趙鵬飛
(冀中能源股份有限公司 邢東礦,河北 邢臺 054000)
邢東礦1300 采區地面定向鉆探防治水工程重點對邢東礦1300 采區內F15 和F19 導水斷層進行探查治理,共設計2 個鉆場。此次討論的FZ2 鉆場重點對F15 導水斷層進行探查治理,在解放其防水煤柱的同時,對斷層下盤奧灰一定深度進行注漿加固,以增加2 煤底板隔水層厚度。該鉆場共設計1 個主孔,24 個分支孔,鉆探工程量14 213 m,預計注水泥11 371 t。根據注漿工程量,設計1 個注漿站,制漿能力不低于40 m3/h,配套2 個水泥儲存罐,單個容量不小于100 t。
FZ2 鉆場地處邢東礦西側北張家屯村西北部,為農房和圍墻合圍三角區,面積僅3 000 m2,如圖1 所示。根據現場測算,當鉆機及配套設備進場后,場地不具備放置制漿機和水泥存儲管的空間。因鉆場位于村莊北部,只有1 條村道(僅3 m 寬)可行,向現場運送水泥時,運輸車輛須在村莊內部穿行2 km,運輸困難,影響注漿效果。
圖1 FZ2 鉆場場地條件示意圖Fig.1 FZ2 drilling site conditions schematic
因FZ2 鉆場周邊村莊較多,且空地以基本農田為主,就近建設注漿站的可行性不高??紤]到FZ3 鉆場空間大,水泥運輸便利,同時方便管理,遂設計將FZ2 鉆場注漿站建在FZ3 鉆場,FZ2 鉆場采用遠程管路輸漿的設計思路。
為滿足工程施工要求,制漿系統采用一體化移動智能制漿系統。該系統主要由一級高速渦流制漿、二級儲漿桶、水箱、空壓機氣路系統、在線監測系統、配電及計算機綜合控制系統等部分組成。采用集裝箱式密封設計,吊裝方便,滿足環保要求。與制漿機相配套的是2 個容量150 t 的水泥儲存罐和2 臺獨立的螺旋上料機。制漿系統依據設定參數實現自動配比,日制漿能力1 000 m3。制漿系統設備見表1。
表1 制漿系統設備明細Table 1 Pulping system equipment details
FZ2 鉆場注漿時采用遠程管路輸漿,現場注漿的方式進行。為保證注漿效果,特對注漿系統進行優化設計。
注漿站現場安裝1 臺無級變速輸漿泵,型號BW850/5 雙缸,額定注漿能力1 224 m3/d,壓力10 MPa,輸漿泵連接制漿系統和輸漿管路。FZ2 鉆場安裝3 臺注漿泵,型號NBB390 和NBB260,配套有2 個攪拌池,容積10 m3。制漿完成后,輸漿泵通過輸漿管路將水泥漿送至FZ2 鉆場攪拌池,通過現場注漿泵注入孔內,根據現場注漿情況,隨時調整輸漿量。
FZ2 鉆場遠程輸漿管路線路如圖2 所示。FZ2鉆場地面標高+61 m,FZ3 鉆場地面標高+59 m,輸漿過程中存在爬坡現象。為繞開地面建筑,輸漿線路達1 400 m,且存在存在多處拐彎。
圖2 FZ2 鉆場遠程輸漿管路設計Fig.2 Design of remote slurry pipeline in FZ2 drilling field
為確保注漿質量,工程要求水泥漿比重變化區間為1.2~1.65 t/m3。因此,遠程輸漿面臨的直接問題就是,輸漿過程中阻力較大,一旦水泥漿流速變緩,極易造成水泥掛壁,長期運行將造成管路縮徑、堵塞,嚴重時將會造成管路損壞跑漿,造成環保問題。為此,從管路材質、管徑選取、管路接口等方面進行分析。
3.3.1 管路材質
現有的管路材質主要有膠管和鋼管,兩者對比發現,膠管內壁光滑度交叉,輸漿過程中容易附著水泥,即使頻繁沖洗也會殘存水泥,為此特選用了內壁光滑度較高的鋼管。光管輸漿和沖洗過程中,通過沿線敲擊可有效降低水泥附著程度。
3.3.2 管徑選取
管徑計算公式:
式中:d 為管路內徑,m;Q 為流量,m3/s;V 為流速,m/s。
依據式(1) 可知,在不考慮壓力的情況下,同等流量時,管徑越小流速越快。為兼顧輸漿壓力和流量,考慮管路耐壓性,特選取油田常用的耐壓鋼管,規格φ73 mm×11 mm,耐壓30 MPa。
3.3.3 管路接口
先期管路連接采用焊接法蘭對接方式,經過壓水試運行,發現焊接處存在滲水現象,同時管路拐彎造成輸漿壓力較大,嚴重影響工作效率。隨后將管路接口處全部安裝快速插頭,拐彎處采用膠管連接,消除直角彎,降低輸漿阻力,經過運行未發現漏漿和堵塞現象。
為保證注漿正常進行,在注漿系統和輸漿系統優化的基礎上,依據邢東礦井田地質條件和注漿技術要求,對注漿工藝進行優化。
工程要求注漿結束標準為流量降至35 L/min,孔口終壓達12 MPa,且穩定時間不小于30 min。為避免出現突然上壓,造成輸漿管路內水泥漿無處排放,故采用提前壓水方式,在沖洗管路的同時,確保將水泥漿全部注入鉆孔漏失位置。
經過多次嘗試,最終確定當大泵量注漿壓力達到8 MPa 并穩定時開始壓水,根據鉆孔深度計算壓水量和壓水時間,適當調整壓水時機,確保壓水量不大于孔內空間,保證水泥漿全部進入孔內,并且可以保證孔口終壓達到12 MPa。
因輸漿管路不具備埋在地下的條件,冬季存在管路上凍情況。為避免管路上凍,壓水時在清水內加入一定量的食鹽,防止內部結冰。經過實踐,食鹽濃度達到7%時,管路內部不會結冰,內部腐蝕程度也不大。
(1) 注漿工程自2021 年11 月開始,截至目前已注漿8 次,最長周期17 d,日注水泥可達410 t,累計注水泥近16 000 t。注漿期間注漿系統和輸漿系統運行良好,注漿工藝得到檢驗,有效保證了工程質量。
(2) 實踐表明,地面注漿時采用遠程輸漿方案是可行的。輸漿系統設計時應考慮到路線規劃、設備及管路選型,并結合工程要求進行全面論證和試驗,最終確定合理的方案,保證注漿效果,達到工程施工目的。