CN107313745A - 一种过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤层气开采技术领域，为了解决穿越采空区时，三开钻井施工工艺复杂，且三开井身结构稳定性差的问题，本发明提供了一种过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，采用三开钻进施工工艺，煤层气井的井身由一开钻孔与表层套管、二开钻孔与技术套管、三开钻孔组成，三开钻进施工时，通过在技术套管外井壁围岩进行多结点注浆加固，增大井壁围岩的强度，保障煤层气井的长期稳定，并将稳固的技术套管直接作为煤层气井的生产套管。本发明通过在技术套管与井壁围岩间形成多结点的水泥浆包裹体支撑结构，可大大增强煤层气井井壁围岩与井身结构的长期稳定性。

Description

一种过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法

技术领域

本发明属于煤层气开采技术领域，具体涉及一种用于煤层气井的井壁围岩加固注浆和固井施工的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井固井方法。

背景技术

由于煤层气井的使用年限较长，需要在使用年限内保持开采井的稳定与安全，特别是煤层气井穿越采空区时，受老采空区的残余变形和新采区的扰动影响，会对煤层气井造成损伤或破坏。工程实践中，常采用的控制办法是，多层套管嵌套并注浆加固，来实现煤层气井的固井施工。例如，某典型煤层气井，穿越采空区时的井身结构及其施工过程为：（1）一开D425的钻头开孔，钻入基岩10m完钻，下入D377的表层套管，防止第四纪松散层坍塌；（2）二开采用D311.15钻头钻至采空区煤层底板以下20m完钻，下入D244.5的技术套管，采用水泥浆封固套管底口，并使其返至采空区煤层底板，候凝；（3）三开采用D215.9钻头钻进，至下层待开采煤层底板一定深度完钻，下入D139.7的生产套管，从管底压浆，使生产套管与技术套管内水泥浆返至地表，结束。

实际工程中遇到的主要技术问题是：

（1）目前的施工方法，仅在井口和井底进行了加固，无法实现钻井中部区域与围岩的加固密贴，在技术套管与井壁围岩间没有任何的支撑结构，煤层气井井壁围岩与井身结构的长期稳定性不足。

（2）受采空区的扰动，上覆地层十分破碎，存在冒落带和裂隙带。在钻井过程中，若进行压力注浆，常出现注浆液的大量漏失，且无法判断和检测注浆加固区域与质量。尤其在冒落带，若对钻井侧壁注浆加固，注浆液的流向、范围和质量难以控制。

（3）钻井过程中下入大量套管，施工工艺较复杂，施工成本高。在破碎岩体中减少套管用量，是提高施工效率、降低成本的重要途径。

发明内容

本发明为了解决穿越采空区时，三开钻井施工工艺复杂，且三开井身结构稳定性差的问题，进而提供了一种过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法。

本发明采用如下技术方案：

一种过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，采用三开钻进施工工艺，煤层气井的井身由一开钻孔与表层套管、二开钻孔与技术套管、三开钻孔组成，三开钻进施工时，通过在技术套管外井壁围岩进行多结点注浆加固，增大井壁围岩的强度，保障煤层气井的长期稳定，并将稳固的技术套管直接作为煤层气井的生产套管；多结点注浆部位包括：

煤层气井孔口的内套壳料灌注、外套壳料灌注和锁口钢制固件的加固；

井身的二开孔底注浆结点；

井身中部裂隙带和冒落带的若干个管裙注浆结点。

所述管裙注浆结点是采用管裙技术对技术套管与二开钻孔井壁围岩间进行注浆加固而形成的水泥浆包裹体支撑结构，所述管裙技术是指通过在技术套管的预定注浆区段设置注浆孔、袖阀和管裙，采用分段注浆对钻井侧壁注浆加固。

