CN112664159A - 一种针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法 - Google Patents
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Abstract
一种针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，具体包括以下步骤：(1)、钻井：根据地层勘探结果，在指定位置通过钻具对地面进行钻井作业，在地层依次钻设竖直井和造斜段，造斜段钻至煤层上方的煤层顶板层，再在煤层顶板层钻设第一个水平井；(2)、压水试验；(3)、注浆；(4)、扫孔；(5)、按照设计完成在煤层顶板层上各个分支水平井的钻进、压水试验、注浆和扫孔作业。本发明采用多分支水平井的布置方式，通过钻井、压水试验、注浆和扫孔的流程，完成对煤层顶板层完整的水平堵漏过程，能够增大水泥浆在煤层顶板层小型裂隙的流动性，有效增加水平井的注浆控制面积。
Description
技术领域
本发明涉及煤层开采技术领域，具体的说，涉及一种针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法。
背景技术
煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是最廉价的能源，同时也是重要的战略资源，广泛的应用于钢铁、电力、化工等工业生产及居民生活领域，在世界一次能源消费量中占25％。近年来我国国民经济持续快速发展，电力、冶金、建材、化工等行业的高速发展导致了对煤炭需求的大幅度增加，消费逐年递增。而我国煤炭探明可采储量应在2000亿吨以上，资源量可达3万亿吨。其中，无烟煤和烟煤5094.91亿吨，次烟煤和褐煤4747.20亿吨。在目前和未来很长的一段时间内，煤炭还是我们生产生活中必不可少的能源之一，煤炭的供应也关系到我国的工业乃至整个社会方方面面的发展的稳定，因此必要对煤炭资源的开采技术与装备进行深入的研究。
煤炭资源开采过程是包含区段或采煤条带内的巷道布置方式和回采工艺及其相互配合的复杂过程。开采过程中地质构造、煤层埋深、煤层赋存状况、煤层厚度及硬度、煤层结构、顶底板条件、煤质条件及矿井生产能力等因素对开采效率均有影响。其中，在煤层工作面的上层存在承压水层，由于地质变动和裂隙的存在，承压水易通过断层断裂面造成工作面漏顶严重，以致煤炭开采无法进行，因此开展对煤层顶板层的断裂区域和缝隙加固工作是保障煤炭开采的重要手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，本发明采用多分支水平井的布置方式，通过钻井、压水试验、注浆和扫孔的流程，完成对煤层顶板层完整的水平堵漏的过程，能够增大水泥浆在煤层顶板层小型裂隙的流动性，有效增加水平井的注浆控制面积。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，具体包括以下步骤：
(1)、钻井：根据地层勘探结果，在指定位置通过钻具对地面进行钻井作业，在地层依次钻设竖直井和造斜段，造斜段钻至煤层上方的煤层顶板层，再在煤层顶板层钻设第一个水平井；
(2)、压水试验：在煤层顶板层钻设第一个水平井的过程中，对第一个水平井进行压水试验；
(3)、注浆：如果第一个水平井钻进至某一位置时，步骤(2)中的压水试验结果显示压入的清水漏失量大于10m3/h，则表明第一个水平井在该处的煤层顶板层存在大量裂隙，通过注浆系统向钻井中注浆，使水泥浆注入到第一个水平井在该处的煤层顶板层裂隙中，水泥凝固将煤层顶板层的裂隙堵住；
