提高井下钻孔套管封固质量的工艺技术探讨.pdf

1 4 8 童 媳晨 舛技 2 0 1 4 年 第 7 期 提高井下钻孔套管封 固质量的工艺技术探讨 郭冬兰 ， 张立功 1 。 山东龙兴地质工程有限公司， 山东 肥城2 7 1 6 0 8 ； 2 ． 山东鲁能菏泽煤电开发有限公司彭庄煤矿， 山东 郓城2 7 4 7 0 0 摘要在工程中因注浆钻孔止浆 止水 套管封固质量不合格经常出现止浆 止水 套管的失效现象。为保证和提高套管封 固质量 ， 要求注浆堵水钻孔要尽量选择在 坚硬完整无水岩层 内开孔 ； 并从 增加 止浆 止水 套管的有效封 固长度 ， 选择安全 的套 管底 口位置 ， 使用较好 的注浆封 固材料 ， 提 高止浆 止 水 套管的材 质和丝 扣加 工质 量 ， 并 改进 套管 封 固工艺以增 加止 浆 止 水 套管的阻力等。 关键 词 注浆堵水钻孔止浆套管封固材料阻尼 器失效 中图分类号T D 7 4 文献标识码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 6 8 Di s c us s i on o n t e c hn o l o g y t o i m pr o ve t he s e a l i ng qu a l i t y o f t he bo r e h ol e c as i ng Ab s t r a c t I n t h e e n g i n e e ri n g ，t h e u n q u a l i fi e d s e a l i n g q u a l i t y o f g r o u t i n g b o l e s o f t e n c a u s e d t h e f a i l u r e o f gro u t i n g c a s i n g ．To g u a r a n t e e a n d i mp r o v e t h e c a s i n g c e me n t i n g q u a l i t y，i t i s n e e d t o l a y o u t the gro u t i n g b o r e h o l e i n the h a r d a n d a n h y d r o u s s t r a t a ；a n d i n c r e a s e the l e n h o f e f f e c t i v e s e a l i n g s l e e v e of t h e g r o u t i n g c a s i n g，c h o o s e t h e s a f e l o c a t i o n of t h e c a s i n g p i p e b o t t o m，u s e g o o d g r o u t i n g s e a l i n g m a t e ri a l ，i m p r o v e t h e gro u t i n g m a t e ri al s e a 1 a n d t h r e a d ma c h i n i n g q u a l i t y ， a n d i mp r o v e t h e c a s i n g c e me n t i n g t e c h n i q u e s t o i n c r e a s e t h e gro u t i n g p i p e r e s i s t a n c e e t c ． Ke y wo r d s g r o u t i n g f o r s t o p p i n g u p w a t e r d r i l l i n g p r e v e n t i n ggro u t c a s i n g p i p e s e ali n g ma t e r i als d a mp e r f a i l u r e 在井下钻孔封固套管操作或注浆工程中， 有时 会出现周围岩壁跑浆或钻孔串浆、 套管被注浆压力 顶出钻孔等现象。