深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置及试验方法

1.本发明涉及矿井工程技术领域，具体涉及深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置及试验方法。


背景技术：

2.我国是煤炭生产和消费大国，煤炭资源开发在今后相当长时期内仍将维持在一定强度，并以开发西部煤炭资源为主。根据地质勘探资料可知，陕甘宁蒙等西部地区目前和下一步新建矿井井筒时将要穿越深厚含水软弱岩层，它们多为白垩系、侏罗系岩层，其成岩年代较晚、弱胶结、强度低，遇水砂化、泥化，由于这类地层富含水、且为孔隙-裂隙含水层，注浆封水效果差，采用普通法施工难以通过，需采用特殊法凿井。由于钻井法凿井具有施工安全性好、机械化程度高、井壁质量可靠，成井后无冻结孔环形空间导水淹井风险，是一种本质安全型特殊凿井方法。因此，这是今后深立井凿井的发展方向。
3.钻井井筒壁后充填就是将井壁与岩帮之间的环向空间充入胶结材料或非胶结材料(过去，主要采用水泥浆和碎石)，使整个井壁筒能牢牢地固定在设计深度上，既不能在充填时井壁筒出现上浮，也不能在下部破锅底时发生井壁下沉，起到固井和封水作用。
4.虽然钻井法凿井在我国穿过复杂地层条件下建井已得到应用，但随着地层条件变得更复杂和钻井深度的增加，钻井法凿井技术也遭到新的技术难题。如在壁后充填方面，现有设计是在钢筋混凝土井壁结构支护段，采用抛石(粒径为20～40mm碎石)充填和水泥浆充填相交替。对于抛石充填段，由于碎石空隙大，不能封水，如果井壁接头处施工质量不好，极易造成井壁在接头处和混凝土裂纹处渗漏水，这对单层井壁结构的钻井井筒而言，安全威胁极大。如许疃煤矿主井和朱集西煤矿矸石井都是采用钻井法施工的立井井筒，在井筒建成几年后，在抛石充填段多个部位出现渗水点和出水点，出现涌渗水现象，严重威胁着矿井的安全生产。为此，不得不在在抛石段采用破壁注浆方式进行注浆封水。其中，朱集西矸石井在110m的抛石段高内共布置注浆孔10排，施工注浆钻孔60个，皆为打穿钢筋混凝土钻井井壁、进入碎石充填层，共注入水泥浆液600m3，封堵了原有出水点，施工过程中安全风险极大。相反，潘三西风井穿过松散层约440m，成井深度约508m。该井于2010年2月突发井筒出水，出水位置位于井筒累深307m处，位于抛石充填段。由于水压高、原有出水裂隙冲刷大、涌水量最大达300m3/h，为确保全矿生产安全，最后采用抛石渣、砂、水泥和水玻璃对井筒进行了填井，损失巨大。
5.在采用水泥浆充填固井时，由于水泥浆比重为1.65左右，被置换的钻井泥浆比重为1.2左右(在深钻井底部，护壁泥浆比重会更大)，两者相差不大，使得置换效果不够理想，常出现泥浆置换不完全，封水效果不好等现象，在下部破锅底施工时，常出现涌突水甚至淹井等，严重影响建井工期并产生较大的经济损失。
6.鉴于此，针对上述深钻井井筒采用碎石和水泥浆充填固井出现的不利情况，本发明提出采用水泥砂浆作为壁后充填材料，利用水泥砂浆比重大、置换效果好、强度高和抗渗性好的特性，来提高深钻井井筒充填固井效果。由于采用水泥浆充填固井目前还缺乏成熟
的设计和施工经验，为了研究该种新型充填砂浆材料的充填固井效果，本发明研发了深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置，该装置易于搭建，操作便捷，能够极大程度模拟钻井法凿井实际工况下的壁后充填注浆工序，完成对壁后充填砂浆置换砂浆的效率、充填砂浆最优泵送压力等参数的测评，从而进一步优化钻井法壁后充填固井工艺。


