专利名称：浮力阀及含该阀的瓦斯抽排孔工作套管的自平衡下管方法
技术领域：
本发明属于煤炭瓦斯综合治理领域，涉及瓦斯抽排钻孔施工技术，具体涉及ー种浮力阀及含该阀的瓦斯抽排孔工作套管的自平衡下管方法。
背景技术：
高瓦斯矿井通常利用大口径抽排孔把井下瓦斯抽排至地面并加以利用，这种瓦斯治理方式综合成本低且效果好，因而得到了越来越广泛的应用。瓦斯抽排孔钻至目标孔深并扩孔之后，需要下工作套管，用来保持钻孔稳定、防地下水渗漏到工作面并保障瓦斯抽出率和通风。通常依据钻孔深度、套管材质和设备提升能力等因素来确定工作套管的下管方式。对于小口径或较浅的钻孔，钻机提升能力大于工作套管的总重量时，一般采用在工作套管管体上部割孔、穿杠、用钢丝绳连接套管和游车大钩实现起吊套管的提吊下管法；对于孔径较大、深度较深的钻孔，如工作套管的总重量超过钻机提升能力，通常采用提吊加浮力塞下管法。提吊加浮力塞下管法(以下简称浮力塞下管法)的基本步骤如下I、水泥浮力塞的制作以水泥浮力塞的制作为例选ー根该钻孔使用的工作套管，工作套管的长度根据水泥浮力塞在钻孔内最大深度的外力情况外加安全系数来确定，用钢丝刷把工作套管内壁清理干净后，把水泥浆注入套管内候凝。2、工作套管的连接和下管下管前详细检查工作套管的内外径、弯曲度、管ロ水平度，要求工作套管壁厚、圆度、管ロ、平面尺寸保持一致，在下管前丈量套管长度，进行编号、排序。尾管按固井要求制作。下管时采用在工作套管上割孔、穿杠、钢绳牵引提吊的下管方法，就是在工作套管的管口上端0. 5m处对称切割直径为155mm的圆孔，并在圆孔中穿入横杠，用钢绳连接游车大钩来起吊工作套管。每组套管ロ利用套管对接扶正器进行找正，保证管ロ合缝、同心，然后采用焊条焊接，确保焊缝密实、牢固，同时外加焊加强筋。工作套管对接后，抽出横杠，将切下的圆板填入直径为155mm的圆孔内并焊牢，然后在圆孔外补焊方挡板。按上述方法根据工作套管的入井顺序依次下入钻孔内。3、水泥浮力塞的最大入孔深度和上部空管段的确定确定水泥浮力塞最大入孔深度和上部空管段的原则如下I)、水泥浮力塞的上部套管外壁受泥浆最大侧向挤压カ小于套管试验的最大侧向挤压カ；2)、水泥浮力塞的最大入孔深度上部空管段浮力的设计，要满足实际钩载小于或等于最大钩载的80 90%，必须保证留有10 20%的安全提升カ，保证安全作业。浮力塞下管法的空管段设置在水泥浮力塞的上部，整个工作套管所需的浮力全部由设置在水泥浮力塞上部的空管段提供。随着煤矿行业的发展，煤矿开采深度越来越深，由于煤层瓦斯含量具有随煤层深度増加而增加的特点，因此，随着矿井开采深度的増加，瓦斯抽排钻孔的深度和口径也随之不断増加，工作套管的总重量也越来越大，从而使得水泥浮力塞上部的空管段的体积需求増加，也即使得水泥浮力塞上部的空管段的长度増大，此时空管段受外部泥浆的压カ也随钻孔深度的增加而増大，从而容易产生工作套管失稳事故。
发明内容
根据上述现有技术存在的不足，本发明的目的之ー在于提供ー种浮力阀，本浮力阀能够有效解决浮力阀上侧的空管段过长的问题，从而減少了工作套管失稳事故发生的可能性。用来向浮力阀下侧的工作套管中充入高压气体以排开泥浆，并使得位于浮力阀下侧的工作套管的部分管段成为充填有高压气体的空管段。为实现上述目的，本发明中的浮力阀采用了以下技术方案ー种浮力阀，包括工作套管以及封堵在工作套管内部的水泥浆体，所述工作套管的内部还设置有输气管道，所述输气管道沿工作套管的长度方向设置，且输气管道贯穿水泥浆体构成的封堵区域；所述输气管道的伸出在水泥浆体上端面的一端设置为悬伸端，输气管道的悬伸端上设置有阀门。