CN108222882A - 巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管与施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管与施工方法，所述套管由内层注浆管和套在所述内层注浆管外部的外管组成，所述外管包括若干段过滤管和若干段实管，所述过滤管的管壁上设置有若干过滤孔，所述过滤管和所述实管交替设置，所述过滤管设置在所述注浆层段内，所述实管设置在所述非注浆层段内；在所述外管和所述内层注浆管之间设置有止浆塞，在所述套管的顶端设置有闷盖。本发明解决了现有技术中存在的操作时间长、产生费用巨大、技术难度大和安全性低的问题，研发了适合巨厚冲积层单井多层段注浆的新型套管，并且给出了配合新型套管的注浆施工方法，极大地提高了深立井地层加固注浆的安全性，并且大大降低施工风险，社会、经济效益显著。
Description
技术领域
本发明涉及矿山建设领域，具体涉及一种巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管与施工方法。
背景技术
20世纪80年代以来，我国煤炭资源开采强度不断加大，浅部资源日益减少，国内部分矿井相继进入了深部煤炭开采状态，越来越多的立井井筒需要穿越深厚的冲积层。随着大中型矿井对地下煤炭资源的大量开采，形成采空区，地下岩体结构和应力状态发生很大变化。当采空区上覆岩层导水裂隙带导通松散含水层时，极易造成新生界松散地层水资源大量流失，形成地下水运移，造成地层不均匀沉降，而采用地面钻井注浆对地层进行加固由于可以封堵含水地层的水利通道，阻滞含水地层疏水，可以减缓、减少井筒周边地层的沉降，综合成本低效果好，因而得到了越来越广泛的应用。通常对于新生界松散地层注浆时需要分段分层位进行，单个钻井进行多层段注浆时，目前常规有两种方式：
第一种：先打大口径，下管并用纯水泥浆固井，紧接着钻穿目的层段进行注浆，然后再继续向下钻进，再下小套管并纯水泥浆固井，再对目的层段进行注浆，往复以上程序，直至最后一层注浆结束。
第二种：全井下置套管(实管)，用纯水泥浆把套管与井壁之间环状间隙进行全封闭，然后对注浆目的层段分别进行爆破射孔或割管形成注浆通道再进行注浆。
以上两种情况操作时间长，所产生的费用巨大，技术难度也大，安全性也相应降低。因此，为了提高巨厚冲积层单井多层段注浆的效率和安全性，开展巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管与施工方法的研究迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管与施工方法，本发明的技术方案解决了现有单个钻井多层段注浆技术中存在的操作时间长、产生费用巨大、技术难度大和安全性低的问题，研发了适合巨厚冲积层单井多层段注浆的新型套管，并且给出了配合新型套管的注浆施工方法，能够填补目前尚无巨厚冲积层单井多层段安全高效注浆设备与方法的空白，是巨厚冲积层注浆加固综合治理方案的重要组成部分，极大地提高了深立井地层加固注浆的安全性，并且大大降低施工风险，社会、经济效益显著。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管，所述多层段包括若干注浆层段和若干非注浆层段，所述注浆层段和所述非注浆层段交替设置，两个所述注浆层段之间为一个所述非注浆层段，两个所述非注浆层段之间为一个所述注浆层段，所述单井的最下端设置为所述注浆层段，所述套管置于注浆孔内，所述套管由内层注浆管和套在所述内层注浆管外部的外管组成，所述外管包括若干段过滤管和若干段实管，所述过滤管的管壁上设置有若干过滤孔，所述过滤管和所述实管交替设置，所述过滤管设置在所述注浆层段内，所述实管设置在所述非注浆层段内；在所述外管和所述内层注浆管之间设置有止浆塞，所述止浆塞可以沿所述套管上下移动，在所述套管的顶端设置有闷盖，所述闷盖能够覆盖所述内层注浆管与所述外管之间的部分。
