煤礦水患治理井鑽井方法與流程
2023-04-25 05:47:01
本發明涉及防治水多分支水平井鑽井技術領域，特別涉及一種煤礦水患治理井鑽井方法。
背景技術：
煤礦水害是礦井生產過程中常見的一種災害，是指在坑道裡採煤的時候，挖穿洞壁接通地下水或者積水的廢棄坑道，影響礦山工程施工的進度和質量，惡化工人的工作環境，給煤礦生產帶來不安全因素，嚴重的發生淹井事故，造成生命和財產的重大損失。防治水是煤礦生產作業中一項非常重要的工作，在現有的施工中，採用套管技術，技套一般下至煤底板以下10米，常常在鑽進及掃孔時發生垮塌，當改變技套下至奧灰下4米，能封固住上部易坍塌井段，但由於套管下得深，無法再進行其他水平分支的施工。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種在一個井場施工兩個以上的多分支水平井及定向井，利用割套管技術，重複利用一口井的上部井段，通過改變不同的造斜點位置，實現鑽多分支水平叢式井；同時在水平段的奧陶系灰巖鑽進出現嚴重漏失時，採用稀漿液和稠漿液雙密度注漿液在地面進行注漿，漿液對含水層進行加固。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種煤礦水患治理井鑽井方法，步驟一：開井眼至直井段，即一開，在井眼內下表層套管固井；步驟二：在直井段下部進行側向井口施工，即二開主支，並下技術套管固井；步驟三：在側向井口下部進行多分支水平從式井施工即三開；步驟四：在多分支水平井施工過程中發生井漏時，由地面井眼向側向井套管口注漿堵漏；步驟五：當一個側鑽井口下部的多分支水平從式井全部施工完成後,對技術套管套鞋以下裸眼段打水泥塞封固；步驟六：對技術套管進行套管切割並起出切割點以上套管，步驟七：對原技術套鞋以上、側鑽點以下井段打水泥塞封固；步驟八：從側鑽點側鑽進行下一側向井口施工，即二開主支，並下技術套管固井，且逐一進行三開多分支水平從式井的施工；步驟九：重複步驟二至步驟八，逐一完成多分支水平井的套管切割、注漿堵漏。
所述步驟二，將技術套管套鞋以上300米的套管用水泥封固，採用防塌鑽井液封住地面至環空水泥塞面。
所述步驟六的套管切割包括以下步驟：
1)下入水力割刀前準備：全面檢查水力割刀各個部件，入井之前做好地面實驗，記錄排量、泵壓，檢查開泵各刀翼工作狀態、停泵收刀情況及收刀時間，並做好記錄；2)下入水力割刀切割套管：清理井口，將連接好的割刀和鑽杆組合鑽具下入水平分支井，於水泥塞塞面位置在所割套管位置以上50m處進行切割；3)切割完畢，起出工具，再起割斷套管；4)重複步驟1)至4)，逐一進行多個分支水平井的套管切割。
入水力割刀中途禁止開泵；鑽具下到切割位置時，以5-10r/min緩慢轉動鑽具，開泵切割，逐漸將轉速增加到20-30r/min，觀察扭矩及泵壓變化，當扭矩減小、泵壓降低，轉動扭矩不再增加時，套管被切割斷，此時停泵、起鑽。
所述步驟四，由地面井眼向側井套管口注漿堵漏的方法包括1)注漿材料的選擇；2)純水泥漿的製漿；3)注漿程序；4)注漿參數的確定。
所述注漿材料有純水泥漿、粘土漿、粘土水泥漿及粘土粉煤灰水泥漿；所述注漿程序分為分段注漿或連續注漿；所述注漿參數包括注漿壓力、注漿排量、注漿密度和注漿結束標準。
所述注漿材料優選為單液水泥漿，r325礦渣矽酸水泥，水灰配比為3:1～1:1；或採用部分粉煤灰，水泥和粉煤灰按1:1～1:3配比。
所述注漿程序優選井口吊灌式連續注漿模式，包括：1)衝洗管線，2)注漿管路試壓，3)向孔內壓水試驗，4)注漿，5)向孔內替水；所述向孔內壓水試驗採用由小泵量逐級增加到最大泵量壓水,小泵量壓水時間不低於0.5小時，最大泵量級壓水時間不低於1小時；所述向孔內替水其總水量為注漿管路總容積的1--1.5倍。