优选的，所述输气管道为金属软管。优选的，所述工作套管的内部还设置有封堵在水泥浆体下端处的封板；所述输气管道的下端部伸出在所述封板的下側。优选的，所述水泥浆体与工作套管的内壁面之间设置有用于增强的钢筋网络。本发明的目的之ニ是提供ー种含有上述浮力阀的瓦斯抽排孔工作套管的自平衡下管方法，本方法不但工作可靠，而且有效地提高了浮力阀上侧的工作套管的安全性。为实现上述目的，本发明中的浮力阀采用了以下技术方案ー种瓦斯抽排孔工作套管的自平衡下管方法，其中钻孔孔深H，工作套管外径R，内径r，工作套管的管厚R_r，エ作套管密度P，泥浆密度P '，工作套管总质量G= pHji (R2_r2)，钻机安全负载M，工作套管中的空管段总长度L =(G-M)/ (Jir2P')，工作套管中的空管段设计安全长度Lsafe,其包括如下步骤I)、采用常规的悬吊法下管方式向钻孔中下管，直至钻孔中的工作套管的自重达到钻机的设定安全负载M，此时钻孔中工作套管的长度为H1 ；2)、将浮力阀设置在钻机平台上，使浮力阀的设有阀门的一端朝上设置，并使浮力阀的下端与设置在钻孔中的工作套管的顶部焊接在一起；3)、使浮力阀的输气管道与气源相连通，打开阀门并通过输气管道向浮力阀下部的工作套管中持续充入高压气体，此高压气体排开泥浆并在浮力阀下侧的工作套管中形成封闭的高压气体管段，直至浮力阀下部的工作套管中的气柱长度也即高压气体管段的长度达到L1，然后关闭阀门，此时浮力阀下部的工作套管中的气压值P1 = P / gU，所述1^的计算公式如下L1 = (L2H2) 1/2 其中L2= L-Lsafe ；H2 = H-HJL2 ；H1 = M/ ( P JI (R2-r2))；
且在工程安全许可的范围内调整钻机安全负载M的值，以使得L1的取值满足如下条件L1P ' gJir2；^M。4)、浮力阀安装完毕后，采用常规的悬吊法下管方式向钻孔中继续下管，直至工作套管的最底部下至钻孔孔底；5)、然后打开或者破坏所述输气管道的阀门或输气管道本身，以排除封闭在浮力阀下部的工作套管内的高压气体；待所述高压气体排除后，向工作套管内伸入钻头并将浮カ阀内部的水泥浆体钻穿；6)、最后采用常规方法固井。优选的，在步骤4 )中，当浮力阀安装完毕后，在继续向钻孔中下管的同时向浮力阀上侧的工作套管中充入泥浆，所充入的泥浆量应确保浮力阀上侧的工作套管中设有预留空管段，此预留空管段的长度的最大值为Lsafe,且此预留空管段和高压气体管段所提供的浮 力之和应确保钻机在工作时所承受的荷载小于或等于钻机安全负载M。进ー步的，所述步骤4)中，当浮力阀安装完毕后，向钻孔中继续装入的位于浮力阀上侧的工作套管的长度与浮力阀上侧工作套管中的泥浆的填充高度之间的比例为52 5 3。优选的，在步骤4)中，当工作套管的最底部下至钻孔孔底后，向浮力阀上侧的工作套管中充入泥浆，直至泥浆充满浮力阀上侧的工作套管内腔。本发明中的浮力阀也即水泥浮力阀。浮力阀的上端设有用于启闭输气管道的阀门，浮力阀的下端封设有用于保证气密性的封板；制作浮力阀时选用一段工作套管，在此段工作套管的下端焊接封板，封板上预留有使金属软管通过的圆孔，向工作套管中装入金属软管，然后将此段工作套管竖立，并向此段工作套管内灌入水泥浆，使金属软管装设有阀门的上端高出水泥浆面，等28天水泥浆完全硬化达到强度要求之后，浮力阀便制作完成。