CN113107418B - 一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置及方法。包括：射孔枪，用于和连续油管相连接，其上设置有若干个喷射眼；过油管封隔器，通过一丢手工具与所述射孔枪连接，用于在受压时坐封所在套管。本发明实现了分段可靠注浆，减少前进式注浆过程中对下一个注浆点注浆时的重复扫孔工作，提高施工效率、降低施工成本；本发明分割注浆方式确保井口压力能够有效传导至浆液漏失点；本发明采用预制保压装置进行分段保压，可在上一个注浆点保压的同时对下一个注浆点进行注浆施工，节省了孔内浆液凝固的等待时间，有效缩短注浆工程的施工总周期。

Description

一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水平钻孔分段保压注浆装置及方法，属于矿井防治水技术领域，具体是涉及一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置及方法。

背景技术

华北型煤田煤层开采过程中常面临底板高压岩溶裂隙含水层水害威胁，隐伏断层、陷落柱等导水通道易将含水层水导入采掘空间造成突水淹井，采用注浆改造灰岩含水层是底板含水层水患治理的重要手段之一。

目前主要的含水层注浆改造方法包括井下巷道施工常规钻孔注浆，地面或井下施工定向钻孔注浆2种方式，其中采用定向钻孔注浆方法具有超前布局、有效孔段长、注浆量大、盲区范围小等特点，是该领域技术的主要发展方向。例如中国专利授权号CN201410088702，名称为：一种煤矿大采深与下组煤开采防治水综合治理方法，提出采用水平定向分支孔分段下行式注浆改造灰岩含水层，实现区域超前治理的防治水综合方法。目前，国内外采用定向钻孔进行注浆改造含水层中多采用下行式注浆，即定向钻孔施工钻遇含水层漏失时进行提钻作业，在孔口进行静压式全孔注浆，待注浆完毕浆液初凝后重复扫孔，继续向前钻进，直到下次漏失再重复提钻、注浆、扫孔工序。该注浆方式会使得浆液在漏水点后方的含水层孔隙、裂隙中扩散，造成孔内压力损耗，影响含水层注浆改造效果；全井段注浆，井口保压，然后对第二注浆点进行下钻扫水泥塞后，采用同样的全井段注浆、井口保压工艺技术，这样会极大的增加施工成本，以及施工周期的同时极易在重复下钻过程中损坏钻孔套管，造成新的浆液漏失点，降低底板注浆改造效果。

采用定向钻孔内分隔定点注浆方法可减少全孔注浆的压力损耗。中国专利授权号CN 201711119804，名称为：建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，发明了一种在水平钻孔中下入水力定位止浆塞进行分段注浆的方法，可实现分段注浆。但是该类型双胶囊分隔方法在分段注浆时易造成浆液沿含水层中孔隙、裂隙绕流到止浆塞后方，同样造成孔内压力损耗，且浆液固结后止浆塞无法拔出，使得钻孔无法继续利用。

因此，针对水平定向长钻孔进行下行式注浆和双封隔器注浆方式均难以达到良好的治理效果，需开发新型单孔注浆方法以实现分段注浆、保压凝固的目的，确保定向长钻孔的注浆效果并提高注浆工程施工效率。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要解决现有技术中采用定向长钻孔对煤层底板灰岩含水层进行注浆改造中全孔注浆造成压力消耗，且多次下钻扫孔重复作业使得效率较低的技术问题，提出了一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置及方法，该装置及方法能够实现定向钻孔中分段注浆与分段保压，提高煤层底板含水层注浆改造的效果，提升施工效率。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置，包括：

射孔枪，用于和连续油管相连接，其上设置有若干个喷射眼；

过油管封隔器，通过一丢手工具与所述射孔枪连接，用于在受压时坐封所在套管。

优选的，上述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置，还包括：

压力脱落器，通过一单向阀连接过油管封隔器，所述压力脱落器的前端为一花瓣形状，花瓣形状的各瓣体在受压力驱动时可打开。

优选的，上述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置，所述射孔枪依次通过一扶正器、连续油管连接工具与连续油管连接。

