專利名稱：大口徑瓦斯抽排孔工作套管的雙塞下管方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤炭瓦斯抽排鉆孔施工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大口徑瓦斯抽排孔工作套管的雙塞下管方法。
背景技術(shù)：
目前，高瓦斯礦井通常利用瓦斯抽排孔把井下瓦斯抽排至地面并加以利用，這種瓦斯治理方式綜合成本低且效果好，因而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。瓦斯抽排孔鉆至目標(biāo)孔深并擴(kuò)孔之后，需要下工作套管，用來保持鉆孔穩(wěn)定、防地下水滲漏到工作面并保障瓦斯抽出率和通風(fēng)。
隨著瓦斯抽排孔深度加深、直徑加大，工作套管的總質(zhì)量越來越大，因此在下管過程中，通常會(huì)在工作套管中加入浮力塞，排開鉆孔內(nèi)的泥漿產(chǎn)生浮力，以減少鉆機(jī)的負(fù)荷。通常采用的提吊加浮力塞下管法是目前較為成熟的下管工藝。其工藝原理就是利用浮力塞阻止泥漿在下管過程中進(jìn)入工作管中，在浮力塞上部形成空管，從而產(chǎn)生較大的浮力。其基本步驟有(一)、浮力塞制作以水泥浮力塞的制作為例，選一根該鉆孔使用的工作套管(長(zhǎng)度根據(jù)水泥浮力塞在孔內(nèi)最大深度的外力情況外加安全系數(shù)來確定)，用鋼絲刷把工作套管內(nèi)壁清理干凈后，沿工作套管內(nèi)壁焊直徑6_的鋼筋圈和鋼筋網(wǎng)，增加水泥塞與工作套管內(nèi)壁的摩擦力，防止浮力塞整體滑動(dòng)，然后把水泥漿注入工作套管內(nèi)候凝。( 二)、工作套管的連接和下管下管前詳細(xì)檢查工作套管的內(nèi)外徑、彎曲度、管口水平度，要求工作套管壁厚、圓度、管口、平面尺寸保持一致，在下管前丈量工作套管長(zhǎng)度，進(jìn)行編號(hào)、排序。尾管按固井要求制作。下管時(shí)采用在工作套管割孔、穿杠、鋼繩牽引提吊的下管方法，就是在管口上端
O.5m處對(duì)稱切割155mm圓孔。穿入穿杠，用鋼繩連接游車大鉤來起吊井管。每組工作套管口利用工作套管對(duì)接扶正器進(jìn)行找正，保證管口合縫、同心，然后采用焊條焊接，確保焊縫密實(shí)、牢固，外面再加焊加強(qiáng)筋。井管對(duì)接后，抽出穿杠，將切下的圓板填入孔內(nèi)、焊牢，然后在孔外補(bǔ)焊方擋板。按上述方法根據(jù)井管的入井順序依次下入孔內(nèi)。(三)、水泥浮力塞最大入井深度和上部空管段的確定確定水泥浮力塞最大入井深度和上部空管段的原則是(I)水泥浮力塞的上部工作套管外壁受泥漿最大側(cè)向擠壓力小于工作套管試驗(yàn)的最大側(cè)向擠壓力；(2)水泥浮力塞最大入井深度及上部空管段浮力的設(shè)計(jì)，滿足實(shí)際鉤載小于或等于最大鉤載80-90%，必須保證留有10-20%的安全提升力，保證安全作業(yè)。但是隨著煤礦行業(yè)的發(fā)展，煤礦開采深度越來越深，由于煤層瓦斯含量具有隨煤層深度增加而增加的特點(diǎn)，因此，隨著礦井開采深度的增加，瓦斯抽排鉆孔的深度和口徑也在不斷增加。工作套管的總重量越來越大，使得浮力塞上部的空管體積需求增加?？展苁芡獠磕酀{的壓力隨深度增加而增大，為了防止工作套管失穩(wěn)事故發(fā)生，需要對(duì)工作套管進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。常規(guī)浮力塞法的空管存在于浮力塞的上部，所需的浮力都由上部空管提供。