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套管二次冻结施工技术

发布时间:2019-11-25 09:08:57

套管二次冻结施工技术

摘 要 近年来随着冻结凿井深度的增加,深厚粘土层冻结断管事故时有发生,轻则给施工增加难度,重则造成淹井事故。断管发生后,通常的处理方法是关闭冻结管强行通过;如果断管数量多,强行通过的风险就较大。张双楼西风井在冻结管断裂11根的严重情况下,采用下套管二次冻结并取得成功,为冻结凿井断管事故的处理积累了经验。

关键词 套管 二次冻结 施工技术

1 概 况

张双楼西风井设计深度346.5m,其中表土层厚270m。表土为第四纪冲积层,主要以粘土和砂质粘土为主。位于垂深207.60~252.11m处的钙质粘土层厚达44.51m。该层粘土呈灰绿色,有较多的钙质结核和细砂,具有较强的膨胀性。该井筒表土段井壁结构为新型双层混凝土复合井壁,外壁厚500mm,内壁厚600mm,内外壁之间设100mm厚的沥青层。井筒采用冻结法施工,冻结主要技术参数见表1。

表1 张双楼西风井冻结主要技术参数

项 目

数 量/根

冻结深度/m

冻结圈径/m

冻结管规格/mm

开孔间距/m

盐水温度/℃

制冷量/MJ*h-1

主冻结孔

36

315

14.48

φ139.77.77

1.293

-28

5 868.72

防片帮孔

12

100

9.8

φ1266

2.536

-25

576.84

井筒于开始冻结,试挖,正式开挖。凌晨,当井筒掘至垂深234m处深厚粘土层底部时,发现冷冻站盐水箱水位下降,经检查确认一号冻结孔漏盐水,当即关闭一号孔。继续冻结时盐水水位仍然下降,便停机进行全面检查。到8月22日16时,井壁突然来压,垂深219.6m以下砌壁用的井圈插销被切断,井圈扭曲,井壁混凝土压裂掉块。井筒工作面出现大量盐水。经检查沿井筒东和东北方向冻结管断管11根,盐水漏失量78m3,被迫完全停止冻结。

2 断管原因简析

2.1 深厚粘土层的强膨胀性  该井冻结管断裂发生在井深234m、厚44.51m的钙质粘土层中。据某校对该粘土层所做的试验,粘土层的膨胀性极强。施工中发现水文管被拉断并缺失2.2m,表明该粘土层施工过程中变形很大。根据分析,该粘土层的强膨胀性是这次断管的一个客观条件。2.2 冻结壁强度低  深厚粘土层的强膨胀性是深井冻结施工中客观存在的一个极不利因素,但决不是不可克服的,可以通过增强冻结壁强度来解决。张双楼西风井设计冻结壁平均温度为-9℃,在断管前实际井帮温度为-3℃。这和煤科总院北京建井研究所等单位对类似深度深厚粘土层研究得出的井帮温度-10℃、平均温度-12℃、掘进段高1.5m、井帮位移小于20mm方能满足冻结壁允许变形的要求相差甚远。据此,张双楼西风井冻结壁强度严重不足是该井发生断管的一个主要原因。2.3 掘进段高大  掘进段高大势必造成井帮暴露时间长和冻结壁变形增大。据某校对张双楼西风井粘土层冻结壁安全掘进段高的计算(表2),当井帮温度-10℃、平均温度-12℃时,安全段高2.58m。而该井断管前,井帮温度仅为-3℃,平均温度-7.3℃,掘进段高竟达5.3m。可见,掘进段高大是该井断管的直接原因之一。

表2 张双楼西风井粘土冻结壁安全掘进段高

项  目

井 帮 温 度/℃

-7

-8

-9

-10

-11

-12

-13

-14

平均温度/℃

-10.1

-10.8

-11.4

-12

-12.7

-13.3

-13.9

-14.5

强度指标/MPa

0.92

0.95

0.98

1.01

1.05

1.08

1.11

1.14

安全段高/m

2.34

2.42

2.50

2.58

2.68

2.76

2.84

2.90

3 套管二次冻结施工技术

3.1 技术方案的确定  断管事故发生后,邀请有关专家进行了详细的讨论,并提出多种处理意见。主要有强行通过、重新打钻冻结、套小直径冻结管等。通过比较认为,强行通过由于第四纪冲积层还有50多m方能通过,且该井断管前井帮温度高,加上盐水侵蚀冻土,冻结壁强度低,强行通过风险很大;重新打钻冻结固然可靠,但需耗时2a,耗费2 000万元;套小直径冻结管也存在着能否套进和小直径冻结管的冻结效果如何等未知问题。经过反复比较,决定优先采用套管二次冻结方案。3.2 施工技术措施  为使套管二次冻结方案顺利实施,采取了排除积存盐水、选择合适直径的套管、冷量平衡分配、温度监测等施工技术措施。  (1)排除井筒积存盐水。基于冻结管断裂后,大量盐水侵蚀冻土并积存于井筒工作面,这对套管二次冻结十分不利。为此,采用自吸泵排除积存盐水,并灌入300多m3清水,以降低冻土的含盐量。  (2)选择合适直径的套管。套管直径的选择直接影响套管的成败和冻结效果。经过使用φ110mm和φ91mm两种钻具探孔,决定选择φ89mm8mm的无缝钢管作为套管,选用φ50mm的塑料管作为供液管。由于套管直径选择合适,11根断管套进去10根,仅4号孔由于错位严重无法套进而作为测温管用。  (3)冻结冷量的平衡分配。套管成功给二次冻结创造了有利条件,但由于套入的管子管径小,套管的表面积仅是原冻结管的2/3,供液管的面积仅是原供液管的1/3。经计算,套管的供冷量仅达原冻结管的1/4。如果和未断的原冻结管共用盐水干管,势必造成套管的供冷量不足。为使套管和原冻结管冷量分配基本平衡,新敷设1趟φ219mm8mm的供液干管,将套管和原冻结管的进盐水系统分开,并用两台型号相同的盐水泵分别对套管和原冻结管供盐水。这样,由于套管只有10根,而原冻结管有25根,从而加大了套管中盐水的流速和流量,套管和原冻结管的供冷量分配达到基本平衡。测温结果和实际开挖效果均证实了这一点。

附图 冻结壁温度发展和分布

(a)冻结壁温度场特征;(b)二次冻结50d内井帮温度下降规律

(4)冻结壁温度监测。掌握套管二次冻结的冻结效果、确定开挖时间等,均须借助于对冻结壁温度的监测。为此,我矿和某校合作,对冻结壁的温度发展和分布情况进行了全面监测,见附图。  由附图(a)可看出:①冻结壁4个方向(E,W,S,N)相同深度处的温度随冻结时间延长趋于一致;②随冻土温度的降低,冻结壁温度场的线性越好,离散性越小。由附图(b)可看出:①井帮温度随冻结时间的延长趋于一致;②井帮温度随冻结时间的延长呈线性下降。  通过温度监测,在套管冻结了92d、井帮温度降到-11.2℃时开始掘进,顺利地通过了表土层,套管二次冻结获得了成功。

4 结 语

断管是冻结法凿井之大忌,尤其是较大范围的断管,应竭力避免。但由于种种原因,在深井冻结中断管突发事故时有发生。套管二次冻结在张双楼西风井应用并获得成功,为冻结凿井断管事故的处理积累了经验。

作者简介

罗鹤年,男,1953年出生,高级工程师。1976年毕业于淮南矿业学院。现任徐州矿务局规划发展部副部长。已发表论文数篇。

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