专利名称：大口径瓦斯抽排孔工作套管的双塞下管方法
技术领域：
本发明属于煤炭瓦斯抽排钻孔施工技术领域，具体涉及一种大口径瓦斯抽排孔工作套管的双塞下管方法。
背景技术：
目前，高瓦斯矿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，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。
随着瓦斯抽排孔深度加深、直径加大，工作套管的总质量越来越大，因此在下管过程中，通常会在工作套管中加入浮力塞，排开钻孔内的泥浆产生浮力，以减少钻机的负荷。通常采用的提吊加浮力塞下管法是目前较为成熟的下管工艺。其工艺原理就是利用浮力塞阻止泥浆在下管过程中进入工作管中，在浮力塞上部形成空管，从而产生较大的浮力。其基本步骤有(一)、浮力塞制作以水泥浮力塞的制作为例，选一根该钻孔使用的工作套管(长度根据水泥浮力塞在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，沿工作套管内壁焊直径6_的钢筋圈和钢筋网，增加水泥塞与工作套管内壁的摩擦力，防止浮力塞整体滑动，然后把水泥浆注入工作套管内候凝。( 二)、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、管口水平度，要求工作套管壁厚、圆度、管口、平面尺寸保持一致，在下管前丈量工作套管长度，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割孔、穿杠、钢绳牵引提吊的下管方法，就是在管口上端
O.5m处对称切割155mm圆孔。穿入穿杠，用钢绳连接游车大钩来起吊井管。每组工作套管口利用工作套管对接扶正器进行找正，保证管口合缝、同心，然后采用焊条焊接，确保焊缝密实、牢固，外面再加焊加强筋。井管对接后，抽出穿杠，将切下的圆板填入孔内、焊牢，然后在孔外补焊方挡板。按上述方法根据井管的入井顺序依次下入孔内。(三)、水泥浮力塞最大入井深度和上部空管段的确定确定水泥浮力塞最大入井深度和上部空管段的原则是(I)水泥浮力塞的上部工作套管外壁受泥浆最大侧向挤压力小于工作套管试验的最大侧向挤压力；(2)水泥浮力塞最大入井深度及上部空管段浮力的设计，满足实际钩载小于或等于最大钩载80-90%，必须保证留有10-20%的安全提升力，保证安全作业。但是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增加而增加的特点，因此，随着矿井开采深度的增加，瓦斯抽排钻孔的深度和口径也在不断增加。工作套管的总重量越来越大，使得浮力塞上部的空管体积需求增加。空管受外部泥浆的压力随深度增加而增大，为了防止工作套管失稳事故发生，需要对工作套管进行稳定性验算。常规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。大口径瓦斯抽排孔孔径大、深度深，所需的空管长度较大；浮力塞下管法施工中存在外部泥浆对空管横向压力过大的问题，增加了工作套管失稳的危险性；需要负载能力大的钻机来进行下管作业。
发明内容
为了解决常规的浮力塞下管法施工中存在的空管过长、外部泥浆对空管横向压力过大和钻机负载能力过小的问题，本发明提供一种利用浮力塞和浮力阀进入工作套管内以提供浮力、并在所述浮力塞和浮力阀之间充入高压空气的工作套管下管方法。本发明通过以下技术方案实现