具体的固井施工工艺如下：

1）采用一开钻头开孔，穿过第四系松散层，钻至基岩弯沉带内10-20m完钻一开钻孔；

2）表层套管护壁，在一开钻孔中，下入表层套管至孔底，准备外层套壳料，从孔口表层套管与一开钻孔间隙灌入，填满候凝，固定表层套管；

3）准备好带有管裙的技术套管，管裙部位的技术套管设置有注浆孔，在注浆孔处的技术套管外侧设置袖阀；采用二开钻头钻进，穿越基岩弯沉带、裂隙带、冒落带；遇到破碎基岩时，下入技术套管跟管钻进，钻至采空区煤层底板以下影响区较弱地层，完钻；技术套管上的管裙多点分布于裂隙带和冒落带中；

4）技术套管底部固井，采用水泥浆封固技术套管底口，通过压浆使水泥浆返至采空区煤层底板与采空区冒落带中，形成二开孔底注浆结点，候凝；

5）技术套管顶部固井，在孔口部位，在表层套管和技术套管间，填充内层套壳料至孔口，并采用锁口钢制固件将表层套管和技术套管焊接或铰接，形成稳固的井口；

6）技术套管中部固井，在最下部的管裙注浆结点部位，下入注浆器，先高压注入清水，以打开袖阀注浆孔，再高压注入水泥浆，管裙逐渐充满注浆液鼓胀并渗水，维持3-5min，压力明显上升时结束注浆；

7）沿技术套管向孔口方向移动注浆器，查找第2个预定的管裙注浆结点，重复6）步骤的注浆过程，直至全部管裙注浆结点注浆完成，形成多结点注浆包裹体，使技术套管与井壁密贴，完成中部固井，将注浆器拔出技术套管外，注浆体候凝；

8）待注浆包裹体强度满足要求后，采用三开钻头钻进，至下层待开采煤层底板预设深度，完钻。

所述技术套管上的管裙沿井身方向设置2-4点。

所述管裙是由具有透水性的麻布或土工合成材料（参考徐超著《土工合成材料》书）制作成的方形料，方形料环绕技术套管至少一周设置，方形料顶端通过管裙上扣扎环与技术套管连接、方形料底端内扣并通过管裙下扣扎环与技术套管连接形成围裹于技术套管周围、约束注浆范围的裙状注浆区。

所述方形料长度（即钻进深度方向）不小于管裙注浆结点长度的1.5倍，管裙宽度不小于二开钻孔周长的2倍。

所述袖阀是通过在注浆孔处的技术套管外侧绑扎弹性较好的橡胶薄皮带形成。袖阀是只能向管外出浆，不能向管内返浆的单向闭合装置。

注浆时采用分段高压注浆器，所述分段高压注浆器包括管体，所述管体为三段一体式结构，管体的中部为开有若干注浆槽的花管，管体的上部和下部分别为丝扣， 上、下部丝扣处分别安装有止浆塞组合，上、下部止浆塞组合之间的区间段为注浆段，其中，上部止浆塞组合可沿注浆器上部丝扣上下移动；所述上部注浆器上部丝扣的顶端安装有用于配合连接钻杆、注浆管的锁接头。

所述止浆塞组合包括夹持螺栓、橡胶密封圈和弹性软胶环，夹持螺栓与丝扣配合连接，橡胶密封圈和弹性软胶环相互平行、同轴紧贴套接于夹持螺栓与套管之间，形成双层密封止浆结构。所述橡胶密封圈设于弹性软胶环外侧。即对于上部的止浆塞组合，弹性软胶环安装于橡胶密封圈下方，而对于下部的止浆塞组合，弹性软胶环安装于橡胶密封圈上方，因此，内侧是相对注浆液描述，弹性软胶环构成与注浆液直接接触的第一层密封，橡胶密封圈构成第二层密封。

