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【摘 要】 矿井建设和生产的过程中，表土含水层的水位正在逐渐的下降，土体中效应力的不断增加，进一步的引起井筒周围土层固结的沉降，使井筒受到的竖向荷载加大，地层不断的沉降，竖向的附加力就会逐渐的增大，会直接的导致井壁因强度不足而遭遇到破坏。因此，钻井井壁竖向补强接头的应用显得十分的重要。
【关键词】 钻井井壁;井壁结构;补强接头;信湖煤矿
钻井井壁结构的设计过程中，水平侧压力的作用是很重要的。井筒穿过地质条件比较复杂的地区，会出现很多的问题。当井壁结构竖向出现拉应力时，节间只通过法兰盘之间的焊缝连接，竖向抗拉强度会变差，在竖向方向井壁结构极容易被拉裂，所以会井筒会存在安全隐患，进而带来不利影响。正是由于以上的原因。我们在传统的井壁结构研究基础之上，对钻井井壁的竖向抗拉方面采取了一些必要的措施。即补强措施。
一、钻井凿井法
位于安徽省亳州市涡阳县境内的信湖煤矿，设计年生产能力300万吨。工业广场内布置有主井、副井和风井共三个井筒，穿过表土冲积层厚度约430米，井筒设计净直径分别为Φ6.0m、Φ8.1m和Φ7.0m，其中主井和风井井筒表土段及基岩分化带一般会采用钻井法来进行施工。信湖矿风井在层位累深415m的位置设置竖向可缩性井壁接头1个，各接头设计参数：井壁接头高400mm，上下法兰盘厚30mm，弧板厚25mm，内外立板厚40mm。
钻井凿井法是利用大型钻井机直接钻凿立井的方法。从小到大分次钻凿或者一次钻凿出符合设计要求的井筒。在钻进的时候，用循环泥浆进行冲洗钻具，进而带出岩屑，并借泥浆的静压力保护井帮防止塌落。钻至设计的深度后，提起钻具再下沉井壁和壁后充填。此法适用于各种复杂地地层中凿井。与其它特殊凿井法相比，钻井凿井法具有施工安全性能好、成井的质量高、机械化的程度高、节省材料、成本较低、在冲积层中凿井技术经济效果好等优点。
在钻井井壁结构设计计算时，随井筒穿过地质条件的复杂性，当井壁结构竖向出现拉应力时，竖向抗拉强度差，井壁结构在竖向方向易被拉裂，对井筒的安全使用存在不利影响，传统井壁结构存在很多的安全隐患。为此在传统井壁结构研究基础上，对信湖煤矿主、风井钻井井壁的竖向抗拉方面，采取补强措施显得更加紧迫了。
二、钻井井壁竖向补强的依据
按照等强设计原则，钻井井壁节间竖向连接加强设计计算，也就是说节间法兰盘处连接抗拉强度不小于上节井壁自身的竖向抗拉强度。
在多方案的对比，选择采用在井壁筒外表面法兰盘处加焊竖向连接钢板条，即通过焊接钢板条的方法来弥补法兰盘处焊缝自身强度的不足，其中计算公式如下：
（1）井壁结构抗拉极限强度为：
（1）
—井壁结构自身抗拉强度，N;
—分别为井壁内层、外层钢板截面积，mm2;
—钢板抗拉强度，MPa;
—混凝土抗拉强度，MPa;
—井壁混凝土面积，mm2。
（2）连接法兰盘抗拉强度为：
（2）
—井壁连接法兰盘抗拉强度，N;
—分别为井壁连接法兰盘内、外侧焊缝截面积，mm2。
（3）连接法兰盘处井壁表面加焊竖向钢板条后井壁连接强度：
（3）
—加强后法兰盘处井壁竖向连接结构，N;
—分别为井壁连接结构内、外层焊缝截面积，mm2;
—井壁外表面加焊的竖向钢板条抗拉强度，MPa;
—井壁外表面加焊的竖向钢板条总截面积，mm2。
补强设计原则要求：公式（3）计算值》公式（1）计算值
三、钻井井壁竖向补强方案
根据上面的计算原则和风井施工图，经计算结果如下。
1、21-43节井壁，加焊材料采用Q345、20mm钢板，外侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×14块，径向均布;内侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×4块，其布置位置可根据井壁下沉施工时内侧管路情况作适当调整，当加焊钢板弧长变化时，但总长度保持不变;以下内侧加焊钢板布置原则相同。
