CN116988733A - 一种基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，该方法包括：在煤层顶板岩层中施工水平井，在地面粉碎煤矸石制作充填料浆，工作面回采至一定距离后，从地面顶板水平井井筒中侧钻孔眼形成第一侧钻分支通道，从地面井口注入充填料浆，充填液压支架后形成的采空区；向套管中泵送桥塞，封堵第一侧钻分支通道；重复操作进行多个侧钻孔眼的钻进、充填和封堵，实现整个工作面采空区的充填。本发明能实现煤矿开采过程中的随采随充控沉，解决采空区沉降等问题。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法。
背景技术
我国的能源资源禀赋特点是“贫油、少气、相对富煤”。煤炭是我国能源安全的“压舱石”，在新能源尚未形成足够替代的情况下，煤炭在未来一段时间内仍旧是我国的主体能源。此外，煤炭作为重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位。煤具有能源与资源的双重属性。
目前，井工开采仍旧是煤矿的主要开采方式。煤矿开采后会形成采空区，引起地质结构发生变化，从而导致地表发生沉陷、形成地裂缝，不仅对煤矿开采地区的建筑安全造成隐患，而且会造成耕地破坏，造成一系列生态环境和安全问题。充填开采是一种解决采区覆岩沉降的途径。但是，目前的充填与采煤是独立的作业过程，充填作业时采煤作业需要完全停止，导致等待时间长，影响了采煤效率的提高。尤其是近年来煤矿开采机械化、智能化程度得到大幅提升，煤矿开采效率不断提高，对充填作业技术提出了更高的要求。
“煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法”(CN202110423554.2)公开了一种利用煤层顶板套管水平长钻孔作为充填膏体的充注通道，工作面回采，直接顶岩层随采随垮落，当直接顶岩层垮落使其中的套管前端出露于采空区后，向采空区注入充填膏体。该方法为煤矿随采随充提供了新思路，但也面临顶板无法垮落时套管无法出露、液压支架后套管切割作业难度大等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，以实现煤矿开采过程中的随采随充控沉，解决采空区沉降等问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，包括以下步骤：
步骤1，在煤层顶板岩层中施工水平井，然后下套管注水泥固井；
步骤2，地面粉碎煤矸石制作充填料浆：采用煤矿开采过程中产生的煤矸石，粉碎筛选后与废水混合制成充填料浆；
步骤3，工作面回采，在水平井井筒中向下部煤层方向侧钻孔眼：工作面回采5～10m后，从水平井井口下入侧钻导向工具至预定深度，侧钻导向工具依靠重力实现垂直向下定向，再下入侧钻柔性钻具，侧钻柔性钻具在侧钻导向工具的导向作用下，垂直向下定向钻进侧钻孔眼，直至与液压支架后采空区沟通，形成第一侧钻分支，然后停钻起出侧钻柔性钻具和侧钻导向工具；
步骤4，通过地面泵向水平井中注入步骤2中制备的充填料浆，充填料浆通过水平井井筒和第一侧钻分支进入采空区，对采空区进行充填；
步骤5，第一侧钻分支充填至预定体积后，采用电缆输送方式向套管中泵送桥塞，电缆通电桥塞膨胀坐封，对第一侧钻分支通道进行封堵；
步骤6，重复步骤3至步骤5，依次进行多个侧钻分支的钻进、充填和封堵，完成整个工作面采空区的充填。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述步骤1中，水平井距离煤层顶面3-5m，水平井水平段长度至少覆盖一个工作面。
具体的，所述步骤1中，当煤层埋深≤300m时，水平井采用二开井身结构，一开钻进至地表含水层后下套管注水泥固井，水泥返至地面；二开钻进直井段-造斜段-水平段；二开固井采用组合式套管，水平段采用玻璃钢套管，直井段采用钢套管，下套管至预定深度后从地面注水泥固井，水泥返高至地面，侯凝48h。