技术实现要素：

7.本发明的目的是解决上述的不足，提供能够极大程度模拟钻井法凿井实际工况下的壁后充填注浆工序，完成对壁后充填砂浆置换砂浆的效率、充填砂浆最优泵送压力等参数的测评的深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置及试验方法。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置，包括：
9.护壁泥浆管道，用于放置泥浆浆液，顶部设置有用于对护壁泥浆管道进行密封的密封盖板；
10.砂浆充填管道，设置在所述护壁泥浆管道内，用于充填置换砂浆；
11.泵送机构，用于抽取置换砂浆并将置换砂浆送入所述砂浆充填管道内；
12.泥浆排出管道，与所述护壁泥浆管道连通，用于对护壁泥浆管道中排出的泥浆浆液进行排出。
13.进一步的，所述护壁泥浆管道为多节分段式管道，相邻分段式管道之间分别设置有用于连接的法兰盘。
14.进一步的，所述泵送机构包括用于放置置换砂浆的储蓄箱、用于通过输入管道抽取置换砂浆的泵送仪和设置在所述泵送仪的出口的用于排出置换砂浆的输出管道，所述输出管道的另一端穿过所述密封盖板用于与所述砂浆充填管道连通。
15.进一步的，所述输出管道靠近所述砂浆充填管道的一端设置有压力表。
16.进一步的，所述输出管道与所述砂浆充填管道之间设置有倾角a，所述倾角a为30-45
°
。
17.进一步的，所述泥浆排出管道的另一端设置有呈倒漏斗形的浆液缓冲器，所述浆液缓冲器的下方设置有用于对排出的泥浆浆液进行回收的回收箱。
18.进一步的，所述泥浆排出管道与所述护壁泥浆管道的连接处设置有管道阀门。
19.进一步的，所述泥浆排出管道内设置有多个均匀分布的浆液流量计。
20.进一步的，还包括与所述管道阀门和所述浆液流量计信号连接的控制平台。
21.深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置的试验方法，其特征在于：采用上述的深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置，包括如下步骤：
22.s1、打开密封盖板，保持管道阀门处于关闭状态，向护壁泥浆管道内注入泥浆浆液，当泥浆浆液的高度达到管道阀门处时停止注入；
23.s2、关闭密封盖板，开启泵送仪，经输入管道抽取储蓄箱内的置换砂浆，当输出管道内有置换砂浆输出时，通过控制平台开启管道阀门；
24.s3、置换砂浆经输入管道送入砂浆充填管道内，此时，护壁泥浆管道内的泥浆浆液经泥浆排出管道送至回收箱内；
25.s4、当充填置换砂浆的过程稳定后，分别记录压力表对应的压力值和控制平台上
显示的单位时间内浆液流量值，待护壁泥浆管道内的泥浆浆液被完全置换后，关闭泵送仪，完成充填模拟试验。
26.对比现有技术，本发明具有如下的有益效果：本发明设置的充填模拟试验装置，能够极大程度模拟钻井法凿井实际工况下的壁后充填注浆工序，能够完成充填砂浆置换泥浆的效率以及充填砂浆最优泵送压力和浆液流量值等参数的测评，从而能够根据测评的数据优化钻井法壁后充填固井工艺，结构简单，便于搭建，且试验操作便捷。
附图说明
27.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明一实施例的结构示意图。
29.图中：1、护壁泥浆管道；2、密封盖板；3、砂浆充填管道；4、泵送机构；5、泥浆排出管道；11、分段式管道；12、法兰盘；31、拼装管道；41、储蓄箱；42、输入管道；43、泵送仪；44、输出管道；45、压力表；51、浆液缓冲器；52、回收箱；53、管道阀门；54、浆液流量计；6、控制平台。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.请参阅图1。
32.本发明深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置，包括：
33.护壁泥浆管道1，用于放置泥浆浆液，顶部设置有用于对护壁泥浆管道1进行密封的密封盖板2；
34.砂浆充填管道3，设置在所述护壁泥浆管道1内，用于充填置换砂浆；
35.泵送机构4，用于抽取置换砂浆并将置换砂浆送入所述砂浆充填管道3内；
36.泥浆排出管道5，与所述护壁泥浆管道1连通，用于对护壁泥浆管道1中排出的泥浆浆液进行排出。