2、6-20节井壁，加焊材料采用Q345、20mm厚钢板，外侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×15块，径向均布;内侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×4块。
3、2-5节井壁，加焊材料采用Q345、20mm钢板，外侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×14块，径向均布;内侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×4块。
补强接头示意图如下：
图1 原井壁对接、补强改进示意图
四、钻井井壁竖向补强接头的施工工艺及质量控制
1、钻井井壁竖向补强接头的施工工艺工艺流程
2、钻井井壁竖向补强接头的质量控制
其一是焊接应选择与之材质相对应的焊条。选择焊条要根据焊条与母材化学成分的匹配程度而定。焊条与母材化学成分相似（不是相同而是符合）便减小了母材稀释潜在的不良影响，其中包括局部腐蚀。选择焊条要能增强金属的焊接性，焊接性的主要表现是能获得无裂纹的焊件。对于高强钢，我们主要关心的是在焊缝金属和焊接热影响区如何防止氢裂纹，却很少关注如何防止凝固裂纹。通常焊缝中凝固裂纹的产生是由于硫、磷杂质沿焊缝中心线的偏析造成的。控制杂质含量（硫和磷，各自最大含量为0.01wt%）和焊条中微量元素的含量，以及通过控制行驶速度来控制焊接凝固条件，都能避免焊缝中凝固裂纹的产生。焊条多用于造船、锅炉及压力容器、机械制造、建筑结构、化工设备等制造维修行业中。适用于各种金属材料、各种厚度、各种结构形状的焊接。
其二是依据补强设计原则要求法兰盘处内、处侧焊缝厚度不小于12mm。因此，在现场施工时要避免过去法兰盘处焊接为点接触不利情况，应打坡口确保焊縫质量。补强金属集中在开孔最大的部分，能最有效的降低应力集中的系数，可采用对接焊缝，极易探伤，质量容易保障，抗疲劳性好。补强材料一般需要与壳体材料相同，若补强的材料许用应力小于壳体材料与补强材料许用应力之比而增强。
图2 原施工法兰焊接缺陷及改进措施示意图
其三是法兰盘是指护栏网的立柱底座，所谓焊法兰盘就是指把立柱焊接在底座上，以求稳定。法兰盘处焊接完成之后，首先要将药皮清理干净，不能留下残污。由施工方、监理方与甲方这三方对焊缝进行必要的外观检查，然后再采用节间注浆的方式对焊缝的砂岩进行必要的检查，对焊缝的微裂纹进行一定的检查，使得在焊接过程中存在的问题得以及时的补焊，最终符合一定的要求。
其四是安装时，焊接产品符合设计技术要求的程度。焊接质量不仅影响焊接产品的使用性能和寿命，更重要的是影响人身和财产安全。补强接头要保证补强钢板与井壁外壁贴实，有缝隙则应采用千斤顶进行辅助工作，进一步的保证补强接头的焊接的质量。焊接完成后将药皮清理干净，用环氧树脂对焊缝进行防腐的处理。
图3 补强接头现场施工照片
未来的焊接工艺发展方向，一要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源;运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。其二要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制;研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机。在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。
该结构可有效衰减作用在井壁上的竖向附加力，确保井筒运营安全，有效地防止井壁破裂，节省后期维修井筒的费用，从而降低了井筒总造价。补强接头的应用，解决了传统井壁结构竖向抗拉强度差，井壁结构在竖向方向极易被拉裂，对井筒的安全使用存在的潜在隐患。
参考文献：
[1]闫国宁.钻井井壁漂浮下沉竖向稳定性控制技术研究[D].安徽理工大学，2012.
[2]余文文.钻井井壁新型竖向连接结构研究[D].安徽理工大学，2011.
[3]蒋万军.泥浆中超深钻井井壁竖向稳定研究[D].同济大学，2008.
