機(jī)械水力割刀套管切割技術(shù)在煤礦區(qū)域治理中的應(yīng)用

趙云良

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 第二水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

隨著中國(guó)中東部地區(qū)淺部煤炭資源逐漸趨于枯竭，深煤層開采勢(shì)在必行。目前開采深度最深已達(dá)到1 501 m。深煤層開采受灰?guī)r承壓水威脅，個(gè)別礦井煤層底板承受水壓達(dá)到7～10 MPa，增加了煤層底板突水機(jī)率。為預(yù)防深部煤炭開采底板突水，現(xiàn)多數(shù)采用區(qū)域治理施工工藝。施工過程中在不同垂深目的層進(jìn)行水平分支施工、注漿治理，針對(duì)這一問題以往主要采用布置多個(gè)主孔或套管內(nèi)開窗側(cè)鉆等工藝實(shí)現(xiàn)。布置多個(gè)主孔面臨施工占地問題，套管開窗內(nèi)側(cè)鉆施工難度大，易造成事故。以往在區(qū)域治理工程結(jié)束后主孔內(nèi)部套管均隨著鉆孔的封閉而廢棄。應(yīng)用機(jī)械水力割刀套管切割技術(shù)在區(qū)域治理施工中的可有效的解決以上問題。

1 機(jī)械水力割刀工作原理

機(jī)械水力割刀由上接頭、本體、活塞總成與刀具組成。就φ177.8 mm 套管割刀工作為例，當(dāng)泵量達(dá)到9 L／S、泵壓1.5 MPa 時(shí)機(jī)械水力割刀的活塞下行，帶動(dòng)刀柄推進(jìn)頭下行，迫使刀頭張開。由主動(dòng)鉆桿傳遞扭矩迫使刀頭對(duì)套管進(jìn)行切割。當(dāng)活塞下行到底后，活塞上的泄流閥自動(dòng)打開，使泵壓下降約0.5 MPa，此時(shí)刀頭張開直徑大遠(yuǎn)超于套管外徑，判斷套管被割斷。停泵后打開回水閥門，活塞由彈簧的作用開始上行，推進(jìn)頭的臺(tái)階將鎖住刀柄的后鉤，迫使刀頭收回到割刀本體內(nèi)，該過程在2 min 左右完成。

機(jī)械水力割刀示意如圖1 所示，刀收斂狀態(tài)示意如圖2 所示。

圖1 機(jī)械水力割刀示意Fig.1 Diagram of knife convergence state

圖2 刀收斂狀態(tài)示意Fig.2 Diagram of knife convergence state

2 套管切割位置的選擇與確定

2.1 根據(jù)計(jì)算固井水泥的返高確定

煤礦區(qū)域治理工程技術(shù)套管多采用φ177.8 mm×8.05 mm 型號(hào)，套管底部自下而上利用水泥漿進(jìn)行封固30 m。為了準(zhǔn)確測(cè)定固井水泥面上返位置，可利用聲幅定準(zhǔn)確的水泥返高。針對(duì)此類情況應(yīng)選擇在套管底部向上40～60 m 作為第一切割點(diǎn)。原因是固井時(shí)水泥面以上會(huì)有水泥及巖屑混合物，占用一定空間對(duì)套管產(chǎn)生較大的摩擦力。

2.2 根據(jù)鉆孔軌跡確定切割位置

根據(jù)鉆孔井斜在40°～60°為攜砂“頑固區(qū)”，是井斜段沉砂多，因此在井斜40°附近的井深位置要選擇的第二個(gè)切割點(diǎn)。在井斜40°～60°的井段，如果軌跡不圓潤(rùn)，泥漿流態(tài)會(huì)受到影響，進(jìn)而影響攜砂。這也是第一切割點(diǎn)割斷后套管拔上拔困難的原因所在。

2.3 依據(jù)卡點(diǎn)的計(jì)算確定切割位置

“拉卡點(diǎn)”對(duì)切割位置具有很大指導(dǎo)意義，往往都是在卡點(diǎn)附近拔出套管。

（1）卡點(diǎn)深度計(jì)算公式見式（1）。

式中：L 為卡點(diǎn)深度，m；K 為計(jì)算系數(shù)，K=21F(F 為管體截面積，cm2)；e 為鉆桿連續(xù)提升2 個(gè)點(diǎn)的伸長(zhǎng)差，cm；P 為鉆桿連續(xù)提升時(shí)2 個(gè)點(diǎn)的拉力差，t。