所述注浆段的长度为0.5-1m。

所述注浆槽为平行管体轴线方向的长方形槽口，沿管体轴线方向设置不少于三层，每层不少于3个槽口，相邻层的槽口错位设置。保证在该注浆段内出浆均匀。

本发明具有如下有益效果：

（a）实现了在钻井中部裂隙带和冒落带区域进行压力注浆，使技术套管与围岩密贴，在技术套管与井壁围岩间形成多结点的水泥浆包裹体支撑结构，可大大增强煤层气井井壁围岩与井身结构的长期稳定性；（b）通过在技术套管的预定部位（注浆区段）设置注浆孔、袖阀和管裙，采用分段注浆器实现了钻井侧壁注浆加固，管裙的存在保障了注浆液的流向、注浆范围，显著提高了注浆质量及其可控性；（c）将技术套管作为最终的生产套管，节省了套管用量。同时，技术套管的稳固点包括井口、井底和多个结点的注浆包裹体，体现了钻井注浆固井施工的集约化，优化了施工工序，提高了质量。

同时，利用分段高压注浆器可解决如下技术问题：

（a）实现在套管中分段进行套管与井壁间注浆，且可选择注浆段长度；

（b）设置双层止浆阀，实现高压力注浆；

（c）设置独立高压注浆管，可使用普通勘探钻杆与注浆器连接，简化了注浆装备。

因此，采用该注浆装置进行煤层气井的套管外注浆加固，可以在指定的钻井内区段或位置，实现可变区段长度的高压注浆，对指定区域的套管外井壁围岩进行加固，套管与井壁密贴，大大增强了煤层气井的稳定性。

附图说明

图1为固井剖面图；

图2为管裙注浆结点大样图；

图3为分段高压注浆器的结构示意图；

图中：1.第四系；2.基岩弯沉带；3.裂隙带；4.冒落带；5.上部煤层；6.煤层底板；7.下部煤层；8.孔口；9.锁口钢制固件；10.一开钻孔；11.表层套管；12.外层套壳料；13.技术套管；14.内层套壳料；15.基岩面；16.二开钻孔；17.管裙注浆结点；18.二开孔底注浆结点；19.三开钻孔；20.管裙上扣扎环；21.注浆孔；22.管裙下扣扎环；23.管裙；24.注浆管；

31.钻杆；32.注浆管；33.套管；34.锁接头；35.注浆器上部丝扣；36.夹持螺栓；37.橡胶密封圈；38.弹性软胶环；39.注浆槽；40.注浆器底部丝扣；41.管体。

具体实施方式

山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司煤与煤层气共采国家重点实验室通过分析目前的三开井井身结构的不足及其施工过程中存在的难题，进而提出过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，该方法主要采用管裙技术，二开钻孔16与技术套管13间形成多结点的注浆包裹体（加固体），不仅增大了井壁围岩的强度，同时也使技术套管13与井壁间有良好的耦合稳固支撑，可保障煤层气井的长期稳定。同时，在三开钻孔19形成后，不再安装生产套管，直接将稳固的技术套管13作为煤层气井的生产套管。就此，实现了优化施工工序、提高效率、降低成本的目的，体现了煤层气井建井的集约化理念。

本发明的技术要点在于：

（1）针对煤层气井的井身由一开钻孔10+表层套管11、二开钻孔16+技术套管13、三开钻孔19组成的情况。为加强煤层气井的长期稳定和降低成本，采用了本发明的关键技术之一，即在技术套管13外井壁围岩进行多结点注浆加固，用技术套管13作为最终的生产套管。其多结点注浆部位，包括：①孔口8的内套壳料14灌注、外套壳料12灌注和锁口钢制固件9的加固；②二开孔底注浆结点18；③井身中部裂隙带3和冒落带4的多个管裙注浆结点17。

（2）在井身中部的裂隙带3和冒落带4的管裙注浆结点17部位的深度，采用管裙注浆技术进行技术套管13和二开钻孔16井壁间注浆加固，管裙23的设置确保了注浆液的流向、注浆范围，显著提高了注浆质量及其可控性。其中，管裙23由具备一定透水性的麻布或土工合成材料制作成方形，长度为注浆段长度的1.5倍，宽度为二开钻孔16周长的2倍，围裹于技术套管13周围，形成约束注浆范围的裙状注浆区。据此，可避免注浆液漏失或跑浆，迅速形成技术套管13的围裹体，注浆液凝结后，使套管与二开钻孔井壁密贴，保障了技术套管的稳固性，可将技术套管直接作为生产套管，实现了集约化。