一种大口径瓦斯抽排孔工作套管的双塞下管方法，所述方法包括以下步骤步骤(一)制作浮力塞和浮力阀；步骤(二)采用常规的工作套管割孔、穿杠、钢绳牵引提吊的下管方法进行下管；步骤(三)将所述浮力塞焊接到工作套管上部；步骤(四)按浮力塞下管法继续下管，在下管过程中在所述浮力塞上部的工作套管内加入加重泥浆；步骤(五)焊接浮力阀，连接压风机，通过所述浮力阀的输气通道向所述浮力阀下部充入高压气体，关闭阀门；步骤(六)继续所述步骤(四)，直至下管至孔底；步骤(七)工作套管下至孔底后，钻破所述浮力阀，释放所述浮力塞和所述浮力阀之间的高压气体；步骤(八)使用直径小于工作套管内径的钻头依次钻穿所述浮力阀和所述浮力塞，下管过程完毕。优选的，所述浮力塞为水泥浮力塞，所述浮力阀为水泥浮力阀。优选的，所述水泥浮力阀的制作步骤如下将工作套管下端焊上焊板，所述焊板上设置一个圆孔，所述圆孔与一个软管的下端开口相连接，所述软管的上端开口连接高压阀门，所述软管的下部连接单向阀；然后将所述工作套管竖立，灌入水灰比为O. 42 I的水泥浆，所述软管的上端开口高出水泥浆面，当所述水泥浆完全硬化达到强度要求，即可。优选的，在所述步骤(七)中，在钻破所述浮力阀之前，先在所述浮力阀上部空管内充满泥浆。优选的，所述充入的高压气体的体积和气压由以下方法计算获得首先定义所需的参数符号，孔深H，工作套管外径R，内径r，管厚=R_r，工作套管密度P，泥浆密度P'，工作套管总质量G，悬重G'，钻机安全负载M，浮力塞下管法需要空管总长度L，空管设计安全长度Lsafe,密闭空气长度L1，体积V1,气压P1,所述浮力塞下工作套管长度H1，所述浮力塞和所述浮力阀的距离H2 ；依据孔深、工作套管内外径、密度算出工作套管悬重，即总质量减去自身浮力，G'= G-P' V = G-P' H(R2-r2) π ；
工作套管总重超过钻机安全负载部分需要以浮力的形式提供，因此，所需的空管总长度 L= (G' -M)/Ur2p');工作套管中浮力阀下的密闭空气最终长度L1为L_Lsafe ^ L1 ^ Lsafe ；工作套管总质量达到安全负载M时，焊接上浮力塞，浮力塞下工作套管长度为Ηι= M/((p-p ' ) (R2-r2) π )；焊接加入浮力塞后，继续加工作套管，并且此时补充泥浆进入工作套管内，达到H2之后，焊接加入浮力阀，其中空管为L1，其它H2-L1的长度以泥浆填补，且此时需要满足负荷小于安全负荷 M，H2 ( P - P ' ) (R2-r2) ( (L1) P ' r2 ；最终体积为V1 = L1I*2 π ；最终气压为P1 = (H-H1-H2) P ' g。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在下述几个方面(I)将高压空气充入浮力阀下面，密闭的空气提供一定量的浮力，而且此密闭空气的压强与浮力阀上部泥浆液压相等，因此，减少了工作套管内外压差，降低了工作套管失稳的危险性；(2)浮力阀下部的空气提供一定量的浮力，在同等条件下比常规的浮力塞下管法上部所需的空管长度短，增加了浮力阀上部工作管的安全性；(3)比常规的浮力塞下管法增加了所能提供的浮力的上限，因此，在同等条件下可以采用负载能力更小的钻机来进行下管作业。
图1、2和3为本发明的悬吊法下管实施过程示意图；图4为本发明压风机向浮力阀下部充气过程的示意图；图5为本发明最终工作套管下至孔底的示意图；图6为本发明的浮力阀的结构示意图；图7为本发明的浮力塞的结构示意图。图中标记说明如下I钻机，2钻机平台，3钢丝绳，4横杠I，5横杠II，6工作套管对接焊缝，7割孔焊缝，8泥浆，9钻孔，10已下工作套管，11正在下的工作套管，12待用工作套管，13压风机，14浮力塞，15浮力阀，16输气通道，17阀门，18焊板，19高压气体，20加重泥浆，21工作套管，22钢筋网，23水泥浆体。
具体实施例方式为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。工程概况钻孔9的孔深816m,成孔直径790mm,设计采用外径630mm厚18mm的工作套管，工作套管材质为钢材，密度7. 8t/m3，浮力塞14和浮力阀15共重10t，总质量230吨，按照工程实践经验，该工作套管的空管设计安全长度为220m。泥浆8比重为I. 15t/m3。如图4所示。