大口徑瓦斯抽排孔孔徑大、深度深，所需的空管長(zhǎng)度較大；浮力塞下管法施工中存在外部泥漿對(duì)空管橫向壓力過大的問題，增加了工作套管失穩(wěn)的危險(xiǎn)性；需要負(fù)載能力大的鉆機(jī)來進(jìn)行下管作業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決常規(guī)的浮力塞下管法施工中存在的空管過長(zhǎng)、外部泥漿對(duì)空管橫向壓力過大和鉆機(jī)負(fù)載能力過小的問題，本發(fā)明提供一種利用浮力塞和浮力閥進(jìn)入工作套管內(nèi)以提供浮力、并在所述浮力塞和浮力閥之間充入高壓空氣的工作套管下管方法。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種大口徑瓦斯抽排孔工作套管的雙塞下管方法，所述方法包括以下步驟步驟(一)制作浮力塞和浮力閥；步驟(二)采用常規(guī)的工作套管割孔、穿杠、鋼繩牽引提吊的下管方法進(jìn)行下管；步驟(三)將所述浮力塞焊接到工作套管上部；步驟(四)按浮力塞下管法繼續(xù)下管，在下管過程中在所述浮力塞上部的工作套管內(nèi)加入加重泥漿；步驟(五)焊接浮力閥，連接壓風(fēng)機(jī)，通過所述浮力閥的輸氣通道向所述浮力閥下部充入高壓氣體，關(guān)閉閥門；步驟(六)繼續(xù)所述步驟(四)，直至下管至孔底；步驟(七)工作套管下至孔底后，鉆破所述浮力閥，釋放所述浮力塞和所述浮力閥之間的高壓氣體；步驟(八)使用直徑小于工作套管內(nèi)徑的鉆頭依次鉆穿所述浮力閥和所述浮力塞，下管過程完畢。優(yōu)選的，所述浮力塞為水泥浮力塞，所述浮力閥為水泥浮力閥。優(yōu)選的，所述水泥浮力閥的制作步驟如下將工作套管下端焊上焊板，所述焊板上設(shè)置一個(gè)圓孔，所述圓孔與一個(gè)軟管的下端開口相連接，所述軟管的上端開口連接高壓閥門，所述軟管的下部連接單向閥；然后將所述工作套管豎立，灌入水灰比為O. 42 I的水泥漿，所述軟管的上端開口高出水泥漿面，當(dāng)所述水泥漿完全硬化達(dá)到強(qiáng)度要求，即可。優(yōu)選的，在所述步驟(七)中，在鉆破所述浮力閥之前，先在所述浮力閥上部空管內(nèi)充滿泥漿。優(yōu)選的，所述充入的高壓氣體的體積和氣壓由以下方法計(jì)算獲得首先定義所需的參數(shù)符號(hào)，孔深H，工作套管外徑R，內(nèi)徑r，管厚=R_r，工作套管密度P，泥漿密度P'，工作套管總質(zhì)量G，懸重G'，鉆機(jī)安全負(fù)載M，浮力塞下管法需要空管總長(zhǎng)度L，空管設(shè)計(jì)安全長(zhǎng)度Lsafe,密閉空氣長(zhǎng)度L1，體積V1,氣壓P1,所述浮力塞下工作套管長(zhǎng)度H1，所述浮力塞和所述浮力閥的距離H2 ；依據(jù)孔深、工作套管內(nèi)外徑、密度算出工作套管懸重，即總質(zhì)量減去自身浮力，G'= G-P' V = G-P' H(R2-r2) π ；
工作套管總重超過鉆機(jī)安全負(fù)載部分需要以浮力的形式提供，因此，所需的空管總長(zhǎng)度 L= (G' -M)/Ur2p');工作套管中浮力閥下的密閉空氣最終長(zhǎng)度L1為L(zhǎng)_Lsafe ^ L1 ^ Lsafe ；工作套管總質(zhì)量達(dá)到安全負(fù)載M時(shí)，焊接上浮力塞，浮力塞下工作套管長(zhǎng)度為Ηι= M/((p-p ' ) (R2-r2) π )；焊接加入浮力塞后，繼續(xù)加工作套管，并且此時(shí)補(bǔ)充泥漿進(jìn)入工作套管內(nèi)，達(dá)到H2之后，焊接加入浮力閥，其中空管為L(zhǎng)1，其它H2-L1的長(zhǎng)度以泥漿填補(bǔ)，且此時(shí)需要滿足負(fù)荷小于安全負(fù)荷 M，H2 ( P - P ' ) (R2-r2) ( (L1) P ' r2 ；最終體積為V1 = L1I*2 π ；最終氣壓為P1 = (H-H1-H2) P ' g。