本发明的具体实施工艺如下：

1）采用一开钻头开孔，穿过第四系1松散层，钻至基岩弯沉带2内约10-20m完钻。

2）表层套管11护壁，在一开钻孔10中，下入表层套管11至孔底，准备外层套壳料12，从孔口表层套管11与一开钻孔10间隙灌入，填满候凝，固定表层套管11。

3）准备好带有管裙23的技术套管13，管裙23部位的技术套管13设置有注浆孔21，套管外侧绑扎弹性较好的橡胶薄皮带形成袖阀。采用二开钻头钻进，穿越基岩弯沉带2、裂隙带3、冒落带4。遇到破碎基岩时，下入技术套管13跟管钻进，钻至采空区煤层底板6以下影响区较弱地层，完钻。技术套管13上的管裙23多点（一般2-4点）分布于裂隙带和冒落带中。

4）技术套管13底部固井，在技术套管底部，采用水泥浆封固套管底口，通过压浆使水泥浆返至采空区煤层底板6与采空区冒落带4中，形成二开孔底注浆结点18，候凝。

5）技术套管13顶部固井，在孔口8部位，在表层套管11和技术套管13间，填充内层套壳料14至孔口，并采用锁口钢制固件9将表层套管11和技术套管13焊接或铰接，形成稳固的井口。

6）技术套管13中部固井，在最下部的管裙注浆结点17部位，下入注浆器24，先高压注入清水，以打开袖阀注浆孔，再高压注入水泥浆，管裙23逐渐充满注浆液鼓胀并渗水，维持3-5min，压力明显上升时可结束。

7）沿技术套管13向孔口8方向移动注浆器24，查找第2个预定的管裙注浆结点17，重复（6）步骤的注浆过程，直至全部完成，形成多结点注浆包裹体，使技术套管13与井壁密贴，完成中部固井，将注浆器24拔出技术套管13外，注浆体候凝。

8）待注浆包裹体强度满足要求后，采用三开钻头钻进，至下层待开采煤层7底板预设深度，完钻。

施工过程中的关键连接部位如下：

在孔口8部位，表层套管11与第四系地层间填充外层套壳料12粘结加固，表层套管11与技术套管13的顶部采用锁口钢制固件9焊接或铰接，套管间填充内层套壳料14粘结。所述外层套壳料、内层套壳料分别是由水泥、土、水按1∶1.5∶1.80混合配制而成。

管裙23与技术套管13通过管裙上扣扎环20和管裙下扣扎环22捆扎于管壁周围。在技术套管13的注浆孔21部位，套管外侧绑扎弹性较好的橡胶薄皮带形成袖阀。注浆器24在技术套管13内通过双层止浆阀与套管内壁密贴，并在管内由钻杆带动上下移动。

在二开钻孔16孔底，技术套管13与二开钻孔孔壁间采用水泥浆粘结，部分水泥浆压入煤层底板6和冒落带4中，形成水泥浆锚固体。

注浆时采用如图3所示的分段高压注浆器，分段高压注浆器的管体分上中下三部分，上部为长度0.1-0.5m的注浆器上部丝扣，中部为开有3对注浆槽的花管部分，长度0.5m左右，下部为0.2m长度的注浆器底部丝扣。在注浆器上部丝扣和注浆器底部丝扣处均安装止浆塞组合（包括三个夹持螺栓、橡胶密封圈和弹性软胶环）。上部止浆塞组合可沿注浆器上部丝扣移动，从而实现在套管中分段进行套管与井壁间注浆，且可选择注浆段长度，一般选择长度范围0.5-1.0m。止浆塞组合中设置橡胶密封圈和弹性软胶环，具备双层止浆的作用，在注浆压力作用下，弹性软胶环受挤压与套管密贴，显著提高了止浆性能，实现了高压力注浆。