(4)、扫孔：在注浆压力达到设计要求时，立即停止注浆，在钻井中下入钻具并对钻井进行扫孔，避免水泥浆在钻井中凝固，扫孔后再进行一次压水试验，检验注浆效果；
(5)、按照设计要求，如果需要继续第一个水平井的钻进，则重复步骤(2)、(3)、(4)直至第一个水平井钻进到设计长度，再将钻具起到造斜段下端位置，在第一个水平井一侧钻设另一个分支水平井，同第一个水平井的作业过程，如此，按照设计完成在煤层顶板层上各个分支水平井的钻进、压水试验、注浆和扫孔作业。
步骤(1)具体为：根据地层勘探结果，在指定位置先通过较大尺寸的第一钻头对地面进行竖直钻进，一开穿过基岩造竖直井，在竖直井中下入相应尺寸的套管对竖直井进行固井，隔离松散地层；再通过较小尺寸的第二钻头进行二开造斜段施工，定向钻进通过控制井斜、孔深、垂深指标，保证第二钻头钻至目标层，即钻至煤层上方的煤层顶板层，二开完钻后再下入相应尺寸的套管进行固井；再通过更小尺寸的第三钻头三开在煤层顶板层中按照设计沿某一方向水平定向钻进，钻设第一个水平井。
步骤(2)具体为：在煤层顶板层钻设第一个水平井的过程中，每钻进200m进行一次压水试验，压入清水30min以上，如果压水试验结果显示压入的清水漏失量小于10m3/h，则表明第一个水平井在该处的煤层顶板层不存在大量裂隙，则继续钻进200m，再进行压水试验。
步骤(3)具体为：如果第一个水平井钻进至某一位置时，步骤(2)中的压水试验结果显示压入的清水漏失量大于10m3/h，则表明第一个水平井在该处的煤层顶板层存在大量裂隙，起钻，将钻具从钻井中取出，通过注浆系统向钻井中注入水泥浆，其中，注浆系统为地面注浆站，注浆系统由清水罐、灰罐、制浆机、注浆泵、控制中心和电箱组成，控制中心与制浆机信号连接，电箱与制浆机电连接，清水罐和灰罐均与制浆机连接，通过控制粉煤灰和清水的配比，再将配比好的粉煤灰和清水加入到制浆机内，通过制浆机内高速涡流系统的搅拌作用，制成水泥浆，并能够实现将水泥浆的密度调整控制在1.1-1.5g/cm3，然后，通过注浆泵将搅拌好的水泥浆经井口泵入到钻井中。
注浆分三个阶段：依次为常压注浆、加压注浆和高压注浆；
常压注浆：在注浆开始阶段，煤层顶板层的裂隙中只有水，当注入水泥浆后，由于水泥浆密度大于裂隙中的水密度，水泥浆利用自重即可进入裂隙中，水泥浆占据裂隙中的水的位置；
加压注浆：通过控制注浆泵的泵入压力，使注浆压力逐渐由常压加压增大至2-4Mpa，并将注浆压力控制在2-4Mpa范围内，从而使水泥浆在横向、纵向上进一步扩散，封堵煤层顶板层中小裂隙通道，增大钻孔注浆的控制范围，使初始孤立的水泥浆结实并连成整体；
高压注浆：由于煤层顶板层裂隙中的水压力较高，在5-7Mpa，加压注浆阶段水泥凝固抗压能力小于水头压力，为了巩固前期注浆效果，所以在加压注浆阶段后期需要注浆调整水泥注入量，加大注浆压力，使高压注浆阶段的注浆压力大于水头压力1Mpa，当压力稳定后停止注浆。
步骤(4)具体为：在注浆压力达到设计要求时，立即停止注浆，在钻井中下入钻具并对钻井底部进行扫孔，避免水泥浆在钻井中凝固，钻具将孔内的水泥扫出循环至地面，扫孔的孔深超过钻井原先底部的位置后起钻，然后，再通过注浆泵经井口向钻井中注入清水，再进行一次压水试验，如果压水试验结果显示压入的清水漏失量小于10m3/h，则表明第一个水平井在该处的煤层顶板层注浆效果良好，已经将该处煤层顶板层的裂隙全部封堵，否则，重复步骤(3)继续注浆作业，直到将该处煤层顶板层的裂隙全部封堵，如此，完成一段水平井的钻进、压水试验、注浆和扫孔作业流程。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明在煤层顶板层采用多分支水平井的布置方式，通过钻井、压水试验、注浆和扫孔的流程，完成对煤层顶板层完整的水平堵漏的过程，能够增大水泥浆在煤层顶板层小型裂隙的流动性，有效增加水平井的注浆控制面积。