一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，包括：

套管下入步骤，在煤层底板改造层位施工水平定向钻孔并下入套管；

筛眼施工步骤，将带有射孔枪的保压注浆装置推送至套管位于隐伏导水通道的位置，利用所述射孔枪上的喷射眼在所述套管内进行水力喷砂射孔作业以在套管上形成筛眼；

封隔注浆步骤，回退所述射孔枪并利用位于所述射孔枪前端的过油管封隔器坐封所述套管以在所述筛眼所在位置处形成注浆段；所述注浆段位于所述过油管封隔器远离孔口位置的一侧；利用保压注浆装置的单向阀向所述注浆段内注浆。

优选的，上述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，包括：在所述封隔注浆步骤后，通过清水循环系统将注浆通道内的浆液顶替进入煤层底板改造层位。

优选的，上述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，还包括：

分离提孔步骤，通过设置于所述射孔枪和过油管封隔器之间的丢手工具分离所述射孔枪和所述过油管封隔器，将所述射孔枪提出井口。

优选的，上述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，包括：将所述射孔枪提出井口后清洗所述射孔枪，然后通过丢手工具依次连接新的过油管封隔器、单向阀构成一新的保压注浆装置；利用新的保压注浆装置实施筛眼施工步骤和封隔注浆步骤。

优选的，上述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，所述保压注浆装置还包括一压力脱落器，所述压力脱落器通过一单向阀连接过油管封隔器，所述压力脱落器的前端为一花瓣形状，花瓣形状的各瓣体在受压力驱动时可打开。

因此，相对于现有技术，本发明具备以下优点：首先实现了分段可靠注浆，减少前进式注浆过程中对下一个注浆点注浆时的重复扫孔工作，提高施工效率、降低施工成本；其次，分割注浆方式确保井口压力能够有效传导至浆液漏失点，相比现阶段的下行式注浆方式，减小了长距离钻孔中的压力损耗，达到灰岩含水层各注浆点的精准强注浆目标；最后，采用预制保压装置进行分段保压，可在上一个注浆点保压的同时对下一个注浆点进行注浆施工，节省了孔内浆液凝固的等待时间，有效缩短注浆工程的施工总周期。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1为煤层底板分段保压注浆水害治理工艺示意图(第1段治理)；

图2为煤层底板分段保压注浆水害治理工艺示意图(第2段治理)；

图3为煤层底板分段保压注浆水害治理工艺示意图(第n段治理)；

图4为分段保压注浆装置示意图；

图5为预置保压装置示意图。

将参照附图描述本发明的实施例。

图中1-套管；2-连续油管；3-第1隐伏导水通道隐伏导水通道；4-第2隐伏导水通道隐伏导水通道；5-第n隐伏导水通道隐伏导水通道；6-保压注浆装置；7-连续油管连接工具；8-扶正器；9-射孔枪；10-喷射眼；11-丢手工具；12-过油管封隔器；13-单向阀；14-花瓣形压力脱落器；15-井口；16-井口射孔液控制阀门；17-井口注浆浆液控制阀门；18-射孔/注浆切换控制阀门；19-清水/砂液/浆液切换控制阀门；20-第1注浆泵控制阀门；21-第2注浆泵控制阀门；22-备用注浆泵控制阀门；23-第n注浆泵控制阀门；24-第1射孔泵控制阀门；25-第2射孔泵控制阀门；26-清水池控制阀门；27-砂液池控制阀门；28-浆液池控制阀门；29-预置保压装置。

具体实施方式

实施例

本实施例首先提供了一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置。所述水平钻孔分段保压注浆装置包括：

一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置，包括：

射孔枪9，用于和连续油管2相连接，其上设置有若干个喷射眼10；

过油管封隔器12，通过一丢手工具11与所述射孔枪9连接，用于在受压时坐封所在套管1。

压力脱落器，通过一单向阀13连接过油管封隔器12，所述压力脱落器的前端为一花瓣形状，花瓣形状的各瓣体在受压力驱动时可打开。

本实施例中，所述射孔枪9可以依次通过一扶正器8、连续油管连接工具7与连续油管2连接。

本实施例还提供了一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，包括以下步骤：

套管下入步骤，在煤层底板改造层位施工水平定向钻孔并下入套管1；

筛眼施工步骤，将带有射孔枪9的保压注浆装置6推送至套管1位于隐伏导水通道的位置，利用所述射孔枪9上的喷射眼10在所述套管1内进行水力喷砂射孔作业以在套管1上形成筛眼；