这些现象的起因都可以归结为钻 孔套管封固失效所致。套管封固失效的原因主要是 套管长度不够， 封固材料质量差， 封 固工艺不合理， 套管所下地层位置不安全等。套管长度不够， 封固 材料质量差， 封固工艺不合理等会造成套管被注浆 压力或者地层内高压水顶出钻孑 L ； 套管所下位置不 安全是指套管下在薄弱岩层内 比如断层破碎带、 松 散裂隙发育岩层 ， 抗压抗 剪强度较低 的软弱岩石 等 ， 会造成浆液或涌水流经套管外壁或底 口所处的 岩层内的裂隙而出现跑浆串浆或涌水现象。套管底 口所处岩层尽管完整但为软弱岩层时， 岩层会被相 对较高的注浆压力或者水压破坏而变得松散破碎， 影响其止浆止水效果。 收稿 日期2 0 1 4 0 41 8 作者简介郭冬兰 1 9 7 2一 ， 女 ， 工程 师 ， 山东东平人 ， 现 在 山东龙 兴地质工程有限公 司技 术科从事地质工程技术管理工作。 1 钻孔套管失效的原因分析 井下钻孔止浆 止水 套管 以下简称套管 的主 要作用是隔离和承压。所谓隔离， 就是利用一定长 度的套管隔离非注浆薄弱地层 ， 比如断层破碎带 、 采 空区以及非注浆含水层等； 隔离的另一层意思是隔 压 ， 通过套管的隔离 ， 防止注浆压力作用在非注浆薄 弱地层上。所谓承压 ， 就是利用套管承受注浆压力 ， 或当钻孔揭露承压含水层后承受含水层的水压。 影响套管封固质量的因素很多， 主要包括 自然 因素和人为因素。自然因素主要是指影响钻孔套管 封固质量的地质因素， 主要包括钻孔穿过地层 的岩 石完整性、 岩性及其组合方式、 渗透性， 岩层内是否 有地质构造或者导水裂 隙， 承压含水层内的水压及 富水程度等； 人为因素主要包括钻孔事故、 套管材质 及加工质量、 套管长度 ， 封固材料是否合格以及封固 工艺等。无论是 自然因素还是人为因素， 都将直接 影响钻孔套管的封固质量。井下钻孔因套管封固质 量差导致涌水 、 突水的案例很多。 套管的作用原理是 套管下入孔内并封 固后 ， 在 2 0 1 4年第7期 童始晨科技 1 4 9 注浆过程中或钻孔揭露承压含水层后 ， 套管承受两 个力的作用 1 承受浆液 或承压水 对套管接头处 的压力 F 1 ， 该力作用在注浆套管接头上促使套管向 钻孑 L 外移动 ； 2 承受套管和其封固材料之间的静摩 擦力 粘滞力 即阻力 ， 阻力 会阻止套管向钻 孑 L 外移动。根据套管受力分析 ， 随着 F 1的增大， 也相应增大 ， 在 F l ≤F 2 m a x时套管总是处于受力平 衡状态， 即F 2F 1 ； 但是当 F 1 增大到一定程度， 即 F 1 F 2 m a x时， 阻力 不足以抵抗压力 F 1的作用， 套管整体或者部分就会松动脱离封 固体向钻孔外移 动， 造成套管松动或者膨出而失效。 静摩擦力 粘滞力 的大小受封固体材料的类型 和质量 封固材料 固结后要有足够的抗剪强度 ， 套 管长度和套管表面光滑度等 因素决定。为了提高静 摩擦力就要增加套管有效长度 ， 增加套管外壁 的粗 糙度 ； 选择较好的注浆封 固材料 ， 并改进套管封固工 艺 合理控制注浆参数 等。 2 保证套管封固质量的原则 1 尽量选在完整岩石内开孔。若是钻孔孔位无 法选择只能开孑 L 在破碎或者软 弱岩层 内时， 要对破碎 或者软弱岩层浅部进行注浆加固， 提高其完整性和耐 压强度。当钻孔在含水的岩层内开孔时， 要对含水层 岩层进行注浆 ， 形成一定厚度的止浆耐压岩帽。 2 要至少采用三级孑 L 径两级套管的钻孔结构。 一 级套管要根据开孔岩层的完整程度确定长度， 该 套管要下在完整的不含水岩层内， 一般为3～ 5 m。