地浸套管强度计算与质量检查.docx

地浸套管强度计算与质量检查王海峰苏学斌（核工业第六研究所）摘要本文详细讨论了地浸套管强度计算方法、套管直径的确定、沉砂管和导中器的设计，并介绍了套管 下放方法，配管和套管封孔质量检查关键词：沉砂管 导中器 配管卜11流测井1套管强度的计算1.1概述与PVC管比较，不锈钢管强度高、阻力损失小，寿命长，使用中不存在强度问题因 此，我们这里主要讨论PVC管的强度计算PVC管具有重量轻，耐腐蚀，成本低，容易加 工等优点，但该类型管材强度低在不同矿山地质条件下使用PVC管的经验表明，PVC管 破裂，断裂是地浸钻孔最常见的故障之一因而，在设计水文地质钻孔时，应充分考虑PVC 管安装及使用时的强度，主要是安装时套管本身承受的拉力和压力1.2管壁内外压应力计算1.2.1计算方法管壁内外一般皆承受压力，当管内有水存在时，其数值和茅不大，故能基木上互和抵 消⑴仅当孔内压力减少或增加时，孔壁承受外压力较大地层对管壁的外压力为：P = ——vh （1）10（1-卩）式中：P -地层对管壁的外压力，kg/cm2；Y —地层的密度；h —地下水下降距地表最大深度，m；U —侧向压力系数（砂性土 0. 3,粘性土为0. 4）0当P作用于管壁外表而，计算内表而最大压应力为：式中： 乐一内表面的最大应力，kg/cm2；口一管内半径,mm；匕一管外半径，mm。

1.2.2套管内外应力计算实例再某次地浸采铀条件试验中，经设计抽出井套管规格为 160X 15mm,最大水位降深 距地而100m,最大注水压力为0.5MPa,地层侧向压力系数为0.4岩层密度为1.9,管材允 许承受的压力为300kg/cm2o据公式(1), (2)计算套管内外压应力为：P=12. 67kg/cm2 oe=74. 56kg/cm2<300kg/cm2经计算表明，所选定的套管在内外压力上完全可满足此试验条件1.3套管的抗拉力及极限深度计算 1.3. 1套管拉应力计算在泥浆钻进的深井中，需安装较长的套管及过滤器，由于口重的影响，可能发生断裂现 象因此，钻孔设计时，应详细计算管路强度后，再确定安装套管的极限深度由于钻孔内泥浆的浮力，使下入套管的重量有所减轻，因此，危险断面所产生的拉应力 会因套管下入时的加速度，以及上提吋的阻力影响有所增加因此，故在套管危险断面上, 由于自重所产生的应力，不能超过屈服应力，所以套管安全安装深度为:q(l-—)Ye式中：L —下入套管的氏度，o — 口重在管内所产生的应力,kg/cmJ；凡一套管危险断面的面积,kg/cm2；q —每米管材的重量,kg/m；Y —管材的密度;Ym 一井内泥浆密度。

设计吋述应考虑一定的安全系数，如取21.3.2丝扣强度计算当管路重量过人时，除危险断面易发生断裂外，可能因丝扌II的应力不足而折断套管，故述需验算丝扣连接的强度计算套管接箍脱扣的最大负荷，一般可采用下列公式:小 o兀Dt1 + ——ctg(a + (p)21式中：Q —丝扣最大负荷，kg；D二壯鱼，管丝扣部分的平均直径，为内外径Z和的一半，dl, d2为套管内、外 2直径,cm；2丄乞，丝扣凹处的管壁厚度，cm；2ri -套管内半径，cm;r2 -套管外半径，cm;1 —丝扣的有效长度，cm；a —丝扣面与管材中心线的夹角；(P-管箍与丝扣间的摩擦角1.3.3套管下入深度的计算实例试验中抽出井所用套管外径为160mm,内径为130mm,危险断面上套管外径为145mni, 套管丝扌II的有效接合长度为70mm,丝扌II面与套管中心线间的夹角为60,管箍与丝扌||间的 摩擦角为22,套管破坏强度为430kg/cm2,釆用安全系数为2. 0,每米套管重9. 42kg,管材密 度为1・3&泥浆密度为1. K套管危险断面上允许的最大安装深度：FoL = 三一=7800m >350m2q(l-N)Ye接篩的最大允许负荷Q 二 12824kg故016OX15mmPVC管丝扣强度允许下入的最大深度：L = 1361m>350m通过下如深度和丝扌II拉力校核，设计管路完全符合耍求。