封隔注浆步骤，回退所述射孔枪9并利用位于所述射孔枪9前端的过油管封隔器12坐封所述套管1以在所述筛眼所在位置处形成注浆段；所述注浆段位于所述过油管封隔器12远离孔口位置的一侧；利用保压注浆装置6的单向阀13向所述注浆段内注浆。

本实施例中，在所述封隔注浆步骤后，通过清水循环系统将注浆通道内的浆液顶替进入煤层底板改造层位。

本实施例中，还包括分离提孔步骤，通过设置于所述射孔枪9和过油管封隔器12之间的丢手工具11分离所述射孔枪9和所述过油管封隔器12，将所述射孔枪9提出井口。

下面结合附图1-4对本实施例作的方法作进一步说明。作为一种优选的方式，本实施例可以通过以下步骤来实现：

步骤一：确定煤层底板改造层位，地面选择合适的井位，施工用于煤层底板注浆改造的水平定向钻孔。施工过程中若遇到钻液显著漏失点时，详细记录孔深、漏失量、孔口返出岩屑情况，并采用重泥浆强压继续钻进，钻孔施工完毕后下入套管1。整理钻孔施工过程中钻遇的所有漏失点，从孔底向孔口依次编号为第1隐伏导水通道、第2隐伏导水通道、……、第n隐伏导水通道，作为含水层分段保压注浆的重点位置。

步骤二：采用连续油管2将保压注浆装置6推送到需要改造的第1隐伏导水通道3的位置，并进行位置调整，将射孔枪9的喷射眼10下入至第1隐伏导水通道3位置。

步骤三：依次打开清水池控制阀门26，砂液池控制阀门27，清水/砂液/浆液切换控制阀门19，呈清水/砂液开启状态；打开第一射孔泵控制阀门24，第二射孔泵控制阀门25，射孔/注浆切换控制阀门18，并呈射孔控制阀门开启状况，打开井口射孔液控制阀门16，完成喷射前的地面准备工作。

步骤四：开始喷砂射孔作业，射孔泵开始工作，将清水和砂液送入连续油管2至分段保压强注浆装置6内，射孔液从射孔枪9的喷射眼10喷出，喷砂射孔压力最高20MPa，实现水力喷砂射孔打磨套管壁并沟通第1隐伏导水通道。以此为中心，来回拖动连续油管2以带动分段保压注浆装置6在孔中移动，喷射出一段长度不小于6m的密集孔眼，呈筛孔状，以增加注浆时浆液流动的面积、充分沟通隐伏导水通道，为后续注浆提供有利条件。

步骤五：连续油管2上提，将过油管封隔器12放置于密集孔眼段以外5m处，关闭砂液池控制阀门27，并打压至25MPa，坐封过油管封隔器12，然后继续打压至30MPa，花瓣形压力脱落器14打开后脱落，此时，形成地面井口15与第1隐伏导水通道隐伏导水通道3的注浆通道。

步骤六：开始注浆作业，关闭全部阀门。打开浆液池控制阀门28、清水/砂液/浆液切换控制阀门19，并呈浆液控制阀门开启状态，打开第1注浆泵控制阀门20、射孔/注浆切换控制阀门18，并呈注浆控制阀门开启状况，打开井口注浆浆液控制阀门17，打开注浆泵开始注浆作业。此过程中，如果地面注浆泵能力不能满足地层进浆量的需求，则开启第2注浆泵控制阀门21、第3注浆泵控制阀门22、直到第n注浆泵控制阀门23，以满足地层进浆量为准。

步骤七：完成注浆改造作业后，打开清水池控制阀门26，将连续油管中的浆液顶替进入地层，然后连续油管2上提，拉力为18MPa，此时丢手工具11脱离，则丢手工具11、过油管封隔器12、单向阀13、花瓣形压力脱落器14(此刻已脱落)放置于套管内，形成预置保压装置29，其余随连续油管2提出井口15至地面。此时，由于过油管封隔器12、单向阀13的作用，预置保压装置29能够防止浆液倒流，浆液始终在封隔器与地层建立的界限范围内，处于静止和充分凝固状态，实现第1隐伏导水通道3的保压效果，完成第1隐伏导水通道3的注浆改造作业。

步骤八：由于注浆过程中浆液堵塞了喷射眼10，故将上提到地面的射孔枪9中的喷射眼10清洗干净，并重新安装丢手工具11、过油管封隔器12、单向阀13、花瓣形压力脱落器14，组成一套新的分段保压强注浆装置6。

