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        “半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置研發(fā)與應(yīng)用

        2021-01-09 05:37:38聶新明
        山東煤炭科技 2020年12期
        關(guān)鍵詞:合式壓水孔口

        李 開 聶新明

        (1.冀中能源股份有限公司東龐礦,河北 邢臺 054201;2.中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院,河北 石家莊 050031)

        1 研發(fā)背景

        在鉆探施工過程中,因技術(shù)要求,需要做鉆孔抽水、壓水試驗(yàn),用來獲取鉆孔的涌水或漏失及其他水文情況。使用傳統(tǒng)的封孔孔口裝置[1],需要把孔內(nèi)鉆具全部提出孔外,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度?!鞍牒鲜健狈忾]鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置的研發(fā),可在不提鉆的情況下完成壓水試驗(yàn),既可以大幅度縮短工期,又能減少工人的體力勞動,同時也降低了孔內(nèi)事故率[2-5]。另外,當(dāng)鉆孔一旦發(fā)生巖屑埋鉆事故,鉆桿將不能提出孔外,需要對鉆孔環(huán)狀空間進(jìn)行封閉,實(shí)施壓水或注氣處理,封孔裝置是一種理想的裝置。

        2 結(jié)構(gòu)原理

        “半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置,總體設(shè)計為上下兩部分,用法蘭連接成一個整體,如圖1 所示。

        圖1 “半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置結(jié)構(gòu)圖

        此裝置可分解為上盤和下盤兩部分。(1)上盤配件大多設(shè)計成兩個半塊而后合為一個整體,稱之為“半合式”。上法蘭盤制作成兩塊,“揣手”對接,“揣手”接縫處用密封膠密封。上、下法蘭接觸面加工有“子母扣”,“子母扣”間壓裝密封圈實(shí)現(xiàn)密封(圖1A 放大)。上法蘭體上面分別對應(yīng)加工兩半式密封盒,密封盒外加工有密封盒緊固耳,通過螺栓夾緊。密封盒內(nèi)安放密封橡膠圈,密封圈均沿著軸向切成兩半,密封圈切縫與密封盒接縫應(yīng)錯位安放,密封圈壓蓋對縫與密封盒對縫以及密封圈切縫均需錯位安放。密封盒與密封圈壓蓋用螺栓聯(lián)接,通過調(diào)整螺栓的松緊來調(diào)整密封圈對孔內(nèi)所需密封鉆桿或鉆具的密封程度。(2)下盤主體是由下法蘭與孔內(nèi)的同型號套管構(gòu)成。下端加工套管公扣與井內(nèi)套管相連,下部管體側(cè)面裝有壓力表和管接頭,壓力表用以采集壓力數(shù)據(jù),管接頭應(yīng)用時加裝安全控制閥門,連接壓水或注氣設(shè)備。下法蘭上面加工有母口,母口內(nèi)置O 形密封圈,與上法蘭體下面加工的子口對接密封。(3)上下法蘭用高強(qiáng)度螺絲聯(lián)接。

        3 鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置在煤田防治水領(lǐng)域應(yīng)用

        3.1 煤田防治水工程實(shí)例

        冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400 采區(qū)奧灰區(qū)域注漿改造一期工程,該項(xiàng)目最初設(shè)計DB1和DB2 兩個地面主孔,11 個水平分支孔。根據(jù)工程需要,進(jìn)行了多次設(shè)計變更,最后確定為DB1、DB2 和DB3 三個地面主孔,40 個水平分支孔。工程布置如圖2 所示。