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在下述幾個(gè)方面(I)將高壓空氣充入浮力閥下面，密閉的空氣提供一定量的浮力，而且此密閉空氣的壓強(qiáng)與浮力閥上部泥漿液壓相等，因此，減少了工作套管內(nèi)外壓差，降低了工作套管失穩(wěn)的危險(xiǎn)性；(2)浮力閥下部的空氣提供一定量的浮力，在同等條件下比常規(guī)的浮力塞下管法上部所需的空管長(zhǎng)度短，增加了浮力閥上部工作管的安全性；(3)比常規(guī)的浮力塞下管法增加了所能提供的浮力的上限，因此，在同等條件下可以采用負(fù)載能力更小的鉆機(jī)來進(jìn)行下管作業(yè)。


圖1、2和3為本發(fā)明的懸吊法下管實(shí)施過程示意圖；圖4為本發(fā)明壓風(fēng)機(jī)向浮力閥下部充氣過程的示意圖；圖5為本發(fā)明最終工作套管下至孔底的示意圖；圖6為本發(fā)明的浮力閥的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明的浮力塞的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)記說明如下I鉆機(jī)，2鉆機(jī)平臺(tái)，3鋼絲繩，4橫杠I，5橫杠II，6工作套管對(duì)接焊縫，7割孔焊縫，8泥漿，9鉆孔，10已下工作套管，11正在下的工作套管，12待用工作套管，13壓風(fēng)機(jī)，14浮力塞，15浮力閥，16輸氣通道，17閥門，18焊板，19高壓氣體，20加重泥漿，21工作套管，22鋼筋網(wǎng)，23水泥漿體。
具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。工程概況鉆孔9的孔深816m,成孔直徑790mm,設(shè)計(jì)采用外徑630mm厚18mm的工作套管，工作套管材質(zhì)為鋼材，密度7. 8t/m3，浮力塞14和浮力閥15共重10t，總質(zhì)量230噸，按照工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該工作套管的空管設(shè)計(jì)安全長(zhǎng)度為220m。泥漿8比重為I. 15t/m3。如圖4所示。
根據(jù)已知工程概況計(jì)算工作套管懸重為198t，由于設(shè)備的限制，鉆機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)荷能力不足90噸，為保證一定的安全系數(shù)，鉆機(jī)安全負(fù)載定為70t。采用浮力塞下管法下管需要提供浮力 198-70 = 128t，需要空管長(zhǎng)度 128/ (O. 297*0. 297* Ji *1. 15) = 401m,超過了空管設(shè)計(jì)安全長(zhǎng)度401-220 = 181m。針對(duì)這一鉆機(jī)負(fù)載能力不足的問題，采用雙塞下管法可以成功解決問題。雙塞下管法設(shè)計(jì)和施工過程如下(I)制作浮力塞14和浮力閥15如圖6和圖7所示，由于采用水泥浮力塞14和浮力閥15，水泥漿需要28天的凝固時(shí)間才能達(dá)到預(yù)計(jì)強(qiáng)度，因此，在下管前要預(yù)制好浮力塞14和浮力閥15。浮力塞14和浮力閥15包括鋼筋網(wǎng)22和水泥漿體23，浮力閥15設(shè)置有輸氣通道16，輸氣通道16內(nèi)放置軟管，在軟管上部設(shè)置有閥門17，下部設(shè)置有焊板18和單向閥，防止漏氣。(2)懸吊法下管 在下管過程中，使用的設(shè)備包括鉆機(jī)I、鉆機(jī)平臺(tái)2、已下工作套管10、正在下的工作套管U、待用工作套管12、鋼絲繩3、橫杠14和橫杠115，工作套管的對(duì)接處用焊條焊接形成工作套管對(duì)接焊縫6，工作套管上端設(shè)置有割孔，橫杠14或橫杠115可以穿過割孔，當(dāng)工作套管對(duì)接后，抽出橫杠14或橫杠115，并通過焊接封閉割孔，形成割孔焊縫7。如圖I、圖2和圖3所示。采用常規(guī)的工作套管割孔、穿杠、鋼繩牽引提吊的下管方法，直至工作套管自重達(dá)到鉆機(jī)安全承載能力70t為止；其中H1 = 304m。如圖5所示。(3)焊接浮力塞
