煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法
【專利摘要】一種煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法，其包含如下步驟：步驟一：開孔施工，通過鉆具組合鉆進(jìn)以形成預(yù)置孔，所述預(yù)置孔盡可能保證不偏斜；步驟二：下第一級套管以及孔口封固；步驟三：二開施工，再次通過鉆具組合鉆進(jìn)以形成二開鉆孔，并確保套合孔盡可能不偏斜；步驟四：下第二級套管，所述第二級套管的長度要大于二開鉆孔的深度；步驟五：全孔段注水泥封固及候凝，利用注漿泵將前置液、水泥漿和后置液依次從注水泥漿口壓入到第二級套管內(nèi)，完成注漿后，等待水泥凝固在第二級套管外形成水泥環(huán)；由此，本發(fā)明通過鉆孔和兩級套管的配合，能有效滿足水力壓裂施工對孔口裝置安裝的要求，解決了煤礦井下壓裂鉆孔套管封固質(zhì)量不合格的問題。
【專利說明】煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤礦井下水力壓裂改造的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法。

【背景技術(shù)】
[0002]瓦斯(或煤層氣)鉆孔通過水力壓裂改造，可增大孔壁周圍煤巖體的透氣性、提高瓦斯抽采效率，擴(kuò)展單孔瓦斯有效抽采的范圍、降低鉆孔施工工作量和縮短瓦斯預(yù)抽時間。為了利用壓裂設(shè)備對煤礦井下近水平定向鉆孔實(shí)施水力壓裂改造，目前主要通過以下兩種技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn):一是利用已揭露的地面煤層氣直井或?qū)嵤┬碌牡孛嬷本鳛橥ǖ溃瑢⒌孛鎵毫言O(shè)備與井下巷道瓦斯鉆孔相連接，利用地面壓裂設(shè)備實(shí)施煤礦井下近水平定向鉆孔的水力壓裂改造；二是開發(fā)出適用煤礦井下的小型化壓裂設(shè)備，采用小型化的井下壓裂設(shè)備實(shí)施煤礦井下近水平定向鉆孔的水力壓裂改造。
[0003]水力壓裂壓力一般為15MPa?25MPa，甚至可達(dá)35MPa，而常規(guī)的煤礦井下瓦斯鉆孔孔口管封固方式(如樹脂封固、插管注漿封固、賽瑞封孔材料機(jī)械式封固和囊袋機(jī)械式封固等方法)封固壓力等級低，不能夠滿足水力壓裂施工的安全要求，難以實(shí)現(xiàn)安全、環(huán)保的要求。
[0004]為此，本發(fā)明的設(shè)計者考慮到為了滿足水力壓裂施工對孔口裝置的安裝要求，在煤礦井下近水平定向鉆孔孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計時，開孔段需考慮下入一定深度的套管，進(jìn)行水泥封固，并對套管段進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，套管段耐壓試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計壓力要求后，方能進(jìn)行煤礦井下水力壓裂瓦斯鉆孔下一步施工作業(yè)，通過潛心研究和設(shè)計，綜合長期多年從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和成果，研究設(shè)計出一種煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法，以克服上述缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于:由于常規(guī)瓦斯鉆孔的孔套管封固壓力等級低，不能滿足其水力壓裂安全要求的施工問題，瓦斯鉆孔開孔傾角一般為正角度，即為近水平或上仰開孔，注水泥時，采用一級套管孔身結(jié)構(gòu)，環(huán)狀間隙很難被全部填充，往往出現(xiàn)封固質(zhì)量不達(dá)標(biāo)問題。