进一步地，在上述一种套管中，所述过滤孔的外部设置有若干嵌缝带，所述嵌缝带缠绕在所述过滤管的外部并用于封堵所述过滤孔。
进一步地，在上述一种套管中，所述嵌缝带的外部缠绕有尼龙纱网，所述尼龙纱网用于防止所述注浆层段的砂子进入所述过滤管内。
进一步地，在上述一种套管中，所述尼龙纱网的外部缠绕有扎丝，所述扎丝用于固定所述尼龙纱网，在所述尼龙纱网上并沿所述过滤管的高度方向每隔150mm～250mm缠绕一圈所述扎丝。
进一步地，在上述一种套管中，所述过滤管的穿孔率大于所述注浆层段土体的有效孔隙率，所述过滤孔的直径为12mm～18。
进一步地，在上述一种套管中，所述套管还能够用于巨厚冲积层单井多层段压水试验和抽水试验。
本发明还提供一种套管的施工方法，利用上述的套管，包括如下步骤：
1)调浆：下管前配好泥浆，所述泥浆由膨润土、纯碱、钠羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、腐植酸钾和水混合而成，测定所述泥浆的比重；
2)过滤管的制作：按设计要求在过滤管上制作过滤孔，在过滤管的外部缠绕嵌缝带，嵌缝带的外部缠绕尼龙纱网，按设计要求在尼龙纱网的外部缠绕扎丝；
3)下管：按预设的所述注浆层段和所述非注浆层段的顺序分段下入所述过滤管和所述实管；
将所述止浆塞设置在与最下端的所述过滤管相邻的所述实管内，在所述套管的顶端设置闷盖；
在所述环状间隙内循环步骤1)中制得的所述泥浆；
4)固井：预先按所述环状间隙的体积配好粘土水泥浆，所述粘土水泥浆由水、水泥和粘土混合而成，将所述粘土水泥浆泵入所述注浆孔内，直至所述注浆孔返浆，停泵，候凝8小时解所述止浆塞；
5)洗井：先用清水循环冲洗所述套管内部直至清水，然后将焦磷酸钠溶液泵入所述套管内替换所述套管内的清水并浸泡24小时，最后用活塞和高压射流的方法反复对所述套管内部进行清洗，直至套管内水清、无杂质；
6)注浆：依次向上拉所述止浆塞，对所有所述注浆层段分别进行注浆，直至最后一层注浆层，注浆结束；优选的，所注浆液为水泥浆，水泥浆的配比为：水:水泥＝1:1～1.5:1。
进一步地，在上述一种套管的施工方法中，所述步骤4)中的粘土水泥浆中各成分按重量的配比为：水:水泥:粘土＝1:0.6～0.8:0.2～0.3。
进一步地，在上述一种套管的施工方法中，注浆量与所述注浆层段的土体有效孔隙率满足如下关系式：Q＝πr2Hη，式中：Q—浆液注入量，单位为m3；η—所述注浆层段的土体有效孔隙率，单位为％；H—注浆层段厚度，单位为m；r—扩散半径，单位为m。
进一步地，在上述一种套管的施工方法中，按如下方式选取所述嵌缝带：
1)测定各注浆层段的深度H、单位为m，泥浆密度ρ，粘土水泥浆密度ρ'；
2)由所述嵌缝带的两侧压力差计算出所述嵌缝带所承受的最小压力为P，P＝(ρ′-ρ)*H1000；
3)选取能够承受压力为1.5P的嵌缝带。
分析可知，本发明公开一种巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管与施工方法，解决了现有单个钻井多层段注浆技术中存在的操作时间长、产生费用巨大、技术难度大和安全性低的问题，研发了适合巨厚冲积层单井多层段注浆的新型套管，并且给出了配合新型套管的注浆施工方法，能够填补目前尚无巨厚冲积层单井多层段安全高效注浆设备与方法的空白，是巨厚冲积层注浆加固综合治理方案的重要组成部分，极大地提高了深立井地层加固注浆的安全性，并且大大降低施工风险，社会、经济效益显著。
附图说明
构成本申请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。其中：
图1为本发明实施例的新型套管注浆施工示意图；
图2为本发明实施例的新型套管固井施工示意图；
