钢板式浮塞下管工艺在煤矿大口径工程井中的应用

2021-06-16白领国李源汇

钻探工程 2021年6期

白领国，李源汇

（1.河南省资源环境调查四院，河南郑州450016；2.河南省大口径钻井工程技术研究中心，河南郑州450016）

0 引言

大口径工程井广泛应用于煤矿井下瓦斯、积水等介质的大流量抽排，为满足使用功能需要，下入的井管一般管壁较厚，直径与质量较大，重的工作管达到300 t以上，远超钻井设备的提升能力［1］。对此，一般采用在入井套管柱中间或底部安装浮力装置，利用漂浮下管技术完成大口径工程井井管下放，有效解决了井眼直径和井管总质量大的下管难题，同时改变了井管的受力状况，提高了入井套管的安全性［2-3］。

当前，实现套管柱漂浮的应用装置以水泥浮力塞居多，在同时满足设备提升能力和空管长度要求的条件下，一般安装在套管柱中部，其具有制作方便、易钻穿等一系列优点［4］，但采用水泥浮塞下管工艺存在以下问题：

（1）大直径工作管固管作业前，需要先下入钻头钻穿水泥塞，以便下入固井钻具，导致破碎的水泥块混入钻孔泥浆中造成破坏，影响固井质量。

（2）工作管固管结束，钻扫水泥塞后脱落的水泥块全部堆积在工作管底口可达10余米，难以直接从套管内清除出地面，若预留较高的套管沉渣段易造成浪费，从井下巷道清运时又存在水泥块坠落伤人的风险。

（3）水泥塞钻扫不彻底，附着于套管内壁上形成残留，造成管道断面变窄，影响流体介质的排量。

除水泥浮塞外，部分单位将石油钻井领域的浮箍、浮鞋装置引入了大口径工程井下管作业，但非标准系列的浮箍、浮鞋均需要特殊定制，且加工成本较高。为此，开展了钢板式浮塞下管技术应用研究，并在多个大口径工程井进行了有益尝试，取得了较好的实践效果。

1 工程概况

霍州煤电某煤矿为提高瓦斯抽采能力，在2号风井工业广场内布置一个大口径瓦斯抽采钻孔，成孔孔径1050 mm，钻孔内敷设Ø836 mm×18 mm瓦斯抽采管路，管路有效使用长度411 m。

瓦斯孔施工位置地面标高+776.113 m，钻遇地层自上而下依次为第四系（Q）、古近-新近系上新统（N2）、二叠系上统石千峰组（P3sh）、二叠系上统上石盒子组（P3s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）与二叠系下统山西组（P1s），终孔孔深413.5 m。

质量技术要求：钻孔落底偏移距＜2 m；套管对接牢固，无刺漏，工程交付时工作管内无淋水；成井后井底套管内沉渣厚度≯0.5 m，井内水柱高度≯20 m。

2 成井工艺

2.1 成井设备与配套器具

钻井设备选用TSJ-3000型水源钻机，最大输出扭矩30 k N·m，配套JJ110-29A型钻塔，高2.1 m平台，最大提升能力900 kN；3NB-1000型泥浆泵；2台TBW850/5B型固井泵；SQDD120型电子多点测斜仪；YST-48R型MWD无线随钻测斜仪；配套旋流除砂器、振动筛、离心机等泥浆固控系统。

施工配套钻具为Ø159、178、203 mm钻铤，Ø 165 mm无磁钻铤，Ø172 mm螺杆，Ø127 mm钻杆和Ø310 mm螺旋扶正器；配备Ø222 mm PDC钻头，Ø 580、850、1050 mm与Ø1300 mm组合牙轮扩孔钻头，Ø550 mm与Ø850 mm复合片扩孔钻头。

2.2 成井技术

采用常规正循回转环钻进工艺，利用垂直定向钻井技术先钻超前导向孔，中靶的前提下，带超前导向扩孔钻头钻进成孔，扩孔钻进的级数依钻机能力和钻具强度而定［5-6］。先导孔尺寸选用Ø222 mm，然后根据设计最大井眼尺寸，进行合理分级，按从小到大的顺序依次进行扩孔。