2套管直径的选择套管直径基本上依赖于过滤管直径的大小，原则上来讲可不必单独选定套管直径的 选择还与其它因素有关，如抽液设备规格等在抽注量恒定的情况下，管径小，介质流速 大，管路压降大，会增加空压机或潜水泵的动力运行费用反Z,增大管径，但会增加钻 孔施工费及套管成本因此，必须合理选择套管直径下面是根据抽注量和允许的最大压力降计算管径的公式:d =式中：d ——套管直径，mm；Q ——抽注量，m3/h； V 液体流速，in/s地浸采铀套管抽注介质为浸出剂或浸出液，计算管径时抽液量以矿层渗透系数允许的 最大量为计算依据抽注液介质浓度很低，视为水，密度取lOOOkg/m%计算式(1)式中流 体流速V在地浸采铀矿山通常取lm/so依公式计算出的管径偏小，在实际选择中还要考虑 一定的余地3沉砂管与导中器3. 1沉砂管沉砂管是套管最底部与过滤管相连的一段锥形底端封闭的套管它的材质和直径完全和上端过滤管相同，下端呈40锥形，如图1沉砂管的作用是沉积通过过滤管进入孔内 的细砂，防止堵塞过滤管沉砂管与过滤管的连接采用公母丝扣连接⑵沉砂管的K度主要取决于下列因素：(1) 过滤管性能：过滤管孔隙大，沉砂多；(2) 钻孔直径：钻孔直径大，过水面积大，沉砂多；(3) 矿层厚度：矿层厚度大，涌砂面积大，沉砂多；(4) 矿层砂岩的粒度及松散程度：砂岩粒度小、松散，沉砂多；(5) 孔内涌水量或水位降深：涌水量小，水位降深大，沉砂多。

口前尚不存在计算机沉砂管长度的公式，-•般沉砂管长度为4〜8哄 视情况而定沉砂 管也可不要，也有使用底端不封闭的沉砂管一般情况下，洗井后钻井沉砂高度为lm左 右3.2导中器固定在套管上起保证套管下放后能处于钻孔中心的部件叫导中器它的作用是使套管 与过滤管居中，便于套管、过滤管安全下入，确保填砾与封孔的质量导中器每隔50m左 右一个，采用10〜15mm厚PVC板加工而成，长300m,如图2所示导中器宽度根据测量 井径资料而定，导中器与套管的连接采用塑焊方式连接类型孔径D塑料管径dSL,l2L3LiI295160126230016042II19090101830016030图2导中器加工示意图图2给出了①160和①90套管导中器加工尺寸，从图中可以看出：设计的导中器加工简便, 实用，价格低廉，解决了施工队伍一直难以解决的问题4配管钻孔终止钻进并经过测井后，下一道工序为套管下放，套管下放前要先配管配管要 严格按测井结果进行，底部连接过滤管和沉砂管表1是地浸采铀试验中配管的实际案例该井为注入井,托盘结构，开孔直径为311mm,终孔直径215mm,终孔深度282.51m, 矿层段264. 00〜27&00m,变径位置在顶板泥岩中251.60m处。