具体的，所述步骤1中，当煤层埋深＞300m时，水平井采用三开井身结构，一开钻进至地表含水层后下套管注水泥固井，水泥返至地面；二开钻进至着陆点后，下钢套管注水泥固井；三开钻进水平段；三开固井采用组合式套管，水平段采用玻璃钢套管，直井段采用钢套管，下套管至预定深度后从地面注水泥固井，水泥返高至地面，侯凝48h。
具体的，所述步骤2中，粉碎筛选粒径不大于4mm，充填料浆密度为1.15-1.20g/cm3。
具体的，所述步骤3中，侧钻导向工具包括依次相接的安全丢手、扶正器、旋转定向短节、底部封隔器、导引头；
所述安全丢手通过销钉与油管相连；扶正器能确保侧钻导向工具在下入过程中始终在套管中部；旋转定向短节包括中间轴以及依次套在中间轴上的上旋转轴承、重力偏心式导向器和下旋转轴承，上旋转轴承和下旋转轴承能使重力偏心式导向器绕中间轴旋转；底部封隔器为机械式封隔器，通过上提解封，下放坐封。
具体的，所述中间轴设有中心通道，重力偏心式导向器侧壁设有垂直向下的导向口且该导向口与中间轴的中心通道连通，以使侧钻柔性钻具能穿过中心轴并经导向口进行钻进；所述重力偏心式导向器为偏心式结构，其导向口处的材料密度大于另一侧材料密度以能在重力作用下导向口一侧始终向下。
具体的，所述侧钻柔性钻具包括依次相接的接头、柔性钻杆、钻头；接头能与上部钻具相连接；柔性钻杆由依次连接的多节柔性短节组成，单节柔性短节能实现转向3°-5°，多节柔性短节连接后能实现从水平至竖直的转向；钻头为PDC钻头。
具体的，所述步骤3中，侧钻导向工具与油管连接后通过油管下入水平井中至预定深度，通过地面钻机或修井机加压实现底部封隔器坐封；所述侧钻柔性钻具是在油管内下入至侧钻导向工具处。
具体的，所述步骤5中，桥塞坐封位置距离第一侧钻分支开口处2-5m。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)本发明可实现煤矿开采和采空区充填同步作业，避免了充填作业对采煤作业的影响，并且能够对采空区及时处理，解决地面沉降问题，从而避免由此引发的地面建筑损坏、地表生态环境破坏、耕地破坏等问题。
(2)本发明依靠煤层顶板水平井及侧钻孔眼作为充填通道，能够保证充填通道及充填点位置的确定性，提高了采空区充填的可靠性。
(3)本发明中顶板水平井直井段采用钢套管固井、水平段采用玻璃钢套管固井，能够保证直井段的耐用性，同时能够保证水平井水平段侧钻施工的便利性。
(4)本发明采用柔性钻具旋转钻进技术，套管开窗长度小，曲率半径小，可保证侧钻孔眼的安全高效施工。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为本发明煤层顶板岩层水平井钻井示意图；
图3为本发明侧钻导向工具下入及封隔器坐封示意图；
图4为本发明侧钻柔性钻具下入及侧钻孔眼示意图；
图5为本发明侧钻导向工具串结构组成示意图；
图6为本发明旋转定向短节剖面图；
图7为本发明侧钻柔性钻具示意图；
图8为(a)本发明侧钻分支与(b)常规螺杆钻具侧钻分支对比示意图；
图9为本发明侧钻孔眼注浆充填示意图。
图中各个标号的含义为：
1-目标开采煤层；2-煤层顶板岩层；3-煤层顶板上覆岩层；4-煤层底板岩层；5-液压支架；6-垮落直接顶；7-煤层顶板岩层水平井；8-侧钻导向工具；9-侧钻柔性钻具；10-油管；11-上部钻具；12-侧钻孔眼；13-充填料浆；81-安全丢手；82-扶正器；83-旋转定向短节；84-底部封隔器；85-导引头；831-上旋转轴承；832-重力偏心式导向器；833-下旋转轴承；91-安全接头；92-柔性短节；93-钻头。
具体实施方式
本发明提供一种基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，在煤层顶板岩层中施工水平井：