[0006]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法，其特征在于包含如下步驟:
[0007]步驟一:開孔施工，通過鉆具組合鉆進(jìn)以形成預(yù)置孔，所述預(yù)置孔盡可能保證不偏斜和無巖屑(巖粉)沉積；
[0008]步驟二:下第一級套管以及孔口封固，將第一級套管下入預(yù)置孔中，并對預(yù)置孔的孔口進(jìn)行封固，封固后螺紋連接第一級套管與第一級套管孔口法蘭盤；
[0009]步驟三:二開施工，再次通過鉆具組合鉆進(jìn)以形成二開鉆孔，并確保二開鉆孔盡可能不偏斜和無巖屑(巖粉)沉積；
[0010]步驟四:下第二級套管，所述第二級套管的長度要大于二開鉆孔的深度，將第二級套管法蘭盤與第二級套管的上端連接，再將第二級套管壓入到第一級套管內(nèi)，最后將壓蓋法蘭盤與第一級套管法蘭盤和第二級套管法蘭盤連接，所述第二級套管的底部設(shè)有多個貫通的第二級套管底部側(cè)開口；
[0011]步驟五:全孔段注水泥封固及候凝，將注漿管路與壓蓋法蘭盤上設(shè)置的注水泥漿口連接，利用注漿泵將前置液、水泥漿和后置液依次從注水泥漿口壓入到第二級套管內(nèi)，完成注漿后，等待水泥凝固在第二級套管外環(huán)狀間隙形成水泥環(huán)。
[0012]其中:還包含如下步驟六:耐壓試驗(yàn)，打開壓蓋法蘭盤上的第一截止閥，放空第二級套管內(nèi)的水，卸掉壓蓋法蘭盤后下鉆透孔，透出第二級套管0.5?Im后提鉆，再次安裝壓蓋法蘭盤，然后向孔內(nèi)注入清水進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。
[0013]其中:在步驟一中，采用Φ 153mm取心鉆頭+Φ 146mm異徑接頭+Φ 146mm套管+ Φ146πιπι異徑接頭+Φ73πιπι外平鉆桿的第一鉆具組合先進(jìn)行預(yù)置孔取心鉆進(jìn)，直到鉆至預(yù)定深度；取心鉆進(jìn)完成后提出第一鉆具組合，采用Φ 153mm鉆頭+Φ 146mm順孔鉆具+ Φ 130mm插接式螺旋鉆桿的第二鉆具組合進(jìn)行預(yù)置孔順孔與排渣，通過兩道鉆進(jìn)工序，保證了預(yù)置孔的垂直度與鉆孔下側(cè)的清潔度，確保后續(xù)下入第一級套管的工序順利進(jìn)行。
[0014]其中:下入第一級套管后封固壓力小于3MPa，第一級套管下入深度小于10m，第一級套管采用非金屬材料管材，第一級套管的孔口封固采用樹脂封固等煤礦井下常規(guī)瓦斯孔的封固方法。
[0015]其中:步驟三中先采用Φ 133mm全面鉆頭+2根Φ 130mm螺旋鉆桿+ Φ 120mm螺旋鉆桿的第三鉆具組合，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至出巖層Im為止,提鉆后,使用Φ 133mm全面鉆頭+2ηιΦ 127_順孔鉆具+Φ73πιπι外平鉆桿的第四鉆具組合順孔至孔底，同樣通過兩道鉆進(jìn)工序，保證了鉆孔的垂直度與鉆孔下側(cè)清潔度，確保后續(xù)下入第二級套管的工序順利進(jìn)行。
[0016]其中:水泥漿水灰重量比為1:1.6。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法實(shí)現(xiàn)了如下效果:
[0018]1、在煤礦井下壓裂鉆孔的套管段施工中下入二級套管，通過鉆孔和兩級套管的配合，能有效滿足水力壓裂施工對孔口裝置安裝的要求，解決了煤礦井下壓裂鉆孔套管封固質(zhì)量不合格的問題；
[0019]2、通過鉆孔工藝的保證，鉆孔偏斜小，垂直度高，鉆孔側(cè)下方沉積的巖屑(巖粉)少，確保了下套管工序的順利進(jìn)行；
[0020]3、套管段兩級套管結(jié)構(gòu)的設(shè)計與兩級套管之間的配合，使水泥能充分進(jìn)行填充，既避免了填充料的浪費(fèi)，還使得第二級套管外的壓力得到保證，因此，本發(fā)明極具實(shí)用性和創(chuàng)造性。