在 破碎含水层内开孔时， 该套管下在止浆耐压岩帽内， 一 级套管的作用是保证钻孔 的施工安全， 即在二级 套管下入前 ， 钻孔一旦揭露含导水构造出现涌水后 ， 通过关闭一级套管实现对涌水的控制； 并可作为对 涌水点注浆的承压套管使用。作为止浆耐压套管使 用 ， 最终 以保证二级套管套 管的封闭质量 。 3 必须使用质量合格的封 固材料。一般选择 使用固结强度高， 体积收缩率小或者体积微膨胀 的 注浆材料， 比如 目前比较常用 的高标号的普通硅酸 盐水泥浆， 或高标号 的硫铝酸盐水泥浆等。灌注时 配制成密度较高的浆液， 以减少浆液固结时的析水 率和体积收缩率； 但在围岩破碎或者裂 隙发育并伴 有涌水 ， 常规无机材料难 以达到注浆封固效果时 ， 可 以选用具有一定强度的有机高分子速凝注浆材料 ， 但是这类注浆材料因灌注工艺复杂， 注浆操作难度 较大 ， 体积膨胀率较高， 在巷道破碎围岩 内进行注浆 加固时， 要慎重使用， 有时因为控制不当， 引起巷道 围岩的变形甚至垮塌事故 。 3 提高井下钻孔套管封 固质量的几项改进措施 为提高止浆 止水 套管封固质量 ， 应该分别从 增加孔内套管和钻孔之间的环状间隙即钻孔和套管 的级配选择 ， 增加使用套管阻尼器 ， 选择安全的套管 下入地层层位等方面人手。 3 ． 1 钻孔和止浆 止水 套管的级配选择 从套管封 固原理可知， 当套管和钻孔孔壁之 间 的环状间隙越大时， 注入的封固材料越多， 形成的环 状封固体越厚， 其结实体强度越高， 封固质量越好。 但环状间隙受到钻孑 L 直径和套管外径的限制， 因此 可以适当增大钻孔孑 L 径 ， 减少套管直径来达到增大 环状间隙的目的。在施工条件许可的情况下 ， 可尽 量选择比孔径差二到三级的套管。 3 ． 2 套管阻尼器的使 用 所谓套管阻尼器就是为增大套管和封固材料之 间的摩擦力 ， 在套管外表面焊接一定数量的阻尼条 钢筋或者铁片 ， 这些阻尼条在套管被封固后， 埋入 到了封固结实体 中， 增大了套管向外被压力拔出的 阻力。另外阻尼器的存在 ， 保证了整条套管能处 于 钻孔的中心位置 ， 起到了套管扶正器的作用 ， 还能使 套管被封固的环状 固结体厚度均匀， 从而达到提高 封 固质量 的 目的。 3 ． 3 把套管下入完整 坚硬岩石 内 3 ． 3 ． 1 目前注浆堵水钻孔套管所下位置存在的不足 无论是煤层底板注浆改造还是底板灰岩含水层 的注浆堵水， 往往设计使套管底 口位于灰岩含水层 上的粉砂岩内。从历年的大部分钻孔注浆效果看 ， 往往出现钻孔周 围岩壁底鼓跑浆 ， 不同钻孑 L 之间互 相串浆等现象。在有 的底板注浆改造工程 中， 还会 出现因为压力过高破坏粉砂岩， 使之变得破碎不堪 ， 人为增加粉砂岩的裂隙率并使之成为新 的涌突水通 道。曾在封堵肥城矿区查庄煤矿 8 5 0 0采区涌水时 地面钻孔注浆 ， 出现过因注浆套管下在 9层煤底 板粉砂岩内， 通过钻孔注入到粉砂岩内本来应起压 水盖帽作用的海带、 石子反而被涌水携带， 大量持续 的经过运输巷进入到 8层煤采空区的情况， 说 明了 粉砂岩被破坏的严重程度何其之大。套管下在薄弱 岩层内的弊端如下 注浆材料难 以固结、 流失严重。由于粉砂岩内 导水裂隙的存在， 动水会不断冲刷增大导水裂隙 ， 注 1 5 0 童 始晨 针技 2 0 1 4 年 第 7 期 浆材料难以进入到含水层就会被冲散流失。 注浆压力又起到劈裂破坏作用⋯ ， 粉砂 岩和 底板含水灰岩相 比， 岩石较松软， 耐压强度低。对含 水灰岩注浆时， 要求粉砂岩要有一定的抗压强度， 不 然会出现随着注浆压力升高到一定程度但还没有满 足注浆终压时， 超过 了粉砂岩的极 限强度而遭到破 坏， 致使浆液难 以注入到灰岩中而从粉砂岩内流失 掉。这也是常见的底板改造中因为注浆压力引起 的 工作 面涌水量增加 的主要原 因之一 。 3 ． 3 ． 2 把止浆 止水 套管下在较坚硬的完整无裂 隙岩石 内， 并保证套管封 固质量 为了避免出现上述弊端， 要求把止浆 止水 套 管下入到完整无裂隙岩石 内， 当对灰岩注浆时， 可把 套管下入灰岩顶部位置 ， 并采取措施封固好套管 ， 达 到套管封固标准， 利用套管隔离薄弱岩层。