37.使用时，在护壁泥浆管道1内部注入泥浆浆液，当泥浆浆液的高度到达泥浆排出管道5和护壁泥浆管道1的连接处时，停止泥浆浆液的注入，使用密封盖板2对护壁泥浆管道1的顶部进行密封，之后通过泵送机构4抽取置换砂浆送入砂浆充填管道3内，置换砂浆经砂浆充填管道3的底部进入护壁泥浆管道1中，并将护壁泥浆管道1中注入的泥浆浆液顶入泥浆排出管道5中进行排出，从而实现对护壁泥浆管道1内的泥浆浆液的置换，完成深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验。
38.在一实施例中，所述护壁泥浆管道1为多节分段式管道11，相邻分段式管道11之间分别设置有用于连接的法兰盘12。这样设计，便于根据实际需要选择护壁泥浆管道1的尺寸，并通过法兰盘12能够保证多节分段式管道11的密封连接，方便护壁泥浆管道1的正常使
用。
39.优选的，所述砂浆充填管道3包括多节拼装管道31。这样设计，通过将砂浆充填管道3设置为多节拼装管道31，从而能够根据护壁泥浆管道1的尺寸适应性调整砂浆充填管道3的尺寸。
40.在一实施例中，所述泵送机构4包括用于放置置换砂浆的储蓄箱41、用于通过输入管道42抽取置换砂浆的泵送仪43和设置在所述泵送仪43的出口的用于排出置换砂浆的输出管道44，所述输出管道44的另一端穿过所述密封盖板2用于与所述砂浆充填管道3连通。这样设计，通过设置储蓄箱41，能够方便放置待使用的置换砂浆，并便于泵送仪43通过输入管道42抽取置换砂浆，通过输出管道44穿过密封盖板2与砂浆充填管道3连通，从而方便将置换砂浆送入砂浆充填管道3内部，方便试验的进行。
41.在一实施例中，所述输出管道44靠近所述砂浆充填管道3的一端设置有压力表45。这样设计，通过设置压力表45，能够实时观测置换砂浆注入时的压力数值，便于获取实验数据。
42.在一实施例中，所述输出管道44与所述砂浆充填管道3之间设置有倾角a，所述倾角a为30-45
°
。这样设计，通过倾角a，方便将置换砂浆匀速送入砂浆充填管道3。
43.在一实施例中，所述泥浆排出管道5的另一端设置有呈倒漏斗形的浆液缓冲器51，所述浆液缓冲器51的下方设置有用于对排出的泥浆浆液进行回收的回收箱52。这样设计，通过设置浆液缓冲器51，能够减缓高速下落的浆液，从而避免浆液外溅，并通过设置回收箱52，能够回收试验结束后的泥浆浆液。
44.在一实施例中，所述泥浆排出管道5与所述护壁泥浆管道1的连接处设置有管道阀门53。这样设计，通过设置管道阀门53，能够根据需要对泥浆排出管道5进行封闭，从而方便泥浆浆液注入护壁泥浆管道1中，并且方便将置换的泥浆浆液经泥浆排出管道5排出。
45.在一实施例中，所述泥浆排出管道5内设置有多个均匀分布的浆液流量计54。这样设计，通过设置多个浆液流量计54，从而能够便于实时监测泥浆排出管道5内的泥浆浆液排出流量。
46.优选的，所述浆液流量计54分别位于所述泥浆排出管道5内的圆弧形倒角处。这样设计，能够削弱泥浆浆液自身的压力对浆液流量计54造成的冲击和损伤。
47.在一实施例中，还包括与所述管道阀门53和所述浆液流量计54信号连接的控制平台6。这样设计，通过设置控制平台6，便于实时监测壁后充填试验过程中单位时间内的泥浆置换效率。
48.优选的，所述护壁泥浆管道1、所述砂浆充填管道3、所述泥浆排出管道5、和所述法兰盘12均为透明的亚克力材质。这样设计，通过采用透明的亚克力材质，能够实现壁后充填试验的全过程均处于透明可视化的状态，便于工作人员通过观测进行调整。
49.深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置的试验方法，其特征在于：采用上述的深立井井筒钻井法凿井壁后充填模拟试验装置，包括如下步骤：
50.s1、打开密封盖板2，保持管道阀门53处于关闭状态，向护壁泥浆管道1内注入泥浆浆液，当泥浆浆液的高度达到管道阀门53处时停止注入；
51.s2、关闭密封盖板2，开启泵送仪43，经输入管道42抽取储蓄箱41内的置换砂浆，当输出管道44内有置换砂浆输出时，通过控制平台6开启管道阀门53；
52.s3、置换砂浆经输入管道42送入砂浆充填管道3内，此时，护壁泥浆管道1内的泥浆浆液经泥浆排出管道5送至回收箱52内；
53.s4、当充填置换砂浆的过程稳定后，分别记录压力表45对应的压力值和控制平台6上显示的单位时间内浆液流量值，待护壁泥浆管道1内的泥浆浆液被完全置换后，关闭泵送仪43，完成充填模拟试验。
54.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。