CN107313744A - 一种小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤层气资源开采技术领域，为了解决穿越采空区的裂隙带或冒落带时，由于泥浆漏失，导致无法安全钻进施工的问题，本发明提供了一种小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，采用二开钻进施工工艺，二开钻进穿越采空区裂隙带和冒落带时，通过先施工小导孔，然后在小导孔中注浆，形成封闭小导孔周围裂隙的圆柱形注浆加固区，再继续施工二开钻孔。采用本方法进行采空区煤层气井钻孔施工，既可以保障煤层气井安全顺利完成采空区破碎岩层的钻进，又可以大大增强煤层气井井壁围岩整体稳定性。
Description
技术领域
本发明属于煤层气资源开采技术领域，主要采用气动潜孔锤和辅助技术开凿钻井形成煤层气井，排采地下煤层或采空区的煤层气，具体涉及一种小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法。
背景技术
目前，针对穿越采空区的煤层气井钻进方法，通常有泥浆循环钻进和气动潜孔锤钻进。前者在采空区的裂隙带或冒落带将出现泥浆漏失，无法钻进；后者也会出现高压气体漏失，存在不返风或大量瓦斯涌出井口现象，导致无法继续安全钻至设计深度等问题。
发明内容
本发明为了解决穿越采空区的裂隙带或冒落带时，由于泥浆漏失，导致无法安全钻进施工的问题，提供了一种小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法。
本发明采用如下技术方案：
一种小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，采用二开钻进施工工艺，二开钻进穿越采空区裂隙带和冒落带时，通过先施工小导孔，然后在小导孔中注浆，形成封闭小导孔周围裂隙的圆柱形注浆加固区，再继续施工二开钻孔。
具体的施工工艺过程如下：
1）钻机定位，采用一开钻头开孔，穿越第四系地层，钻至基岩面，形成一开钻孔，下入表层套管；
2）从地表孔口，沿一开钻孔和表层套管间缝隙注入固井填充物（现有技术，例如可采用常规的泥浆填充）；
3）采用二开钻头，继续在基岩弯沉带中钻进，直至破碎基岩面，当气动潜孔锤钻进过程漏风、卡钻等较严重时，停钻，形成部分二开钻孔，下入工作套管；
4）更换小口径钻头（φ80~110）钻进，形成小导孔，小导孔分段钻进，当出现钻进困难时，停钻；然后下入高压注浆器，在二开钻孔孔底注浆，注浆液沿小导孔向裂隙围岩渗透，候凝；
5）当小导孔周围的裂隙围岩或冒落围岩加固注浆体达到预设强度后，采用二开钻头继续钻进，穿越注浆加固区段，停钻，工作套管跟进；重复4）的步骤，直至穿过裂隙带、冒落带、煤层底板，形成柱状的注浆加固区和全部二开钻孔；
6）工作套管跟进，采用高压注浆器在孔底注浆，使注浆液沿二开钻孔与工作套管间隙上返浆液，至孔口，形成工作套管外固井充填物；
7）锁固表层套管和工作套管，完井。
所述小导孔的钻孔口径为φ80~110，分段钻进至煤层底板至少20m。
注浆压力不小于1.0MPa，注浆范围通过注浆量V控制, V=D2πH~4 D2Πh,其中，H为小导孔高度，D为二开钻孔直径。
注浆材料采用水灰比：1：1的复合水泥浆液，水泥浆液中添加有早强剂和速凝剂，所述早强剂和速凝剂为4%水玻璃＋0.5%NaCl＋0.05%三乙醇胺。
所述高压注浆器采用分段高压注浆器，分段高压注浆器包括管体，所述管体为三段一体式结构，管体的中部为开有若干注浆槽的花管，管体的上部和下部分别为丝扣， 上、下部丝扣处分别安装有止浆塞组合，上、下部止浆塞组合之间的区间段为注浆段，其中，上部止浆塞组合可沿注浆器上部丝扣上下移动；所述上部注浆器上部丝扣的顶端安装有用于配合连接钻杆、注浆管的锁接头。
所述止浆塞组合包括夹持螺栓、橡胶密封圈和弹性软胶环，夹持螺栓与丝扣配合连接，橡胶密封圈和弹性软胶环相互平行、同轴紧贴套接于夹持螺栓与套管之间，形成双层密封止浆结构；所述橡胶密封圈设于弹性软胶环外侧。即对于上部的止浆塞组合，弹性软胶环安装于橡胶密封圈下方，而对于下部的止浆塞组合，弹性软胶环安装于橡胶密封圈上方，因此，内侧是相对注浆液描述，弹性软胶环构成与注浆液直接接触的第一层密封，橡胶密封圈构成第二层密封。
