本發(fā)明涉及防治水多分支水平井鉆井技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種煤礦水患治理井鉆井方法。

背景技術(shù)：

煤礦水害是礦井生產(chǎn)過程中常見的一種災(zāi)害，是指在坑道里采煤的時(shí)候，挖穿洞壁接通地下水或者積水的廢棄坑道，影響礦山工程施工的進(jìn)度和質(zhì)量，惡化工人的工作環(huán)境，給煤礦生產(chǎn)帶來不安全因素，嚴(yán)重的發(fā)生淹井事故，造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。防治水是煤礦生產(chǎn)作業(yè)中一項(xiàng)非常重要的工作，在現(xiàn)有的施工中，采用套管技術(shù)，技套一般下至煤底板以下10米，常常在鉆進(jìn)及掃孔時(shí)發(fā)生垮塌，當(dāng)改變技套下至奧灰下4米，能封固住上部易坍塌井段，但由于套管下得深，無法再進(jìn)行其他水平分支的施工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在一個(gè)井場施工兩個(gè)以上的多分支水平井及定向井，利用割套管技術(shù)，重復(fù)利用一口井的上部井段，通過改變不同的造斜點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)鉆多分支水平叢式井；同時(shí)在水平段的奧陶系灰?guī)r鉆進(jìn)出現(xiàn)嚴(yán)重漏失時(shí)，采用稀漿液和稠漿液雙密度注漿液在地面進(jìn)行注漿，漿液對含水層進(jìn)行加固。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種煤礦水患治理井鉆井方法，步驟一：開井眼至直井段，即一開，在井眼內(nèi)下表層套管固井；步驟二：在直井段下部進(jìn)行側(cè)向井口施工，即二開主支，并下技術(shù)套管固井；步驟三：在側(cè)向井口下部進(jìn)行多分支水平從式井施工即三開；步驟四：在多分支水平井施工過程中發(fā)生井漏時(shí)，由地面井眼向側(cè)向井套管口注漿堵漏；步驟五：當(dāng)一個(gè)側(cè)鉆井口下部的多分支水平從式井全部施工完成后,對技術(shù)套管套鞋以下裸眼段打水泥塞封固；步驟六：對技術(shù)套管進(jìn)行套管切割并起出切割點(diǎn)以上套管，步驟七：對原技術(shù)套鞋以上、側(cè)鉆點(diǎn)以下井段打水泥塞封固；步驟八：從側(cè)鉆點(diǎn)側(cè)鉆進(jìn)行下一側(cè)向井口施工，即二開主支，并下技術(shù)套管固井，且逐一進(jìn)行三開多分支水平從式井的施工；步驟九：重復(fù)步驟二至步驟八，逐一完成多分支水平井的套管切割、注漿堵漏。

所述步驟二，將技術(shù)套管套鞋以上300米的套管用水泥封固，采用防塌鉆井液封住地面至環(huán)空水泥塞面。

所述步驟六的套管切割包括以下步驟：

1)下入水力割刀前準(zhǔn)備：全面檢查水力割刀各個(gè)部件，入井之前做好地面實(shí)驗(yàn)，記錄排量、泵壓，檢查開泵各刀翼工作狀態(tài)、停泵收刀情況及收刀時(shí)間，并做好記錄；2)下入水力割刀切割套管：清理井口，將連接好的割刀和鉆桿組合鉆具下入水平分支井，于水泥塞塞面位置在所割套管位置以上50m處進(jìn)行切割；3)切割完畢，起出工具，再起割斷套管；4)重復(fù)步驟1)至4)，逐一進(jìn)行多個(gè)分支水平井的套管切割。

入水力割刀中途禁止開泵；鉆具下到切割位置時(shí)，以5-10r/min緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，開泵切割，逐漸將轉(zhuǎn)速增加到20-30r/min，觀察扭矩及泵壓變化，當(dāng)扭矩減小、泵壓降低，轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩不再增加時(shí)，套管被切割斷，此時(shí)停泵、起鉆。

所述步驟四，由地面井眼向側(cè)井套管口注漿堵漏的方法包括1)注漿材料的選擇；2)純水泥漿的制漿；3)注漿程序；4)注漿參數(shù)的確定。

所述注漿材料有純水泥漿、粘土漿、粘土水泥漿及粘土粉煤灰水泥漿；所述注漿程序分為分段注漿或連續(xù)注漿；所述注漿參數(shù)包括注漿壓力、注漿排量、注漿密度和注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