在距离煤层顶面3-5m内施工水平井，水平井水平段长度至少覆盖一个工作面，如图2为煤层顶板岩层水平井钻井示意图，从上到下依次为煤层顶板上覆岩层3、煤层顶板岩层2、目标开采煤层1和煤层底板岩层4，煤层顶板岩层水平井7布设在煤层顶板岩层2中，液压支架5对采空区进行临时支撑，采空区内有垮落直接顶6。
其中，当煤层埋深≤300m时，水平井采用二开井身结构，一开钻进至地表含水层后下套管注水泥固井，水泥返至地面；二开钻进直井段-造斜段-水平段，水平段施工过程中采用随钻探边技术，实时探测岩层情况，保证水平井轨迹与煤层顶面的距离为3-5m；二开固井采用组合式套管，即水平段采用玻璃钢套管，直井段采用钢套管，下套管至预定深度后从地面注水泥固井，水泥返高至地面，侯凝48h；
其中，当煤层埋深＞300m时，水平井采用三开井身结构，一开钻进至地表含水层后下套管注水泥固井，水泥返至地面；二开钻进至着陆点后，下钢套管注水泥固井；三开钻进水平段，施工过程中采用随钻探边技术，实时探测岩层情况，保证水平井轨迹与煤层顶面的距离为3-5m；三开固井采用组合式套管，即水平段采用玻璃钢套管，直井段采用钢套管，下套管至预定深度后从地面注水泥固井，水泥返高至地面，侯凝48h。
其中，下套管注水泥固井后，采用钻杆带扶正器通孔，清除孔内堆积岩屑，保证孔眼通畅。
步骤2，地面粉碎煤矸石制作充填料浆：
采用煤矿开采过程中产生的煤矸石，粉碎后筛选粒径不大于4mm，然后与废水混合做成浆体，浆体密度约为1.15-1.20g/cm3。
其中，粉碎筛选粒径不大于4mm是为了保证充填料浆在输送过程中不发生沉降、离层等情况。
步骤3，工作面回采至一定距离后，从地面顶板水平井井筒中侧钻孔眼：
开始工作面回采，当工作面回采5～10m后，从顶板水平井井口下入侧钻导向工具至预定深度，如图3所示，油管10前端携带侧钻导向工具8从套管内下入，其中套管用于固井紧贴水平井内壁。地面钻机或修井机上提下放实现底部封隔器坐封，侧钻导向工具依靠重力实现垂直向下定向，在油管内下入侧钻柔性钻具，侧钻柔性钻具在侧钻导向工具的导向作用下，实现垂直向下定向；地面钻机加压旋转钻进，直至钻进至与液压支架后采空区沟通后停钻，钻进侧钻孔眼形成第一侧钻分支，然后起出侧钻柔性钻具，上提油管解封封隔器，起出侧钻导向工具。具体的，如图4所示，上部钻具11连接侧钻柔性钻具9从油管10内下入并在侧钻导向工具的导向作用下，实现垂直向下定向，钻进得到侧钻孔眼12。
其中，侧钻导向工具结构如图5所示，侧钻导向工具包括安全丢手81、扶正器82、旋转定向短节83、底部封隔器84、导引头85。
其中，安全丢手81用于在发生卡工具串等井下事故时能够通过地面过提实现工具丢手，其通过销钉与油管连接，当出现井下事故需要丢手时，上部油管施加拉力，使销钉剪断，即可实现丢手。
扶正器82用于保证工具在下入过程中始终在套管中部。
旋转定向短节83作用包括两个，一是在重力作用下实现定向，保证导向工具始终向下，二是使柔性钻具垂直向下定向，并实现垂直向下侧钻。旋转定向短节83结构如图6所示，其结构包括上旋转轴承831、重力偏心式导向器832、下旋转轴承833及中间轴。上旋转轴承831和下旋转轴承833能够使重力偏心式导向器832绕中间轴旋转。重力偏心式导向器832为偏心式设计，开口即导向口一侧采用密度大的材料，另一侧采用密度小的材料，偏心工具下入后，在重力作用下开口即导向口一侧始终向下。
底部封隔器84为机械式封隔器，通过上提解封，下放坐封。
导引头85作用为导引工具下入。导引头85为对于工具串入井起到导引作用。
其中，侧钻导向工具的使用方法如下：将侧钻导向工具与油管连接后通过油管下入水平井中至预定深度，旋转定向短节应避开套管接箍位置。通过地面钻机或修井机加压实现底部封隔器坐封。旋转定向短节两侧为上旋转轴承和下旋转轴承，定向短节在重力作用下旋转，并促使导向斜面、导向口垂直向下。