图3为本发明实施例的新型套管制作过程示意图；
附图标记说明：1过滤管、2实管、3内层注浆管、4闷盖、5过滤孔、6嵌缝带、7尼龙纱网、8扎丝、9止浆塞、10环状间隙、11粘土水泥浆、12注浆层段、13非注浆层段。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1至图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管，多层段包括若干注浆层段12和若干非注浆层段13，注浆层段12和非注浆层段13交替设置，两个注浆层段12之间为一个非注浆层段13，两个非注浆层段13之间为一个注浆层段12，单井最下端设置为注浆层段12，套管置于注浆孔内，套管由内层注浆管3和套在内层注浆管3外部的外管组成。内层注浆管3用于为注浆提供通道，外管包括若干段过滤管1和若干段实管2，过滤管1的管壁上设置有若干过滤孔5，过滤管1和实管2交替设置，过滤管1设置在注浆层段12内，实管2设置在非注浆层段13内。
在外管和内层注浆管3之间设置有止浆塞9，止浆塞9可以沿套管上下移动，止浆塞9的膨胀会使止浆塞9紧密依附外管和内层注浆管3之间，避免注浆时浆液沿套管内部返流出注浆孔外。当注浆时，止浆塞9始终位于当前注浆层段12内的过滤管1相邻的实管2内，该实管2位于该过滤管1的上方。在套管的顶端设置有闷盖4，闷盖4能够覆盖外管和内层注浆管3之间的部分，闷盖4的设置能够防止固井时粘土水泥浆11窜入过滤管1内。
进一步地，如图3所示，过滤孔5的外部设置有若干嵌缝带6，嵌缝带6缠绕在过滤管1的外部并用于封堵过滤孔5，嵌缝带6的设置能够防止固井时粘土水泥浆11窜入过滤管1内。嵌缝带6的外部缠绕有尼龙纱网7，尼龙纱网7的设置能够防止注浆层段12砂子进入过滤管1内，於塞过滤管1。尼龙纱网7的外部缠绕有扎丝8，扎丝8用于固定尼龙纱网7，在尼龙纱网7上并沿过滤管1的高度方向每隔150mm～250mm(如：160mm、170mm、180mm、190mm、200mm、210mm、220mm、230mm、240mm)缠绕一圈扎丝8，优选为每隔200mm，如此设置能够在保证尼龙纱网7牢固的前提下使浆液流动顺畅，有利于提高注浆效率。
进一步地，过滤管1的穿孔率大于注浆层段12土体的有效孔隙率，过滤孔5的直径为12～18mm(如：12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm)。过滤管1的穿孔率由注浆层段12的地层有效孔隙率确定，经过土工试验根据地层岩性确定地层的有效孔隙率。例如注浆层段12的地层的孔隙率为5％，那么过滤管1的穿孔率应略大于5％，比如过滤管1的穿孔率为5.5％。通过调整均匀分布在注浆过滤管1上的过滤孔5的数量，来满足过滤管1的穿孔率的要求，进而满足注浆要求。
进一步地，套管还能够用于巨厚冲积层单井多层段压水试验和抽水试验。
本发明还提供一种套管的施工方法，利用上述的套管，包括如下步骤：
1)调浆：下管前配好泥浆，每立方米泥浆由200～300kg膨润土、3～5kg纯碱、100～150g钠羧甲基纤维素、8～10g聚丙烯酰胺、1～3kg腐植酸钾和水混合而成，在调浆完成后，测定泥浆的比重；当下管时，泥浆能够在钻孔过程中在注浆孔的孔壁上形成一层泥浆膜，对注浆孔的孔壁进行保护，防止注浆孔的孔壁坍塌，同时还可以携渣和冷却钻具。
2)过滤管1的制作：如图3所示，按设计要求在过滤管1上制作过滤孔5，在过滤管1的外部缠绕嵌缝带6，嵌缝带6的外部缠绕尼龙纱网7，按设计要求在尼龙纱网7的外部缠绕扎丝8。
按如下方式选取嵌缝带6：(1)测定各注浆层段12的深度H、单位为米，泥浆密度ρ，粘土水泥浆11密度ρ'；(2)由嵌缝带6的两侧压力差计算出嵌缝带6所承受的最小压力为P，P＝(ρ′-ρ)*H1000；(3)选取能够承受压力为1.5P的嵌缝带6。
