割拔管技术在矿区地面治理工程中的应用

邵望洋

（中国煤炭地质总局第一水文地质队，河北 邯郸 056000）

矿山防治水地面区城治理工程是从地面施工一定深度的垂直钻孔，再钻进1个定向造斜段，造斜段底部一般设计进入目的层位，并下置能够满足后续注浆的生产套管，且进行水泥固井后进行耐压试验。为了保证后续施工分支孔满足实际开采需要，同时考虑工程经济性，应尽可能减少钻探工程量，提高钻探效率，因此设计割管及拔管后利用已施工的垂直主孔进行新的造斜段施工。

1 割管技术

该技术原多应用于钻探工作中，随着压裂、酸化、大修等增产措施的不合理实施，加之管外地层压力的作用，矿企从节约成本的角度出发，对套管进行割管后进行取换套管作业，后逐渐应用于矿区域治理定向钻孔中。割管工具主要有两种：水力内割刀及机械式内割刀，目前最简单、经济的切割工具就是机械式内割刀，机械式内割刀在取换套施工中应用范围广，可以重复使用，机械式内割刀切割技术在取换套施工中的成熟应用，对取换套施工提高时效，降低施工风险起到了重要作用。割管技术在矿山防治水区域治理项目已经开始较多的应用，为满足矿山防治水治理区全覆盖，利用一个垂直主孔，每个造斜段完孔后需要满足后续分支顺利钻进，若无法满足全部分支孔的施工则需要将工作套管在斜孔段割断并拔出一部分，重新造斜施工下一组分支孔。切割套管、起拔套管技术保证了主孔的有效利用和治理分支孔的实施[1]。

2 实际应用

以新集二矿1组开采地面超前区域探查治理工程为实例，该工程共包含两个采区的探查治理，分别为2201采区（剩余块段）、2301（东翼）采区。其中2201采区（剩余块段）设计1个垂直主孔，9个定向分支孔，全部采用沿地层及工作面走向平行布置，2301（东翼）采区设计1个垂直主孔，18个定向分支孔，南部为沿工作面走向平行布置，北部为羽状布置。

2.1 主孔结构

直孔段：一开孔径为Φ311mm，穿过基岩，下入Φ244.5×8.94mm管路，并封固地表疏松层、砾石层。造斜段：二开孔径为Φ216mm，采取定向钻井，钻至12灰，全孔段下Φ177.8×8.05mm生产套管，并固结牢固。其中S1主孔需要割拔管一次施工后续瓦斯孔，S2主孔需要割拔管一次施工两个造斜段。近水平段：三开孔径Φ152mm，裸孔，全部在12灰层内钻进，直至终孔位置。

2.2 机械式割刀

本工程分别对S1主孔造斜段及S2主孔1#造斜段进行了套管切割，使用的割刀为ND-178型机械式内割刀。ND-178型机械式内割刀主要是由心轴、刀片、刀枕、卡瓦总成、主弹簧、摩擦总成和底部螺帽等组成。割刀通过心轴上端的母扣与上部钻具进行联接,心轴是空心轴，可以循环钻井泥浆；心轴上有3个均布的槽，各安装一把刀片和一个刀枕；心轴下端与底部螺帽螺纹联接，底部螺帽的主要作用是引导割刀进入管体[2]。

图1 钻孔结构示意图

2.3 两主孔割管位置选择

S1主孔原二开177.8mm套管下管及固井情况：+5.42m～810m，下入Φ177.8*8.05mm石油套管，固井水泥设计孔深为410m～810m（由底口返高400m）。S2主孔原177.8mm套管下管及固井情况：+3.92m～920m，下入Φ177.8*8.05mm套管，固井水泥设计孔深为520~920m（由底口返高400m）。