將浮力塞焊接到工作套管的上部。(4)按浮力塞下管法下管按照浮力塞下管法繼續(xù)下管，下管過程中浮力塞以上部分工作套管內(nèi)不填充泥漿則會(huì)形成空管，產(chǎn)生浮力。為了避免浮力過大超過管重，在下管過程中需要在浮力塞上部工作套管內(nèi)加入一定量的加重泥漿20。持續(xù)步驟(4)直至浮力塞上部工作套管達(dá)到H2，其中空管部分為L(zhǎng)1，其它H2-L1的長(zhǎng)度以泥漿填補(bǔ)。如圖5所示。空管長(zhǎng)度Lsafe ^ L1 ^ 2Lsafe，適用于雙塞下管法。其中181 = L-Lsafe ^ L1 ^ Lsafe = 220且此時(shí)負(fù)荷需要滿足小于安全負(fù)荷M。即H2 ( P - P ' ) (R2-r2) n ( (L1) P ' r2 η本實(shí)例取H2 = 235m, L1 = 195m,代入上式得54t ( 62t，滿足要求。(5)焊接加入浮力閥，并向浮力塞14和浮力閥15之間的區(qū)域充氣焊接浮力閥15，此時(shí)浮力閥15位于鉆機(jī)平臺(tái)2上，連接壓風(fēng)機(jī)13，通過浮力閥15的輸氣通道16向浮力閥15下部充入高壓氣體19，直至達(dá)到目標(biāo)氣體壓力，關(guān)閉閥門17。其體積和壓力計(jì)算如下最終體積=V1= L1T2 n = 54m3,最終氣壓=P1= (H-H1-H2) P ' g = 3. 12MPa。(6)繼續(xù)步驟(4)，直至下管至孔底，浮力閥15上部還有277m，保留L-L1 =401-195 = 206m 的空管。
(7)鉆破浮力閥15釋放高壓氣體19在釋放高壓空氣19時(shí)，先將在浮力閥15上部空管內(nèi)充滿泥漿，然后下鉆頭，該鉆頭直徑比鉆桿差值需要盡量小，將浮力閥15水泥實(shí)體鉆穿，浮力閥15下部的氣體沿鉆桿外的狹小縫隙排出，并通過鉆桿向浮力塞14和浮力閥15之間補(bǔ)充泥漿。(8)鉆穿浮力塞
使用直徑略小于工作套管內(nèi)徑的鉆頭依次將浮力閥15和浮力塞14鉆穿，下管過程完畢，之后進(jìn)行常規(guī)的固井過程。
權(quán)利要求
1.一種大口徑瓦斯抽排孔工作套管的雙塞下管方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 步驟(一)制作浮力塞和浮力閥； 步驟(二)采用常規(guī)的工作套管割孔、穿杠、鋼繩牽引提吊的下管方法進(jìn)行下管； 步驟(三)將所述浮力塞焊接到工作套管上部； 步驟(四)按浮力塞下管法繼續(xù)下管，在下管過程中在所述浮力塞上部的工作套管內(nèi)加入加重泥漿； 步驟(五)焊接浮力閥，連接壓風(fēng)機(jī)，通過所述浮力閥的輸氣通道向所述浮力閥下部充入高壓氣體，關(guān)閉閥門； 步驟(六)繼續(xù)所述步驟(四)，直至下管至孔底； 步驟(七)工作套管下至孔底后，鉆破所述浮力閥，釋放所述浮力塞和所述浮力閥之間的聞壓氣體； 步驟(八)使用直徑小于工作套管內(nèi)徑的鉆頭依次鉆穿所述浮力閥和所述浮力塞，下管過程完畢。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙塞下管方法，其特征在于，所述浮力塞為水泥浮力塞，所述浮力閥為水泥浮力閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙塞下管方法，其特征在于，所述水泥浮力閥的制作步驟如下將工作套管下端焊上焊板，所述焊板上設(shè)置一個(gè)圓孔，所述圓孔與一個(gè)軟管的下端開口相連接，所述軟管的上端開口連接高壓閥門，所述軟管的下部連接單向閥；然后將所述工作套管豎立，灌入水灰比為O. 