所述注漿壓力由注漿泵的壓力、漿液的自重力、管路的阻力和靜水壓力組成，優選高壓注漿模式，注漿結束標誌為注漿壓力達到12mpa；所述注漿密度選擇水泥漿密度在1.15—1.30g/cm3之間；所述注漿結束標準：注漿終止壓力為12mpa，結束泵排量為200l/min，穩壓30分鐘。
所述水力割刀本體由上自下依次為上接頭、外筒、刀頭和底部，所述外筒內設有噴嘴)、活塞、復位彈簧和進刀杆，所述刀頭的柄部與進刀杆相連，在活塞的作用下伸出本體；所述底部設有扶正塊。
本發明的有益效果是：通過改變造斜點位置，實現鑽多分支水平叢式井的目的，減少了土地使用，縮短了施工周期，節約鑽井綜合成本；與常規井下注漿相比，在地面將不同密度的漿液通過鑽孔注入含水層，具有安全、治理效果佳、準確性高和深度更廣等優點。
附圖說明
圖1是水力割刀示意圖，
圖2是井身結構示意圖。
其中：
1、表層套管、2、已施工完成的第一口井2、正在施工的第二口井
2-1、水泥塞2-2、割斷的套管
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明：
本發明適用於多分支水平叢式井。施工中涉及的主要鑽井技術是割套管技術+地面注漿堵漏技術。根據防治水井施工要求，在一個井場施工兩個以上的多分支水平井及定向井，利用割套管技術，重複利用一口井的上部井段，改變不同的造斜點位置，實現鑽多分支水平叢式井的目的；同時在水平段的奧陶灰巖鑽進出現嚴重漏失時，採用稀漿液和稠漿液雙密度注漿方案，在地面進行注漿，漿液流入含水層，以「最大量注漿，最大範圍擴散，最大限度充填」為目的，對含水層加固和改造，以達到防治水目的。
煤礦水患治理井鑽井方法，步驟一：開井眼至直井段為一開，在井眼內下表層套管固井；步驟二：在直井段下部進行側向井口為二開主支施工並下技術套管固井；步驟三：在側向井口下部進行多分支水平從式井為三開分支施工；步驟四：在多分支水平井施工過程中發生井漏時，由地面井眼向側向井套管口注漿堵漏；步驟五：當一個側鑽井口下部的多分支水平從式井全部施工完成後,對技術套管套鞋以下裸眼段打水泥塞封固；步驟六：對技術套管進行套管切割並起出切割點以上套管，步驟七：對原技術套鞋以上、側鑽點以下井段打水泥塞封固；步驟八：從側鑽點側鑽進行下一側向井口即二開主支施工並下技術套管固井，且逐一進行三開多分支水平從式井的施工；步驟九：重複步驟二至步驟八，逐一完成多分支水平井的套管切割、注漿堵漏。
具體實施方式
如圖2所示，防治水井割套管工藝技術實施分為兩個階段：第一階段下套管固井；第二階段下入水力割刀切割套管，起出套管，打水泥塞。以φ177.8mm套管為例，具體實施步驟為：
(1)聯接管串：引鞋與套管
(2)下入管串；
(3)套管下完，循環洗井，調整泥漿性能；
(4)注入防塌鑽井液，注水泥漿，只封固套鞋以上300米；
(5)替入計算好的泥漿量，替漿至套鞋，憋壓侯凝；
(6)多分支水平井三開進尺全部完成後，打水泥塞從井底封固至套鞋。
(7)全面檢查水力割刀的性能，確保下井工具性能良好。
(8)清理井口，連接水力割刀工具鑽具組合，井口試驗，記錄泵壓及收刀時間。下鑽過程中嚴禁開泵循環泥漿。鑽具下到設計井深，避開套管接箍位置，井斜最好在5°左右，以5-10r/min緩慢轉動鑽具，開泵切割，逐漸將轉速增加到20-30r/min，觀察扭矩及泵壓變化，當扭矩減小、泵壓降低，轉動扭矩不再增加時，說明套管被切割斷。停泵，起鑽。收刀時注意停泵等待一段時間，起鑽注意觀察指重表懸重變化，避免掛套管造成意外事故，起出工具，再起割斷套管。