所述注浆段的长度为0.5-1m。
所述注浆槽为平行管体轴线方向的长方形槽口，沿管体轴线方向设置不少于三层，每层不少于3个槽口，相邻层的槽口错位设置。保证在该注浆段内出浆均匀。
本发明具有如下有益效果：
（1）针对风动潜孔锤钻进在采空区裂隙带和冒落带容易发生漏风、卡钻、掉钻等施工问题，先采用小导孔（φ80~110）进行钻进，解决了煤层气井在破碎岩层中钻进困难的问题，并形成注浆通道；
（2）针对采空区破碎岩层结构特征，注浆液体需要具备早强、速凝的特点，据此综合配比了合理的复合水泥浆液；
（3）研发了在小导孔中注浆工艺，有效地封闭了采空区小导孔周围的裂隙，使小导孔四周形成稳定的圆柱体，保障煤层气井钻进顺利施工，以及完井后井身与围岩的长期稳定。
因此，采用本方法进行采空区煤层气井钻孔施工，既可以保障煤层气井安全顺利完成采空区破碎岩层的钻进，又可以大大增强煤层气井井壁围岩整体稳定性。
同时，利用分段高压注浆器可解决如下技术问题：
（a）实现在套管中分段进行套管与井壁间注浆，且可选择注浆段长度；
（b）设置双层止浆阀，实现高压力注浆；
（c）设置独立高压注浆管，可使用普通勘探钻杆与注浆器连接，简化了注浆装备。
因此，采用该注浆装置进行煤层气井的套管外注浆加固，可以在指定的钻井内区段或位置，实现可变区段长度的高压注浆，对指定区域的套管外井壁围岩进行加固，套管与井壁密贴，大大增强了煤层气井的稳定性。
附图说明
图1为钻进至裂隙带的剖面图；
图2为施工小导孔后的剖面图；
图3为完井剖面示图；
图4为分段高压注浆器的结构示意图；
图中：1.第四系；2.基岩弯沉带；3.裂隙带；4.冒落带；5.煤层；6煤层底板；7.地表孔口；8.一开钻孔；9.固井填充物；10.表层套管；11.工作套管；12.基岩面；13.二开钻孔；14.破碎基岩面；15.小导孔；16.注浆加固区；17.工作套管外固井充填物；
31.钻杆；32.注浆管；33.套管；34.锁接头；35.注浆器上部丝扣；36.夹持螺栓；37.橡胶密封圈；38.弹性软胶环；39.注浆槽；40.注浆器底部丝扣；41.管体。
具体实施方式
结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：
针对穿越采空区的裂隙带或冒落带时存在的钻进施工难题，山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司煤与煤层气共采国家重点实验室提出了一种小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方案，该技术方案用气动潜孔锤钻进施工，在破碎基岩面，采用小口径钻头进行小导孔15施工，穿越采空区裂隙带3和冒落带4，至煤层底板6约20m。然后，在小导孔中注浆，形成封闭小导孔周围裂隙的圆柱形注浆加固区16，待达到一定强度后，二开钻孔13继续施工，至预定设计深度。
具体的施工工艺如下：
1）钻机定位，采用一开钻头开孔，穿越第四系1地层，钻至基岩面12，形成一开钻孔8，下入表层套管10；
2）从地表孔口7，沿一开钻孔8和表层套管10间缝隙注入固井填充物9（可采用水泥浆液）；
3）采用二开钻头，继续在基岩弯沉带2中钻进，直至破碎基岩面14，当气动潜孔锤钻进过程漏风、卡钻等较严重时，停钻，形成部分二开钻孔13，下入工作套管11；
4）更换小口径钻头（φ80~110）钻进，形成小导孔15，小导孔15的深度可根据钻进难度确定。当钻进难度较大时，停钻。下入高压注浆器，在二开钻孔13孔底注浆，注浆液沿小导孔向裂隙围岩渗透，候凝；
5）当小导孔15周围的裂隙围岩或冒落围岩加固注浆体有一定强度后，采用二开钻头钻进，穿越注浆加固区段，停钻，工作套管11跟进。重复4）的步骤，直至穿过裂隙带3、冒落带4、煤层底板6，形成柱状的注浆加固区16和全部二开钻孔13；