42 I的水泥漿，所述軟管的上端開口高出水泥漿面，當(dāng)所述水泥漿完全硬化達(dá)到強(qiáng)度要求，即可。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的雙塞下管方法，其特征在于，在所述步驟(七)中，在鉆破所述浮力閥之前，先在所述浮力閥上部空管內(nèi)充滿泥漿。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙塞下管方法，其特征在于，所述充入的高壓氣體的體積和氣壓由以下方法計(jì)算獲得 首先定義所需的參數(shù)符號(hào)，孔深H，工作套管外徑R，內(nèi)徑r，管厚=R-r,工作套管密度P，泥漿密度，工作套管總質(zhì)量G，懸重G'，鉆機(jī)安全負(fù)載Μ，浮力塞下管法需要空管總長(zhǎng)度L，空管設(shè)計(jì)安全長(zhǎng)度Lsafe,密閉空氣長(zhǎng)度L1，體積V1，氣壓P1，所述浮力塞下工作套管長(zhǎng)度H1，所述浮力塞和所述浮力閥的距離H2 ； 依據(jù)孔深、工作套管內(nèi)外徑、密度算出工作套管懸重，即總質(zhì)量減去自身浮力，G'=G-P ' V = G-P' H(R2-r2) π ； 工作套管總重超過鉆機(jī)安全負(fù)載部分需要以浮力的形式提供，因此，所需的空管總長(zhǎng)度 L = (G' -M)/( Jir2P，)； 工作套管中浮力閥下的密閉空氣最終長(zhǎng)度L1為L(zhǎng)-Lsafe ^ L1 ^ Lsafe ； 工作套管總質(zhì)量達(dá)到安全負(fù)載M時(shí)，焊接上浮力塞，浮力塞下工作套管長(zhǎng)度為=H1 =M/((P - P ' ) (R2-r2) π )； 焊接加入浮力塞后，繼續(xù)加工作套管，并且此時(shí)補(bǔ)充泥漿進(jìn)入工作套管內(nèi)，達(dá)到H2之后，焊接加入浮力閥，其中空管為L(zhǎng)1，其它H2-L1的長(zhǎng)度以泥漿填補(bǔ)，且此時(shí)需要滿足負(fù)荷小于安全負(fù)荷 M，H2 ( P - P ' ) (R2-r2) ( (L1) P , r2 ;最終體積為V1 = L1I"2 31 ； 最終氣壓為 P1 = (H-H1-H2) P ' g。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種大口徑瓦斯抽排孔工作套管的雙塞下管方法，具體包括以下步驟備好浮力塞和浮力閥；懸吊法下管；焊接浮力塞；按浮力塞下管法下管；焊接浮力閥；向所述浮力塞和所述浮力閥之間區(qū)域充入高壓氣體；繼續(xù)按浮力塞下管法下管至孔底；鉆破所述浮力閥釋放所述高壓氣體；鉆穿所述浮力閥和所述浮力塞；固井。本發(fā)明解決了浮力塞下管施工中存在的外部泥漿對(duì)空管橫向壓力過大的問題，減少工作套管失穩(wěn)的危險(xiǎn)性；比常規(guī)浮力塞法增加了所能提供浮力的上限，同等條件下可以采用負(fù)載能力更小的鉆機(jī)來進(jìn)行下管作業(yè)。
文檔編號(hào)E21B7/20GK102720526SQ20121020218
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月8日
發(fā)明者余大有, 吳松貴, 姚直書, 孫家應(yīng), 尹德占, 畢萬順, 程樺, 榮傳新, 鄭騰龍 申請(qǐng)人:安徽理工大學(xué), 安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)