(9)下入光鑽杆，打水泥塞候凝，水泥塞塞面位置在所割套管位置以上50m。
(10)待水泥塞候凝好，下定向工具側鑽，進行下一口井的施工。
水力割刀如圖1所示，本體由上自下依次為上接頭1、外筒2、刀頭3和底部4，所述外筒2內設有噴嘴2-1、活塞2-2、復位彈簧2-3和進刀杆2-4，所述刀頭3的柄部與進刀杆2-4相連，活塞2-2受噴嘴2-1噴發液體的動力使活塞杆伸出，推動進刀杆2-4向下運動，進刀杆2-4將刀頭3頂出本體進行切割工作，噴嘴2-1停止噴液後活塞杆收縮，此時，復位彈簧2-3將刀頭3復位；所述底部4設有扶正塊4-1。
重複利用原井眼地面注漿堵漏技術
通過合理布設的大量的注漿孔，在地面通過鑽孔向直接威脅煤層安全開採的含水層大量灌注水泥漿液，水泥漿液沿著巖溶裂縫擴散、凝結，充填裂縫，把其中的水置換出來，使之不含水或弱含水，改變含水層的含水性。漿液在注漿壓力作用下,沿著灰巖的破碎帶向奧灰水補給薄層灰巖的通道運移擴散、凝結,堵塞或縮小導水通道,消除或減少奧灰水對薄層灰巖的補給量。漿液在注漿壓力作用下,通過灰巖沿著煤層底板裂縫運移擴散、凝結,充塞導水裂隙,加固強化底板、堵塞含水層接受補給的通道。
1.注漿材料的選擇：
注漿材料是含水層注漿改造技術的重要組成部分。注漿改造是以「最大量注漿，最大範圍擴散，最大限度充填」為目的。注漿之所以能對含水層進行加固和改造，是由於注漿材料通過注漿孔進入含水層的空隙中由液相變為固相的結果。一般情況下，如果一種材料能變成漿液進入含水層空隙後再進行固結的都可以作為含水層注漿改造的材料。對注漿材料的基本要求是:
(1)漿液能從液態變為固態；
(2)漿液粘度低,細度高,可注性好,凝結時間可調,能達到最大範圍的擴散；
(3)漿液結石率高,穩定性好,結石在水中長期浸泡不發生相變；
(4)漿液無毒,無臭,對環境不汙染,對人體無害；
(5)結石抗滲性能好,塑性強度較高,不能從巖溶裂隙中被水壓擠出；
(6)漿液對注漿設備、注漿管路無腐蝕作用,並易清洗；
(7)取材容易,運輸方便,價格低廉；
(8)漿液製造及灌注工藝簡單,容易操作。
根據上述要求,注漿改造所採用的材料,有單相的和多相的。單相的有純水泥漿、粘土漿；多相的有粘土水泥漿及粘土粉煤灰水泥漿。
在裂縫發育方向漿液可以擴散幾百米甚至上千米，而在非裂縫發育方向上漿液基本不能擴散，因此要準確的預計漿液擴散距離是很難的，峰峰礦區漿液擴散半徑為10-20米。
本項目注漿材料為單液水泥漿，r325礦渣矽酸水泥。水灰配比為3:1～1:1，在遇較大裂縫或溶洞時漿液流失量大，可考慮採用部分粉煤灰，水泥和粉煤灰按1:1～1:3配比。若遇陷落柱時，根據情況專門制定注漿設計。
2.純水泥漿的製漿：
製漿採用水泥車連續製漿工藝，採用水泥車加灰罐代替臨時注漿站，節省了建注漿站的費用。水泥車注漿，可對注漿參數實時監控、準確控制，對注漿量及上壓情況實時監測，能夠根據漏失量大小隨時調整注漿方案，實現攪拌水泥零排放，無汙染，安全環保。主要設備有水泥車、水泥立罐、水泥灰罐車等配套設施及工具，取得了良好注漿效果。
3.注漿方法及注漿程序：
分段注漿就是一個注漿孔分幾段注漿，一般採取下行式。分段注漿的條件是：(1)鑽孔水量大，繼續鑽進困難；(2)鑽孔注漿段塌孔嚴重，難以繼續鑽進。
連續注漿就是每一個注漿孔的注漿，從開始注漿到達到注漿結束的標準，不停的灌注。這期間可以按照需要調整泵量、泵壓、漿液密度。這種注漿方法是含水層大面積注漿改造最常用的方法。這種方法有以下優點：(1)連續注漿漿液擴散距離遠，裂隙被充填密實，注漿質量好。(2)注漿輔助時間少，重複工作量小，注漿效率高。