所述注漿材料優(yōu)選為單液水泥漿，r325礦渣硅酸水泥，水灰配比為3:1～1:1；或采用部分粉煤灰，水泥和粉煤灰按1:1～1:3配比。

所述注漿程序優(yōu)選井口吊灌式連續(xù)注漿模式，包括：1)沖洗管線，2)注漿管路試壓，3)向孔內(nèi)壓水試驗(yàn)，4)注漿，5)向孔內(nèi)替水；所述向孔內(nèi)壓水試驗(yàn)采用由小泵量逐級增加到最大泵量壓水,小泵量壓水時(shí)間不低于0.5小時(shí)，最大泵量級壓水時(shí)間不低于1小時(shí)；所述向孔內(nèi)替水其總水量為注漿管路總?cè)莘e的1--1.5倍。

所述注漿壓力由注漿泵的壓力、漿液的自重力、管路的阻力和靜水壓力組成，優(yōu)選高壓注漿模式，注漿結(jié)束標(biāo)志為注漿壓力達(dá)到12mpa；所述注漿密度選擇水泥漿密度在1.15—1.30g/cm3之間；所述注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿終止壓力為12mpa，結(jié)束泵排量為200l/min，穩(wěn)壓30分鐘。

所述水力割刀本體由上自下依次為上接頭、外筒、刀頭和底部，所述外筒內(nèi)設(shè)有噴嘴)、活塞、復(fù)位彈簧和進(jìn)刀桿，所述刀頭的柄部與進(jìn)刀桿相連，在活塞的作用下伸出本體；所述底部設(shè)有扶正塊。

本發(fā)明的有益效果是：通過改變造斜點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)鉆多分支水平叢式井的目的，減少了土地使用，縮短了施工周期，節(jié)約鉆井綜合成本；與常規(guī)井下注漿相比，在地面將不同密度的漿液通過鉆孔注入含水層，具有安全、治理效果佳、準(zhǔn)確性高和深度更廣等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是水力割刀示意圖，

圖2是井身結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：

1、表層套管、2、已施工完成的第一口井2、正在施工的第二口井

2-1、水泥塞2-2、割斷的套管

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

本發(fā)明適用于多分支水平叢式井。施工中涉及的主要鉆井技術(shù)是割套管技術(shù)+地面注漿堵漏技術(shù)。根據(jù)防治水井施工要求，在一個(gè)井場施工兩個(gè)以上的多分支水平井及定向井，利用割套管技術(shù)，重復(fù)利用一口井的上部井段，改變不同的造斜點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)鉆多分支水平叢式井的目的；同時(shí)在水平段的奧陶灰?guī)r鉆進(jìn)出現(xiàn)嚴(yán)重漏失時(shí)，采用稀漿液和稠漿液雙密度注漿方案，在地面進(jìn)行注漿，漿液流入含水層，以“最大量注漿，最大范圍擴(kuò)散，最大限度充填”為目的，對含水層加固和改造，以達(dá)到防治水目的。

煤礦水患治理井鉆井方法，步驟一：開井眼至直井段為一開，在井眼內(nèi)下表層套管固井；步驟二：在直井段下部進(jìn)行側(cè)向井口為二開主支施工并下技術(shù)套管固井；步驟三：在側(cè)向井口下部進(jìn)行多分支水平從式井為三開分支施工；步驟四：在多分支水平井施工過程中發(fā)生井漏時(shí)，由地面井眼向側(cè)向井套管口注漿堵漏；步驟五：當(dāng)一個(gè)側(cè)鉆井口下部的多分支水平從式井全部施工完成后,對技術(shù)套管套鞋以下裸眼段打水泥塞封固；步驟六：對技術(shù)套管進(jìn)行套管切割并起出切割點(diǎn)以上套管，步驟七：對原技術(shù)套鞋以上、側(cè)鉆點(diǎn)以下井段打水泥塞封固；步驟八：從側(cè)鉆點(diǎn)側(cè)鉆進(jìn)行下一側(cè)向井口即二開主支施工并下技術(shù)套管固井，且逐一進(jìn)行三開多分支水平從式井的施工；步驟九：重復(fù)步驟二至步驟八，逐一完成多分支水平井的套管切割、注漿堵漏。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，防治水井割套管工藝技術(shù)實(shí)施分為兩個(gè)階段：第一階段下套管固井；第二階段下入水力割刀切割套管，起出套管，打水泥塞。以φ177.8mm套管為例，具體實(shí)施步驟為：

