CN116857008A - 一种用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法 - Google Patents
一种用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，包括以下步骤：S1：从地面向下钻探第一开井段，且底部至少延伸至地表沙土层底部，固井；S2：从第一开井段的底端开始，向下钻探第二开井段，且底部至主采煤层的顶部，固井；S3：从第二开井段的底端开始，向下钻探第三开井段，其上部贯穿主采煤层，底部至深部地质封存层的顶部，固井；S4：从第三开井段的底端开始，向下钻探第四开井段，其底部至深部地质封存层的底部；S5：在第三开井段的顶部的井壁上设抽排通孔和灌注通孔，在主采煤层的巷道中设抽排水管和灌注水管，它们的进水端均进入井底水仓，抽排水管和灌注水管的出水端分别连接抽排通孔和灌注通孔。
Description
技术领域
本发明属于矿井水处理技术领域，具体涉及一种用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法。
背景技术
传统的矿井水处理方法是，将矿井水通过排水孔/井抽排至地面，然后再在地上的水处理装置内进行分级处理、分质利用。也有新型的矿井水处理方法，将矿井水提升至地面后，再打孔钻井，将矿井水沿深井灌注至深部地层，进行地质封存。这种方法能够节约地上水处理的建设和运行管理成本，将矿井水进行深部地质封存，隔绝矿井水与地上、浅层地质物质循环，利用深部地质环境自然消解处理矿井水，这是一种绿色环保的方法。然而，该方法的成本主要有3方面：从矿井到地面的抽排井的建井成本、矿井水抽排到地面的能耗、灌注深井的建井成本，这3方面的成本均较大，而且工期较长。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，将抽排井与灌注深井合并为复合井，通过“一井两用”极大地节约了建井成本，同时实现部分矿井水的向上抽排和另部分矿井水的向下灌注，又节约了全部矿井水抽排至地上的能耗，节约了井的占地面积。
所述用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，包括以下步骤：
S1：从地面向下钻探第一开井段，第一开井段的底部至少延伸至地表沙土层底部，再进行第一次固井；
S2：从第一开井段的底端开始，向下钻探第二开井段，第二开井段的底部至主采煤层的顶部，再进行第二次固井；
S3：从第二开井段的底端开始，向下钻探第三开井段，第三开井段的上部贯穿主采煤层，底部至深部地质封存层的顶部，再进行第三次固井；
S4：从第三开井段的底端开始，向下钻探第四开井段，第四开井段的底部至深部地质封存层的底部；
S5：在第三开井段的顶部设置第一封隔器，用于防止向上抽排的矿井水进入第三开井段下部；在第一封隔器上方的井壁上设置抽排通孔，抽排通孔贯穿第三开井段的井壁；在抽排通孔的下方设置灌注通孔，灌注通孔贯穿第三开井段的井壁；
在主采煤层的巷道中设置抽排水管和灌注水管，抽排水管和灌注水管的进水端均延伸进入储存并初步处理矿井水的井底水仓的内部，抽排水管的出水端通过抽排通孔进入第三开井段内部，灌注水管的出水端通过灌注通孔进入第三开井段内部。
可选的，步骤S1中，地表沙土层的下方为基岩，第一开井段的底端进入基岩10-15m；所述第一次固井具体为：先在第一开井段靠近井壁处放置一开套管，再在一开套管与第一开井段的井壁之间注入水泥浆固井，提高第一开井段的强度。
可选的，步骤S2中，所述第二次固井具体为：在第二开井段的井壁内和一开套管内设置二开套管，保证第二开井段的强度，二开套管的顶端延伸至地面，底端至主采煤层的顶部，二开套管的上部处于一开套管内，再在二开套管与一开套管之间、二开套管与第二开井段的井壁之间注入水泥浆固井。
可选的，步骤S3中，所述第三次固井具体为：先在二开套管的底端设置第一悬挂器，在第三开井段靠近井壁处放置三开套管，用第一悬挂器将二开套管与三开套管连接起来；然后，在三开套管与第三开井段的井壁之间注入水泥浆固井，提高第三开井段的强度。
可选的，步骤S4中，在第四开井段靠近井壁处设置四开套管，四开套管的底端开口且侧壁均匀密布通孔，用于将通过灌注水管排入的矿井水再排入深部地质封存层；在三开套管与四开套管的衔接处设置第二悬挂器，将三开套管和四开套管连接起来。