井口安裝水泥頭，吊灌式注漿，優點是不需要下鑽具，避免了卡鑽風險，節約起下鑽時間，缺點是水泥塞面不好控制。
下入光鑽杆注漿，優點是能夠控制水泥塞面，減少掃塞風險和掃塞時間，缺點是卡鑽風險大。
本項目採取的是井口吊灌式連續注漿模式，節約時間及成本，減少卡鑽風險。
連續式注漿程序為：
(1)衝洗管線。
(2)注漿管路試壓。
(3)向孔內壓水試驗。壓水的目的是了解鑽孔吃漿量，為選擇注漿泵量及漿液密度提供依據，疏通、擴張裂縫，為注漿提供暢通的裂隙通道。一般情況下採用由小泵量逐級增加到最大泵量的方法壓水。壓水時井口安設壓力表，隨時觀測壓力的變化情況。壓水時間不低於0.5小時，最大泵量級壓水時間不小於1小時。若鑽孔漏失量大，可以直接用最大泵量壓水。
(4)注漿。注漿過程中，泵量、泵壓、漿液密度可以根據需要進行調整。當達到注漿結束標準時，停止注漿，進行下一步施工。
(5)向孔內替水。向孔內壓水的總水量為注漿管路總容積的1--1.5倍。注漿作業施工結束。
4.注漿參數的確定：
(1)注漿壓力
注漿壓力是推動漿液在注漿孔內及巖層裂縫中移動、充填、壓實的外力。它是由注漿泵的壓力，漿液的自重力，管路的阻力，靜水壓力組成。注漿壓力作用是推動漿液在裂縫中擴散，充填；使漿液脫水；促使漿液固結；可以擴展裂縫。
注漿壓力的確定：要綜合分析擴散範圍、結石強度、底板抗壓能力、水壓力、目的層上覆地層的最大地應力等,一般可用下式確定:
pb＝n·(plx+pgx+ps+ph)<kp
式中:pb:終止壓力。
plx:漿液達到設計擴散範圍在裂隙中擴散的損失壓力。
pgx:漿液在管路運行中的損失壓力。
ps:靜水壓力。
ph:漿液柱的靜壓。
kp:煤層底板的抗張強度或目的層上覆地層的最大地應力。
n:調節係數,n≥1。
一般情況下，注漿壓力是注漿目的層(含水層)水壓的2—5倍。這是當前多個礦區通常採用的標準。
高壓注漿是注漿壓力超過10mpa，而且接近或達到注漿目的層上覆地層的最大地應力。高壓注漿的優點：它可以增加注漿量，提高注漿質量；可以增加漿液的擴散距離，減少注漿孔數量；可以提高漿液的結石體強度，對裂縫充填的更密實；可以更大的擴展裂隙，使一些細小的本來不進漿或進漿量少的裂縫大量進漿，較粗顆粒的漿液也可以進入細小的裂縫；可以溝通注漿孔沒有直接揭露的裂縫和溶洞；可以擠密加固地層。
注漿壓力的選擇，從原來的注漿終止壓力10.0mpa改為：400l/min排量注漿，壓力達到8.0mpa後立即替漿，終止壓力達到10.0mpa，達到了注漿終壓不小於10.0mpa的要求。從掃塞效果上看，後期掃塞狀況有明顯好轉，後期注漿需注意注漿壓力變化趨勢，防止壓力過高憋漏地層，造成井內水泥塞過多，掃塞困難。
本項目採用高壓注漿模式，注漿結束標誌為注漿壓力達到10mpa。
(2)注漿排量。注漿排量的大小是根據鑽孔水量，鑽孔吃漿量，注漿壓力及管路輸漿能力來確定的。一般鑽孔吃漿量大，壓力小，用大泵量，吃漿量小，壓力大，用小泵量，單孔注漿結束時都用小泵量。小泵量運行時間不能過長，時間過長容易堵塞管路。大泵量注漿的泵量也不能太大，太大了升壓快，漿液沒有充分進入細小裂縫需要的時間。本項目根據注漿壓力，排量一般在200--1200l/min之間。
(3)漿液密度。漿液密度反映了水泥在漿液中的含量，漿液密度越小，相同條件下擴散越遠。但漿液的密度太小，注漿時間長，漿液固結慢，影響注漿的進度和質量。因此需要合理確定漿液密度。確定漿液密度的基本原則是：鑽孔吃漿量大，先用稀漿液，壓力達到接近注漿結束的標準，改用稠漿液。
本項目選擇水泥漿密度在1.15—1.30g/cm3之間，先低後高，以利於提高注漿質量。
注漿結束標準：注漿終止壓力為12mpa，結束泵排量為200l/min，穩壓30分鐘。