山东科技大学土木工程与建筑学院 山东青岛 266590
摘要：针对钻孔在初揭露含水区域常常会出现喷水、喷矸、钻杆外射及钻探设施固定困难等问题，为了预防钻孔在揭露高承压水时失控，设计一种高承压水防喷装置。当不使用时，钻杆抽拉自如；一旦遇高承压水，立即拧紧卡瓦，控制钻杆，防止高压水顶出钻杆。该装置易于安装、经济耐用，能够及时有效地实现对孔口卸压[1]。
关键词：钻孔；高承压水；防喷装置；卸压
0引言
高承压水的解决需要施工大量巷道工程和钻孔工程，在没有精确定位和专业设备保证时，盲目钻进可能会导致塌孔埋钻，造成不可预估的经济损失。通过国内外相关资料的调研可知，处于构造破碎带的巷道节理裂隙较发育，空隙较大，巷道难以支护[2]。因此，研制高承压水防喷技术，解决围岩力学性能、增强围岩整体性、控制围岩变形等问题刻不容缓。主动加固围岩的角度提高了围岩的自承能力，大大削弱煤层中高承压水对工作面以及巷道的威胁[3]。
针对这一现状，防止井喷事故的发生，除准确预报异常地层压力和采用井控工艺外，还必须提供可靠的井控装置，以保证在地层压力超过泥浆液柱压力时，能可靠地关闭井口，防止事故的发生[4]。井控设备是对其进行压力控制，对事故进行预防、监测、控制、处理的关键手段，是实现安全钻井的可靠保证，是钻井设备中必不可少的安全装备。
1高承压水防喷装置工作原理
井下高承压水防喷装置的工作原理为当钻机欠平衡钻进时，钻杆通过旋转控制头上的旋转补心总成，带动转动套、中心管及上、下部橡胶密封胶芯与钻柱一起旋转[6]。橡胶密封胶芯通过液压胶囊施以外压，在上部胶芯下部胶芯都磨损泄露的情况下，可通过向设计的液压胶囊内注入液压油，使其强行向内挤压上部胶芯，迫使上部胶芯紧抱钻具，实施主动补偿密封。
2高承压水防喷装置结构设计
该高承压水防喷装置主机部分主要由旋转总成、壳体总成和钻具密封总成3部分组成，旋转总成和壳体通过卡箍连接。
1)底部支承座
底部支承座外形复杂，为铸造工艺，底部支承座由底座法兰、通孔法兰、吊耳以及泥浆注入管线接口等部分组成，其中通孔法兰的中心轴线防喷装置垂直相交。
2)紧固卡箍
为了预防钻孔在揭露高承压水时失控，制作了预防高压水喷出的装置。该装置前端内腔由1个高压胶圈组成，钻杆在钻探过程可通过胶圈进行钻进[7]。见高压水时用搬手拧紧装置上面三个螺丝压紧胶圈，起到防喷的作用。在装置侧面有三个螺丝，分别控制三块卡瓦，防止高压水将钻杆顶出。
3)胶芯设计
对胶芯密封性能的改进，优选具有抗撕裂、抗氧化、抗腐蚀性能以及耐低温、高温性能的胶芯。将上下两个密封胶芯均设计为胶囊式胶芯，在控制系统的作用下两个胶芯轮流工作，以避免钻杆接头强行通过胶芯的密封时引起的胶芯拉伤，从而延长胶芯的使用寿命，减少更换次数，提高效率[8]。
综上所述，防喷器的三维图如图 1 可知，为了预防钻孔在揭露高承压水时失控，制作了预防高压水喷出的装置。该装置前端内腔由 2 个高压胶圈组成，钻杆在钻探过程可通过胶圈进行钻进。见高压水时用扳手拧紧装置上面三个螺丝压紧胶圈，起到防喷的作用。在装置侧面有三个螺丝，分别控制三块卡瓦，防止高压水将钻杆顶出[9]。
图 1 防喷装置三维模型
1-高压胶圈；2-卡瓦；3-控制螺丝；4-压紧螺丝
3高承压水防喷装置有限元分析
利用 ANSYS Workbench 有限元分析软件对新式防喷装置进行静力学分析，制造材料为Q235，依据实际情况施加相应的约束和集中载荷，通过对载荷作用下设置的竖向防喷器模型进行承载力分析，模拟在承受高承压水状态下防喷器的受力状态，得到如下数据，变形图如图2及图3所示。
图3 防喷器受力变形图
由图2及图3分析结果可知，防喷器的整体变形量不大，最大变形量在压紧螺丝与高压胶圈相连接的附近，变形量为0.07161mm。最大应力4.6612Mpa，变形量在其承受的合理范围内，同时在其作用下螺栓几乎没有变形，远小于屈服强度235Mpa，增加了施工的安全性能，故可认为所受应力在安全范围内。
利用ANSYS Workbench分析软件对高承压水防喷装置进行研究分析，证实了其结构的合理性、可靠性和安全性；在制造精度合格后，防喷器的稳定性就可得到保证。
4 高承压水防喷装置应用分析
当前高承压水钻孔防喷装置在现场应用时由于运输、安装等原因可能造成损伤或安装不合理，导致防喷装置不密封，井口防喷装置失效将会引发严重的安全事故。随着高承压水钻孔施工要求的提高，为了现场使用的防喷装置符合和满足安全规程的相关要求，及时检查并发现井口防喷装置存在的质量缺陷和安全隐患，防止在作业中发生安全事故，利用井口防喷装置试压装置进行高承压水防喷装置压力测试[10]。
试压装置下入井口以下的套管内，井口打压，压力通过中心管作用于高压防喷装置，同时压力通过中心管上的胶式密封胶芯，通过井口打压，利用井口防喷装置试压装置，可以密封套管，对短套以上的井口、防喷装置进行试压检验。试压检验完成后，起出井口防喷装置试压装置，进行下部作业工序
利用试压泵分阶段分别向模拟钻孔内打压5MPa、10MPa、15MPa每阶段稳压10min，观察试压泵压力变化和后端盖的孔眼有无水流出。试压完成后放压重复分阶段再试压，反复打压3次。试压结果如表1。
通过对三次试验结果表明，井口防喷装置试压装置完全可以达到耐压15MPa的设计技术要求。
表1 防喷装置密封性能试验记录表
结论
本文紧密结合生产应用实际，在收集分析国内外有关防喷装置的设计、计算、分析、使用等资料的基础上，通过理论分析，利用仿真方法设计了高承压水防喷装置，并针对现有的防喷装置在应用过程中存在的问题进行了研究，保证了系统的密封，又延长了胶芯的使用寿命，减少胶芯更换次数，提高生产效率。
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作者简介：姜雯（1998.9-）女，山东潍坊人，2016年被山东科技大学录取为本科生，系土木工程与建筑学院，城市地下空间工程方向，主要研究城市地下空间开发利用等综合问题。
论文作者:姜雯
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/17
标签：装置论文; 钻杆论文; 井口论文; 胶圈论文; 高压论文; 围岩论文; 钻孔论文; 《防护工程》2019年第3期论文;