6）工作套管11跟进，采用高压注浆器在孔底注浆，使注浆液沿二开钻孔13与工作套管11间隙上返浆液，至孔口，形成工作套管外固井充填物17。
7）锁固表层套管10和工作套管11，完井。
该技术方案的施工要点主要包括以下几点：
（1）小导孔钻进与注浆工艺
二开钻孔13钻进遇到破碎岩体时，在孔底改用小导孔15钻进方法，仍采用气动潜孔锤（也可采用泥浆钻进），钻孔口径为φ80~110，分段钻进（每段长度可根据工程地质条件而定），也可一次钻进深度为煤层底板6约20m。
小导孔注浆采用分段注浆的方式，注浆压力不小于1.0MPa，注浆范围为：高度为小导孔高度H，直径为2～4Ｄ（Ｄ为煤层气井二开钻孔直径），可通过注浆量V控制，计算方法为V=D2πH~4 D2πH。
（2）复合水泥浆组成与配比
注浆材料采用复合水泥浆液，其中，水灰比：1：1，添加早强剂和速凝剂。当早强剂的合理掺量为0.5%NaCl＋0.05%三乙醇胺掺量时，即可满足水泥浆早强要求。当外加剂掺量为4%水玻璃＋0.5%NaCl＋0.05%三乙醇胺掺量时，即可满足水泥浆速凝、早强的要求。
关键部位的连接关系：一开钻孔8与表层套管10之间由固井填充物9粘结，工作套管11与表层套管10间，以及工作套管11与二开钻孔13孔壁之间均由工作套管外固井充填物17粘结。
注浆时采用如图4所示的分段高压注浆器，分段高压注浆器的管体分上中下三部分，上部为长度0.1-0.5m的注浆器上部丝扣，中部为开有3对注浆槽的花管部分，长度0.5m左右，下部为0.2m长度的注浆器底部丝扣。在注浆器上部丝扣和注浆器底部丝扣处均安装止浆塞组合（包括三个夹持螺栓、橡胶密封圈和弹性软胶环）。上部止浆塞组合可沿注浆器上部丝扣移动，从而实现在套管中分段进行套管与井壁间注浆，且可选择注浆段长度，一般选择长度范围0.5-1.0m。止浆塞组合中设置橡胶密封圈和弹性软胶环，具备双层止浆的作用，在注浆压力作用下，弹性软胶环受挤压与套管密贴，显著提高了止浆性能，实现了高压力注浆。
专用锁接头可以连接钻杆、注浆管和注浆器上部丝扣，钻杆可选择普通的勘探钻杆，注浆管采用高压注浆管，提高了设备材料选择的灵活性，降低了成本。
分段高压注浆器的使用流程如下：
（1）选择合适直径的注浆器管体，准备好相应配件，包括钻杆、注浆管、锁接头、夹持螺栓、橡胶密封圈、弹性软胶环等。
（2）将下部的止浆塞组合（包括三个夹持螺栓、橡胶密封圈和弹性软胶环）依次旋拧到注浆器底部丝扣上。
（3）将上部的止浆塞组合（包括三个夹持螺栓、橡胶密封圈和弹性软胶环）依次旋拧到注浆器上部丝扣上，并根据需要调节注浆段的长度，使止浆塞组合停在某个固定位置。
（4）将第一节钻杆和相应的注浆管与锁接头丝扣连接，并将注浆器起吊送入套管中。
（5）按上述方法，依次接续钻杆和注浆管，直达套管中需要注浆的部位。
（6）在地面套管口，从注浆管高压注入清水，高压水进入注浆器中，将挤压弹性软胶环，使其与管壁密贴，同时将套管上的注浆孔破开。
（7）在地面井口，调配好注浆液，从注浆管高压注入浆液，浆液从套管注浆孔压入套管与井壁空隙中，实现了分段注浆加固。
（8）达到注浆要求，及时提升注浆器至管口，冲洗注浆器。
分段高压注浆器的连接要点及关系如下：
钻杆和注浆管通过锁接头连接，锁接头与上部注浆器丝扣连接。注浆器上部的止浆塞组合包括夹持螺栓（3个）、橡胶密封圈和弹性软胶环，具有内环，内环中内套螺纹，依次通过注浆器上部一端，沿着注浆器上部丝扣旋拧至固定位置。橡胶密封圈和弹性软胶环均被夹持螺栓夹持。同样，注浆器下部的止浆塞组合包括夹持螺栓（3个）、橡胶密封圈和弹性软胶环，具有内环，内环中内套螺纹，依次通过注浆器底部丝扣，旋拧至固定位置。橡胶密封圈和弹性软胶环均被三个夹持螺栓夹持。上下止浆塞组合与套管密贴。
Claims (9)
1.一种小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，采用二开钻进施工工艺，其特征在于：二开钻进穿越采空区裂隙带（3）和冒落带（4）时，通过先施工小导孔（15），然后在小导孔（15）中注浆，形成封闭小导孔（15）周围裂隙的圆柱形注浆加固区（16），再继续施工二开钻孔（13）。