[4]裴庆夏，姚直书，张永坤.信湖煤矿钻井井筒可缩性井壁接头设计及数值模拟研究[J].煤炭工程，2012，03：9-11.
【关键词】 钻井井壁;井壁结构;补强接头;信湖煤矿
钻井井壁结构的设计过程中，水平侧压力的作用是很重要的。井筒穿过地质条件比较复杂的地区，会出现很多的问题。当井壁结构竖向出现拉应力时，节间只通过法兰盘之间的焊缝连接，竖向抗拉强度会变差，在竖向方向井壁结构极容易被拉裂，所以会井筒会存在安全隐患，进而带来不利影响。正是由于以上的原因。我们在传统的井壁结构研究基础之上，对钻井井壁的竖向抗拉方面采取了一些必要的措施。即补强措施。
一、钻井凿井法
位于安徽省亳州市涡阳县境内的信湖煤矿，设计年生产能力300万吨。工业广场内布置有主井、副井和风井共三个井筒，穿过表土冲积层厚度约430米，井筒设计净直径分别为Φ6.0m、Φ8.1m和Φ7.0m，其中主井和风井井筒表土段及基岩分化带一般会采用钻井法来进行施工。信湖矿风井在层位累深415m的位置设置竖向可缩性井壁接头1个，各接头设计参数：井壁接头高400mm，上下法兰盘厚30mm，弧板厚25mm，内外立板厚40mm。
钻井凿井法是利用大型钻井机直接钻凿立井的方法。从小到大分次钻凿或者一次钻凿出符合设计要求的井筒。在钻进的时候，用循环泥浆进行冲洗钻具，进而带出岩屑，并借泥浆的静压力保护井帮防止塌落。钻至设计的深度后，提起钻具再下沉井壁和壁后充填。此法适用于各种复杂地地层中凿井。与其它特殊凿井法相比，钻井凿井法具有施工安全性能好、成井的质量高、机械化的程度高、节省材料、成本较低、在冲积层中凿井技术经济效果好等优点。
在钻井井壁结构设计计算时，随井筒穿过地质条件的复杂性，当井壁结构竖向出现拉应力时，竖向抗拉强度差，井壁结构在竖向方向易被拉裂，对井筒的安全使用存在不利影响，传统井壁结构存在很多的安全隐患。为此在传统井壁结构研究基础上，对信湖煤矿主、风井钻井井壁的竖向抗拉方面，采取补强措施显得更加紧迫了。
二、钻井井壁竖向补强的依据
按照等强设计原则，钻井井壁节间竖向连接加强设计计算，也就是说节间法兰盘处连接抗拉强度不小于上节井壁自身的竖向抗拉强度。
在多方案的对比，选择采用在井壁筒外表面法兰盘处加焊竖向连接钢板条，即通过焊接钢板条的方法来弥补法兰盘处焊缝自身强度的不足，其中计算公式如下：
（1）井壁结构抗拉极限强度为：
（1）
—井壁结构自身抗拉强度，N;
—分别为井壁内层、外层钢板截面积，mm2;
—钢板抗拉强度，MPa;
—混凝土抗拉强度，MPa;
—井壁混凝土面积，mm2。
（2）连接法兰盘抗拉强度为：
（2）
—井壁连接法兰盘抗拉强度，N;
—分别为井壁连接法兰盘内、外侧焊缝截面积，mm2。
（3）连接法兰盘处井壁表面加焊竖向钢板条后井壁连接强度：
（3）
—加强后法兰盘处井壁竖向连接结构，N;
—分别为井壁连接结构内、外层焊缝截面积，mm2;
—井壁外表面加焊的竖向钢板条抗拉强度，MPa;
—井壁外表面加焊的竖向钢板条总截面积，mm2。
补强设计原则要求：公式（3）计算值》公式（1）计算值
三、钻井井壁竖向补强方案
根据上面的计算原则和风井施工图，经计算结果如下。
1、21-43节井壁，加焊材料采用Q345、20mm钢板，外侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×14块，径向均布;内侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×4块，其布置位置可根据井壁下沉施工时内侧管路情况作适当调整，当加焊钢板弧长变化时，但总长度保持不变;以下内侧加焊钢板布置原则相同。
2、6-20节井壁，加焊材料采用Q345、20mm厚钢板，外侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×15块，径向均布;内侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×4块。