[0021]本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容可通過后述的說明及所附圖而得到。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]附圖1為煤礦井下壓裂鉆孔套管段孔身結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]附圖2為煤礦井下壓裂鉆孔套管段孔口連接示意圖；
[0024]附圖3為本發(fā)明煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法的具體步驟；
[0025]圖中標(biāo)號及符號說明:1、注水泥漿口 ；2、第一截止閥；3、壓蓋法蘭盤；4、第二級套管孔口法蘭盤；5、第一級套管孔口法蘭盤；6、盤根密封件；7、螺栓；8、排水口 ；9、第二截止閥；10、樹脂封固；11、第一級套管；12、第二級套管；13、水泥環(huán)；14、第二級套管底部側(cè)開□。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖1-3和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027]本發(fā)明煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法主要包含如下步驟:
[0028]步驟一:開孔施工，通過鉆具組合鉆進(jìn)以形成預(yù)置孔，所述預(yù)置孔盡可能保證不偏斜和無巖屑(巖粉)沉積；
[0029]其中，為確保預(yù)置孔鉆孔時不偏斜，本發(fā)明可采用Φ 153mm取心鉆頭+Φ 146mm異徑接頭+Φ 146mm套管+Φ 146mm異徑接頭+Φ73_外平鉆桿的第一鉆具組合先進(jìn)行預(yù)置孔取心鉆進(jìn)，直到鉆至預(yù)定深度，鉆進(jìn)過程中要求輕壓慢轉(zhuǎn)；取心鉆進(jìn)完成后提出第一鉆具組合，采用Φ 153mm鉆頭+Φ 146mm順孔鉆具+Φ 130mm插接式螺旋鉆桿的第二鉆具組合進(jìn)行預(yù)置孔順孔與排渣，施工完成后還可利用測量儀器進(jìn)行測斜，由此，通過兩道鉆進(jìn)工序，保證了預(yù)置孔的垂直度與鉆孔下側(cè)的清潔度，確保后續(xù)下入第一級套管11的工序順利進(jìn)行。
[0030]步驟二:下第一級套管11以及孔口封固，將第一級套管下入預(yù)置孔中，并對預(yù)置孔的孔口進(jìn)行封固，封固后螺紋連接第一級套管11與第一級套管孔口法蘭盤5，以防止第一級套管11端部螺紋在施工中的損壞；
[0031]其中，為確保后續(xù)工序，下入第一級套管11后封固壓力只需滿足第二級套管12注水泥時的壓力要求，由此無需較高壓力等級，壓力要求一般小于3MPa，且第一級套管11下入深度一般小于10m，為降低下管難度，第一級套管11可采用非金屬材料管材。
[0032]其中，第一級套管11的孔口封固可采用常規(guī)煤礦井下瓦斯鉆孔的孔口管封固方式，如米用樹脂封固10。
[0033]步驟三:二開施工，再次通過鉆具鉆進(jìn)以形成二開鉆孔，并確保二開鉆孔盡可能不偏斜和無巖屑(巖粉)沉積；
[0034]其中，為實(shí)現(xiàn)二開鉆孔的不傾斜和無巖屑(巖粉)沉積，先采用Φ133_全面鉆頭+2根Φ 130mm螺旋鉆桿+Φ 120mm螺旋鉆桿的第三鉆具組合，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至出巖層Im為止，提鉆后，使用Φ 133mm全面鉆頭+2ηιΦ 127mm順孔鉆具+Φ 73mm外平鉆桿的第四鉆具組合順孔與排渣至孔底，完成后還可利用測量儀器進(jìn)行測斜，同樣通過兩道鉆進(jìn)工序，保證了鉆孔的垂直度與鉆孔下側(cè)清潔度，確保后續(xù)下入第二級套管12的工序順利進(jìn)行。
[0035]步驟四:下第二級套管12 ；