步骤九：采用连续油管2将新组装的分段保压注浆装置6推送到需要改造的第2隐伏导水通道4处，使得射孔枪9的喷射眼10位于第2隐伏导水通道4位置中心。重复步骤三至步骤八的内容，实现第2隐伏导水通道4保压的效果，完成第2隐伏导水通道4的注浆改造作业。

步骤十：依次进行第n隐伏导水通道5的注浆与保压，完成第n隐伏导水通道5的注浆改造作业

下面通过一具体的应用场景来对本实施例的方法作进一步的说明。实施环境为安徽某煤矿煤层底板共发育有10余层灰岩，且灰岩水压4～6MPa，最大突水系数大于0.1MPa/m，严重威胁煤层安全回采，需要采用水平定向钻孔进行注浆改造，以实现消除水害隐患的目的。

在以上场景中，本实施例的方案包括以下步骤：

步骤一：根据突水系数，计算改造3灰即可满足水害防治需求，确定3灰为主要治理层位。在地面施工水平定向钻孔，沿3灰地层近水平钻进，期间遇到4处明显的浆液漏失点，由孔底向外依次编号为第1、2、3、4隐伏导水通道，钻孔设计并施工总长度710m，施工完毕后下入套管1。

步骤二：采用连续油管2将保压注浆装置6推送到第1隐伏导水通道3的位置，并进行位置调整，将射孔枪9的喷射眼10下入至第1隐伏导水通道3位置。

步骤三：依次打开清水池控制阀门26，砂液池控制阀门27，清水/砂液/浆液切换控制阀门19，呈清水/砂液开启状态；打开第1射孔泵控制阀门24，第2射孔泵控制阀门25，射孔/注浆切换控制阀门18，并呈射孔控制阀门开启状况，打开井口射孔液控制阀门16，完成喷射前的地面准备工作。

步骤四：开始喷砂射孔作业，射孔泵开始工作，将清水和砂液送入连续油管2至分段保压强注浆装置6内，射孔液从射孔枪9的喷射眼10喷出，喷砂射孔压力20MPa，水力喷砂射孔打磨套管壁并沟通第1隐伏导水通道。连续油管2向上提3m，之后再向下放6m，来回移动，带动分段保压注浆装置6在孔中喷射出一段长度约6m的密集孔眼，沟通第1隐伏导水通道。

步骤五：连续油管2上提，将过油管封隔器12放置于密集孔眼段以外5m处，关闭砂液池控制阀门27，并打压至25MPa，坐封过油管封隔器12，然后继续打压至30MPa，花瓣形压力脱落器14打开后脱落。

步骤六：打开浆液池控制阀门28、清水/砂液/浆液切换控制阀门19，呈浆液控制阀门开启状态，打开第1注浆泵控制阀门20，转换射孔/注浆切换控制阀门18，开启注浆控制阀门。打开井口注浆浆液控制阀门17，打开注浆泵开始注浆作业。根据孔口压力情况，注浆初期进一步开启第2注浆泵控制阀门21以实现大流量注浆。

步骤七：完成注浆改造作业后，打开清水池控制阀门26，将连续油管中的浆液顶替进入地层，然后采用18MPa拉力上提连续油管2，此时丢手工具11脱离，使得丢手工具11、过油管封隔器12、单向阀13、花瓣形压力脱落器14(此刻已脱落)放置于套管内，形成预置保压装置29，其余随连续油管2提出井口15至地面，完成第1隐伏导水通道3的注浆改造作业。

本实施例中，脱落器脱落压力为30MPa，过油管封隔器坐封压力为25MPa，喷射压力为20MPa，之所以将脱落器的脱落压力设置为30MPa是为了在射孔压力为20MPa的时候脱落器还未实现脱落，此时，射孔压力无法从其他位置释放，压力只能通过射孔眼处聚集压力，实现聚能射孔作用。同时，只有脱落后才能形成注浆通道，实现注浆改造。本实施例中，设计成花瓣形状的初衷是为了在脱落器脱落后实现碎片化状态，因为如果脱落器实现整体脱落的话，会挤占注浆通道，减小注浆通道，则无法实现大排量注浆改造。如果呈花瓣形状脱落的话，则相对每个脱落后的花瓣占用注浆通道的体积就会小很多，能够实现大排量注浆，对隐伏导水通道实现快速注浆改造。

