铁盘浮力器在大口径钻孔下沉套管施工中的应用

白光金 胡彦斌

（山东方大工程有限责任公司，山东 淄博 255150）

1 工程概况

高家堡矿井具有井深水大的特点。为增加矿井排水能力，设计施工地面直排钻孔。钻孔深度808m，表土段孔径Φ1400mm，基岩段孔径Φ950mm，全孔下Φ720×24～32mm无缝钢管（重量达367t）并注浆固管。

2 浮力器下管方案的提出

Φ950mm钻头扩孔结束后，将进行排水套管的下放工作。由于在下管过程中，岩粉始终以不同程度的速率沉降，扩孔实际深度811m，超出设计深度3m，为孔内岩粉留下足够沉淀空间。

施工采用的钻机为河北永明地质工程机械有限公司生产的GZ-2600型钻机，该钻机单绳提升能力10t，当采用10根绳提升时，其提升能力为100t。采用27m加重A型钻塔，该钻塔承载力为90t。由于排水套管重达367t之多，远远大于钻塔和钻机的承受重量，如果采用普通方法根本无法下放套管，因此其底部必须使用浮力器。

3 浮力器的选择

使用浮力器后，套管下放至孔底浮力将达到408t（泥浆密度按1.24g/cm3计算），浮力大于套管重量，还需要向套管内加入一定量的泥浆来增加套管重量，克服泥浆浮力才能保证套管顺利下放。以往使用的浮力器由水泥浆在套管内提前半个月灌制好，本次下管选择采用厚40mm圆盘铁板制作浮力器。

浮力器：由大小两个厚度为40mm的圆盘铁板组成，大盘Φ720mm，小盘Φ150mm。大盘中心预留一个Ф130mm的圆孔用来镶嵌加工成“凸字形”的小盘，两盘用螺丝连接在一起，整个装置牢牢焊接在套管下口上。为防止两铁盘交接处漏浆，在其交接处胶贴青稞纸。由于孔内泥浆的压力作用，两盘会紧紧镶嵌在一起（结合紧密，不漏浆）。套管下放至孔底，需要注浆固管时，只需下钻捣开小盘即可通过圆孔注浆。

支撑装置：浮力器下头焊接支撑装置。支撑装置由1条长1.5m、Φ720×32mm的排水套管制成。从底部向上0.5～1m处割3组出浆口，每组3个，呈插花状布置。为防止套管下放至孔底，沉淀的岩粉进入支撑装置而封堵出浆口，其下端口用厚20mm的铁板焊封。

4 浮力器下管施工工艺

扩孔结束后，泥浆密度达到1.46g/cm3，粘度66s，如此稠的泥浆根本无法下管，必须要将泥浆调稀，性能调好，达到排水套管的下放标准：密度在1.24g/cm3以内，粘度36s左右。如果只加水稀释，不但增加了排浆费用，而且泥浆性能会降低，时间长了会造成固相成分的沉淀。因为排水套管下放时间长达8～9d，没有性能很好的泥浆，套管难以下放至孔底。下套管之前必须用离心机调浆，除去多余的固相成分，使其比重下降至1.24g/cm3以内，再加入纯碱、铵盐，降低其粘度、失水量。由于孔壁泥皮较厚，使孔径减小，为保证排水套管顺利下放，用Φ950mm扩孔钻头多次上下刮去孔壁泥皮，并长时间调浆冲孔，直至提下钻具顺畅后开始试下排水套管。

试下管时，将四条排水套管焊接（长48m左右），用Φ127mm钻杆下放至孔底，畅通无阻后，正式下排水套管。

排水套管为Q345B#钢材制作的直缝管，规格：Φ720×24～32mm。下管采用割孔穿管法，使用J422×4.0普通焊条焊接。每根套管都要用水平尺四个方向进行找正，配合经纬仪下放，保证套管下放的垂直度。为提高焊接速度，由5人对焊，焊缝必须达到Ⅰ级标准，每个焊缝至少焊接五遍，焊缝要略高于套管表面，并由专人检查，防止出现遗漏。割孔必须焊堵，每个割孔至少焊接三遍。

一根12m长的Φ720×32mm套管重量为6.462t，一根12m长的Φ720×24mm套管重量为4.909t，其所受的浮力均为6.055t（泥浆密度按1.24t/m3计算）。

开始下Φ720×32mm套管时，由于其重力大于所承受浮力，无需添加泥浆来增加套管自重。随着Φ720×24mm套管的逐渐下放，其浮力会逐渐上升，最终会超过套管自重。为保证套管顺利下放，需要向套管内加泥浆以增加重量，但所加泥浆量要严格控制，钻机拉力表不能超过5t。如果加入泥浆量过多，加上泥浆的吸附力，会造成钻机拉力过大，超过钻机的提升能力，酿成事故，因此泥浆要少量多次添加，保证下管安全。

为保证套管焊缝强度，焊接Φ720×24mm套管时，焊缝处均匀焊接4～5块加强筋。排水套管下放至终深度811m，用泥浆、清水将套管灌满，下带扶正的尖底钻具将浮力器中间的小盘捣开，孔口返水。提出钻具，下注浆钻具至距套管底部20m左右，将套管口用铁板连同钻杆接箍焊封。钻杆接箍连接阀门，与泥浆泵相接。打开阀门，循环泥浆，等待注浆固管。

5 铁盘浮力器的优越性

（1）由于本工程套管所受浮力达到408t之多，减去套管内加入的平衡浮力的泥浆重量86.6t，实际作用于套管底部浮力器的浮力达到321.4t。到底灌制多长的水泥浮力塞才能承受住如此大的浮力需求，找不到相应的公式进行计算，全凭经验。灌制的水泥塞出现问题，使浮力失去作用，不但会拉倒钻塔、造成跑管使钻孔报废，而且有可能造成人员伤亡，因此，浮力器的制作必须安全可靠。经过计算，用厚40mm的铁盘制作浮力器，完全能承受住该浮力作用。

（2）套管下至孔底后，水泥浮力塞还要专门下钻全部扫除才可以注浆固管。坚硬的水泥附着在套管内壁难以扫除干净；扫除的水泥粉和泥浆混合使泥浆变稠，容易吸卡钻；扫落的水泥块下沉至孔底容易堵塞出浆口造成注浆固管困难。铁盘制作的浮力器由于焊接在套管最下头，下放深度超过矿方要求的808m，留在孔底不需要专门处理，减少一道工序。注浆前下钻（带扶正）捣开中间小铁盘即可。

（3）水泥浮力器制作工艺复杂，占用人工、材料多，价格相对较高。铁盘浮力器制作简单，节省人力物力财力。

6 结束语

采用铁盘制作的浮力器，使高家堡矿井地面直排钻孔的排水套管顺利漂浮下沉至孔底，既安全可靠，又简便易行，不但节省了人力物力财力，又缩短了工期。该工程为施工同类工程浮力器的制作开拓了新思路、新方法，取得了较好的经济效益和社会效益，具有较高的推广利用价值。