根据已知工程概况计算工作套管悬重为198t，由于设备的限制，钻机设计负荷能力不足90吨，为保证一定的安全系数，钻机安全负载定为70t。采用浮力塞下管法下管需要提供浮力 198-70 = 128t，需要空管长度 128/ (O. 297*0. 297* Ji *1. 15) = 401m,超过了空管设计安全长度401-220 = 181m。针对这一钻机负载能力不足的问题，采用双塞下管法可以成功解决问题。双塞下管法设计和施工过程如下(I)制作浮力塞14和浮力阀15如图6和图7所示，由于采用水泥浮力塞14和浮力阀15，水泥浆需要28天的凝固时间才能达到预计强度，因此，在下管前要预制好浮力塞14和浮力阀15。浮力塞14和浮力阀15包括钢筋网22和水泥浆体23，浮力阀15设置有输气通道16，输气通道16内放置软管，在软管上部设置有阀门17，下部设置有焊板18和单向阀，防止漏气。(2)悬吊法下管 在下管过程中，使用的设备包括钻机I、钻机平台2、已下工作套管10、正在下的工作套管U、待用工作套管12、钢丝绳3、横杠14和横杠115，工作套管的对接处用焊条焊接形成工作套管对接焊缝6，工作套管上端设置有割孔，横杠14或横杠115可以穿过割孔，当工作套管对接后，抽出横杠14或横杠115，并通过焊接封闭割孔，形成割孔焊缝7。如图I、图2和图3所示。采用常规的工作套管割孔、穿杠、钢绳牵引提吊的下管方法，直至工作套管自重达到钻机安全承载能力70t为止；其中H1 = 304m。如图5所示。(3)焊接浮力塞
将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继续下管，下管过程中浮力塞以上部分工作套管内不填充泥浆则会形成空管，产生浮力。为了避免浮力过大超过管重，在下管过程中需要在浮力塞上部工作套管内加入一定量的加重泥浆20。持续步骤(4)直至浮力塞上部工作套管达到H2，其中空管部分为L1，其它H2-L1的长度以泥浆填补。如图5所示。空管长度Lsafe ^ L1 ^ 2Lsafe，适用于双塞下管法。其中181 = L-Lsafe ^ L1 ^ Lsafe = 220且此时负荷需要满足小于安全负荷M。即H2 ( P - P ' ) (R2-r2) n ( (L1) P ' r2 η本实例取H2 = 235m, L1 = 195m,代入上式得54t ( 62t，满足要求。(5)焊接加入浮力阀，并向浮力塞14和浮力阀15之间的区域充气焊接浮力阀15，此时浮力阀15位于钻机平台2上，连接压风机13，通过浮力阀15的输气通道16向浮力阀15下部充入高压气体19，直至达到目标气体压力，关闭阀门17。其体积和压力计算如下最终体积=V1= L1T2 n = 54m3,最终气压=P1= (H-H1-H2) P ' g = 3. 12MPa。(6)继续步骤(4)，直至下管至孔底，浮力阀15上部还有277m，保留L-L1 =401-195 = 206m 的空管。
(7)钻破浮力阀15释放高压气体19在释放高压空气19时，先将在浮力阀15上部空管内充满泥浆，然后下钻头，该钻头直径比钻杆差值需要尽量小，将浮力阀15水泥实体钻穿，浮力阀15下部的气体沿钻杆外的狭小缝隙排出，并通过钻杆向浮力塞14和浮力阀15之间补充泥浆。(8)钻穿浮力塞
使用直径略小于工作套管内径的钻头依次将浮力阀15和浮力塞14钻穿，下管过程完毕，之后进行常规的固井过程。
权利要求