[0036]其中，所述第二級套管12為多根套管組合而成，采用金屬套管，多根套管之間為螺紋連接，且所述第二級套管12的長度要大于二開鉆孔的深度，以保證在二開鉆孔的孔口預(yù)留一定長度，以便于第二級套管法蘭盤4與第二級套管12的螺紋連接后與第一級套管法蘭盤5的螺栓7連接；可檢查第一級套管法蘭盤5與第一級套管11之間的螺紋連接并確認(rèn)可滿足注漿時的壓力要求后，在第二級套管法蘭盤4管上纏繞盤根密封件6或紗布密封件，然后將第二級套管法蘭盤4與第二級套管12的上端連接，再通過鉆機(jī)將第二級套管12壓入到第一級套管11內(nèi)，從而將第一級套管法蘭盤5和第二級套管法蘭盤4間的盤根(或紗布)6密封壓緊，最后將壓蓋法蘭盤3與第一級套管法蘭盤5和第二級套管法蘭盤4通過螺栓7連接，所述第二級套管12的底部設(shè)有多個貫通的第二級套管底部側(cè)開口 14。
[0037]步驟五:全孔段注水泥封固及候凝；
[0038]其中，將注漿管路與壓蓋法蘭盤3上設(shè)置的注水泥漿口 I連接，所述壓蓋法蘭盤3上還設(shè)有第一截止閥2，所述第一級套管法蘭盤5的周緣設(shè)有排水口 8和第二截止閥9，打開第一截止閥2和第二截止閥9后，利用注漿泵將事先準(zhǔn)備好的前置液、水泥漿和后置液依次從注水泥漿口 I壓入到第二級套管12內(nèi)，觀察第一級套管法蘭盤5上的排水口 8，當(dāng)有水泥漿返出時，關(guān)閉第一截止閥2和第二截止閥9，停止注漿，拆卸注水泥漿口 I連接的注漿管路，注水泥作業(yè)完成，其中水泥漿水灰重量比為1: 1.6，注漿后等待水泥凝固而在第二級套管外形成水泥環(huán)13，至少候凝3個班次。
[0039]由此，通過上述步驟，本發(fā)明在煤礦井下水力壓裂鉆孔的工藝中，通過兩級鉆入和兩級套管的放入，有效克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，不僅有效滿足水力壓裂的安全要求，還保證了注水泥時環(huán)狀間隙能在兩級套管之間進(jìn)行充分填充，從而保證了封固質(zhì)量。
[0040]優(yōu)選的，本發(fā)明還包含如下步驟六:耐壓試驗(yàn)，打開第一截止閥2，放空第二級套管12內(nèi)的水，卸掉壓蓋法蘭盤3，然后下鉆透孔，透出第二級套管12至0.5?Im后提鉆，再次安裝壓蓋法蘭盤，然后向孔內(nèi)注入清水進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)壓力與水力壓裂壓力等級相同。套管段耐壓試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計壓力要求后，進(jìn)行煤礦井下水力壓裂瓦斯鉆孔下一步施工作業(yè)。
[0041]由此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0042]1、在煤礦井下壓裂鉆孔的套管段施工中下入二級套管，通過鉆孔和兩級套管的配合，能有效滿足水力壓裂施工對孔口裝置安裝的要求，解決了煤礦井下壓裂鉆孔套管封固質(zhì)量不合格的問題；
[0043]2、通過鉆孔工藝的保證，鉆孔偏斜小，垂直度高，鉆孔側(cè)下方沉積的巖屑(巖粉)少，確保了下套管工序的順利進(jìn)行；
[0044]3、套管段兩級套管結(jié)構(gòu)的設(shè)計與兩級套管之間的配合，使水泥能充分進(jìn)行填充，既避免了填充料的浪費(fèi)，還使得第二級套管外的壓力得到保證，因此，本發(fā)明極具實(shí)用性和創(chuàng)造性。