一开孔径1300 mm，孔深11.3 m，钻过表土层至基岩界面以下2 m后，孔内下设Ø1120 mm×10 mm的表层套管，水泥固管。二开孔径1050 mm，孔深413.5 m，全孔下设安装Ø836 mm×18 mm直缝工作管413.5 m（底部2.5 m为出浆孔尾管），水泥固管，钻孔结构如图1所示。

图1 钻孔结构Fig.1 Borehole structure

3 下管工艺

3.1 漂浮下管工艺原理

在套管柱底部安装钢板，使用钻机提吊下套管的同时，套管柱内部形成空管段，排开钻孔内泥浆产生的浮力抵消超出钻机提升力以外的套管自重，使钻机以不大的提升力下放套管［7-8］。其工艺原理见图2。

图2 漂浮下管工艺原理Fig.2 Pr inciple of the floating casing r unning process

由漂浮下管工艺原理可知，套管下放过程中，在垂直方向受到3个力的作用：上浮力F，自重G以及钻机提升力N，三者关系为：

式中；：ρ1——钢材密度，kg/m3；ρ2——泥浆密度，kg/m3；t——套管壁厚，m；D——套管外径，m；h——套管长度，m。

由以上公式可知，上浮力F和自重G均随着套管下入长度增加而加大。

为了套管安全顺利下入，需满足提升力N不能超出钻机的最大提升能力，即满足：

当N值为零，套管上浮力F与自重G相等时，满足：

即（D/t）2ρ2-4ρ1（D/t-1）=0，ρ1取7.85×103kg/m3，ρ2取1.2×103kg/m3，计算出：

该计算结果表明，对于大直径套管，理论上当其径厚比D/t＞25.12时，套管受到的上浮力F大于其自重G，可选择漂浮下管工艺。本工程终孔下入Ø 836 mm×18 mm的工作管，其径厚比达到46.44，满足漂浮下管工艺要求。

3.2 套管强度校核

以上漂浮下管工艺原理表明，采用漂浮法下放过程中套管所受浮力均大于自重，必须向套管内部不断注浆（泥浆或清水），使套管与环空内浆液的总重力大于浮力，才能保证顺利下放。但向套管内注浆，需要严格控制注入量，注浆量过大，将额外增加钻机提升力；注浆量过少，造成套管空管段长度增加，套管柱受到的外挤压力增加，需要对套管的强度进行校核［9-12］。

套管在下放过程中，受外压挤毁的形式主要有2种，一种是套管柱受径向外压作用，套管柱稳定性不足，发生弹性失稳变形；另一种是套管强度不够，套管发生材料屈服破坏。对于一般大直径套管而言，研究表明，受外压挤毁失效的形式都是失稳失效，此时外部载荷尚未达到材料的屈服极限，但对管柱的破坏力极强［13-14］。

套管失稳的常用计算公式：

式中：Pte——套管失稳临界载荷，MPa；E——钢管材料的弹性模量，MPa；μ——泊松比；t——套管壁厚，m；D——套管外径，m。

套管屈服强度计算公式：

式中：Pyp——套管屈服载荷，MPa；δ——钢管材料的屈服强度，MPa。

按上述2个公式分别对套管进行失稳和屈服强度校核，并选取最小值。因套管失稳和屈服强度计算公式都是在假定套管的初始椭圆度为零，且材料均匀无缺陷的条件下推导出来的，而实际上套管在孔内的受力非常复杂，钻孔弯曲作用于套管的横向弯折力使套管由圆形变为椭圆形，椭圆形套管在圆周截面上受力呈不均匀状态，致使套管的实际抗挤毁强度小于公式计算值，因此需对计算值进行系数修正，计算得出满足套管安全下入的最大空管段长度。

本工程Ø836 mm×18 mm的工作管，径厚比46.44，弹性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服强度235 MPa，分别得出：

本次计算参照文献［15］中取值0.7125，此修正系数是根据实际API套管大量试验资料统计得到的［15］。

修正后的套管抗挤毁强度为3.26 MPa，泥浆密度1.2×103kg/m3，计算出最大空管段长度hmax=276 m，即在下管过程中需要通过注浆将空管段控制在276 m以内。

