煤矿水患治理井钻井方法与流程

本发明涉及防治水多分支水平井钻井技术领域，特别涉及一种煤矿水患治理井钻井方法。

背景技术：

煤矿水害是矿井生产过程中常见的一种灾害，是指在坑道里采煤的时候，挖穿洞壁接通地下水或者积水的废弃坑道，影响矿山工程施工的进度和质量，恶化工人的工作环境，给煤矿生产带来不安全因素，严重的发生淹井事故，造成生命和财产的重大损失。防治水是煤矿生产作业中一项非常重要的工作，在现有的施工中，采用套管技术，技套一般下至煤底板以下10米，常常在钻进及扫孔时发生垮塌，当改变技套下至奥灰下4米，能封固住上部易坍塌井段，但由于套管下得深，无法再进行其他水平分支的施工。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在一个井场施工两个以上的多分支水平井及定向井，利用割套管技术，重复利用一口井的上部井段，通过改变不同的造斜点位置，实现钻多分支水平丛式井；同时在水平段的奥陶系灰岩钻进出现严重漏失时，采用稀浆液和稠浆液双密度注浆液在地面进行注浆，浆液对含水层进行加固。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤矿水患治理井钻井方法，步骤一：开井眼至直井段，即一开，在井眼内下表层套管固井；步骤二：在直井段下部进行侧向井口施工，即二开主支，并下技术套管固井；步骤三：在侧向井口下部进行多分支水平从式井施工即三开；步骤四：在多分支水平井施工过程中发生井漏时，由地面井眼向侧向井套管口注浆堵漏；步骤五：当一个侧钻井口下部的多分支水平从式井全部施工完成后,对技术套管套鞋以下裸眼段打水泥塞封固；步骤六：对技术套管进行套管切割并起出切割点以上套管，步骤七：对原技术套鞋以上、侧钻点以下井段打水泥塞封固；步骤八：从侧钻点侧钻进行下一侧向井口施工，即二开主支，并下技术套管固井，且逐一进行三开多分支水平从式井的施工；步骤九：重复步骤二至步骤八，逐一完成多分支水平井的套管切割、注浆堵漏。

所述步骤二，将技术套管套鞋以上300米的套管用水泥封固，采用防塌钻井液封住地面至环空水泥塞面。

所述步骤六的套管切割包括以下步骤：

1)下入水力割刀前准备：全面检查水力割刀各个部件，入井之前做好地面实验，记录排量、泵压，检查开泵各刀翼工作状态、停泵收刀情况及收刀时间，并做好记录；2)下入水力割刀切割套管：清理井口，将连接好的割刀和钻杆组合钻具下入水平分支井，于水泥塞塞面位置在所割套管位置以上50m处进行切割；3)切割完毕，起出工具，再起割断套管；4)重复步骤1)至4)，逐一进行多个分支水平井的套管切割。

入水力割刀中途禁止开泵；钻具下到切割位置时，以5-10r/min缓慢转动钻具，开泵切割，逐渐将转速增加到20-30r/min，观察扭矩及泵压变化，当扭矩减小、泵压降低，转动扭矩不再增加时，套管被切割断，此时停泵、起钻。

所述步骤四，由地面井眼向侧井套管口注浆堵漏的方法包括1)注浆材料的选择；2)纯水泥浆的制浆；3)注浆程序；4)注浆参数的确定。

所述注浆材料有纯水泥浆、粘土浆、粘土水泥浆及粘土粉煤灰水泥浆；所述注浆程序分为分段注浆或连续注浆；所述注浆参数包括注浆压力、注浆排量、注浆密度和注浆结束标准。

所述注浆材料优选为单液水泥浆，r325矿渣硅酸水泥，水灰配比为3:1～1:1；或采用部分粉煤灰，水泥和粉煤灰按1:1～1:3配比。

所述注浆程序优选井口吊灌式连续注浆模式，包括：1)冲洗管线，2)注浆管路试压，3)向孔内压水试验，4)注浆，5)向孔内替水；所述向孔内压水试验采用由小泵量逐级增加到最大泵量压水,小泵量压水时间不低于0.5小时，最大泵量级压水时间不低于1小时；所述向孔内替水其总水量为注浆管路总容积的1--1.5倍。