（2）卡點(diǎn)測(cè)設(shè)步驟。

使用不同拉力向上提拔套管2 次，并準(zhǔn)確記錄上拔時(shí)每一點(diǎn)的拉力及鉆具伸長(zhǎng)量。第一點(diǎn)拉力要大于套管重力并做標(biāo)記，待第一拉點(diǎn)穩(wěn)定記錄后直接加大拉力上提第二點(diǎn)，要求在額定荷載范圍內(nèi)盡量使用大拉力進(jìn)行拉拔。如此重復(fù)上述工作，以平均值為準(zhǔn)。實(shí)際工作中因井身結(jié)構(gòu)不同，公式應(yīng)用略有不同。如區(qū)域治理工程鉆孔一般上部為套管為φ193.7×8.33 mm、下部為φ177.8×8.05 mm（按套管實(shí)際尺寸計(jì)算截面積cm2），以φ193.7×8.33+φ177.8×8.05 套管柱為例。

在不同拉力上提套管后，應(yīng)首先計(jì)算上部大套管的伸長(zhǎng)e193.7=L193.7P／21×F193.7，然后計(jì)算φ177.8×8.05 伸長(zhǎng)e177.8=e－e193.7 拉卡點(diǎn)記錄的e 為伸長(zhǎng)均值，拉卡點(diǎn)記錄的P 為噸位均值。F193.7 為φ193.7×8.33 套管截面積；卡點(diǎn)井深L=L193.7+21F177.8e177.8／P。

以上確定套管切割位置的方法應(yīng)根據(jù)設(shè)備性能與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮。一般鉆機(jī)提升能力遠(yuǎn)大于套管自重時(shí)選擇第1 種方法；當(dāng)鉆機(jī)提升能力較小時(shí)可選擇第2 種方法；第3 種方法使用范圍較廣，現(xiàn)場(chǎng)采用較多。

3 割刀片的選擇與焊接

鑒于現(xiàn)場(chǎng)常用套管型號(hào)規(guī)格對(duì)刀片形狀與主輔刃進(jìn)行多次對(duì)比后，選擇了八棱柱YG 八切刀。為了使刀頭的切削刃超過套管壁厚，采用了1 個(gè)主刃刀片，2 個(gè)輔刃刀片。刀柄示意圖如圖3 所示。

圖3 刀柄示意Fig.3 Diagram of tool holder

刀片與刀托之間是氣焊炰銅焊接，焊接時(shí)應(yīng)注意2 點(diǎn)：①刀片不能過燒，溫度太高時(shí)合金片會(huì)變脆，產(chǎn)生應(yīng)力切削時(shí)易破碎，焊接方法，把刀柄支撐于平臺(tái)上，將刀片按位置擺好，然后燒刀頭與刀托，燒至暗紅色，熱傳導(dǎo)使刀片升溫至暗紅，開始炰銅焊接即可；②主刀片頂部敷焊銅1 mm，利用銅硬度低的特點(diǎn)，在刀具開啟時(shí)防止刀片被撞碎。

3.1 使用方法

（1）根據(jù)下套管記錄，核查接箍位置，在選定的切割位置附近避開套管接箍。

（2）在下水力內(nèi)割刀之前，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的通徑規(guī)通井一次，通徑規(guī)外徑不得小于工具限位扶正器外徑，在通徑規(guī)上接一柱鉆鋌。在通井過程中如果有輕微遇阻，可轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具劃過，直至無阻卡現(xiàn)象為止。通井至設(shè)計(jì)位置，大排量循環(huán)洗井，將井內(nèi)物沖洗干凈，并調(diào)整好鉆井液性能。

（3）水力割刀下井前應(yīng)在井口做試驗(yàn)，以檢驗(yàn)工具的可靠性及刀片張開前后的泵壓變化值，并做好記錄，為判斷井下情況提供參考。試驗(yàn)方法為，首先用2 mm 鐵絲將刀片捆緊，然后將工具與方鉆桿連接，放到井口開泵試驗(yàn)。排量應(yīng)根據(jù)工具型號(hào)選用，此時(shí)捆刀片的鐵絲被打開，檢查刀柄開啟與收斂是否到位達(dá)不到上述要求。

