t/m3

Q2—第二节套管质量，t

由于套管鞋总成实际质量往往大于理论值，套管鞋总成与第二节套管下放过程中实际漂浮高度h2与设计会有一些误差，为消除误差，通过向套管内添加钻井液进行平衡较正，以确保下步每根套管入井后，套管口距钻机工作台面距离适合焊接作业。平衡液加量可按下式计算：

W2=γ[лR2(H1+H2-h1)+V1]-(Q1+Q2)

式中：W2—第二节套管与套管鞋对接时平衡液加量，t

H1—套管鞋长度，m

V1—套管鞋可产生浮力体积，m3

Q1—套管鞋质量，t

当下沉套管自重不足以使套管下沉到预定深度，均需向套管内加入平衡液。以此类推，计算出下沉时各节套管漂浮高度和加入平衡液加量(表1)。

表1 各节套管漂浮高度和加入平衡液加量统计

2.3 下管技术措施

2.3.1 下管前准备

(1)用长度要不小于50m的同径套管进行探孔(保证有三个以上套管头)，探孔作业通畅无阻后提钻，否则需从新修孔。

(2)井内钻井液必须大循环2周以上，钻井液性能指标要满足设计要求，钻井液性能指标见表2。

表2 钻井液性能指标

(3)根据套管下沉钻井液排出量，准备相应容积的储存池(或围堰)储存钻井液，排出的钻井液作平衡液和固井回灌等。

(4)在每节套管一端1m处焊接4块均匀分布200mm×150mm×15mm钢板，用于套管夹板提吊和井口固定。

2.3.2 套管焊接注意事项

(1)对口焊接的管口必须平整，套管铁夹板紧靠井管拉板，将铁夹板放在方木上，使井口保持水平。套管连接只能进行外壁焊接，两连接端口打“V”型坡口，保证焊接质量。

(2)连接套管时，吊起的套管要垂直，将其对口后，由专人用仪器检验其垂直度，然后在四面点焊，避免因集中烧焊一面而导致套管歪斜。

(3)焊接后应待其自然冷却后再下入井孔，以防烧焊处骤然遇冷发生断裂，降低抗拉强度。焊缝质量经检查合格后方可进行下道工序。

2.3.3 套管下沉与添注平衡液

漂浮下管工艺流程见图3所示。

图3 漂浮下管工艺流程Figure 3 Casing floating technology flow chart

(1)第二节套管焊接完毕后，慢慢松放大钩使套管下沉，开始套管依靠自重便可实现下沉，当大钩提升力逐渐减少至零时，表明套管已处于漂浮状态。随后按设计套管上浮高度1m注入相应量的平衡液，使套管继续稳定下沉。此时，根据套管实际上浮高度与设计数据进行对比，在第三节套管添注平衡液时进行修正，确保套管上浮高度符合设计值。

(3)第三节套管焊接完成后，要缓慢上提，提升力略大于第三节套管质量，套管夹板不受力后即可卸掉，杜绝大提升力或快速提拉。

(2)每节套管的下沉速度、平衡液注入量以及套管的长度都要详细记录，直至套管下完为止。

(4)每接长一次套管，由于新接套管质量，套管柱受压要下沉一段(大钩处于悬重状态)，待套管处于漂浮状态再添注平衡液。随着平衡液的注入，平衡被打破，套管继续下沉，直至新的平衡建立，套管停止下沉。

(5)套管下沉过程中，要注意观察井管是否受阻，发现套管受阻要查明原因并排除故障。不可采用迫沉、强行加注平衡液和降低管内液面等措施。

(6)在套管下沉过程中，钻井液面不得低于井口0.5m，不得采用降低钻井液液面的方式加快套管的下沉。

(7)套管下沉到设计深度后，套管要固定牢靠，以防回灌钻井液或固井建立循环时发生事故。

2.4 固井

(1)下管作业完成后，向套管内回灌钻井液。然后下入钻具，钻具要用大钳紧扣，在距单向阀接头2m处循环冲孔，管内干净无岩屑后停泵对扣。

(2)钻具与单向阀组连接后，循环环状间隙的钻井液，在循环过程中逐渐降低密度至1.10g/cm3，钻井液循环平衡后进行固井作业。先注入一定量的隔离液，然后注固井水泥浆，当井口返出钻井液后，停泵泄压，单向阀在井管内外压差作用下快速关闭，然后倒掉井内钻具侯凝。

3 结语

通过本工程成功实施，笔者的体会如下：

(1)漂浮下管技术更适合直径较大、套管壁较厚、套管柱总质量较大的工程井。

(3)漂浮下管技术对井身质量要求较高，如井眼的垂直度、狗腿度等。

(4)施工直径较大的钻孔，建议采用气举反循环工艺，以提高携带岩粉能力，保证孔内干净，提高钻进效率。

(5)设计的套管抗挤毁强度必须满足漂浮下管最大空管段的挤毁强度，以防套管受压发生挤毁事故。

(6)钻井过程中严格控制钻井液的滤失量，抑制泥页岩地层的吸水膨胀。同时采用固控设备最大限度去除钻井液中无用固相，使井壁形成的泥皮薄而致密。

[1]张永成.钻井施工手册[M].北京：煤炭工业出版社，2010.

[2]李云峰，等．煤矿大口径瓦斯抽排井施工技术研究[R]．河南郑州：河南豫中地质勘察工程公司，2013.

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[9]缑延民，耿建国，等．煤矿大口径输冰井施工技术研究报告 [R]．河南平顶山：河南省煤田地质局四队，2011.

《中国煤炭地质》杂志插图要求

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5. 对于2条以上曲线具有同一参变量时，可以将这些曲线描绘在同一幅函数图上。即共用一个横坐标轴，左右两条纵坐标轴，两个纵坐标轴的标目和标值分别标注。

Application of Casing Floating Technology in Gas Drainage Well

Bai Lingguo

(The Fourth Exploration Team, Henan Bureau of Coal Geological Exploration, Pingdingshan, Henan 467000)

The casing diameter designed for gas drainage well is ø450～ø1500mm generally. But because of large weight, well over rig hoisting capacity, thus study and select casing method appear particularly important. Taking gas drainage well in the Changping coalmine, Gaoping City, Shanxi Province as an example, introduced the principle of casing floating technology, carried out relevant computation, and overall illustrated technical measures. The application has shown that the technology more adaptable to well engineering with larger diameter, thicker wall and larger casing string total weight; but needs larger annular clearance, generally250mm; better wellbore qualities, such as verticality, dogleg severity etc. Drilling fluid loss should be strictly controlled during drilling process, and argillutite strata water-swelling restrained. Meanwhile, uses solid control equipment farthest removing useless solids to make mud cake on wall thin and compact.

gas drainage well; casing floating technology; equilibrium fluid; application

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.13

1674-1803(2017)04-0062-04

白领国(1972—) ，男，河南浚县人，高级工程师，从事钻探技术及管理工作。

2016-11-01

250mm；对井身质量要求较高，如井眼的垂直度、狗腿度等；钻井过程中要严格控制钻井液的滤失量，抑制泥页岩地层的吸水膨胀，同时采用固控设备最大限度去除钻井液中无用固相，使井壁形成的泥皮薄而致密。

文献标识码：A

责任编辑：樊小舟