        圖2 工程設(shè)計鉆孔軌跡平面投影圖。

        根據(jù)煤礦帶壓開采地面區(qū)域治理技術(shù)管理有關(guān)規(guī)定[2-3]要求:地面定向多分支注漿鉆孔在鉆進(jìn)過程中,當(dāng)鉆井液消耗量≥5 m3/h 時,應(yīng)起鉆注漿;如果鉆孔內(nèi)泥漿長距離出現(xiàn)不消耗時或泥漿消耗量<5 m3/h 時,要每鉆進(jìn)100~150 m 先進(jìn)行孔口壓水試驗(yàn),根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果,確定注漿參數(shù)。若壓水過程中壓力上升快,且在最小泵量(35 L/min)壓水時計算單位吸水率小于0.01 L/MIN.m.m,則不需要注漿,可以繼續(xù)鉆進(jìn),進(jìn)行下一孔段施工。為此,在一個分支孔施工過程中往往需要多次孔口壓水試驗(yàn)或注漿,頻繁使用孔口裝置對鉆孔實(shí)施密封。

        3.2 裝置使用方法

        (1)使用傳統(tǒng)封孔裝置每做一次壓水試驗(yàn)均需把孔內(nèi)所有鉆具提出孔外,安裝孔口裝置,接通壓水設(shè)備管路,通過壓力數(shù)據(jù),計算出試驗(yàn)段的吸水率,確定是否需要注漿,若不需要注漿,拆卸孔口裝置,下鉆,繼續(xù)鉆進(jìn)。

        (2)使用“半合式”封孔裝置,主孔套管下完固井結(jié)束后,就將該裝置的下盤與套管聯(lián)接緊固,繼續(xù)后施工期間不需拆除。在鉆進(jìn)過程中,長距離泥漿消耗量<5 m3/h 時,每鉆進(jìn)100~150 m 應(yīng)進(jìn)行孔口壓水試驗(yàn),這時不需要把鉆具提出孔外,直接將“半合式”孔口裝置上盤組件安裝在下盤上,完成對鉆孔環(huán)狀空間的有效密封,壓水設(shè)備管路與下盤管接頭相連(圖3),通過壓水試驗(yàn)獲取壓力數(shù)據(jù),計算出試驗(yàn)段的吸水率,進(jìn)而確定是否需要注漿,若不需要注漿,卸去上盤組件繼續(xù)鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中,出現(xiàn)孔內(nèi)泥漿消耗量>5 m3/h 時,需要壓水或注漿,提鉆,將該裝置上盤用盲板替換,壓水注漿設(shè)備管路與下盤管接頭相連,與傳統(tǒng)的孔口裝置功能相同。

        圖3 “半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置現(xiàn)場工作圖

        3.3 兩種鉆孔孔口裝置使用效果對比

        正在施工的注漿孔,做孔口壓水試驗(yàn),使用傳統(tǒng)的孔口裝置,需要把孔內(nèi)鉆具全部提出孔外,地面定向水平多分支注漿鉆孔一般情況下設(shè)計鉆孔比較深,大多在1500 m 以上,提、下鉆耗時費(fèi)力。使用“半合式”封孔裝置可以在不提鉆的情況下完成壓水試驗(yàn),大大減少了提、下鉆次數(shù),減輕工人的勞動強(qiáng)度,降低了安全風(fēng)險,加快了施工進(jìn)度。

        冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400 采區(qū)奧灰區(qū)域注漿改造一期工程,從2017 年開始施工,目前屬于在建工程。工程初始階段,鉆孔孔口壓水試驗(yàn)使用的是傳統(tǒng)的孔口裝置,每鉆進(jìn)80 m 做一次孔口壓水試驗(yàn),如DB2-E5 壓水試驗(yàn)時間統(tǒng)計見表1。在該工程項(xiàng)目兩年多的施工中,為了加快工程進(jìn)度,通過現(xiàn)場技術(shù)人員不斷改革創(chuàng)新,曾先后研制出“分體式”不提鉆壓水試驗(yàn)孔口裝置和“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置。后者是“分體式”不提鉆壓水試驗(yàn)孔口裝置的改良版,在DB1-W4 分支孔正式開始推廣使用,其壓水試驗(yàn)時間統(tǒng)計見表2。

        表1 DB2-E5 分支孔傳統(tǒng)孔口裝置提鉆壓水試驗(yàn)統(tǒng)計

        表2 DB1-W4 分支孔使用“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置不提鉆壓水試驗(yàn)統(tǒng)計