[0045]顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發(fā)明的公開內(nèi)容、應(yīng)用或使用。雖然已經(jīng)在實(shí)施例中描述過并且在附圖中描述了實(shí)施例，但本發(fā)明不限制由附圖示例和在實(shí)施例中描述的作為目前認(rèn)為的最佳模式以實(shí)施本發(fā)明的教導(dǎo)的特定例子，本發(fā)明的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權(quán)利要求的任何實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種煤礦井下水力壓裂鉆孔套管段的成孔封固方法，其特征在于包含如下步驟: 步驟一:開孔施工，通過鉆具組合鉆進(jìn)以形成預(yù)置孔，所述預(yù)置孔盡可能保證不偏斜和無巖屑沉積； 步驟二:下第一級套管以及孔口封固，將第一級套管下入預(yù)置孔中，并對預(yù)置孔的孔口進(jìn)行封固，封固后螺紋連接第一級套管與第一級套管孔口法蘭盤； 步驟三:二開施工，再次通過鉆具組合鉆進(jìn)以形成二開鉆孔，并確保二開鉆孔盡可能不偏斜和無巖屑沉積； 步驟四:下第二級套管，所述第二級套管的長度要大于二開鉆孔的深度，將第二級套管法蘭盤與第二級套管的上端連接，再將第二級套管壓入到第一級套管內(nèi)，最后將壓蓋法蘭盤與第一級套管法蘭盤和第二級套管法蘭盤連接，所述第二級套管的底部設(shè)有多個貫通的第二級套管底部側(cè)開口； 步驟五:全孔段注水泥封固及候凝，將注漿管路與壓蓋法蘭盤上設(shè)置的注水泥漿口連接，利用注漿泵將前置液、水泥漿和后置液依次從注水泥漿口壓入到第二級套管內(nèi)，完成注漿后，等待水泥凝固在第二級套管外環(huán)狀間隙形成水泥環(huán)。
2.如權(quán)利要求1所述的成孔封固方法，其特征在于:還包含如下步驟六:耐壓試驗(yàn)，打開壓蓋法蘭盤上的第一截止閥，放空第二級套管內(nèi)的水，卸掉壓蓋法蘭盤后下鉆透孔，透出第二級套管0.5?Im后提鉆，再次安裝壓蓋法蘭盤，然后向孔內(nèi)注入清水進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。
3.如權(quán)利要求1所述的成孔封固方法，其特征在于:在步驟一中，采用Φ153πιπι取心鉆頭+Φ 146mm異徑接頭+Φ 146mm套管+Φ 146mm異徑接頭+Φ73ι?πι外平鉆桿的第一鉆具組合先進(jìn)行預(yù)置孔取心鉆進(jìn)，直到鉆至預(yù)定深度；取心鉆進(jìn)完成后提出第一鉆具組合，采用Φ 153mm鉆頭+Φ 146mm順孔鉆具+Φ 130mm插接式螺旋鉆桿的第二鉆具組合進(jìn)行預(yù)置孔順孔與排渣，通過兩道鉆進(jìn)工序，保證了預(yù)置孔的垂直度與鉆孔下側(cè)的清潔度，確保后續(xù)下入第一級套管的工序順利進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1所述的成孔封固方法，其特征在于:下入第一級套管后封固壓力小于3MPa，第一級套管下入深度小于10m，第一級套管采用非金屬材料管材，第一級套管的孔口封固采用樹脂封固等煤礦井下常規(guī)瓦斯孔的封固方法。
5.如權(quán)利要求1所述的成孔封固方法，其特征在于:步驟三中先采用Φ133πιπι全面鉆頭+2根Φ 130_螺旋鉆桿+Φ 120_螺旋鉆桿的第三鉆具組合，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至出巖層Im為止，提鉆后，使用Φ 133mm全面鉆頭+2ηιΦ 127mm順孔鉆具+Φ 73mm外平鉆桿的第四鉆具組合順孔與排渣至孔底，同樣通過兩道鉆進(jìn)工序，保證了鉆孔的垂直度與鉆孔下側(cè)清潔度，確保后續(xù)下入第二級套管的工序順利進(jìn)行。
6.如權(quán)利要求1所述的成孔封固方法，其特征在于:水泥漿水灰重量比為1:1.6。
【文檔編號】E21B7/20GK104141470SQ201410309336
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】趙江鵬, 李泉新, 劉建林, 王四一, 許超, 冀前輝, 方俊 申請人:中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司