可选的，步骤S5中，所述第一封隔器处于第一悬挂器的下方，第一封隔器与灌注通孔之间设置第二封隔器，第一封隔器和第二封隔器都全面封堵三开套管的横截面；
第一封隔器与第二封隔器之间注入水泥浆，水泥成型后形成封固部，封固部的两端分别连接第一封隔器和第二封隔器。
可选的，所述四开套管内还可以设置第三封隔器，第三封隔器设在第二悬挂器的下方，全面封堵四开套管的横截面，第三封隔器的下表面设第一液位计，用于监测四开套管内的液位；
第三封隔器的中部设有可开合的闸门，第一液位计通讯连接并控制闸门，当闸门打开时，允许灌注的矿井水向下通过四开套管，灌注完成后，当第一液位计检测到四开套管的水位高于预警水位时，控制闸门关闭，防止水体返回三开套管。
可选的，所述第二封隔器的下表面设第二液位计，用于监测三开套管内的液位，当第一液位计和第三封隔器被地下水浸泡而损坏时，第三封隔器的闸门打开，地下水返回三开套管内，若第二液位计检测到三开套管内的液位高于预警水位时，防爆注水泵反转，通过灌注通孔和灌注水管，将三开套管内的水体抽回井底水仓。
附图说明
图1为实施例中所述用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法所形成的复合钻井的结构示意图；
图2为图1中圆圈处的放大图；
图3为图1的立体示意图。
附图中，1-第一开井段，2-地表沙土层，3-第二开井段，4-主采煤层，5-第三开井段，6-深部地质封存层，7-第一封隔器，8-第二封隔器，9-第三封隔器，10-抽排通孔，11-灌注通孔，12-第一液位计，13-第二液位计，14-第四开井段，15-第一悬挂器，16-第二悬挂器，17-封固部。
具体实施方式
本实施例提供一种用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，如图1-图3所示，包括以下步骤：
S1：从地面向下钻探第一开井段1，第一开井段1的底部至少延伸至地表沙土层2底部，再进行第一次固井；
S2：从第一开井段1的底端开始，向下钻探第二开井段3，第二开井段3的底部至主采煤层4的顶部，再进行第二次固井；
S3：从第二开井段3的底端开始，向下钻探第三开井段5，第三开井段5的上部贯穿主采煤层4，底部至深部地质封存层6的顶部，再进行第三次固井；
S4：从第三开井段5的底端开始，向下钻探第四开井段14，第四开井段14的底部至深部地质封存层6的底部；
S5：在第三开井段5的顶部设置第一封隔器7，用于防止向上抽排的矿井水进入第三开井段5下部；在第一封隔器7上方的井壁上设置抽排通孔10，抽排通孔10贯穿第三开井段5的井壁；在抽排通孔10的下方设置灌注通孔11，灌注通孔11贯穿第三开井段5的井壁；
在主采煤层4的巷道中设置抽排水管和灌注水管，抽排水管和灌注水管的进水端均延伸进入储存并初步处理矿井水的井底水仓的内部，抽排水管的出水端通过抽排通孔10进入第三开井段5内部，灌注水管的出水端通过灌注通孔11进入第三开井段5内部。
可选的，步骤S1中，地表沙土层2的下方为基岩，第一开井段1的底端进入基岩10-15m；所述第一次固井具体为：先在第一开井段1靠近井壁处放置一开套管，再在一开套管与第一开井段1的井壁之间注入水泥浆固井，提高第一开井段1的强度。由于沙土层和基岩的土质松散，一开套管能够稳固沙土层和基岩。
可选的，步骤S2中，所述第二次固井具体为：在第二开井段3的井壁内和一开套管内设置二开套管，保证第二开井段3的强度，二开套管的顶端延伸至地面，底端至主采煤层4的顶部，二开套管的上部处于一开套管内，再在二开套管与一开套管之间、二开套管与第二开井段3的井壁之间注入水泥浆固井。
可选的，步骤S3中，所述第三次固井具体为：先在二开套管的底端设置第一悬挂器15，在第三开井段5靠近井壁处放置三开套管，用第一悬挂器15将二开套管与三开套管连接起来；然后，在三开套管与第三开井段5的井壁之间注入水泥浆固井，提高第三开井段5的强度。
可选的，所述一开套管的外径为650-700mm，二开套管的外径为400-450mm，三开套管的外径为230-250mm，四开套管的外径为160-180mm，较大的套管直径能够提高矿井水的抽排或灌注效率；
所述深部地质封存层6的顶部的深度为1500-2000m，深部地质封存层6的厚度为300-600m。