        對上述表1、表2 進(jìn)行分析可以看出,采用傳統(tǒng)孔口裝置進(jìn)行壓水試驗(yàn),每次孔口壓水試驗(yàn)平均耗時14.39 h;使用“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置進(jìn)行不提鉆壓水試驗(yàn),平均每次耗時1.5 h。試驗(yàn)結(jié)果表明,使用該封閉鉆孔孔口裝置比使用傳統(tǒng)孔口裝置進(jìn)行壓水試驗(yàn)平均一次可節(jié)省提、下鉆和裝卸孔口的時間約12.89 h。

        “半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間孔口裝置進(jìn)行不提鉆壓水試驗(yàn),在冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400 采區(qū)奧灰區(qū)域注漿改造一期工程項(xiàng)目后續(xù)18 個水平分支孔中應(yīng)用,平均每孔使用6 次,大約可節(jié)省提、下鉆和拆卸孔口裝置時間1 392.12 h,大幅度縮短了施工工期,將獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

        4 裝置在處理孔內(nèi)事故中的應(yīng)用

        4.1 事故發(fā)生過程

        DB3-S2-3 水平分支孔,設(shè)計孔深為1 705.35 m,鉆進(jìn)至1 701.50 m 時,孔內(nèi)突然出現(xiàn)嚴(yán)重漏失,漏失量超過55 m3/h,鉆井液處于失返狀態(tài),頂漏鉆進(jìn)至終孔。待現(xiàn)場驗(yàn)收完成后,進(jìn)行提鉆作業(yè),稱重壓力表顯示鉆具懸重由50 t 逐漸上升至130 t,鉆機(jī)扭矩表顯示高達(dá)9 kN·m,鉆具無法上提及回轉(zhuǎn),下部鉆具已經(jīng)被完全埋死。

        4.2 處理埋鉆事故過程及效果

        使用多種傳統(tǒng)方法處理[4]無效后,井隊(duì)嘗試用大風(fēng)量高壓“氣動”方法對DB3-S2-3 埋鉆事故處理,即:用空壓機(jī)及空氣增壓機(jī)從事故鉆桿與孔壁環(huán)狀空間進(jìn)行壓氣作業(yè),大量的高壓空氣對環(huán)空內(nèi)造成埋鉆事故的巖屑、砂床或砂橋等自上而下進(jìn)行吹刷;當(dāng)氣壓達(dá)到一定壓力后,突然進(jìn)行放氣作業(yè),在鉆孔環(huán)狀空間內(nèi)就形成了一股高速上升的渦旋氣流,對鉆孔內(nèi)造成埋鉆事故的固相顆粒自上而下進(jìn)行抽吸和吹刷即制造出人為“井噴”;通過如此不間斷的壓氣和突放氣作業(yè),對造成埋鉆事故的固相物進(jìn)行反復(fù)擾動或搬移,以達(dá)到事故鉆具解埋的目的[5]。

        鉆孔發(fā)生埋鉆事故,事故鉆具很難提出孔外,使用大風(fēng)量高壓空氣做動力處理埋鉆事故時,必須要對孔內(nèi)鉆桿與套管間的環(huán)狀空間實(shí)施可靠密封。“半合式”孔口裝置是實(shí)現(xiàn)對鉆孔環(huán)狀空間理想密封裝置,對處理DB3-S2-3 鉆孔埋鉆事故至關(guān)重要。

        5 結(jié)論與建議

        (1)“半合式”封閉鉆孔孔口裝置,設(shè)計合理,實(shí)用,密封可靠,拆裝方便,是封閉鉆孔環(huán)狀空間十分有效孔口裝置。

        (2)根據(jù)所密封鉆桿的外形需要,“半合式”封閉鉆孔環(huán)狀空間裝置中心孔可加工成與鉆桿外形相匹配的異形孔。

        (3)“半合式”封閉鉆孔孔口裝置,在煤礦防治水工程做不提鉆壓水試驗(yàn),埋鉆事故處理方面已成功應(yīng)用,在鉆探工程及其他領(lǐng)域的應(yīng)用有待開發(fā)。

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