浮力塞自平衡浮力法探究范文

《四川建材杂志》2014年第四期

1原下管方案

原设计采用单塞自平衡下管法下管，水泥浮力塞的结构见图1。先下150m长度836×20mm套管、浮重50.7t，再下45m长度836×18mm套管、浮重16.5t，接着下9m充填混凝土浮力塞的钢管、浮力塞加钢管总浮重10t。不考虑下管阻力，钢管及浮力塞总浮重约77t，接近钻塔设定的80t安全吊重。可见，塞下最大充气段长度185m。(管子最下部10m开孔，固井时用)。经计算，所下钢管每m内容积为0.5m3，泥浆密度取1200kg/m3，每m空管提供的浮力为0.6t。算得185m空管提供的总浮力为111t，而此时所下钢管的重力为77t，浮力远大于重力，导致钢管上浮。为了保证钢管不上浮，算得塞下最大充气段长度为106m。随着下管深度进一度加大，塞下106m空气柱进一步压缩，使得后期下管时，钻塔总吊重超负荷。这样需寻找一种塞下充气量更大的下管方法，既能保证充气后浮力小于钢管重力，又要整体下管过程中提供的浮力足以满足钻塔不超载，为此提出加设临时浮力塞的下管方法。

2加设临时浮力塞的下管方案

2.1加临时浮力塞下管方案若按照原下管方案，则会出现钻塔超负荷情况，且有钻塔倾覆的风险。在总结以往的下管施工经验的基础上，参照相关资料提出了加设临时浮力塞的新型下管方案。1)理论计算，主要计算出套管的每延米的重量及在泥浆中的浮重。2)模拟下管施工过程，并计算每个施工过程中的各项参数，为实际的下管施工做好理论准备。3)在钢管内焊接临时浮力塞。4)制作充填混凝土的水泥浮力塞钢管。5)采用加临时浮力塞的自平衡下管技术下管。6)下管完成后，下钻头将水泥浮力塞和临时浮力塞钻透。

2.2临时浮力塞制作与工作原理临时浮力塞作为下管过程中的一个临时构件，应该具有简单可行、制作方便与结构简单的特点。所下临时浮力塞如图2所示。临时浮力塞设在单塞自平衡浮力塞同一位置。临时浮力塞就是在瓦斯抽排管内焊接一块隔板。隔板中部焊接一节串气钢管。将钢球放置串气钢管下方，钢球的直径略大于通气钢管内径，并且用黄油将钢球粘在串气钢管下方，防止在起吊过程中钢球掉落。临时浮力塞工作原理为:下管时，当临时浮力塞接触泥浆后，泥浆产生的浮力顶住钢球，钢球不脱落;当瓦斯抽排管下放到设定深度后，向水泥浮力塞和临时浮力塞间的空管段充气时，钢球在气压的作用下脱落，空气进入临时浮力塞下部，排出瓦斯抽排管内的泥浆。

2.3下管施工过程1)测量机高，机高为孔口泥浆面至吊卡上方套管口的垂直距离;使用比重计称量泥浆比重，泥浆比重为1200kg/m3;校核拉力表初始读数(包含吊钩重量);接通空气压缩机电源及输气管线并试车。2)采用穿杠悬吊法下管，下管195m时，钢管内焊接临时浮力塞隔板。下完带有临时浮力塞的钢管后，继续使用穿杠悬吊的方法下管，所下钢管总长度为205m。3)继续使用穿杠悬吊法下管100m，且保持这100m钢管为空管，即不向钢管内注泥浆。然后，下带有水泥浮力塞的钢管，下管总长度达到315m。4)将水泥浮力塞的注气口与大型空气压缩机出气口连接。并将输气管依次穿过预备下的所有钢管，开始对钢管进行充气。经计算得到此时已经下的钢管的总浮重为101t，需要168m空气柱产生的浮力才可以抵消钢管的浮重。由此可得，注气的气压应为2MPa。当注气完毕后，钻塔的油压表显示吊载接近于0。5)继续下管100m，并在下管过程中往上部空管段注入泥浆。随着下管深度的增加，水泥浮力塞下的空气柱长度不断被压缩。油压表显示接近80t负载，停止下管，已经下管长度为415m。经计算，此时空气柱的长度为102m。6)此时进行第二次注气，此时所有已经下钢管浮重为130t。需要的空气柱长度为216m，空气柱下端面距离地面泥浆的深度为316m，因此，充气气压控制为3.8MPa。7)充气完毕后，将余下的205m钢管依次下完，并保持上部空管段长度约为100m。8)将所有钢管下完后，解除钢管悬吊。固定管口，为下一步排气做准备。在以上的下管过程中，要随时记录已经下管的长度及每根钢管的长度，及时记录钻塔油压表的负载读数，并与模拟下管过程中的理论计算数值进行对比分析。

2.4排气步骤在所有钢管下完之后，要将浮力塞下的空气排出，具体的排气步骤如下:1)在套管内下入450mm钻头至水泥塞处，钻出位于浮力法中间胶管。2)取出高压胶管。3)排气结束后浮力塞钻通后提钻，下钻杆至孔底20m处井口闷盖固井。

3关键技术措施

1)焊缝要密实，特别是穿杠孔必须要先焊两遍后再焊加强板，所有焊接部位要焊接牢固，防止跑气，经技术人员检验后方可下入孔内。2)塞下240m套管下井前要彻底检查，以防砂眼或裂缝漏气。3)浮力塞在下井前，检查充气管路丝扣连接部位及压力阀是否漏气。4)充气时密切注意管外泥浆是否有气泡冒出，若有气泡冒出，立即拔起套管检查原因。5)由于地面充气时间较长，在确保充气安全的情况下，下入孔内的套管要间断活动，以防钢管外壁与孔壁相粘。6)下管前仔细检查钻塔、天轮、穿杠、钢丝绳及提拉系统、钻机各连接部位等每一个环节，合格后方可进行下一步工作。7)浮力塞充气后下管要缓缓入井，防止击穿浮力塞。8)套管下至离孔底之上100m左右，在取下套管时除机长及班长外，其他人员撤离到安全地带。9)认真做好各项现场记录，将每一项参数与理论参数对照。

4下管过程主要控制量

1)下管195m加临时浮力塞，第一次充气压力为2MPa，空气柱高度168m，空气浮力与套管浮重相等，皆为81.3t。2)水泥塞上段加管100m，并加入泥浆，第二次充气压力3.8MPa，空气柱高度216m，空气浮力、套管与水泥塞总浮重皆为130t。3)下管结束，水泥浮力塞的塞上空管段最大高度控制在100m。

5结论

山西省柳林县曲家沟煤矿瓦斯孔采用加临时浮力塞法下管，取得成功，证明该方法可行。使得吊管设备投入减少，节约运行成本。缩短了下管施工周期，获得了业主好评。

作者：余大有陈月化唐志宏单位：安徽省煤田地质局第一勘探队