可选的，步骤S4中，在第四开井段14靠近井壁处设置四开套管，四开套管的底端开口且侧壁均匀密布通孔，用于将通过灌注水管排入的矿井水再排入深部地质封存层6；在三开套管与四开套管的衔接处设置第二悬挂器16，将三开套管和四开套管连接起来。
可选的，步骤S5中，所述第一封隔器7处于第一悬挂器15的下方，第一封隔器7与灌注通孔11之间设置第二封隔器8，第一封隔器7和第二封隔器8都全面封堵三开套管的横截面；
第一封隔器7与第二封隔器8之间注入水泥浆，水泥成型后形成封固部17，封固部17的两端分别连接第一封隔器7和第二封隔器8。
优选的，所述灌注通孔11处于巷道的底部，灌注水管沿巷道底部水平延伸并连接灌注通孔11；抽排水管沿巷道水平延伸并连接抽排通孔10。
所述巷道与井底水仓联通，井底水仓原有的加压泵连接抽排水管，用于将井底水仓的矿井水输送至三开套管内，同时地面井口连接抽水泵，进行排水。巷道内设有防爆注水泵，并连接灌注水管，用于将井底水仓的矿井水输送至三开套管内。
本发明所述的复合钻井方法通过一口四开（即上下四段，四开井段同心设置）的复合井，实现部分矿井水（约30%）向上抽排至地上，处理后回用水资源，同时另外部分矿井水（约70%）向下灌注进入深部地质封存层6进行封存，矿井水在井底水仓经过初步处理后（例如沉淀等），水质优于深部地质封存层6中的原始地层水，不会对深部地层的水环境造成污染。所述的复合钻井方法适合于绝大多数地质地层。为了钻井便利，第一开井段1、第二开井段3、第三开井段5和第四开井段14的直径依次减小。巷道以及井底水仓内的矿井水由传统的提升至地面处理，改进为本发明的少部分矿井水抽排地面、处理后资源化利用，大部分矿井水灌注至深部地质封存层6封存，节约了抽排大量矿井水的时间和能耗，并应用一口钻井实现上述两个功能，即钻井上部抽排、下部灌注“一孔两用”的复合功能。
本发明在第三开井段5的顶部由上至下依次设置第一悬挂器15、抽排通孔10、第一封隔器7、封固部17、第二封隔器8和灌注通孔11，向地上抽排的矿井水由第一封隔器7阻隔，向地下灌注的矿井水由第二封隔器8阻隔，防止两股水流串流，第一封隔器7和第二封隔器8隔在两股水流之间，承受两股水流的水压，向上抽排的水体的重量形成对第一封隔器7的压力，向下灌注的水体要通过四开套管的通孔进入深部地质封存层6，也需要克服该地层自身的围压，因此所述防爆注水泵为灌注水体提供了一定水压，向下灌注的水体也对第二封隔器8形成一定的水压。所述封固部17能够提高第一封隔器7和第二封隔器8对抗上下水压的能力，提高安全性。
上述所有封隔器和悬挂器均为本领域常规配件即可。
在实际应用中，抽排和灌注矿井水结束后，三开套管和四开套管内残留部分水，且水位基本保持稳定，但由于深部地质封存层6处于地下1500m以下的深度，其自身的围压较大，可能会使自身地层的水体回流至四开套管内，甚至达到三开套管内，该地层的水体水质较差，对套管管壁具有一定腐蚀作用。
为了解决上述问题，所述四开套管内还可以设置第三封隔器9，第三封隔器9设在第二悬挂器17的下方，全面封堵四开套管的横截面，第三封隔器9的下表面设第一液位计12，用于监测四开套管内的液位；
第三封隔器9的中部设有可开合的闸门，第一液位计12通讯连接并控制闸门，当闸门打开时，允许灌注的矿井水向下通过四开套管，灌注完成后，当第一液位计12检测到四开套管的水位高于预警水位时，控制闸门关闭，防止水体返回三开套管。
可选的，所述第二封隔器8的下表面设第二液位计13，用于监测三开套管内的液位，当第一液位计12和第三封隔器9被地下水浸泡而损坏时，第三封隔器9的闸门打开，地下水返回三开套管内，若第二液位计13检测到三开套管内的液位高于预警水位时，防爆注水泵反转，通过灌注通孔11和灌注水管，将三开套管内的水体抽回井底水仓。
Claims (8)
1.一种用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：从地面向下钻探第一开井段，第一开井段的底部至少延伸至地表沙土层底部，再进行第一次固井；
S2：从第一开井段的底端开始，向下钻探第二开井段，第二开井段的底部至主采煤层的顶部，再进行第二次固井；
S3：从第二开井段的底端开始，向下钻探第三开井段，第三开井段的上部贯穿主采煤层，第三开井段的底部至深部地质封存层的顶部，再进行第三次固井；