优选的，灌入浮力阀的工作套管的水泥浆的水灰比为0. 42 I。本发明的有益技术效果体现在下述几个方面(I)、本发明的浮力阀中设置有输气管道，气源通过浮力阀中的输气管道将高压空气充入浮力阀下侧的工作套管中，此高压气体排开泥浆并在浮力阀下侧的工作套管中形成封闭的高压气体管段；此高压气体管段与浮力阀上侧的空管段共同提供工程施工所需要的浮力。所述高压气体管段中的气体压强与高压气体管段下端面处的泥浆的液压相等，因此高压气体管段处于内压大于外压的受カ状态，故高压气体管段没有受外压失稳的危险。由于高压气体管段的存在，从而使得浮力阀上侧的空管段的长度得以缩短，因此大大增加了浮力阀上部工作套管的安全性。(2)、所述高压气体管段中的气压与高压气体管段下侧的泥浆液面处的液压相等，随着施工的进行，高压气体管段不断下沉，高压气体管段中所封闭的高压空气的体积减小，高压气体管段中气体压力也随之增加但始终与泥浆液面处的压カ自动平衡。当工作套管的最底端到达钻孔孔底时，先使浮力阀上侧的工作套管的空管段内充满泥浆，然后下钻头并将浮力阀的阀门钻断，则高压气体管段中的高压气体沿浮力阀中的输气管道不断排出，高压气体管段中的气压降低，高压气体管段下端面处的泥浆液面在泥浆液压作用下随之上升；当高压气体管段中的气体全部排出后，使用直径略小于工作套管内径的钻头将浮力阀中的水泥浆体钻穿，而后即可进行常规的固井过程。
由上述可知，本发明中的下管方法易于实行且效果良好。( 3)、本发明中的下管方法相较于传统的浮力塞下管法提高了所能提供浮力的上限，从而在同等条件下可以采用负载能力更小的钻机来进行下管作业，降低了施工难度和减少了施工成本。
图I为浮力阀的结构示意图。图2为浮力阀下工作套管的安装结构示意图。图3为全部工作套管的安装结构示意图。图4A、4B、4C均为本发明下管方法的示意图。图5为压风机向浮力阀下部工作套管充入高压气体的结构示意图。图6为采用本下管方法的工作套管下至钻孔孔底时的结构示意图。图中标记的含义如下I ー钻机 2—钻机平台3—钢丝绳4 一第一横杠5—第二横杠6—工作套管对接焊缝7—割孔焊缝8—泥浆9 ー钻孔10—前ー编号工作套管11 一正在下的工作套管12—后ー编号工作套管13—压风机14 一泥浆池15—工作套管16—高压气体管段17—加重泥浆18—浮力阀上侧的空管段19 一地面20—浮力阀21—工作套管22—封板23—钢筋网络24—水泥浆体25—输气管道26—阀门H-孔深R-工作套管外径r-工作套管内径p -工作套管密度 P '-泥浆密度G-工作套管总质量M—钻机安全负载L 一空管段总长度Lsafe—空管段设计安全长度L1—高压气体管段初始长度 V1—高压气体管段初始体积P1—高压气体管段初始气压 L2—高压气体管段最终长度V2—高压气体管段最終体积 P2—高压气体管段最終气压H1—浮力阀下侧的工作套管长度H2—工作套管的最底端到达钻孔孔底时高压气体管段下侧的泥浆液面与地面之间的高度差
具体实施例方式如图I所示，ー种浮力阀，包括工作套管21以及封堵在工作套管21内部的水泥浆体24，所述工作套管21的内部还设置有输气管道25，所述输气管道25沿工作套管21的长度方向设置，且输气管道25贯穿水泥浆体24构成的封堵区域；所述输气管道25的伸出在水泥浆体24上端面的一端设置为悬伸端，输气管道25的悬伸端上设置有阀门26。优选的，所述输气管道25为金属软管。