附图说明
图1是本发明的钻井的结构示意图。
图2是本发明的注浆系统的工作原理图。
图3是本发明的多分支水平井的布置示意图。
图4是本发明的作业流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-图4所示，一种针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，具体包括以下步骤：
(1)、钻井：根据地层勘探结果，在指定位置通过钻具对地面进行钻井作业，在地层1依次钻设竖直井2和造斜段3，造斜段3钻至煤层4上方的煤层顶板层5，再在煤层顶板层5钻设第一个水平井6；
(2)、压水试验：在煤层顶板层5钻设第一个水平井6的过程中，对第一个水平井6进行压水试验；
(3)、注浆：如果第一个水平井6钻进至某一位置时，步骤(2)中的压水试验结果显示压入的清水漏失量大于10m3/h，则表明第一个水平井6在该处的煤层顶板层5存在大量裂隙，通过注浆系统向钻井中注浆，使水泥浆注入到第一个水平井6在该处的煤层顶板层5裂隙中，水泥凝固将煤层顶板层5的裂隙堵住；
(4)、扫孔：在注浆压力达到设计要求时，立即停止注浆，在钻井中下入钻具并对钻井进行扫孔，避免水泥浆在钻井中凝固，扫孔后再进行一次压水试验，检验注浆效果；
(5)、按照设计要求，如果需要继续第一个水平井6的钻进，则重复步骤(2)、(3)、(4)直至第一个水平井6钻进到设计长度，再将钻具起到造斜段3下端位置，在第一个水平井6一侧钻设另一个分支水平井6，同第一个水平井6的作业过程，如此，按照设计完成在煤层顶板层5上各个分支水平井6的钻进、压水试验、注浆和扫孔作业。
步骤(1)具体为：根据地层1勘探结果，在指定位置先通过较大尺寸的第一钻头对地面进行竖直钻进，一开穿过基岩造竖直井2，在竖直井2中下入相应尺寸的套管对竖直井2进行固井，隔离松散地层1；再通过较小尺寸的第二钻头进行二开造斜段3施工，定向钻进通过控制井斜、孔深、垂深指标，保证第二钻头钻至目标层，即钻至煤层4上方的煤层顶板层5，二开完钻后再下入相应尺寸的套管进行固井；再通过更小尺寸的第三钻头三开在煤层顶板层5中按照设计沿某一方向水平定向钻进，钻设第一个水平井6。
步骤(2)具体为：在煤层顶板层5钻设第一个水平井6的过程中，每钻进200m进行一次压水试验，压入清水30min以上，如果压水试验结果显示压入的清水漏失量小于10m3/h，则表明第一个水平井6在该处的煤层顶板层5不存在大量裂隙，则继续钻进200m，再进行压水试验。
步骤(3)具体为：如果第一个水平井6钻进至某一位置时，步骤(2)中的压水试验结果显示压入的清水漏失量大于10m3/h，则表明第一个水平井6在该处的煤层顶板层5存在大量裂隙，起钻，将钻具从钻井中取出，通过注浆系统向钻井中注入水泥浆，其中，注浆系统为地面注浆站，注浆系统由清水罐7、灰罐8、制浆机9、注浆泵10、控制中心11和电箱12组成，控制中心11与制浆机9信号连接，电箱12与制浆机9电连接，清水罐7和灰罐8均与制浆机9连接，通过控制粉煤灰和清水的配比，再将配比好的粉煤灰和清水加入到制浆机9内，通过制浆机9内高速涡流系统的搅拌作用，制成水泥浆，并能够实现将水泥浆的密度调整控制在1.1-1.5g/cm3，然后，通过注浆泵10将搅拌好的水泥浆经井口13泵入到钻井中。