套管割管位置选择根据以下几点：

（1）根据Φ177.8mm套管固井时水泥浆上返高度，防止割管位置在水泥固结段。

（2）根据下管记录接箍位置，切割位置无接箍。

（3）根据井斜的情况，切割位置井斜角要尽量小。

（4）割管后裸孔段必须满足下步造斜段的顺利造斜，且尽可能保证效益最大化。

根据以上要求，S1主孔初步选择割管位置在360m～350m之间。S2主孔初步选择割管位置在490m～480m之间。

2.4 割管过程

2.4.1 下井前的准备

（1）检查刀片及摩擦块是否转动伸缩自如，刀刃、卡瓦牙、上接头螺纹是否完好，其它部件装配是否正确。

（2）内割刀下井前应按跟踪卡检查核对，准确无误后，方可下井。

2.4.2 入井过程

内割刀除扶正机构的外径外，其它部位外径小于被切割管体的内径。因此，入井后扶正块压缩小弹簧，紧贴管体内壁，扶正内割刀垂直下放至预定部位。

在下入过程中，摩擦力矩阻止内割刀旋转，内割刀才能顺利地下放至预定部位。

2.4.3 坐卡过程

内割刀下至预定部位后，用钻具边旋转边下放心轴，旋转3转～4转，长套简和牙板就脱离啮合。与此同时，随心轴一起下移的卡瓦锥体迫使三块卡瓦向外张开咬紧被切割曾体内壁，从而将内割刀坐卡在管体内。为了坐卡牢固，需要给心轴足够的下放压力。

2.4.4 切割过程

当内割刀坐卡在披切剖管体内以后，若继续用钻具边旋转边下放心轴，则由于刀枕不能再随心轴下移而只能随心轴旋转，所以三块刀片就沿刀枕斜面下滑向外张开并切入管体。随心轴的不断旋转和下放，刀片就对管体进行连续切削，直到切断。

（1）以10转/分～18转/分的转速正转切割钻具，进行切割作业。切割过程中应逐渐加压，每次下切割钻具约2mm，不要超过3mm。这样当下放钻具总长度为32mm时，旋转自如，无反扭矩出现（即扭矩值复原）表明切割完成。此时，可提高转速至28转/分，并反复加压（5KN）两次，若扭矩值无增，即证明管柱切断。

（2）停止转动钻具，应先缓慢上提，使内割刀恢复初始状态后，再将内割刀起出井外。

2.4.5 脱卡过程

完成后，停止旋转并上提钻具，使心轴带动长套筒顺牙板齿向上滑动，直到锯齿形螺纹重新啦合。与此同时，卡瓦对管壁的卡紧力以及大弹簧的压力解除，刀片沿刀枕斜面上行并在弹簧片的作用下退入刀槽内。这样，内割刀就恢复了坐卡前的状态。至此，完成了自动脱卡。

2.5 实施效果

新集二矿地面超前区域治理工程共成功割管、拔管两次，S2主孔于2019年8月30日将ND-178型机械式割刀下置孔深482m，一次性成功割管并成功拔管。S1主孔实际进行了6测切割套管，最后在195m成功割管并起拔成功。S1主孔实际割管具体情况为：于2019年12月10日下ND-178型机械式割刀至孔深352m开始割管，套管割断后，起拔至100多吨拉力套管纹丝不动，拔管未成功；后将割管位置上移至孔深300m下割刀进行割管，割管完毕后，套管仍无法起拔；继续上移割管位置至孔深254m，割管完毕后仍无法起拔，继续上移至225m及217m孔深割管完毕后均不能起拔套管，最终上移割管位置至孔深195m割管后，对0m～195m孔段内Φ177.8mm套管全部成功拔出孔外。

表1 钻孔实施割管及拔管情况

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月进行套管切割，孔内静置时间达12个月，期间进行了9个分支孔的钻探，注浆等工序，套管均被割刀成功切割，但因套管外部由于孔段坍塌、掉块等因素卡死套管，直至切割深度进入一开套管内部才成功起拔。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月底进行套管切割，孔内静置时间不到4个月，且1#造斜段只进行了4个分支的施工。通过对比分析，ND-178型机械式割刀在套管切割中效果明显，对于每处切割深度均达到了成功切割，但在后续设计进行套管割管时需要考虑孔段的地层，套管在孔内停置时间等因素。

3 结语

两个主孔的造斜段成功割管及起拔，保证了后续钻孔的顺利施工，是新集二矿地面超前区域探查治理工程施工中的关键环节。ND-178型机械式割刀在本工程中进行了多次下井并成功切割，充分表明该型割刀的施工可靠性，安全性，经济性。为后续成功割管及拔管积累了丰富的经验。同时本工程中也反应出在区域治理工程中割管仍具有一定的不确定性，设计进行割管时，需要考虑切割位置的钻孔岩石稳定性，同时该造斜段套管距离下次切割的间隔时间不宜过长。