优选的，所述工作套管21的内部还设置有封堵在水泥浆体24下端处的封板22 ；所述输气管道25的下端部伸出在所述封板22的下側。优选的，所述水泥浆体24与工作套管21的内壁面之间设置有用于增强的钢筋网络23。在本发明的下管方法中，向浮力阀下侧的工作套管中充入的高压气体的体积或者封闭在浮力阀下侧工作套管内的高压气体的初始压强值是ー个关键的參数值，下面结合图2、3对高压气体的初始压强值的计算过程做详细说明。依据钻孔孔深H、工作套管外径R、工作套管内径r以及工作套管密度P可得工作套管总质量G如下G= PHji (R2T2)工作套管总质量G超过钻机安全负载M的部分需要以浮力的形式提供，因此所需的空管段总长度L如下L = (G-M)/ (nr2 P ')由于空管段设计安全长度Lsafe已知，因此工作套管下至钻孔孔底时需要的高压气体管段最终长度L2计算如下L2 = L-Lsafe当下入钻孔9中的工作套管质量达到钻机安全负载M时，焊接安装浮力阀，则浮力阀下侧的工作套管长度H1为H1 = M/ ( P JI (R2-r2))因此当工作套管的最底端到达钻孔孔底时高压气体管段下侧的泥浆液面与地面19之间的高度差H2为H2 = H-HJL2则高压气体管段最终体积V2为V2 = L2r2 Ji高压气体管段最終气压P2为P2 = H2 P ' g由于高压气体管段初始体积V1为V1 = L1Pji在计算高压气体管段初始气压P1吋，參见图2所示，由于浮力阀的管长较高压气体管段初始长度L1要小很多，因此忽略浮力阀，则高压气体管段初始气压P1为
P1 = L1 P ' g且根据玻意尔定律，V1P1 = V2P2故，高压气体管段初始长度L1为
权利要求
1.ー种浮力阀，包括工作套管(21)以及封堵在工作套管(21)内部的水泥浆体(24)，其特征在干所述工作套管(21)的内部还设置有输气管道(25)，所述输气管道(25)沿工作套管(21)的长度方向设置，且输气管道(25)贯穿水泥浆体(24)构成的封堵区域；所述输气管道(25)的伸出在水泥浆体(24)上端面的一端设置为悬伸端，输气管道(25)的悬伸端上设置有阀门(26)。
2.根据权利要求I所述的浮力阀，其特征在于所述输气管道(25)为金属软管。
3.根据权利要求I所述的浮力阀，其特征在于所述工作套管(21)的内部还设置有封堵在水泥浆体(24)下端处的封板(22);所述输气管道(25)的下端部伸出在所述封板(22)的下側。
4.根据权利要求I或2或3所述的浮力阀，其特征在于所述水泥浆体(24)与工作套管(21)的内壁面之间设置有用于增强的钢筋网络(23)。
5.ー种采用权利要求I所述浮力阀的瓦斯抽排孔工作套管的自平衡下管方法，其中钻孔孔深H，工作套管外径R，内径r，工作套管管厚R-r，工作套管密度P，泥浆密度P '，エ作套管总质量G= pHji (R2_r2)，钻机安全负载M，工作套管中的空管段总长度L =(G-M)/ (^ir2P')，工作套管中的空管段设计安全长度Lsafe,其特征在于包括如下步骤 1)、采用常规的悬吊法下管方式向钻孔中下管，直至钻孔中的工作套管的自重达到钻机(I)的设定安全负载M，此时钻孔中工作套管的长度为H1 ； 2)、将浮力阀(20)设置在钻机平台(2)上，使浮力阀(20)的设有阀门(26)的一端朝上设置，并使浮力阀(20)的下端与设置在钻孔(I)中的工作套管的顶部焊接在一起； 