专用锁接头可以连接钻杆、注浆管和注浆器上部丝扣，钻杆可选择普通的勘探钻杆，注浆管采用高压注浆管，提高了设备材料选择的灵活性，降低了成本。

分段高压注浆器的使用流程如下：

（1）选择合适直径的注浆器管体，准备好相应配件，包括钻杆、注浆管、锁接头、夹持螺栓、橡胶密封圈、弹性软胶环等。

（2）将下部的止浆塞组合（包括三个夹持螺栓、橡胶密封圈和弹性软胶环）依次旋拧到注浆器底部丝扣上。

（3）将上部的止浆塞组合（包括三个夹持螺栓、橡胶密封圈和弹性软胶环）依次旋拧到注浆器上部丝扣上，并根据需要调节注浆段的长度，使止浆塞组合停在某个固定位置。

（4）将第一节钻杆和相应的注浆管与锁接头丝扣连接，并将注浆器起吊送入套管中。

（5）按上述方法，依次接续钻杆和注浆管，直达套管中需要注浆的部位。

（6）在地面套管口，从注浆管高压注入清水，高压水进入注浆器中，将挤压弹性软胶环，使其与管壁密贴，同时将套管上的注浆孔破开。

（7）在地面井口，调配好注浆液，从注浆管高压注入浆液，浆液从套管注浆孔压入套管与井壁空隙中，实现了分段注浆加固。

（8）达到注浆要求，及时提升注浆器至管口，冲洗注浆器。

分段高压注浆器的连接要点及关系如下：

钻杆和注浆管通过锁接头连接，锁接头与上部注浆器丝扣连接。注浆器上部的止浆塞组合包括夹持螺栓（3个）、橡胶密封圈和弹性软胶环，具有内环，内环中内套螺纹，依次通过注浆器上部一端，沿着注浆器上部丝扣旋拧至固定位置。橡胶密封圈和弹性软胶环均被夹持螺栓夹持。同样，注浆器下部的止浆塞组合包括夹持螺栓（3个）、橡胶密封圈和弹性软胶环，具有内环，内环中内套螺纹，依次通过注浆器底部丝扣，旋拧至固定位置。橡胶密封圈和弹性软胶环均被三个夹持螺栓夹持。上下止浆塞组合与套管密贴。

Claims (10)

1.一种过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，采用三开钻进施工工艺，煤层气井的井身由一开钻孔（10）与表层套管（11）、二开钻孔（16）与技术套管（13）、三开钻孔（19）组成，其特征在于，通过在技术套管（13）外井壁围岩进行多结点注浆加固，增大井壁围岩的强度，保障煤层气井的长期稳定，并将稳固的技术套管（13）直接作为煤层气井的生产套管；多结点注浆部位包括：

煤层气井孔口（8）的内套壳料（14）灌注、外套壳料（12）灌注和锁口钢制固件（9）的加固；

井身的二开孔底注浆结点（18）；

井身中部裂隙带（3）和冒落带（4）的若干个管裙注浆结点（17）。

2.根据权利要求1所述的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，其特征在于：所述管裙注浆结点（17）是采用管裙技术对技术套管（13）与二开钻孔（16）井壁围岩间进行注浆加固而形成的水泥浆包裹体支撑结构，所述管裙技术是指通过在技术套管（13）的预定注浆区段设置注浆孔、袖阀和管裙，采用分段注浆对钻井侧壁注浆加固。

3.根据权利要求2所述的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，其特征在于，具体的固井施工工艺如下：

1）采用一开钻头开孔，穿过第四系（1）松散层，钻至基岩弯沉带（2）内10-20m完钻一开钻孔（10）；

2）表层套管（11）护壁，在一开钻孔（10）中，下入表层套管（11）至孔底，准备外层套壳料（12），从孔口表层套管（11）与一开钻孔（10）间隙灌入，填满候凝，固定表层套管（11）；