所述注浆压力由注浆泵的压力、浆液的自重力、管路的阻力和静水压力组成，优选高压注浆模式，注浆结束标志为注浆压力达到12mpa；所述注浆密度选择水泥浆密度在1.15—1.30g/cm3之间；所述注浆结束标准：注浆终止压力为12mpa，结束泵排量为200l/min，稳压30分钟。

所述水力割刀本体由上自下依次为上接头、外筒、刀头和底部，所述外筒内设有喷嘴)、活塞、复位弹簧和进刀杆，所述刀头的柄部与进刀杆相连，在活塞的作用下伸出本体；所述底部设有扶正块。

本发明的有益效果是：通过改变造斜点位置，实现钻多分支水平丛式井的目的，减少了土地使用，缩短了施工周期，节约钻井综合成本；与常规井下注浆相比，在地面将不同密度的浆液通过钻孔注入含水层，具有安全、治理效果佳、准确性高和深度更广等优点。

附图说明

图1是水力割刀示意图，

图2是井身结构示意图。

其中：

1、表层套管、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、割断的套管

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明适用于多分支水平丛式井。施工中涉及的主要钻井技术是割套管技术+地面注浆堵漏技术。根据防治水井施工要求，在一个井场施工两个以上的多分支水平井及定向井，利用割套管技术，重复利用一口井的上部井段，改变不同的造斜点位置，实现钻多分支水平丛式井的目的；同时在水平段的奥陶灰岩钻进出现严重漏失时，采用稀浆液和稠浆液双密度注浆方案，在地面进行注浆，浆液流入含水层，以“最大量注浆，最大范围扩散，最大限度充填”为目的，对含水层加固和改造，以达到防治水目的。

煤矿水患治理井钻井方法，步骤一：开井眼至直井段为一开，在井眼内下表层套管固井；步骤二：在直井段下部进行侧向井口为二开主支施工并下技术套管固井；步骤三：在侧向井口下部进行多分支水平从式井为三开分支施工；步骤四：在多分支水平井施工过程中发生井漏时，由地面井眼向侧向井套管口注浆堵漏；步骤五：当一个侧钻井口下部的多分支水平从式井全部施工完成后,对技术套管套鞋以下裸眼段打水泥塞封固；步骤六：对技术套管进行套管切割并起出切割点以上套管，步骤七：对原技术套鞋以上、侧钻点以下井段打水泥塞封固；步骤八：从侧钻点侧钻进行下一侧向井口即二开主支施工并下技术套管固井，且逐一进行三开多分支水平从式井的施工；步骤九：重复步骤二至步骤八，逐一完成多分支水平井的套管切割、注浆堵漏。

具体实施方式

如图2所示，防治水井割套管工艺技术实施分为两个阶段：第一阶段下套管固井；第二阶段下入水力割刀切割套管，起出套管，打水泥塞。以φ177.8mm套管为例，具体实施步骤为：

(1)联接管串：引鞋与套管

(2)下入管串；

(3)套管下完，循环洗井，调整泥浆性能；

(4)注入防塌钻井液，注水泥浆，只封固套鞋以上300米；

(5)替入计算好的泥浆量，替浆至套鞋，憋压侯凝；

(6)多分支水平井三开进尺全部完成后，打水泥塞从井底封固至套鞋。

(7)全面检查水力割刀的性能，确保下井工具性能良好。

(8)清理井口，连接水力割刀工具钻具组合，井口试验，记录泵压及收刀时间。下钻过程中严禁开泵循环泥浆。钻具下到设计井深，避开套管接箍位置，井斜最好在5°左右，以5-10r/min缓慢转动钻具，开泵切割，逐渐将转速增加到20-30r/min，观察扭矩及泵压变化，当扭矩减小、泵压降低，转动扭矩不再增加时，说明套管被切割断。停泵，起钻。收刀时注意停泵等待一段时间，起钻注意观察指重表悬重变化，避免挂套管造成意外事故，起出工具，再起割断套管。

(9)下入光钻杆，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，下定向工具侧钻，进行下一口井的施工。