3)、使浮力阀(20)的输气管道(25)与气源相连通，打开阀门(26)并通过输气管道(25)向浮力阀(20)下部的工作套管中持续充入高压气体，此高压气体排开泥浆并在浮力阀(20)下侧的工作套管中形成封闭的高压气体管段，直至浮力阀(20)下部的工作套管中的气柱长度也即高压气体管段的长度达到L1，然后关闭阀门(26)，此时浮力阀(20)下部的工作套管中的气压值P1 = P , gU，所述“的计算公式如下 Li = (L2H2) 1/2其中し2 — L-Lsafe ；H2 = H-H^L2 ；H1 = M/ ( P JI (R2-r2))； 且在工程安全许可的范围内调整钻机安全负载M的值，以使得L1的取值满足如下条件 L1 P ' g 31 r2 く M。
4)、浮力阀(20)安装完毕后，采用常规的悬吊法下管方式向钻孔中继续下管，直至工作套管的最底部下至钻孔孔底； 5)、然后打开或者破坏所述输气管道(25)的阀门(26)或输气管道本身，以排除封闭在浮力阀(20)下部的工作套管内的高压气体；待所述高压气体排除后，向工作套管内伸入钻头并将浮力阀(20)内部的水泥浆体(24)钻穿； 6)、最后采用常规方法固井。
6.根据权利要求5所述的瓦斯抽排孔工作套管的自平衡下管方法，其特征在于在步骤4)中，当浮力阀(20)安装完毕后，在继续向钻孔(9)中下管的同时向浮力阀(20)上侧的工作套管中充入泥浆，所充入的泥浆量应确保浮力阀(20)上侧的工作套管中设有预留空管段，此预留空管段的长度的最大值为Lsafe,且此预留空管段和高压气体管段所提供的浮力之和应确保钻机在工作时所承受的荷载小于或等于钻机安全负载M。
7.根据权利要求5所述的瓦斯抽排孔工作套管的自平衡下管方法，其特征在于在步骤4)中，当工作套管的最底部下至钻孔孔底后，向浮力阀(20)上侧的工作套管中充入泥浆，直至泥浆充满浮力阀(20)上侧的工作套管内腔。
8.根据权利要求6所述的瓦斯抽排孔工作套管的自平衡下管方法，其特征在于所述、步骤4)中，当浮力阀(20)安装完毕后，向钻孔中继续装入的位于浮力阀(20)上侧的工作套管的长度与浮力阀(20)上侧工作套管中的泥浆的填充高度之间的比例为5 : 2 5 : 3。
全文摘要
本发明属于煤炭瓦斯综合治理领域，具体涉及一种浮力阀及含该阀的瓦斯抽排孔工作套管的自平衡下管方法。本发明在浮力阀中设置有贯穿浮力阀中水泥浆体的输气管道；输气管道的上端设有阀门，下端设有防止漏气的封板。在下管过程中，通过压气机向浮力阀下侧的工作套管中充入高压空气以形成高压气体管段，此高压气体管段与浮力阀上侧的空管段共同提供工程施工所需要的浮力。所述高压气体管段中的气体压强与高压气体管段下端面处的泥浆的液压相等，因此高压气体管段处于内压大于外压的受力状态，故高压气体管段没有受外压失稳的危险。由于高压气体管段的存在，从而使得浮力阀上侧的空管段的长度得以缩短，因此大大增加了浮力阀上部工作套管的安全性。
文档编号E21F7/00GK102650203SQ20121015241
公开日2012年8月29日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者余大有, 吴松贵, 姚直书, 孙家应, 尹德战, 毕万顺, 程桦, 荣传新, 郑腾龙 申请人:安徽理工大学, 安徽省煤田地质局第一勘探队