3）准备好带有管裙（23）的技术套管（13），管裙（23）部位的技术套管（13）设置有注浆孔（21），在注浆孔（21）处的技术套管（13）外侧设置袖阀；采用二开钻头钻进，穿越基岩弯沉带（2）、裂隙带（3）、冒落带（4）；遇到破碎基岩时，下入技术套管（13）跟管钻进，钻至采空区煤层底板（6）以下影响区较弱地层，完钻；技术套管（13）上的管裙（23）多点分布于裂隙带和冒落带中；

4）技术套管（13）底部固井，采用水泥浆封固技术套管（13）底口，通过压浆使水泥浆返至采空区煤层底板（6）与采空区冒落带（4）中，形成二开孔底注浆结点（18），候凝；

5）技术套管（13）顶部固井，在孔口（8）部位，在表层套管（11）和技术套管（13）间，填充内层套壳料（14）至孔口，并采用锁口钢制固件（9）将表层套管（11）和技术套管（13）焊接或铰接，形成稳固的井口；

6）技术套管（13）中部固井，在最下部的管裙注浆结点（17）部位，下入注浆器（24），先高压注入清水，以打开袖阀注浆孔（21），再高压注入水泥浆，管裙（23）逐渐充满注浆液鼓胀并渗水，维持3-5min，结束注浆；

7）沿技术套管（13）向孔口（8）方向移动注浆器（24），查找第2个预定的管裙注浆结点（17），重复6）步骤的注浆过程，直至全部管裙注浆结点（17）注浆完成，形成多结点注浆包裹体，使技术套管（13）与井壁密贴，完成中部固井，将注浆器（24）拔出技术套管（13）外，注浆体候凝；

8）待注浆包裹体强度满足要求后，采用三开钻头钻进，至下层待开采煤层（7）底板预设深度，完钻。

4.根据权利要求3所述的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，其特征在于：所述技术套管（13）上的管裙（23）沿井身方向设置2-4点。

5.根据权利要求4所述的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，其特征在于：所述管裙（23）是由具有透水性的麻布或土工合成材料制作成的方形料，方形料环绕技术套管（13）至少一周设置，方形料顶端通过管裙上扣扎环（20）与技术套管（13）连接、方形料底端内扣并通过管裙下扣扎环（22）与技术套管（13）连接形成围裹于技术套管（13）周围、约束注浆范围的裙状注浆区。

6.根据权利要求5所述的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，其特征在于：所述方形料长度不小于管裙注浆结点（17）长度的1.5倍，管裙（23）宽度不小于二开钻孔（16）周长的2倍。

7.根据权利要求6所述的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，其特征在于：所述袖阀是通过在注浆孔（21）处的技术套管（13）外侧绑扎弹性较好的橡胶薄皮带形成。

8.根据权利要求7所述的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，其特征在于：注浆时采用分段高压注浆器，所述分段高压注浆器包括管体（41），所述管体（41）为三段一体式结构，管体（41）的中部为开有若干注浆槽（39）的花管，管体（41）的上部和下部分别为丝扣， 上、下部丝扣处分别安装有止浆塞组合，上、下部止浆塞组合之间的区间段为注浆段，其中，上部止浆塞组合可沿注浆器上部丝扣上下移动；所述上部注浆器上部丝扣的顶端安装有用于配合连接钻杆（31）、注浆管（32）的锁接头（34）。

9.根据权利要求8所述的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，其特征在于：所述止浆塞组合包括夹持螺栓（36）、橡胶密封圈（37）和弹性软胶环（38），夹持螺栓（36）与丝扣配合连接，橡胶密封圈（37）和弹性软胶环（38）相互平行、同轴紧贴套接于夹持螺栓（36）与套管（33）之间，形成双层密封止浆结构；所述橡胶密封圈（37）设于弹性软胶环（38）外侧。

10.根据权利要求9所述的过采空区多结点集约化注浆加固煤层气井的固井方法，其特征在于：所述注浆段的长度为0.5-1m。