3、2-5节井壁，加焊材料采用Q345、20mm钢板，外侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×14块，径向均布;内侧加焊钢板规格为：弧长1.28m×0.3m×4块。
补强接头示意图如下：
图1 原井壁对接、补强改进示意图
四、钻井井壁竖向补强接头的施工工艺及质量控制
1、钻井井壁竖向补强接头的施工工艺工艺流程
2、钻井井壁竖向补强接头的质量控制
其一是焊接应选择与之材质相对应的焊条。选择焊条要根据焊条与母材化学成分的匹配程度而定。焊条与母材化学成分相似（不是相同而是符合）便减小了母材稀释潜在的不良影响，其中包括局部腐蚀。选择焊条要能增强金属的焊接性，焊接性的主要表现是能获得无裂纹的焊件。对于高强钢，我们主要关心的是在焊缝金属和焊接热影响区如何防止氢裂纹，却很少关注如何防止凝固裂纹。通常焊缝中凝固裂纹的产生是由于硫、磷杂质沿焊缝中心线的偏析造成的。控制杂质含量（硫和磷，各自最大含量为0.01wt%）和焊条中微量元素的含量，以及通过控制行驶速度来控制焊接凝固条件，都能避免焊缝中凝固裂纹的产生。焊条多用于造船、锅炉及压力容器、机械制造、建筑结构、化工设备等制造维修行业中。适用于各种金属材料、各种厚度、各种结构形状的焊接。
其二是依据补强设计原则要求法兰盘处内、处侧焊缝厚度不小于12mm。因此，在现场施工时要避免过去法兰盘处焊接为点接触不利情况，应打坡口确保焊縫质量。补强金属集中在开孔最大的部分，能最有效的降低应力集中的系数，可采用对接焊缝，极易探伤，质量容易保障，抗疲劳性好。补强材料一般需要与壳体材料相同，若补强的材料许用应力小于壳体材料与补强材料许用应力之比而增强。
图2 原施工法兰焊接缺陷及改进措施示意图
其三是法兰盘是指护栏网的立柱底座，所谓焊法兰盘就是指把立柱焊接在底座上，以求稳定。法兰盘处焊接完成之后，首先要将药皮清理干净，不能留下残污。由施工方、监理方与甲方这三方对焊缝进行必要的外观检查，然后再采用节间注浆的方式对焊缝的砂岩进行必要的检查，对焊缝的微裂纹进行一定的检查，使得在焊接过程中存在的问题得以及时的补焊，最终符合一定的要求。
其四是安装时，焊接产品符合设计技术要求的程度。焊接质量不仅影响焊接产品的使用性能和寿命，更重要的是影响人身和财产安全。补强接头要保证补强钢板与井壁外壁贴实，有缝隙则应采用千斤顶进行辅助工作，进一步的保证补强接头的焊接的质量。焊接完成后将药皮清理干净，用环氧树脂对焊缝进行防腐的处理。
图3 补强接头现场施工照片
未来的焊接工艺发展方向，一要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源;运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。其二要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制;研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机。在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。
该结构可有效衰减作用在井壁上的竖向附加力，确保井筒运营安全，有效地防止井壁破裂，节省后期维修井筒的费用，从而降低了井筒总造价。补强接头的应用，解决了传统井壁结构竖向抗拉强度差，井壁结构在竖向方向极易被拉裂，对井筒的安全使用存在的潜在隐患。
参考文献：
[1]闫国宁.钻井井壁漂浮下沉竖向稳定性控制技术研究[D].安徽理工大学，2012.
[2]余文文.钻井井壁新型竖向连接结构研究[D].安徽理工大学，2011.
[3]蒋万军.泥浆中超深钻井井壁竖向稳定研究[D].同济大学，2008.
[4]裴庆夏，姚直书，张永坤.信湖煤矿钻井井筒可缩性井壁接头设计及数值模拟研究[J].煤炭工程，2012，03：9-11.