注浆分三个阶段：依次为常压注浆、加压注浆和高压注浆；
常压注浆：在注浆开始阶段，煤层顶板层5的裂隙中只有水，当注入水泥浆后，由于水泥浆密度大于裂隙中的水密度，水泥浆利用自重即可进入裂隙中，水泥浆占据裂隙中的水的位置；
加压注浆：通过控制注浆泵10的泵入压力，使注浆压力逐渐由常压加压增大至2-4Mpa，并将注浆压力控制在2-4Mpa范围内，从而使水泥浆在横向、纵向上进一步扩散，封堵煤层顶板层5中小裂隙通道，增大钻孔注浆的控制范围，使初始孤立的水泥浆结实并连成整体；
高压注浆：由于煤层顶板层5裂隙中的水压力较高，在5-7Mpa，加压注浆阶段水泥凝固抗压能力小于水头压力，为了巩固前期注浆效果，所以在加压注浆阶段后期需要注浆调整水泥注入量，加大注浆压力，使高压注浆阶段的注浆压力大于水头压力1Mpa，当压力稳定后停止注浆。
步骤(4)具体为：在注浆压力达到设计要求时，立即停止注浆，在钻井中下入钻具并对钻井底部进行扫孔，避免水泥浆在钻井中凝固，钻具将孔内的水泥扫出循环至地面，扫孔的孔深超过钻井原先底部的位置后起钻，然后，再通过注浆泵10经井口13向钻井中注入清水，再进行一次压水试验，如果压水试验结果显示压入的清水漏失量小于10m3/h，则表明第一个水平井6在该处的煤层顶板层5注浆效果良好，已经将该处煤层顶板层5的裂隙全部封堵，否则，重复步骤(3)继续注浆作业，直到将该处煤层顶板层5的裂隙全部封堵，如此，完成一段水平井6的钻进、压水试验、注浆和扫孔作业流程。
本发明在煤层顶板层5采用多分支水平井6的布置方式，通过钻井、压水试验、注浆和扫孔的流程，完成对煤层顶板层5完整的水平堵漏的过程，能够增大水泥浆在煤层顶板层5小型裂隙的流动性，有效增加水平井6的注浆控制面积。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)、钻井：根据地层勘探结果，在指定位置通过钻具对地面进行钻井作业，在地层依次钻设竖直井和造斜段，造斜段钻至煤层上方的煤层顶板层，再在煤层顶板层钻设第一个水平井；
(2)、压水试验：在煤层顶板层钻设第一个水平井的过程中，对第一个水平井进行压水试验；
(3)、注浆：如果第一个水平井钻进至某一位置时，步骤(2)中的压水试验结果显示压入的清水漏失量大于10m3/h，则表明第一个水平井在该处的煤层顶板层存在大量裂隙，通过注浆系统向钻井中注浆，使水泥浆注入到第一个水平井在该处的煤层顶板层裂隙中，水泥凝固将煤层顶板层的裂隙堵住；
(4)、扫孔：在注浆压力达到设计要求时，立即停止注浆，在钻井中下入钻具并对钻井进行扫孔，避免水泥浆在钻井中凝固，扫孔后再进行一次压水试验，检验注浆效果；
(5)、按照设计要求，如果需要继续第一个水平井的钻进，则重复步骤(2)、(3)、(4)直至第一个水平井钻进到设计长度，再将钻具起到造斜段下端位置，在第一个水平井一侧钻设另一个分支水平井，同第一个水平井的作业过程，如此，按照设计完成在煤层顶板层上各个分支水平井的钻进、压水试验、注浆和扫孔作业。
2.根据权利要求1所述的针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，其特征在于：步骤(1)具体为：根据地层勘探结果，在指定位置先通过较大尺寸的第一钻头对地面进行竖直钻进，一开穿过基岩造竖直井，在竖直井中下入相应尺寸的套管对竖直井进行固井，隔离松散地层；再通过较小尺寸的第二钻头进行二开造斜段施工，定向钻进通过控制井斜、孔深、垂深指标，保证第二钻头钻至目标层，即钻至煤层上方的煤层顶板层，二开完钻后再下入相应尺寸的套管进行固井；再通过更小尺寸的第三钻头三开在煤层顶板层中按照设计沿某一方向水平定向钻进，钻设第一个水平井。