1.一种大口径瓦斯抽排孔工作套管的双塞下管方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 步骤(一)制作浮力塞和浮力阀； 步骤(二)采用常规的工作套管割孔、穿杠、钢绳牵引提吊的下管方法进行下管； 步骤(三)将所述浮力塞焊接到工作套管上部； 步骤(四)按浮力塞下管法继续下管，在下管过程中在所述浮力塞上部的工作套管内加入加重泥浆； 步骤(五)焊接浮力阀，连接压风机，通过所述浮力阀的输气通道向所述浮力阀下部充入高压气体，关闭阀门； 步骤(六)继续所述步骤(四)，直至下管至孔底； 步骤(七)工作套管下至孔底后，钻破所述浮力阀，释放所述浮力塞和所述浮力阀之间的闻压气体； 步骤(八)使用直径小于工作套管内径的钻头依次钻穿所述浮力阀和所述浮力塞，下管过程完毕。
2.根据权利要求I所述的双塞下管方法，其特征在于，所述浮力塞为水泥浮力塞，所述浮力阀为水泥浮力阀。
3.根据权利要求2所述的双塞下管方法，其特征在于，所述水泥浮力阀的制作步骤如下将工作套管下端焊上焊板，所述焊板上设置一个圆孔，所述圆孔与一个软管的下端开口相连接，所述软管的上端开口连接高压阀门，所述软管的下部连接单向阀；然后将所述工作套管竖立，灌入水灰比为O. 42 I的水泥浆，所述软管的上端开口高出水泥浆面，当所述水泥浆完全硬化达到强度要求，即可。
4.根据权利要求1、2或3所述的双塞下管方法，其特征在于，在所述步骤(七)中，在钻破所述浮力阀之前，先在所述浮力阀上部空管内充满泥浆。
5.根据权利要求4所述的双塞下管方法，其特征在于，所述充入的高压气体的体积和气压由以下方法计算获得 首先定义所需的参数符号，孔深H，工作套管外径R，内径r，管厚=R-r,工作套管密度P，泥浆密度，工作套管总质量G，悬重G'，钻机安全负载Μ，浮力塞下管法需要空管总长度L，空管设计安全长度Lsafe,密闭空气长度L1，体积V1，气压P1，所述浮力塞下工作套管长度H1，所述浮力塞和所述浮力阀的距离H2 ； 依据孔深、工作套管内外径、密度算出工作套管悬重，即总质量减去自身浮力，G'=G-P ' V = G-P' H(R2-r2) π ； 工作套管总重超过钻机安全负载部分需要以浮力的形式提供，因此，所需的空管总长度 L = (G' -M)/( Jir2P，)； 工作套管中浮力阀下的密闭空气最终长度L1为L-Lsafe ^ L1 ^ Lsafe ； 工作套管总质量达到安全负载M时，焊接上浮力塞，浮力塞下工作套管长度为=H1 =M/((P - P ' ) (R2-r2) π )； 焊接加入浮力塞后，继续加工作套管，并且此时补充泥浆进入工作套管内，达到H2之后，焊接加入浮力阀，其中空管为L1，其它H2-L1的长度以泥浆填补，且此时需要满足负荷小于安全负荷 M，H2 ( P - P ' ) (R2-r2) ( (L1) P , r2 ;最终体积为V1 = L1I"2 31 ； 最终气压为 P1 = (H-H1-H2) P ' g。
全文摘要
本发明提供了一种大口径瓦斯抽排孔工作套管的双塞下管方法，具体包括以下步骤备好浮力塞和浮力阀；悬吊法下管；焊接浮力塞；按浮力塞下管法下管；焊接浮力阀；向所述浮力塞和所述浮力阀之间区域充入高压气体；继续按浮力塞下管法下管至孔底；钻破所述浮力阀释放所述高压气体；钻穿所述浮力阀和所述浮力塞；固井。本发明解决了浮力塞下管施工中存在的外部泥浆对空管横向压力过大的问题，减少工作套管失稳的危险性；比常规浮力塞法增加了所能提供浮力的上限，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。
文档编号E21B7/20GK102720526SQ20121020218
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者余大有, 吴松贵, 姚直书, 孙家应, 尹德占, 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