機械水力割刀套管切割技術在煤礦區域治理中的應用

趙云良

（中國煤炭地質總局 第二水文地質隊，河北 邢臺 054000）

0 引 言

隨著中國中東部地區淺部煤炭資源逐漸趨于枯竭，深煤層開采勢在必行。目前開采深度最深已達到1 501 m。深煤層開采受灰巖承壓水威脅，個別礦井煤層底板承受水壓達到7～10 MPa，增加了煤層底板突水機率。為預防深部煤炭開采底板突水，現多數采用區域治理施工工藝。施工過程中在不同垂深目的層進行水平分支施工、注漿治理，針對這一問題以往主要采用布置多個主孔或套管內開窗側鉆等工藝實現。布置多個主孔面臨施工占地問題，套管開窗內側鉆施工難度大，易造成事故。以往在區域治理工程結束后主孔內部套管均隨著鉆孔的封閉而廢棄。應用機械水力割刀套管切割技術在區域治理施工中的可有效的解決以上問題。

1 機械水力割刀工作原理

機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，當泵量達到9 L／S、泵壓1.5 MPa 時機械水力割刀的活塞下行，帶動刀柄推進頭下行，迫使刀頭張開。由主動鉆桿傳遞扭矩迫使刀頭對套管進行切割。當活塞下行到底后，活塞上的泄流閥自動打開，使泵壓下降約0.5 MPa，此時刀頭張開直徑大遠超于套管外徑，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，推進頭的臺階將鎖住刀柄的后鉤，迫使刀頭收回到割刀本體內，該過程在2 min 左右完成。

機械水力割刀示意如圖1 所示，刀收斂狀態示意如圖2 所示。

圖1 機械水力割刀示意Fig.1 Diagram of knife convergence state

圖2 刀收斂狀態示意Fig.2 Diagram of knife convergence state

2 套管切割位置的選擇與確定

2.1 根據計算固井水泥的返高確定

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

2.2 根據鉆孔軌跡確定切割位置

根據鉆孔井斜在40°～60°為攜砂“頑固區”，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切割點。在井斜40°～60°的井段，如果軌跡不圓潤，泥漿流態會受到影響，進而影響攜砂。這也是第一切割點割斷后套管拔上拔困難的原因所在。

2.3 依據卡點的計算確定切割位置

“拉卡點”對切割位置具有很大指導意義，往往都是在卡點附近拔出套管。

（1）卡點深度計算公式見式（1）。

式中：L 為卡點深度，m；K 為計算系數，K=21F(F 為管體截面積，cm2)；e 為鉆桿連續提升2 個點的伸長差，cm；P 為鉆桿連續提升時2 個點的拉力差，t。

（2）卡點測設步驟。

使用不同拉力向上提拔套管2 次，并準確記錄上拔時每一點的拉力及鉆具伸長量。第一點拉力要大于套管重力并做標記，待第一拉點穩定記錄后直接加大拉力上提第二點，要求在額定荷載范圍內盡量使用大拉力進行拉拔。如此重復上述工作，以平均值為準。實際工作中因井身結構不同，公式應用略有不同。如區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（按套管實際尺寸計算截面積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，應首先計算上部大套管的伸長e193.7=L193.7P／21×F193.7，然后計算φ177.8×8.05 伸長e177.8=e－e193.7 拉卡點記錄的e 為伸長均值，拉卡點記錄的P 為噸位均值。F193.7 為φ193.7×8.33 套管截面積；卡點井深L=L193.7+21F177.8e177.8／P。

以上確定套管切割位置的方法應根據設備性能與現場實際情況綜合考慮。一般鉆機提升能力遠大于套管自重時選擇第1 種方法；當鉆機提升能力較小時可選擇第2 種方法；第3 種方法使用范圍較廣，現場采用較多。

3 割刀片的選擇與焊接

鑒于現場常用套管型號規格對刀片形狀與主輔刃進行多次對比后，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 個主刃刀片，2 個輔刃刀片。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，焊接時應注意2 點：①刀片不能過燒，溫度太高時合金片會變脆，產生應力切削時易破碎，焊接方法，把刀柄支撐于平臺上，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，在刀具開啟時防止刀片被撞碎。

3.1 使用方法

（1）根據下套管記錄，核查接箍位置，在選定的切割位置附近避開套管接箍。

（2）在下水力內割刀之前，應用標準的通徑規通井一次，通徑規外徑不得小于工具限位扶正器外徑，在通徑規上接一柱鉆鋌。在通井過程中如果有輕微遇阻，可轉動鉆具劃過，直至無阻卡現象為止。通井至設計位置，大排量循環洗井，將井內物沖洗干凈，并調整好鉆井液性能。

（3）水力割刀下井前應在井口做試驗，以檢驗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。排量應根據工具型號選用，此時捆刀片的鐵絲被打開，檢查刀柄開啟與收斂是否到位達不到上述要求。

（4）試驗后，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，造成切制作業的失敗。

（5）下鉆過程應均速下放，以防水力割刀碰撞套管壁造成損壞。

（6）將水力割刀下至預定位置，先啟動轉盤，轉速為50～60 rpm，鉆柱旋轉正常后，方能開泵。當鉆井液流經噴嘴時，在噴嘴處產生壓降，對活塞產生推力，活塞下行推動刀片伸向管壁就可以切割管體。在切割中不要再調泵壓，以防切割不穩，損壞刀片。

3.2 套管切割后是否切斷的判斷

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

（2）水力割刀旋轉過程中，鉆具扭矩突然減小。

（3）孔內出現異響，隨著水力割刀的繼續旋轉異響消失。

（4）起鉆后水力割刀刀片出現不同情況的磨損。

（5）嘗試上套管，如套管向上伸長而拉力表指數不增大。此時判斷切割成功。

4 應用案例

（1）霍州煤電集團洪洞億隆煤業有限責任公司1-103 回采面突水搶險治理工程在K2 灰巖層位完成鉆探進尺1 005 m，累計水泥注漿23 314 t，經治理后，井下工作面超預期達到98%的減水率，治理效果顯著。為降低1-103 工作面未采區的水害威脅，對該孔進行拔管作業，共計拔出套管425 m（φ177.8×8.05 套管），調整鉆孔方位后，施工新的主支孔，進一步對未采區進行注漿治理。

（2）冀中能源股份有限公司邯鄲郭二莊礦一坑9 號煤奧灰區域探查治理項目，其中注2 孔設計2-1、2-2、2-3 共3 個主分支孔以及注2-1-1 等共33 個次級分支孔，鉆探工程量直井段320 m，造斜段2 047 m，水平段20 640 m。在工程的實際推進中，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，嚴格按照礦設計要求進行施工，滿足區域治理要求的同時，達成了探查導含水構造的目的，將治理范圍內奧灰頂部20～25 m 弱含水層段改造為相對隔水層段，并在增加隔水層厚度的同時，封堵隱伏導水通道，起到安全開采下組煤資源的目的。為推進項目以及治理范圍進展，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，以節約高效的原則，成功實現了一孔多用。

5 結 語

機械水力割刀套管切割技術在區域治理施工中的應用有效解決了因施工多個主孔的占地問題、同時避免了套管內“開窗”側鉆的技術難題、在區域治理工程結束后能夠通過水力割刀套管切割技術最大限度的回收孔內套管。經過多個施工案例驗證水力割刀套管切割技術安全可靠、可操作性強，并且能夠為工程帶來可觀的經濟效益。