(1)聯(lián)接管串：引鞋與套管

(2)下入管串；

(3)套管下完，循環(huán)洗井，調(diào)整泥漿性能；

(4)注入防塌鉆井液，注水泥漿，只封固套鞋以上300米；

(5)替入計(jì)算好的泥漿量，替漿至套鞋，憋壓侯凝；

(6)多分支水平井三開進(jìn)尺全部完成后，打水泥塞從井底封固至套鞋。

(7)全面檢查水力割刀的性能，確保下井工具性能良好。

(8)清理井口，連接水力割刀工具鉆具組合，井口試驗(yàn)，記錄泵壓及收刀時(shí)間。下鉆過程中嚴(yán)禁開泵循環(huán)泥漿。鉆具下到設(shè)計(jì)井深，避開套管接箍位置，井斜最好在5°左右，以5-10r/min緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，開泵切割，逐漸將轉(zhuǎn)速增加到20-30r/min，觀察扭矩及泵壓變化，當(dāng)扭矩減小、泵壓降低，轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩不再增加時(shí)，說明套管被切割斷。停泵，起鉆。收刀時(shí)注意停泵等待一段時(shí)間，起鉆注意觀察指重表懸重變化，避免掛套管造成意外事故，起出工具，再起割斷套管。

(9)下入光鉆桿，打水泥塞候凝，水泥塞塞面位置在所割套管位置以上50m。

(10)待水泥塞候凝好，下定向工具側(cè)鉆，進(jìn)行下一口井的施工。

水力割刀如圖1所示，本體由上自下依次為上接頭1、外筒2、刀頭3和底部4，所述外筒2內(nèi)設(shè)有噴嘴2-1、活塞2-2、復(fù)位彈簧2-3和進(jìn)刀桿2-4，所述刀頭3的柄部與進(jìn)刀桿2-4相連，活塞2-2受噴嘴2-1噴發(fā)液體的動(dòng)力使活塞桿伸出，推動(dòng)進(jìn)刀桿2-4向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)刀桿2-4將刀頭3頂出本體進(jìn)行切割工作，噴嘴2-1停止噴液后活塞桿收縮，此時(shí)，復(fù)位彈簧2-3將刀頭3復(fù)位；所述底部4設(shè)有扶正塊4-1。

重復(fù)利用原井眼地面注漿堵漏技術(shù)

通過合理布設(shè)的大量的注漿孔，在地面通過鉆孔向直接威脅煤層安全開采的含水層大量灌注水泥漿液，水泥漿液沿著巖溶裂縫擴(kuò)散、凝結(jié)，充填裂縫，把其中的水置換出來，使之不含水或弱含水，改變含水層的含水性。漿液在注漿壓力作用下,沿著灰?guī)r的破碎帶向奧灰水補(bǔ)給薄層灰?guī)r的通道運(yùn)移擴(kuò)散、凝結(jié),堵塞或縮小導(dǎo)水通道,消除或減少奧灰水對薄層灰?guī)r的補(bǔ)給量。漿液在注漿壓力作用下,通過灰?guī)r沿著煤層底板裂縫運(yùn)移擴(kuò)散、凝結(jié),充塞導(dǎo)水裂隙,加固強(qiáng)化底板、堵塞含水層接受補(bǔ)給的通道。

1.注漿材料的選擇：

注漿材料是含水層注漿改造技術(shù)的重要組成部分。注漿改造是以“最大量注漿，最大范圍擴(kuò)散，最大限度充填”為目的。注漿之所以能對含水層進(jìn)行加固和改造，是由于注漿材料通過注漿孔進(jìn)入含水層的空隙中由液相變?yōu)楣滔嗟慕Y(jié)果。一般情況下，如果一種材料能變成漿液進(jìn)入含水層空隙后再進(jìn)行固結(jié)的都可以作為含水層注漿改造的材料。對注漿材料的基本要求是:

(1)漿液能從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)；

(2)漿液粘度低,細(xì)度高,可注性好,凝結(jié)時(shí)間可調(diào),能達(dá)到最大范圍的擴(kuò)散；

(3)漿液結(jié)石率高,穩(wěn)定性好,結(jié)石在水中長期浸泡不發(fā)生相變；

(4)漿液無毒,無臭,對環(huán)境不污染,對人體無害；

(5)結(jié)石抗?jié)B性能好,塑性強(qiáng)度較高,不能從巖溶裂隙中被水壓擠出；

(6)漿液對注漿設(shè)備、注漿管路無腐蝕作用,并易清洗；

(7)取材容易,運(yùn)輸方便,價(jià)格低廉；

(8)漿液制造及灌注工藝簡單,容易操作。

根據(jù)上述要求,注漿改造所采用的材料,有單相的和多相的。單相的有純水泥漿、粘土漿；多相的有粘土水泥漿及粘土粉煤灰水泥漿。

在裂縫發(fā)育方向漿液可以擴(kuò)散幾百米甚至上千米，而在非裂縫發(fā)育方向上漿液基本不能擴(kuò)散，因此要準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)漿液擴(kuò)散距離是很難的，峰峰礦區(qū)漿液擴(kuò)散半徑為10-20米。

本項(xiàng)目注漿材料為單液水泥漿，r325礦渣硅酸水泥。水灰配比為3:1～1:1，在遇較大裂縫或溶洞時(shí)漿液流失量大，可考慮采用部分粉煤灰，水泥和粉煤灰按1:1～1:3配比。若遇陷落柱時(shí)，根據(jù)情況專門制定注漿設(shè)計(jì)。

2.純水泥漿的制漿：

制漿采用水泥車連續(xù)制漿工藝，采用水泥車加灰罐代替臨時(shí)注漿站，節(jié)省了建注漿站的費(fèi)用。水泥車注漿，可對注漿參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、準(zhǔn)確控制，對注漿量及上壓情況實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠根據(jù)漏失量大小隨時(shí)調(diào)整注漿方案，實(shí)現(xiàn)攪拌水泥零排放，無污染，安全環(huán)保。主要設(shè)備有水泥車、水泥立罐、水泥灰罐車等配套設(shè)施及工具，取得了良好注漿效果。

3.注漿方法及注漿程序：

分段注漿就是一個(gè)注漿孔分幾段注漿，一般采取下行式。分段注漿的條件是：(1)鉆孔水量大，繼續(xù)鉆進(jìn)困難；(2)鉆孔注漿段塌孔嚴(yán)重，難以繼續(xù)鉆進(jìn)。

連續(xù)注漿就是每一個(gè)注漿孔的注漿，從開始注漿到達(dá)到注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)，不停的灌注。這期間可以按照需要調(diào)整泵量、泵壓、漿液密度。這種注漿方法是含水層大面積注漿改造最常用的方法。這種方法有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)連續(xù)注漿漿液擴(kuò)散距離遠(yuǎn)，裂隙被充填密實(shí)，注漿質(zhì)量好。(2)注漿輔助時(shí)間少，重復(fù)工作量小，注漿效率高。

井口安裝水泥頭，吊灌式注漿，優(yōu)點(diǎn)是不需要下鉆具，避免了卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約起下鉆時(shí)間，缺點(diǎn)是水泥塞面不好控制。

下入光鉆桿注漿，優(yōu)點(diǎn)是能夠控制水泥塞面，減少掃塞風(fēng)險(xiǎn)和掃塞時(shí)間，缺點(diǎn)是卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大。

本項(xiàng)目采取的是井口吊灌式連續(xù)注漿模式，節(jié)約時(shí)間及成本，減少卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

連續(xù)式注漿程序?yàn)椋?/p>

(1)沖洗管線。

(2)注漿管路試壓。

(3)向孔內(nèi)壓水試驗(yàn)。壓水的目的是了解鉆孔吃漿量，為選擇注漿泵量及漿液密度提供依據(jù)，疏通、擴(kuò)張裂縫，為注漿提供暢通的裂隙通道。一般情況下采用由小泵量逐級增加到最大泵量的方法壓水。壓水時(shí)井口安設(shè)壓力表，隨時(shí)觀測壓力的變化情況。壓水時(shí)間不低于0.5小時(shí)，最大泵量級壓水時(shí)間不小于1小時(shí)。若鉆孔漏失量大，可以直接用最大泵量壓水。

(4)注漿。注漿過程中，泵量、泵壓、漿液密度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，停止注漿，進(jìn)行下一步施工。