（4）試驗(yàn)后，采用2 mm 鐵紋將刀片捆好，以防在下鉆過程中將刀片的刀尖碰壞，造成切制作業(yè)的失敗。

（5）下鉆過程應(yīng)均速下放，以防水力割刀碰撞套管壁造成損壞。

（6）將水力割刀下至預(yù)定位置，先啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)速為50～60 rpm，鉆柱旋轉(zhuǎn)正常后，方能開泵。當(dāng)鉆井液流經(jīng)噴嘴時(shí)，在噴嘴處產(chǎn)生壓降，對(duì)活塞產(chǎn)生推力，活塞下行推動(dòng)刀片伸向管壁就可以切割管體。在切割中不要再調(diào)泵壓，以防切割不穩(wěn)，損壞刀片。

3.2 套管切割后是否切斷的判斷

（1）水力割刀旋轉(zhuǎn)過程中，泵壓將會(huì)下降1MPa（切割φ177.8×8.05 套管的機(jī)械水力割刀）。

（2）水力割刀旋轉(zhuǎn)過程中，鉆具扭矩突然減小。

（3）孔內(nèi)出現(xiàn)異響，隨著水力割刀的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)異響消失。

（4）起鉆后水力割刀刀片出現(xiàn)不同情況的磨損。

（5）嘗試上套管，如套管向上伸長(zhǎng)而拉力表指數(shù)不增大。此時(shí)判斷切割成功。

4 應(yīng)用案例

（1）霍州煤電集團(tuán)洪洞億隆煤業(yè)有限責(zé)任公司1-103 回采面突水搶險(xiǎn)治理工程在K2 灰?guī)r層位完成鉆探進(jìn)尺1 005 m，累計(jì)水泥注漿23 314 t，經(jīng)治理后，井下工作面超預(yù)期達(dá)到98%的減水率，治理效果顯著。為降低1-103 工作面未采區(qū)的水害威脅，對(duì)該孔進(jìn)行拔管作業(yè)，共計(jì)拔出套管425 m（φ177.8×8.05 套管），調(diào)整鉆孔方位后，施工新的主支孔，進(jìn)一步對(duì)未采區(qū)進(jìn)行注漿治理。

（2）冀中能源股份有限公司邯鄲郭二莊礦一坑9 號(hào)煤奧灰區(qū)域探查治理項(xiàng)目，其中注2 孔設(shè)計(jì)2-1、2-2、2-3 共3 個(gè)主分支孔以及注2-1-1 等共33 個(gè)次級(jí)分支孔，鉆探工程量直井段320 m，造斜段2 047 m，水平段20 640 m。在工程的實(shí)際推進(jìn)中，注2 孔首次施工為直井段以及2-1、2-1-3、2-1-2、2-1-1、2-1-4、2-1-6、2-1-5、2-1-7、2-2-7-F1、2-1-6-1 等10 個(gè)分支孔，完成鉆探工程量7 430.60 m（直井段295.70 m、造斜段528.97 m、水平段6 605.93 m），完成注漿133 162.19 t，其中水泥115 020.10 t，粉煤灰18 142.09 t，嚴(yán)格按照礦設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，滿足區(qū)域治理要求的同時(shí)，達(dá)成了探查導(dǎo)含水構(gòu)造的目的，將治理范圍內(nèi)奧灰頂部20～25 m 弱含水層段改造為相對(duì)隔水層段，并在增加隔水層厚度的同時(shí)，封堵隱伏導(dǎo)水通道，起到安全開采下組煤資源的目的。為推進(jìn)項(xiàng)目以及治理范圍進(jìn)展，在首期施工完成后，將造斜段套管自孔深239.00 m 處割斷起出（φ177.8×8.05套管），并按照下部治理范圍需要施工新的造斜段開展下步施工，以節(jié)約高效的原則，成功實(shí)現(xiàn)了一孔多用。

5 結(jié) 語

機(jī)械水力割刀套管切割技術(shù)在區(qū)域治理施工中的應(yīng)用有效解決了因施工多個(gè)主孔的占地問題、同時(shí)避免了套管內(nèi)“開窗”側(cè)鉆的技術(shù)難題、在區(qū)域治理工程結(jié)束后能夠通過水力割刀套管切割技術(shù)最大限度的回收孔內(nèi)套管。經(jīng)過多個(gè)施工案例驗(yàn)證水力割刀套管切割技術(shù)安全可靠、可操作性強(qiáng)，并且能夠?yàn)楣こ處砜捎^的經(jīng)濟(jì)效益。