3.3 钢板浮塞设计

钢板浮塞是用圆形钢板焊接安装在套管柱底部，考虑到下管后的固井施工，将圆形钢板中心开一Ø100 mm的圆孔，作为固井注浆时的出浆口。在圆形钢板下端，用一铁盘密封塞（带密封圈）反向密封出浆口，套管下放时依靠液柱产生的压力向上压紧圆盘，起到逆止作用。铁盘密封塞边缘处加工有4个固定螺丝，通过螺丝连接与圆形钢板结合固定。浮力板以下2.5 m作为尾管，尾管上割有若干个Ø 30 mm螺旋出浆孔，下管结束后，从套管内下入钻具捣开铁盘密封塞，即可实现浆液的循环。

钢板浮塞设计参数：浮力板厚度50 mm，直径836 mm；铁盘密封塞总厚度80 mm，浮力板以下厚30 mm，直径150 mm，嵌入浮力板10 mm深位置直径120 mm，用于安装密封圈。固定螺丝长度大于40 mm，嵌入浮力板深度＞10 mm。

钢板浮塞结构与实物装配图如图3、图4所示。

3.4 钢板浮塞强度计算

钢板浮力塞为材质Q235B的热轧低碳钢，常温抗拉强度σb=375 MPa，屈服强度σs=225 MPa，常温下许用应力［σ］=113 MPa，剪切许用应力［τ］=0.6～0.8［σ］，取值67.8 MPa，浮力板厚度L=0.05 m，直径D1=0.836 m，套管内径D2=0.8 m，套管浮力板下深h=411 m，泥浆密度ρ取1.2 g/cm3。

3.4.1 浮力板强度计算

浮力板底面积A0=（1/4）πD12=0.5486 m2；

浮力板底部最大受压Pmax=ρgh=4.83 MPa；

浮力板与套管接触面积A1=（1/4）π（D12-D22）=0.04623 m2；

抗压承载力［F］1=［σ］A1=5.22×106N；

浮力板受压力F1=PmaxA0=2.65×106N＜［F］1，抗压强度满足要求。

图3 钢板浮塞结构示意Fig.3 Steel buoyancy plug str ucture

图4 浮力板与铁盘密封塞实物装配Fig.4 Assembly of the steel buoyancy plug

抗剪力［Q］1=［τ］A1，其中A1=πD2L；

剪力Q1=PmaxA2，其中A2=（1/4）πD22=0.5024 m2；

抗剪安全系数K1=［Q］1/Q1=3.51＞1。

因此浮力板强度满足要求，同时可以计算出其厚度L必须大于14.25 mm。

3.4.2 铁盘密封塞强度计算

铁盘密封塞底面直径d1=0.15 m，内径d2=0.12 m，铁盘密封塞浮力板以下厚l1=0.03 m；铁盘底面积S0=（1/4）πd12=0.01766 m2；

圆盘底部最大受压仍为Pmax=4.83 MPa；

圆盘与浮力板接触面积S1=（1/4）π（d12-d22）=0.006359 m2；

抗压承载力［F］2=［σ］S1=7.22×105N；

圆盘受压力F2=PmaxS0=8.5×104N＜［F］2，抗压强度满足要求。

抗剪力［Q］2=［τ］S2，其中S2=πd2l1；

剪力Q2=PmaxS2，其中S2=（1/4）πd22=0.0113 m2；

安全系数K2=［Q］2/Q2=14＞1。

因此铁盘密封塞强度同样满足要求，且其最小厚度必须大于2.14 mm。

为进一步增加浮力板的抗压能力，在其上部用20 mm钢板焊接成“井”字形支撑结构，同时为了便于捣开铁盘密封塞，在中心孔位置加工成喇叭口形状，如图5所示。

3.5 下管作业

工作管下放采用常规割孔穿杠提吊下管法，套管接缝处逐根焊接，并补焊穿杠孔。

浮力板下入后，向套管内注入泥浆，保证工作管顺利入井的同时，控制空管段长度，设计注浆总量149 m3，工作管下管数据见表1。最终全部套管入井时，设计理论空管段长度114.42 m，大钩理论载荷572.61 k N，现场实测空管段长度为98.4 m，实际注浆157 m3，大钩载荷627.2 k N。导致理论空管长度与实测空管长度存在差别，主要源于向套管内回灌浆液时，单次注浆量控制不够精确，且浆液密度变化较大，下管期间累计注浆16次，注浆总量比设计值多出8 m3。