3.根据权利要求2所述的针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，其特征在于：步骤(2)具体为：在煤层顶板层钻设第一个水平井的过程中，每钻进200m进行一次压水试验，压入清水30min以上，如果压水试验结果显示压入的清水漏失量小于10m3/h，则表明第一个水平井在该处的煤层顶板层不存在大量裂隙，则继续钻进200m，再进行压水试验。
4.根据权利要求3所述的针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，其特征在于：步骤(3)具体为：如果第一个水平井钻进至某一位置时，步骤(2)中的压水试验结果显示压入的清水漏失量大于10m3/h，则表明第一个水平井在该处的煤层顶板层存在大量裂隙，起钻，将钻具从钻井中取出，通过注浆系统向钻井中注入水泥浆，其中，注浆系统为地面注浆站，注浆系统由清水罐、灰罐、制浆机、注浆泵、控制中心和电箱组成，控制中心与制浆机信号连接，电箱与制浆机电连接，清水罐和灰罐均与制浆机连接，通过控制粉煤灰和清水的配比，再将配比好的粉煤灰和清水加入到制浆机内，通过制浆机内高速涡流系统的搅拌作用，制成水泥浆，并能够实现将水泥浆的密度调整控制在1.1-1.5g/cm3，然后，通过注浆泵将搅拌好的水泥浆经井口泵入到钻井中。
5.根据权利要求4所述的针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，其特征在于：注浆分三个阶段：依次为常压注浆、加压注浆和高压注浆；
常压注浆：在注浆开始阶段，煤层顶板层的裂隙中只有水，当注入水泥浆后，由于水泥浆密度大于裂隙中的水密度，水泥浆利用自重即可进入裂隙中，水泥浆占据裂隙中的水的位置；
加压注浆：通过控制注浆泵的泵入压力，使注浆压力逐渐由常压加压增大至2-4Mpa，并将注浆压力控制在2-4Mpa范围内，从而使水泥浆在横向、纵向上进一步扩散，封堵煤层顶板层中小裂隙通道，增大钻孔注浆的控制范围，使初始孤立的水泥浆结实并连成整体；
高压注浆：由于煤层顶板层裂隙中的水压力较高，在5-7Mpa，加压注浆阶段水泥凝固抗压能力小于水头压力，为了巩固前期注浆效果，所以在加压注浆阶段后期需要注浆调整水泥注入量，加大注浆压力，使高压注浆阶段的注浆压力大于水头压力1Mpa，当压力稳定后停止注浆。
6.根据权利要求5所述的针对煤层顶板小型裂隙的水平定向堵漏方法，其特征在于：步骤(4)具体为：在注浆压力达到设计要求时，立即停止注浆，在钻井中下入钻具并对钻井底部进行扫孔，避免水泥浆在钻井中凝固，钻具将孔内的水泥扫出循环至地面，扫孔的孔深超过钻井原先底部的位置后起钻，然后，再通过注浆泵经井口向钻井中注入清水，再进行一次压水试验，如果压水试验结果显示压入的清水漏失量小于10m3/h，则表明第一个水平井在该处的煤层顶板层注浆效果良好，已经将该处煤层顶板层的裂隙全部封堵，否则，重复步骤(3)继续注浆作业，直到将该处煤层顶板层的裂隙全部封堵，如此，完成一段水平井的钻进、压水试验、注浆和扫孔作业流程。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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