3)下管：按预设的注浆层段12和非注浆层段13的顺序分段下入过滤管1和实管2；下止浆塞9在与最下端的过滤管1相邻的实管2内，在套管的顶端设置闷盖4，在环状间隙10内循环步骤1)中制得的泥浆，确保环状间隙10畅通。
4)固井：如图2所示(图中箭头所示方向为粘土水泥浆11的流动方向)，固井目的在于将套管固定在注浆孔内，保护和支撑套管，同时封隔各注浆层段12之间的联系。预先按环状间隙10的体积配好粘土水泥浆11，粘土水泥浆11由水、水泥和粘土混合而成，将粘土水泥浆11泵入注浆孔内，直至环状间隙10中充满粘土水泥浆11，注浆孔返浆，停泵，候凝8小时解止浆塞9。止浆塞9是一个膨胀装置，注浆时止浆塞9膨胀，解塞时使这个膨胀取消，不同止浆塞9的解塞方式不同。
粘土水泥浆11中各成分按重量的配比为：水:水泥:粘土＝1:0.6～0.8:0.2～0.3，比如每立方米粘土水泥浆11由744～751kg水、446～601kg水泥和298～150kg粘土混合而成；粘土水泥浆11中各成分按重量的配比优选为：水:水泥:粘土＝1:0.7:0.3，比如每立方米粘土水泥浆11由748kg水、523kg水泥和224kg粘土混合而成。如此设置使浆液凝固时间长，强度低，通过洗井易于破坏，揭露注浆层段12，同时又起到堵隔水的目的。
5)洗井：先用清水循环冲洗套管内的泥浆直至清水，然后将浓度为0.6％的焦磷酸钠溶液泵入套管内替换套管内的清水并浸泡24小时，焦磷酸钠溶液的浸泡能够使嵌缝带6软化，再用活塞洗孔器上下反复拉洗，后再改为高压射流洗孔器上下反复冲洗，破坏过滤管1外固化的粘土水泥浆11和嵌缝带6，使注浆层段12与过滤管1连通，内层注浆管3中的浆液能够注入注浆层段12，最后反复冲洗套管，直至套管内水清、无杂质。
6)注浆：如图1所示，向上拉止浆塞9，对所有注浆层段12分别进行注浆，直至最后一层注浆层段12，注浆结束。
按从注浆孔的底部到顶部的顺序分别对注浆层段12进行注浆，对某一注浆层段12进行注浆时，首先将套管内的止浆塞9拉至与当前注浆层段12内的过滤管1的上方相邻的实管2内，然后对该注浆层段12进行注浆，待该注浆层注浆完成后，向上拉止浆塞9至与目的注浆层段12内的过滤管1的上方相邻的实管2内，并对目的注浆层段12进行注浆，直达最后一个注浆层段12注浆完成。
进一步地，注浆量与注浆层段12的土体有效孔隙率满足如下关系式：Q＝πr2Hη，式中：Q—浆液注入量，单位为m3；η—注浆层段12的土体有效孔隙率，单位为％；H—注浆层段12厚度，单位为m；r—扩散半径，单位为m。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
1、节约成本，逐级钻孔和爆破射孔或割管所产生的费用是使用本发明中过滤管1的7至8倍。
2、本发明中用粘土水泥浆11固井的安全性大大提高，纯水泥浆固井对含水层影响较大，容易渗入含水层里，无法控制，容易造成注浆困难。
本发明提供的巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管与施工方法解决了现有单个钻井多层段注浆技术中存在的操作时间长、产生费用巨大、技术难度大和安全性低的问题，研发了适合巨厚冲积层单井多层段注浆的新型套管，并且给出了配合新型套管的注浆施工方法，能够填补目前尚无巨厚冲积层单井多层段安全高效注浆设备与方法的空白，是巨厚冲积层注浆加固综合治理方案的重要组成部分，极大地提高了深立井地层加固注浆的安全性，并且大大降低施工风险，社会、经济效益显著。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种巨厚冲积层单井多层段注浆新型套管，所述多层段包括若干注浆层段和若干非注浆层段，所述注浆层段和所述非注浆层段交替设置，两个所述注浆层段之间为一个所述非注浆层段，两个所述非注浆层段之间为一个所述注浆层段，所述单井的最下端设置为所述注浆层段，其特征在于，