步骤八：清洗上提到地面的射孔枪9中的喷射眼10，并重新安装丢手工具11、过油管封隔器12、单向阀13、花瓣形压力脱落器14，组成一套新的分段保压强注浆装置6。

步骤九：采用连续油管2将新组装的分段保压注浆装置6推送到第2隐伏导水通道4处，重复步骤三至步骤八的内容，实现第2隐伏导水通道4的分段注浆治理与保压效果，完成第2隐伏导水通道4的注浆改造作业。

步骤十：重复上述步骤完成第3隐伏导水通道的注浆治理与分段保压作业。

通过以上描述可知，本实施例采用分段保压注浆，实现了分段可靠注浆，减少前进式注浆过程中对下一个注浆点注浆时的重复扫孔工作，提高施工效率、降低施工成本；本实施例的分割注浆方式确保井口压力能够有效传导至浆液漏失点，相比现阶段的下行式注浆方式，减小了长距离钻孔中的压力损耗，达到灰岩含水层各注浆点的精准强注浆目标；本实施例采用预制保压装置进行分段保压，可在上一个注浆点保压的同时对下一个注浆点进行注浆施工，节省了孔内浆液凝固的等待时间，有效缩短注浆工程的施工总周期。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (7)

1.一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置，其特征在于，包括：

射孔枪（9），用于和连续油管（2）相连接，其上设置有若干个喷射眼（10）；

过油管封隔器（12），通过一丢手工具（11）与所述射孔枪（9）连接，用于在受压时坐封所在套管（1）；

并且，在分离提孔步骤前通过所述丢手工具（11）将所述过油管封隔器（12）与所述射孔枪（9）连接；在分离提孔步骤后通过所述丢手工具（11）将另一个过油管封隔器（12）与所述射孔枪（9）连接；

其中，所述分离提孔步骤为通过设置于所述射孔枪（9）和过油管封隔器（12）之间的丢手工具（11）分离所述射孔枪（9）和所述过油管封隔器（12），将所述射孔枪（9）提出井口的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置，其特征在于，还包括：

压力脱落器，通过一单向阀（13）连接过油管封隔器（12），所述压力脱落器的前端为一花瓣形状，花瓣形状的各瓣体在受压力驱动时可打开并分瓣脱落。

3.根据权利要求1所述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆装置，其特征在于，所述射孔枪（9）依次通过一扶正器（8）、连续油管连接工具（7）与连续油管（2）连接。

4.一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，其特征在于，包括：

套管下入步骤，在煤层底板改造层位施工水平定向钻孔并下入套管（1）；

筛眼施工步骤，将带有射孔枪（9）的保压注浆装置（6）推送至套管（1）位于隐伏导水通道的位置，利用所述射孔枪（9）上的喷射眼（10）在所述套管（1）内进行水力喷砂射孔作业以在套管（1）上形成筛眼；

封隔注浆步骤，回退所述射孔枪（9）并利用位于所述射孔枪（9）前端的过油管封隔器（12）坐封所述套管（1）以在所述筛眼所在位置处形成注浆段；所述注浆段位于所述过油管封隔器（12）远离孔口位置的一侧；利用保压注浆装置（6）的单向阀（13）向所述注浆段内注浆；

分离提孔步骤，通过设置于所述射孔枪（9）和过油管封隔器（12）之间的丢手工具（11）分离所述射孔枪（9）和所述过油管封隔器（12），将所述射孔枪（9）提出井口。

5.根据权利要求4所述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，其特征在于，包括：在所述封隔注浆步骤后，通过清水循环系统将注浆通道内的浆液顶替进入煤层底板改造层位。

6.根据权利要求4所述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，其特征在于，包括：将所述射孔枪（9）提出井口后清洗所述射孔枪（9），然后通过丢手工具（11）依次连接新的过油管封隔器（12）、单向阀（13）构成一新的保压注浆装置（6）；利用新的保压注浆装置（6）实施筛眼施工步骤和封隔注浆步骤。

7.根据权利要求4所述的一种煤层底板含水层水平钻孔分段保压注浆方法，其特征在于，所述保压注浆装置（6）还包括一压力脱落器，所述压力脱落器通过一单向阀（13）连接过油管封隔器（12），所述压力脱落器的前端为一花瓣形状，花瓣形状的各瓣体在受压力驱动时可打开。

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