这样套 管才能真正起到隔离保护和隔压作用， 才能满足对 含水层的高压注浆。 4结 语 在煤矿注浆堵水钻孔施工中， 止浆 止水 套管 的封固质量直接决定着工程的安全和成败 ， 对套管 的封 固要充分考虑到一下几个方 面的因素 1 要求钻孔开孔在完整岩石内， 若是钻孔孔位 无法选择只能开孔在破碎或者软弱岩层内时， 要对 破碎或者软弱岩层浅部进行注浆加固， 提高其完整 性和耐压强度。形成一定厚度的止浆耐压岩帽； 2 要至少采用三级孔径两级套管的钻孔结构； 3 保证 止浆 止水 套管的有效封 固长度， 尽量增大钻孔和 套管之间的环状间隙； 增加使用套管阻尼器。提高 套管被孔内压力拔出的阻力； 4 是必须使用质量合 格的封固材料。在完整岩石 内的套管封固， 可以根 据实际辅助选用多种材料 ， 有的选用棉纱、 海带、 树 脂药卷和水泥快速凝 固剂 ， 有 的选用锚杆封孔器 将水泥和黄沙的混合物通过高压风射人孔内 ； 但 在动水条件下的破碎岩层 内要选择速凝注浆材料 ， 比如速凝硫铝酸盐水泥或者水泥 一水玻璃浆液， 在 钻孔 内出现 动水 用上 述材 料 封 闭 困难 时 ， 可 以选 择 高分子有机注浆材料， 但操作时要谨慎操作， 注意工 程和人身安全 ； 5 为防止注浆压力破坏含导水层上 部的薄弱岩层， 可用套管隔离， 隔绝注浆压力对薄弱 岩层的直接破坏以保证注浆浆液进入含水 目的层 ， 提高注浆效果。 【 参考文献】 [ 1 ] 邹金锋， 李亮， 杨小礼 ．劈裂注浆扩散半径及压力衰 减分析[ J ] 水利学报， 2 0 0 6 ． 0 3 3 1 4 3 1 9 ． [ 2 ] 邹金锋． 劈裂注浆机理分析及应用研究[ D] ． 长沙 中 南大学， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 宋海兵． 单孔探放水快速封孔新技术的应用[ J ] ． 能 源技术与管理， 2 0 1 1 ． 0 4 7 2 7 4 ． [ 4 ] 裴道琦． 井下探放水孔止水套管的安装[ J ] ． 徐煤科 技 ， 1 9 9 8 ． 04 3 2 3 3 ． 上接第 1 4 1页 5 取代双速绞车， 消除了因人力拉钩头， 摘挂 钩带来的体力消耗和安全隐患。 3 ． 3 改造副井信号操作室改造前后 比较 1 采用钢结构框架 ， 保证了信号操车室的承重 强度， 不锈门窗整体效果好。 2 横跨式安装方式 ， 大大提高了信号工和操车 司机的视野和操作的准确性， 保证了安全提升运输。 3 整体尺寸符合现场生产 ， 副井 口信号操车室 跨度1 2 m， 井底与信号操作室跨度1 2 m， 轨面至信号操 车室底净高超过3 m， 保证了大型设备提升运输安全 距离和高度的要求。 4 经济及社会效益 鲍店煤矿副井操车系统一体化改造后 ， 经过2 a 的 运行 ， 整个系统安全可靠 ， 自动化程度较高 ， 适用性 强， 维修简单， 故障率低 ， 确保 了副井安全生产 ， 主要 经济和社会效益体现在以下几个方面 1 由于调车机实现了罐内推车， 取代了小绞车 牵 引 ， 取消 了人力辅 助推 车和人 力拉 钩头 ， 每 班可 减 操车人员 2人， 每年减少 2 1 9 0个工时， 每年可减少工 资 1 2万元 。 2 由于系统具有可靠性、 通用性的优点， 每年 节省材料费2 6万余元。 3 取消了人工辅助推车、 顶车棍、 和人工摘挂 钩头， 大大减轻了职工的劳动强度 ， 保障了职工的人 身安全， 消除了安全隐患， 提高了工作效率。 4 信号操作室的改造 ， 改善了信号操作工的工 作环境， 大大提高了信号操作工的工作准确性 ， 确保 了副井提升运输的安全。 5 操车系统一体化改造后， 大大提升了矿井整 体形象 ， 进一步提高了操车系统 自动化程度。