套管为直径90mm PVC管， 配管总长279. 60mo配管前耍先将沉砂管和过滤管做好，然后准确测量各管长度，从底往上推算，标好序 号，按顺序放好表1钻孔套管配管计算序号位 置(m)管长(m)沉砂管280. 601.60过滤管278. 0015. 00光管260. 20& 91托盘管251.29& 911242.388.92233.488.93•••224.588.911153.45& 7412144.21& 9113■■•135. 80& 9021■■•64. 60& 912711. 12& 90282.27& 91孔口余管6. 645套管下放套管下放方法较多，如钻机卷扬机捉吊下管法、钻杆托盘法、二次下管法、钢绳托盘 法等，地浸矿山通常采用钻机卷扬机提吊法下放套管套管下放时，按己编好的顺序一根 根下放，套管下放应注意以下问题：(1) 已下入孔中的套管在孔口卡好后才能摘去钻机卷扬机捉升器连接头，以防止套 管掉入孔中；(2) 套管搬运时避免一端抬起，一端拖地，以免损坏丝扣，特别是PVC管和PE管；(3) 下放中发生阻碍时应分析原因，避免强行压入，以免使套管在丝扣处断裂 为保证套管顺利卜•放，卜•放而可将钻具放入孔内，在畅通无阻的情况卜•再卜•入套管。

下放前应检查管内是否有堵塞物，套管安装好后应露出地表至少200inmo6套管下入孔中质量检查6. 1检查手段实践得知，套管下入钻孔后偶尔会出现断裂，裂缝等破损情况，如不及早发现并处理就会使溶液漏失造成浪费，扩人污染范围因此，在冇条件地地方应对套管质量进行检查 通常检查的方法为物探测井，根据电流的变化判定套管完好性图3是电流测井检查套管完好情况线路示意图屯极A、接地屯极B大地屯阻口、井 液电阻％与地面仪器组成一个供电回路地 面供给此电路一个恒定电压，通过记录取样 电阻“两端的电压仏来反映电路中电流的变 化 =晟 （⑹此式中，“是不变的，&随电极深度的变 化也很小而大地电阻吮则受两个因素的影 响套管对电流的圧制作用和井液与地层的过滤:网管rm一 /////厶rd接触面人小根据地球物理稳定屯流场理论， 高阻体对电流具有排斥作用，低阻体对电流起 汇聚作用，所以，当电极A处于过滤管以外的 位置时，套管对电极A流出的电流起排斥作 用，套管越氏，排斥电流作用越强，口越大 当电极A处于过滤管小或破裂的套管处时，电 流将从这些地方进入地层，井液与地层直接接 触，接触面越大，口越小H的变化直接影响 取样电阻口两端记录的电压％。

6. 2套管质量检查实例图3电流测井检查套管线路示意图图4实际电流测井曲线图4是一条实际的电流测井曲线，检查套 管完好情况测量是从井底往上捉升中进行 的从图中看出，曲线在38m附近出现一个台 阶，这是电极A到达静水位，从井液中出来， 供电电流突然消失眦时电路断开）所造成的 虽然电极A离开井液，但因塑料管壁附着一层 水膜，致使电路中仍有微弱的电流存在，加上 井液同电极A发生化学作用，造成AB间仍有 一定电位差存在，所以38m以上g仍不为0随着电极A深度增加，套管排斥电流作用减 弱，几逐渐减小，曲线缓慢上升继续下放，电极A接近不锈钢变径接头，由于不锈钢是 良导体，所以一部份电流全从该处流入地层，使口迅速变小，电路电流增加，在102m处 出现极大值当A进入146—165m地段时，出现幅值大小不同的四个异常，说明在146. 61m、 151.23m、15和164. 39m处存在着大小不同的破损，峰值大说明破损大，反之，破损 小曲线从165〜185m比较平直，说明此段电流比较稳定，趋于饱和当电极A接近过滤 管时，排斥电流作用逐渐减弱，屯流主要从过滤管进入地层，此时叫逐渐变小，曲线开始 上升当电极A到达过滤管时，套管排斥电流作用近似消失，而井液与地层的接触面增大, 口最小，烁最大。

在过滤管段出现高的平台异常，这一段就是过滤管的冇效长度测定的 过滤管是从191.25〜199. 5m实际安装过滤管的位置为189. 89〜199. 36m,长9.47m除电流测井检查套管质量好坏外，还可应用温度测井和流量测井作为辅助手段。