摘要
针对煤矿大口径工程井采用常规水泥浮塞下管技术存在的施工工序多、钻井液易污染、水泥块沉渣多和易残留等工艺缺陷，以霍州某煤矿大口径瓦斯抽采钻孔工程实践为例，开展钢板式浮塞下管技术研究。介绍了该技术的工艺原理，对瓦斯孔工作套管发生弹性失稳变形和材料屈服破坏的临界强度进行校核计算，开展了钢板浮塞的结构和装配方案设计，并对其强度进行验算。采用本工艺完成直径836 mm，重150 t瓦斯抽采管路的下放作业。经实践验证，该技术可减少下管固井期间起下钻工作量，缩短作业时间，成井后套管内无水泥块残留，且工艺制作过程简单、操作方便，可为今后类似工程施工提供经验和借鉴。
大口径工程井广泛应用于煤矿井下瓦斯、积水等介质的大流量抽排，为满足使用功能需要，下入的井管一般管壁较厚，直径与质量较大，重的工作管达到300 t以上，远超钻井设备的提升能
当前，实现套管柱漂浮的应用装置以水泥浮力塞居多，在同时满足设备提升能力和空管长度要求的条件下，一般安装在套管柱中部，其具有制作方便、易钻穿等一系列优
（1）大直径工作管固管作业前，需要先下入钻头钻穿水泥塞，以便下入固井钻具，导致破碎的水泥块混入钻孔泥浆中造成破坏，影响固井质量。
（2）工作管固管结束，钻扫水泥塞后脱落的水泥块全部堆积在工作管底口可达10余米，难以直接从套管内清除出地面，若预留较高的套管沉渣段易造成浪费，从井下巷道清运时又存在水泥块坠落伤人的风险。
（3）水泥塞钻扫不彻底，附着于套管内壁上形成残留，造成管道断面变窄，影响流体介质的排量。
除水泥浮塞外，部分单位将石油钻井领域的浮箍、浮鞋装置引入了大口径工程井下管作业，但非标准系列的浮箍、浮鞋均需要特殊定制，且加工成本较高。为此，开展了钢板式浮塞下管技术应用研究，并在多个大口径工程井进行了有益尝试，取得了较好的实践效果。
霍州煤电某煤矿为提高瓦斯抽采能力，在2号风井工业广场内布置一个大口径瓦斯抽采钻孔，成孔孔径1050 mm，钻孔内敷设Ø836 mm×18 mm瓦斯抽采管路，管路有效使用长度411 m。
瓦斯孔施工位置地面标高+776.113 m，钻遇地层自上而下依次为第四系（Q）、古近-新近系上新统（N2）、二叠系上统石千峰组（P3sh）、二叠系上统上石盒子组（P3s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）与二叠系下统山西组（P1s），终孔孔深413.5 m。
质量技术要求：钻孔落底偏移距<2 m；套管对接牢固，无刺漏，工程交付时工作管内无淋水；成井后井底套管内沉渣厚度≯0.5 m，井内水柱高度≯20 m。
钻井设备选用TSJ-3000型水源钻机，最大输出扭矩30 kN·m，配套JJ110-29A型钻塔，高2.1 m平台，最大提升能力900 kN；3NB-1000型泥浆泵；2台TBW850/5B型固井泵；SQDD120型电子多点测斜仪；YST-48R型MWD无线随钻测斜仪；配套旋流除砂器、振动筛、离心机等泥浆固控系统。
施工配套钻具为Ø159、178、203 mm钻铤，Ø165 mm无磁钻铤，Ø172 mm螺杆，Ø127 mm钻杆和Ø310 mm螺旋扶正器；配备Ø222 mm PDC钻头，Ø580、850、1050 mm与Ø1300 mm组合牙轮扩孔钻头，Ø550 mm与Ø850 mm复合片扩孔钻头。
采用常规正循回转环钻进工艺，利用垂直定向钻井技术先钻超前导向孔，中靶的前提下，带超前导向扩孔钻头钻进成孔，扩孔钻进的级数依钻机能力和钻具强度而
一开孔径1300 mm，孔深11.3 m，钻过表土层至基岩界面以下2 m后，孔内下设Ø1120 mm×10 mm的表层套管，水泥固管。二开孔径1050 mm，孔深413.5 m，全孔下设安装Ø836 mm×18 mm直缝工作管413.5 m（底部2.5 m为出浆孔尾管），水泥固管，钻孔结构如