2.根据权利要求1所述的小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，其特征在于，具体的施工工艺过程如下：
1）钻机定位，采用一开钻头开孔，穿越第四系（1）地层，钻至基岩面（12），形成一开钻孔（8），下入表层套管（10）；
2）从地表孔口（7），沿一开钻孔（8）和表层套管（10）间缝隙注入固井填充物（9）；
3）采用二开钻头，继续在基岩弯沉带（2）中钻进，直至破碎基岩面（14），当气动潜孔锤钻进过程出现漏风、卡钻现象时，停钻，形成部分二开钻孔（13），下入工作套管（11）；
4）更换小口径钻头钻进，形成小导孔（15），小导孔（15）分段钻进，当出现钻进困难时，停钻；然后下入高压注浆器，在二开钻孔（13）孔底注浆，注浆液沿小导孔（15）向裂隙围岩渗透，候凝；
5）当小导孔（15）周围的裂隙围岩或冒落围岩加固注浆体达到预设强度后，采用二开钻头继续钻进，穿越注浆加固区段，停钻，工作套管（11）跟进；重复4）的步骤，直至穿过裂隙带（3）、冒落带（4）、煤层底板（6），形成柱状的注浆加固区（16）和全部二开钻孔（13）；
6）工作套管（11）跟进，采用高压注浆器在孔底注浆，使注浆液沿二开钻孔（13）与工作套管（11）间隙上返浆液，至孔口，形成工作套管外固井充填物（17）；
7）锁固表层套管（10）和工作套管（11），完井。
3.根据权利要求1或2所述的小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，其特征在于：所述小导孔（15）的钻孔口径为φ80~110，分段钻进至煤层底板（6）至少20m。
4.根据权利要求3所述的小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，其特征在于：注浆压力不小于1.0MPa，注浆范围通过注浆量V控制, V=D2πH~4 D2Πh,其中，H为小导孔（15）高度，D为二开钻孔（13）直径。
5.根据权利要求4所述的小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，其特征在于：注浆材料采用水灰比：1：1的复合水泥浆液，水泥浆液中添加有早强剂和速凝剂，所述早强剂和速凝剂为4%水玻璃＋0.5%NaCl＋0.05%三乙醇胺。
6.根据权利要求5所述的小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，其特征在于：所述高压注浆器采用分段高压注浆器，分段高压注浆器包括管体（41），所述管体（41）为三段一体式结构，管体（41）的中部为开有若干注浆槽（39）的花管，管体（41）的上部和下部分别为丝扣， 上、下部丝扣处分别安装有止浆塞组合，上、下部止浆塞组合之间的区间段为注浆段，其中，上部止浆塞组合可沿注浆器上部丝扣上下移动；所述上部注浆器上部丝扣的顶端安装有用于配合连接钻杆（31）、注浆管（32）的锁接头（34）。
7.根据权利要求6所述的小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，其特征在于：所述止浆塞组合包括夹持螺栓（36）、橡胶密封圈（37）和弹性软胶环（38），夹持螺栓（36）与丝扣配合连接，橡胶密封圈（37）和弹性软胶环（38）相互平行、同轴紧贴套接于夹持螺栓（36）与套管（33）之间，形成双层密封止浆结构；所述橡胶密封圈（37）设于弹性软胶环（38）外侧。
8.根据权利要求7所述的小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，其特征在于：所述注浆段的长度为0.5-1m。
9.根据权利要求8所述的小导孔注浆加固煤层气井穿越采空区的施工方法，其特征在于：所述注浆槽（39）为平行管体（41）轴线方向的长方形槽口，沿管体（41）轴线方向设置不少于三层，每层不少于3个槽口，相邻层的槽口错位设置。
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