所述套管置于注浆孔内，所述套管由内层注浆管和套在所述内层注浆管外部的外管组成，所述外管包括若干段过滤管和若干段实管，所述过滤管的管壁上设置有若干过滤孔，所述过滤管和所述实管交替设置，所述过滤管设置在所述注浆层段内，所述实管设置在所述非注浆层段内；
在所述外管和所述内层注浆管之间设置有止浆塞，所述止浆塞可以沿所述套管上下移动，在所述套管的顶端设置有闷盖，所述闷盖能够覆盖所述内层注浆管与所述外管之间的部分。
2.根据权利要求1所述的套管，其特征在于，
所述过滤孔的外部设置有若干嵌缝带，所述嵌缝带缠绕在所述过滤管的外部并用于封堵所述过滤孔。
3.根据权利要求2所述的套管，其特征在于，
所述嵌缝带的外部缠绕有尼龙纱网，所述尼龙纱网用于防止所述注浆层段的砂子进入所述过滤管内。
4.根据权利要求3所述的套管，其特征在于，
所述尼龙纱网的外部缠绕有扎丝，所述扎丝用于固定所述尼龙纱网，在所述尼龙纱网上并沿所述过滤管的高度方向每隔150mm～250mm缠绕一圈所述扎丝。
5.根据权利要求1所述的套管，其特征在于，
所述过滤管的穿孔率大于所述注浆层段土体的有效孔隙率，所述过滤孔的直径为12mm～18mm。
6.根据权利要求1所述的套管，其特征在于，
所述套管还能够用于巨厚冲积层单井多层段压水试验和抽水试验。
7.一种套管的施工方法，所述套管为权利要求1-6任一项所述的套管，其特征在于，包括如下步骤：
1)调浆：下管前配好泥浆，所述泥浆由膨润土、纯碱、钠羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、腐植酸钾和水混合而成，测定所述泥浆的比重；
2)过滤管的制作：按设计要求在过滤管上制作过滤孔，在过滤管的外部缠绕嵌缝带，嵌缝带的外部缠绕尼龙纱网，按设计要求在尼龙纱网的外部缠绕扎丝；
3)下管：按预设的所述注浆层段和所述非注浆层段的顺序分段下入所述过滤管和所述实管；
将所述止浆塞设置在与最下端的所述过滤管相邻的所述实管内，在所述套管的顶端设置闷盖；
在所述环状间隙内循环步骤1)中制得的所述泥浆；
4)固井：预先按所述环状间隙的体积配好粘土水泥浆，所述粘土水泥浆由水、水泥和粘土混合而成，将所述粘土水泥浆泵入所述注浆孔内，直至所述注浆孔返浆，停泵，候凝8小时解所述止浆塞；
5)洗井：先用清水循环冲洗所述套管内部直至清水，然后将焦磷酸钠溶液泵入所述套管内替换所述套管内的清水并浸泡24小时，最后用活塞和高压射流的方法反复对所述套管内部进行清洗，直至套管内水清、无杂质；
6)注浆：依次向上拉所述止浆塞，对所有所述注浆层段分别进行注浆，直至最后一层注浆层，注浆结束；
优选的，所注浆液为水泥浆，水泥浆的配比为：
水:水泥＝1:1～1.5:1。
8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，
所述步骤4)中的粘土水泥浆中各成分按重量的配比为：
水:水泥:粘土＝1:0.6～0.8:0.2～0.3。
9.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，
注浆量与所述注浆层段的土体有效孔隙率满足如下关系式：Q＝πr2Hη，
式中：Q—浆液注入量，单位为m3；η—所述注浆层段的土体有效孔隙率，单位为％；H—注浆层段厚度，单位为m；r—扩散半径，单位为m。
10.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，
按如下方式选取所述嵌缝带：
1)测定各注浆层段的深度H、单位为m，泥浆密度ρ，粘土水泥浆密度ρ'；
2)由所述嵌缝带的两侧压力差计算出所述嵌缝带所承受的最小压力为P，P＝(ρ′-ρ)*H/1000；
3)选取能够承受压力为1.5P的嵌缝带。
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