(5)向孔內(nèi)替水。向孔內(nèi)壓水的總水量為注漿管路總?cè)莘e的1--1.5倍。注漿作業(yè)施工結(jié)束。

4.注漿參數(shù)的確定：

(1)注漿壓力

注漿壓力是推動(dòng)漿液在注漿孔內(nèi)及巖層裂縫中移動(dòng)、充填、壓實(shí)的外力。它是由注漿泵的壓力，漿液的自重力，管路的阻力，靜水壓力組成。注漿壓力作用是推動(dòng)漿液在裂縫中擴(kuò)散，充填；使?jié){液脫水；促使?jié){液固結(jié)；可以擴(kuò)展裂縫。

注漿壓力的確定：要綜合分析擴(kuò)散范圍、結(jié)石強(qiáng)度、底板抗壓能力、水壓力、目的層上覆地層的最大地應(yīng)力等,一般可用下式確定:

pb＝n·(plx+pgx+ps+ph)<kp

式中:pb:終止壓力。

plx:漿液達(dá)到設(shè)計(jì)擴(kuò)散范圍在裂隙中擴(kuò)散的損失壓力。

pgx:漿液在管路運(yùn)行中的損失壓力。

ps:靜水壓力。

ph:漿液柱的靜壓。

kp:煤層底板的抗張強(qiáng)度或目的層上覆地層的最大地應(yīng)力。

n:調(diào)節(jié)系數(shù),n≥1。

一般情況下，注漿壓力是注漿目的層(含水層)水壓的2—5倍。這是當(dāng)前多個(gè)礦區(qū)通常采用的標(biāo)準(zhǔn)。

高壓注漿是注漿壓力超過10mpa，而且接近或達(dá)到注漿目的層上覆地層的最大地應(yīng)力。高壓注漿的優(yōu)點(diǎn)：它可以增加注漿量，提高注漿質(zhì)量；可以增加漿液的擴(kuò)散距離，減少注漿孔數(shù)量；可以提高漿液的結(jié)石體強(qiáng)度，對裂縫充填的更密實(shí)；可以更大的擴(kuò)展裂隙，使一些細(xì)小的本來不進(jìn)漿或進(jìn)漿量少的裂縫大量進(jìn)漿，較粗顆粒的漿液也可以進(jìn)入細(xì)小的裂縫；可以溝通注漿孔沒有直接揭露的裂縫和溶洞；可以擠密加固地層。

注漿壓力的選擇，從原來的注漿終止壓力10.0mpa改為：400l/min排量注漿，壓力達(dá)到8.0mpa后立即替漿，終止壓力達(dá)到10.0mpa，達(dá)到了注漿終壓不小于10.0mpa的要求。從掃塞效果上看，后期掃塞狀況有明顯好轉(zhuǎn)，后期注漿需注意注漿壓力變化趨勢，防止壓力過高憋漏地層，造成井內(nèi)水泥塞過多，掃塞困難。

本項(xiàng)目采用高壓注漿模式，注漿結(jié)束標(biāo)志為注漿壓力達(dá)到10mpa。

(2)注漿排量。注漿排量的大小是根據(jù)鉆孔水量，鉆孔吃漿量，注漿壓力及管路輸漿能力來確定的。一般鉆孔吃漿量大，壓力小，用大泵量，吃漿量小，壓力大，用小泵量，單孔注漿結(jié)束時(shí)都用小泵量。小泵量運(yùn)行時(shí)間不能過長，時(shí)間過長容易堵塞管路。大泵量注漿的泵量也不能太大，太大了升壓快，漿液沒有充分進(jìn)入細(xì)小裂縫需要的時(shí)間。本項(xiàng)目根據(jù)注漿壓力，排量一般在200--1200l/min之間。

(3)漿液密度。漿液密度反映了水泥在漿液中的含量，漿液密度越小，相同條件下擴(kuò)散越遠(yuǎn)。但漿液的密度太小，注漿時(shí)間長，漿液固結(jié)慢，影響注漿的進(jìn)度和質(zhì)量。因此需要合理確定漿液密度。確定漿液密度的基本原則是：鉆孔吃漿量大，先用稀漿液，壓力達(dá)到接近注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)，改用稠漿液。

本項(xiàng)目選擇水泥漿密度在1.15—1.30g/cm3之間，先低后高，以利于提高注漿質(zhì)量。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿終止壓力為12mpa，結(jié)束泵排量為200l/min，穩(wěn)壓30分鐘。