水力割刀如图1所示，本体由上自下依次为上接头1、外筒2、刀头3和底部4，所述外筒2内设有喷嘴2-1、活塞2-2、复位弹簧2-3和进刀杆2-4，所述刀头3的柄部与进刀杆2-4相连，活塞2-2受喷嘴2-1喷发液体的动力使活塞杆伸出，推动进刀杆2-4向下运动，进刀杆2-4将刀头3顶出本体进行切割工作，喷嘴2-1停止喷液后活塞杆收缩，此时，复位弹簧2-3将刀头3复位；所述底部4设有扶正块4-1。

重复利用原井眼地面注浆堵漏技术

通过合理布设的大量的注浆孔，在地面通过钻孔向直接威胁煤层安全开采的含水层大量灌注水泥浆液，水泥浆液沿着岩溶裂缝扩散、凝结，充填裂缝，把其中的水置换出来，使之不含水或弱含水，改变含水层的含水性。浆液在注浆压力作用下,沿着灰岩的破碎带向奥灰水补给薄层灰岩的通道运移扩散、凝结,堵塞或缩小导水通道,消除或减少奥灰水对薄层灰岩的补给量。浆液在注浆压力作用下,通过灰岩沿着煤层底板裂缝运移扩散、凝结,充塞导水裂隙,加固强化底板、堵塞含水层接受补给的通道。

1.注浆材料的选择：

注浆材料是含水层注浆改造技术的重要组成部分。注浆改造是以“最大量注浆，最大范围扩散，最大限度充填”为目的。注浆之所以能对含水层进行加固和改造，是由于注浆材料通过注浆孔进入含水层的空隙中由液相变为固相的结果。一般情况下，如果一种材料能变成浆液进入含水层空隙后再进行固结的都可以作为含水层注浆改造的材料。对注浆材料的基本要求是:

(1)浆液能从液态变为固态；

(2)浆液粘度低,细度高,可注性好,凝结时间可调,能达到最大范围的扩散；

(3)浆液结石率高,稳定性好,结石在水中长期浸泡不发生相变；

(4)浆液无毒,无臭,对环境不污染,对人体无害；

(5)结石抗渗性能好,塑性强度较高,不能从岩溶裂隙中被水压挤出；

(6)浆液对注浆设备、注浆管路无腐蚀作用,并易清洗；

(7)取材容易,运输方便,价格低廉；

(8)浆液制造及灌注工艺简单,容易操作。

根据上述要求,注浆改造所采用的材料,有单相的和多相的。单相的有纯水泥浆、粘土浆；多相的有粘土水泥浆及粘土粉煤灰水泥浆。

在裂缝发育方向浆液可以扩散几百米甚至上千米，而在非裂缝发育方向上浆液基本不能扩散，因此要准确的预计浆液扩散距离是很难的，峰峰矿区浆液扩散半径为10-20米。

本项目注浆材料为单液水泥浆，r325矿渣硅酸水泥。水灰配比为3:1～1:1，在遇较大裂缝或溶洞时浆液流失量大，可考虑采用部分粉煤灰，水泥和粉煤灰按1:1～1:3配比。若遇陷落柱时，根据情况专门制定注浆设计。

2.纯水泥浆的制浆：

制浆采用水泥车连续制浆工艺，采用水泥车加灰罐代替临时注浆站，节省了建注浆站的费用。水泥车注浆，可对注浆参数实时监控、准确控制，对注浆量及上压情况实时监测，能够根据漏失量大小随时调整注浆方案，实现搅拌水泥零排放，无污染，安全环保。主要设备有水泥车、水泥立罐、水泥灰罐车等配套设施及工具，取得了良好注浆效果。

3.注浆方法及注浆程序：

分段注浆就是一个注浆孔分几段注浆，一般采取下行式。分段注浆的条件是：(1)钻孔水量大，继续钻进困难；(2)钻孔注浆段塌孔严重，难以继续钻进。

连续注浆就是每一个注浆孔的注浆，从开始注浆到达到注浆结束的标准，不停的灌注。这期间可以按照需要调整泵量、泵压、浆液密度。这种注浆方法是含水层大面积注浆改造最常用的方法。这种方法有以下优点：(1)连续注浆浆液扩散距离远，裂隙被充填密实，注浆质量好。(2)注浆辅助时间少，重复工作量小，注浆效率高。