图1 钻孔结构
Fig.1 Borehole structure
在套管柱底部安装钢板，使用钻机提吊下套管的同时，套管柱内部形成空管段，排开钻孔内泥浆产生的浮力抵消超出钻机提升力以外的套管自重，使钻机以不大的提升力下放套
图2 漂浮下管工艺原理
Fig.2 Principle of the floating casing running process
由漂浮下管工艺原理可知，套管下放过程中，在垂直方向受到3个力的作用：上浮力F，自重G以及钻机提升力N，三者关系为：
N=G-F
G=ρ1πt（D-t）hg
F=0.25ρ2π
式中；：ρ1——钢材密度，kg/
由以上公式可知，上浮力F和自重G均随着套管下入长度增加而加大。
为了套管安全顺利下入，需满足提升力N不能超出钻机的最大提升能力，即满足：
0≤N=G-F≤Nmax
当N值为零，套管上浮力F与自重G相等时，满足：
ρ1πt（D-t）hg=0.25ρ2π
即（D/t
D/t=25.12或1.04。
该计算结果表明，对于大直径套管，理论上当其径厚比D/t >25.12时，套管受到的上浮力F大于其自重G，可选择漂浮下管工艺。本工程终孔下入Ø836 mm×18 mm的工作管，其径厚比达到46.44，满足漂浮下管工艺要求。
以上漂浮下管工艺原理表明，采用漂浮法下放过程中套管所受浮力均大于自重，必须向套管内部不断注浆（泥浆或清水），使套管与环空内浆液的总重力大于浮力，才能保证顺利下放。但向套管内注浆，需要严格控制注入量，注浆量过大，将额外增加钻机提升力；注浆量过少，造成套管空管段长度增加，套管柱受到的外挤压力增加，需要对套管的强度进行校
套管在下放过程中，受外压挤毁的形式主要有2种，一种是套管柱受径向外压作用，套管柱稳定性不足，发生弹性失稳变形；另一种是套管强度不够，套管发生材料屈服破坏。对于一般大直径套管而言，研究表明，受外压挤毁失效的形式都是失稳失效，此时外部载荷尚未达到材料的屈服极限，但对管柱的破坏力极
套管失稳的常用计算公式：
Pte=
式中：Pte——套管失稳临界载荷，MPa；E——钢管材料的弹性模量，MPa；μ——泊松比；t——套管壁厚，m；D——套管外径，m。
套管屈服强度计算公式：
Pyp=
式中：Pyp——套管屈服载荷，MPa；δ——钢管材料的屈服强度，MPa。
按上述2个公式分别对套管进行失稳和屈服强度校核，并选取最小值。因套管失稳和屈服强度计算公式都是在假定套管的初始椭圆度为零，且材料均匀无缺陷的条件下推导出来的，而实际上套管在孔内的受力非常复杂，钻孔弯曲作用于套管的横向弯折力使套管由圆形变为椭圆形，椭圆形套管在圆周截面上受力呈不均匀状态， 致使套管的实际抗挤毁强度小于公式计算值，因此需对计算值进行系数修正，计算得出满足套管安全下入的最大空管段长度。
本工程Ø836 mm×18 mm的工作管，径厚比46.44，弹性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服强度235 MPa，分别得出：
Pte=4.58 MPa， Pyp=11.14 MPa。
本次计算参照文献［
修正后的套管抗挤毁强度为3.26 MPa，泥浆密度1.2×1
钢板浮塞是用圆形钢板焊接安装在套管柱底部，考虑到下管后的固井施工，将圆形钢板中心开一Ø100 mm的圆孔，作为固井注浆时的出浆口。在圆形钢板下端，用一铁盘密封塞（带密封圈）反向密封出浆口，套管下放时依靠液柱产生的压力向上压紧圆盘，起到逆止作用。铁盘密封塞边缘处加工有4个固定螺丝，通过螺丝连接与圆形钢板结合固定。浮力板以下2.5 m作为尾管，尾管上割有若干个Ø30 mm螺旋出浆孔，下管结束后，从套管内下入钻具捣开铁盘密封塞，即可实现浆液的循环。