S4：从第三开井段的底端开始，向下钻探第四开井段，第四开井段的底部至深部地质封存层的底部；
S5：在第三开井段的顶部设置第一封隔器，用于防止向上抽排的矿井水进入第三开井段下部；在第一封隔器上方的井壁上设置抽排通孔，抽排通孔贯穿第三开井段的井壁；在抽排通孔的下方设置灌注通孔，灌注通孔贯穿第三开井段的井壁；
在主采煤层的巷道中设置抽排水管和灌注水管，抽排水管和灌注水管的进水端均延伸进入储存并初步处理矿井水的井底水仓的内部，抽排水管的出水端通过抽排通孔进入第三开井段内部，灌注水管的出水端通过灌注通孔进入第三开井段内部。
2.根据权利要求1所述的用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，其特征在于，第一开井段的底端进入基岩；所述第一次固井具体为：先在第一开井段靠近井壁处放置一开套管，再在一开套管与第一开井段的井壁之间注入水泥浆固井。
3.根据权利要求2所述的用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，其特征在于，所述第二次固井具体为：在第二开井段的井壁内和一开套管内设置二开套管，保证第二开井段的强度，二开套管的顶端延伸至地面，底端至主采煤层的顶部，二开套管的上部处于一开套管内，再在二开套管与一开套管之间、二开套管与第二开井段的井壁之间注入水泥浆固井。
4.根据权利要求3所述的用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，其特征在于，所述第三次固井具体为：先在二开套管的底端设置第一悬挂器，在第三开井段靠近井壁处放置三开套管，用第一悬挂器将二开套管与三开套管连接起来；然后，在三开套管与第三开井段的井壁之间注入水泥浆固井，提高第三开井段的强度。
5.根据权利要求4所述的用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，其特征在于，步骤S4中，在第四开井段靠近井壁处设置四开套管，四开套管的底端开口且侧壁均匀密布通孔，用于将通过灌注水管排入的矿井水再排入深部地质封存层；在三开套管与四开套管的衔接处设置第二悬挂器，将三开套管和四开套管连接起来。
6.根据权利要求5所述的用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，其特征在于，步骤S5中，所述第一封隔器处于第一悬挂器的下方，第一封隔器与灌注通孔之间设置第二封隔器，第一封隔器和第二封隔器都全面封堵三开套管的横截面；
第一封隔器与第二封隔器之间注入水泥浆，水泥成型后形成封固部，封固部的两端分别连接第一封隔器和第二封隔器。
7.根据权利要求6所述的用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，其特征在于，所述四开套管内还设置第三封隔器，第三封隔器设在第二悬挂器的下方，全面封堵四开套管的横截面，第三封隔器的下表面设第一液位计，用于监测四开套管内的液位；
第三封隔器的中部设有可开合的闸门，第一液位计通讯连接并控制闸门，当闸门打开时，允许灌注的矿井水向下通过四开套管，灌注完成后，当第一液位计检测到四开套管的水位高于预警水位时，控制闸门关闭，防止水体返回三开套管。
8.根据权利要求7所述的用于矿井水深地封存与地面抽排的复合钻井方法，其特征在于，所述第二封隔器的下表面设第二液位计，用于监测三开套管内的液位，当第一液位计和第三封隔器被地下水浸泡而损坏时，第三封隔器的闸门打开，地下水返回三开套管内，若第二液位计检测到三开套管内的液位高于预警水位时，防爆注水泵反转，通过灌注通孔和灌注水管，将三开套管内的水体抽回井底水仓。
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- 2023-08-30 CN CN202311100476.8A patent/CN116857008B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116857008B (zh) | 2023-11-03 |
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