井口安装水泥头，吊灌式注浆，优点是不需要下钻具，避免了卡钻风险，节约起下钻时间，缺点是水泥塞面不好控制。

下入光钻杆注浆，优点是能够控制水泥塞面，减少扫塞风险和扫塞时间，缺点是卡钻风险大。

本项目采取的是井口吊灌式连续注浆模式，节约时间及成本，减少卡钻风险。

连续式注浆程序为：

(1)冲洗管线。

(2)注浆管路试压。

(3)向孔内压水试验。压水的目的是了解钻孔吃浆量，为选择注浆泵量及浆液密度提供依据，疏通、扩张裂缝，为注浆提供畅通的裂隙通道。一般情况下采用由小泵量逐级增加到最大泵量的方法压水。压水时井口安设压力表，随时观测压力的变化情况。压水时间不低于0.5小时，最大泵量级压水时间不小于1小时。若钻孔漏失量大，可以直接用最大泵量压水。

(4)注浆。注浆过程中，泵量、泵压、浆液密度可以根据需要进行调整。当达到注浆结束标准时，停止注浆，进行下一步施工。

(5)向孔内替水。向孔内压水的总水量为注浆管路总容积的1--1.5倍。注浆作业施工结束。

4.注浆参数的确定：

(1)注浆压力

注浆压力是推动浆液在注浆孔内及岩层裂缝中移动、充填、压实的外力。它是由注浆泵的压力，浆液的自重力，管路的阻力，静水压力组成。注浆压力作用是推动浆液在裂缝中扩散，充填；使浆液脱水；促使浆液固结；可以扩展裂缝。

注浆压力的确定：要综合分析扩散范围、结石强度、底板抗压能力、水压力、目的层上覆地层的最大地应力等,一般可用下式确定:

pb＝n·(plx+pgx+ps+ph)<kp

式中:pb:终止压力。

plx:浆液达到设计扩散范围在裂隙中扩散的损失压力。

pgx:浆液在管路运行中的损失压力。

ps:静水压力。

ph:浆液柱的静压。

kp:煤层底板的抗张强度或目的层上覆地层的最大地应力。

n:调节系数,n≥1。

一般情况下，注浆压力是注浆目的层(含水层)水压的2—5倍。这是当前多个矿区通常采用的标准。

高压注浆是注浆压力超过10mpa，而且接近或达到注浆目的层上覆地层的最大地应力。高压注浆的优点：它可以增加注浆量，提高注浆质量；可以增加浆液的扩散距离，减少注浆孔数量；可以提高浆液的结石体强度，对裂缝充填的更密实；可以更大的扩展裂隙，使一些细小的本来不进浆或进浆量少的裂缝大量进浆，较粗颗粒的浆液也可以进入细小的裂缝；可以沟通注浆孔没有直接揭露的裂缝和溶洞；可以挤密加固地层。

注浆压力的选择，从原来的注浆终止压力10.0mpa改为：400l/min排量注浆，压力达到8.0mpa后立即替浆，终止压力达到10.0mpa，达到了注浆终压不小于10.0mpa的要求。从扫塞效果上看，后期扫塞状况有明显好转，后期注浆需注意注浆压力变化趋势，防止压力过高憋漏地层，造成井内水泥塞过多，扫塞困难。

本项目采用高压注浆模式，注浆结束标志为注浆压力达到10mpa。

(2)注浆排量。注浆排量的大小是根据钻孔水量，钻孔吃浆量，注浆压力及管路输浆能力来确定的。一般钻孔吃浆量大，压力小，用大泵量，吃浆量小，压力大，用小泵量，单孔注浆结束时都用小泵量。小泵量运行时间不能过长，时间过长容易堵塞管路。大泵量注浆的泵量也不能太大，太大了升压快，浆液没有充分进入细小裂缝需要的时间。本项目根据注浆压力，排量一般在200--1200l/min之间。

(3)浆液密度。浆液密度反映了水泥在浆液中的含量，浆液密度越小，相同条件下扩散越远。但浆液的密度太小，注浆时间长，浆液固结慢，影响注浆的进度和质量。因此需要合理确定浆液密度。确定浆液密度的基本原则是：钻孔吃浆量大，先用稀浆液，压力达到接近注浆结束的标准，改用稠浆液。

本项目选择水泥浆密度在1.15—1.30g/cm3之间，先低后高，以利于提高注浆质量。

注浆结束标准：注浆终止压力为12mpa，结束泵排量为200l/min，稳压30分钟。