钢板浮塞设计参数：浮力板厚度50 mm，直径836 mm；铁盘密封塞总厚度80 mm，浮力板以下厚30 mm，直径150 mm，嵌入浮力板10 mm深位置直径120 mm，用于安装密封圈。固定螺丝长度大于40 mm，嵌入浮力板深度>10 mm。
图3 钢板浮塞结构示意
Fig.3 Steel buoyancy plug structure
图4 浮力板与铁盘密封塞实物装配
Fig.4 Assembly of the steel buoyancy plug
钢板浮力塞为材质Q235B的热轧低碳钢，常温抗拉强度σb=375 MPa，屈服强度σs=225 MPa，常温下许用应力［σ］=113 MPa，剪切许用应力［τ］=0.6~0.8［σ］，取值67.8 MPa，浮力板厚度L=0.05 m，直径D1=0.836 m，套管内径D2=0.8 m，套管浮力板下深h=411 m，泥浆密度ρ取1.2 g/c
浮力板底面积A0=（1/4）πD
浮力板底部最大受压Pmax=ρgh=4.83 MPa；
浮力板与套管接触面积A1=（1/4）π（D
抗压承载力［F］1=［σ］A1=5.22×1
浮力板受压力F1=PmaxA0=2.65×1
抗剪力［Q］1=［τ］A1，其中A1=πD2L；
剪力Q1=PmaxA2，其中A2=（1/4）πD
抗剪安全系数K1=［Q］1/Q1=3.51>1。
因此浮力板强度满足要求，同时可以计算出其厚度L必须大于14.25 mm。
铁盘密封塞底面直径d1=0.15 m，内径d2=0.12 m，铁盘密封塞浮力板以下厚l1=0.03 m；
铁盘底面积S0=（1/4）πd
圆盘底部最大受压仍为Pmax=4.83 MPa；
圆盘与浮力板接触面积S1=（1/4）π（d
抗压承载力［F］2=［σ］S1=7.22×1
圆盘受压力F2=PmaxS0=8.5×1
抗剪力［Q］2=［τ］S2，其中S2=πd2l1；
剪力Q2=PmaxS2，其中S2=（1/4）πd
安全系数K2=［Q］2/Q2=14>1。
因此铁盘密封塞强度同样满足要求，且其最小厚度必须大于2.14 mm。
为进一步增加浮力板的抗压能力，在其上部用20 mm钢板焊接成“井”字形支撑结构，同时为了便于捣开铁盘密封塞，在中心孔位置加工成喇叭口形状，如
图5 钢板浮力塞支撑结构
Fig.5 Support structure of the steel buoyancy plug
工作管下放采用常规割孔穿杠提吊下管法，套管接缝处逐根焊接，并补焊穿杠孔。
浮力板下入后，向套管内注入泥浆，保证工作管顺利入井的同时，控制空管段长度，设计注浆总量149
下管作业结束，将套管柱固定在井口，向管内注满泥浆，并下入喇叭扶正器捣开浮力板中心的铁盘密封塞，见
图6 喇叭扶正器
Fig.6 Bell type centralizer
图7 固井示意
Fig.7 Cementing
（1）采用钢板式浮塞顺利完成了煤矿大口径工程井套管的下放作业，实践验证了此工艺的可行性。开展此工艺的应用，必须对入井套管进行强度校核，确定最大空管段长度。进行浮板与铁盘密封塞的结构设计时，需对其强度进行验算，避免下管时浮力装置失效。
（2）钢板浮塞下管结束后，浮力板将留在孔内，不再进行钻扫。为此，根据成孔的工艺需要，结合矿方给定的管路有效使用长度，钻孔施工深度应综合考虑底部浮力板的位置与尾管的长度。
（3）钢板式浮塞下管工艺可以有效减少下管固井期间起下钻的工作量，缩短作业时间，套管内无水泥块残留，不会污染固井前的泥浆，且浮力钢板加工制作过程简单，工艺操作方便，具有一定的推广价值。
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