其中，柔性钻具结构如图7所示，其结构组成包括接头91、柔性钻杆92、钻头93。接头91用于与上部钻具相连接。柔性钻杆由依次连接的多节柔性短节组成，单节可实现转向3°-5°，多节连接后可实现从水平至竖直的转向。钻头为常规PDC钻头。
其中，将侧钻导向工具和柔性钻具联合使用，利用柔性钻具能够向任意方向弯曲的特性，与侧钻导向工具的导向作用相结合，一方面，能够达到向下部实施侧钻孔眼的目的，另一方面，依靠柔性钻具较强的转向能力，能够显著降低侧钻的转弯半径(指工具从水平转为竖直的曲率半径)，从而能够在水平井井筒内向下部施工多个侧钻孔眼，同步用于充填料浆，提高了充填效率，降低了充填料浆流动的阻力。
以顶板水平井井眼轨迹距离煤层顶面垂距5m为例，假设造斜前钻孔轨迹已保持水平，以2°/6m的造斜强度进行计算，分支孔进入煤层的侧钻孔眼长度至少需要39米，在水平井水平段长度一定的情况下，可以侧钻施工的侧钻孔眼数量少，在煤层顶板岩层中的无效孔眼长度大，如图8b。
若采用本发明的侧钻导向工具和柔性钻具，可以将孔眼转弯半径控制在5m以内，在煤层顶板水平井的水平段钻孔中，可向下部煤层方向施工多个进入煤层的分支孔，在水平井水平段长度相同的情况下，可以显著增加侧钻孔眼数量，提高充填料浆输送效率，并且能够减少在煤层顶板岩层中钻进的无效孔眼长度，如图8a。
步骤4，从地面井口注入充填料浆，充填液压支架后形成的采空区：
采用地面泵站，向水平井中注入步骤2中制备的充填料浆，料浆通过水平井井筒、第一侧钻分支后进入采空区，对采空区进行充填；泵注排量依照地面注入泵的注入能力确定。如图9所示，充填料浆13充填至液压支架的采空区，对上部岩层形成支撑。
步骤5，第一侧钻分支充填至预定体积后，采用电缆输送方式向套管中泵送桥塞，电缆通电桥塞膨胀坐封，对第一侧钻分支通道进行封堵；桥塞坐封位置距离第一侧钻分支开口处2-5m。
步骤6，重复步骤3至步骤5，依次进行多个侧钻分支的钻进、充填和封堵，完成整个工作面采空区的充填。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例：
为控制采煤引起的地表沉降，陕北某煤矿决定采用随采随充工艺。其目标煤层埋深平均260m，煤层平均厚度3.3m，目标工作面宽度200m、长度1000m。应用本发明的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法进行采煤后的充填作业。
步骤1，在煤层顶板岩层中施工水平井：
为覆盖一个工作面，设计水平井水平段长度1000m。由于煤层较浅，水平井采用二开井身结构。为保证料浆注入排量，采用大孔眼施工钻进。一开钻头φ444.5mm，钻穿地表含水层及松散层，根据地层情况，一开深度30m。一开钻进完成后下入φ339.7mm钢套管，注水泥固孔，水泥返至地面，侯凝48h。二开钻头φ311.1mm，采用随钻探边技术，在距离煤层顶面3-5m内的顶板岩层内施工水平井水平段至设计深度。二开钻进完成后下入套管，套管外径φ244.5mm。其中水平段采用玻璃钢套管，直井段和造斜段采用钢套管。套管下入后，注水泥固孔，水泥返至地面，侯凝48h。
步骤2，地面粉碎煤矸石制作充填料浆：
采用煤矿开采形成的固体废弃物，粉碎筛选粒径不大于4mm，然后用废水与尾矿细粒、颗粒状固体做成浆体，浆体密度约为1.15-1.20g/cm3。
步骤3，工作面回采至一定距离后，从地面顶板水平井井筒中侧钻孔眼：
开始工作面回采，当工作面回采10m后，从顶板水平井井口下入侧钻导向工具至预定深度。地面钻机或修井机加压实现底部封隔器坐封，侧钻导向工具依靠重力实现垂直向下定向，在油管内下入侧钻柔性钻具，侧钻柔性钻具在侧钻导向工具的导向作用下，实现垂直向下定向。地面钻机加压旋转钻进侧钻孔眼，直至钻进至与液压支架后采空区沟通得到第一侧钻分支，然后停钻，起出侧钻柔性钻具。
上提油管解封封隔器，上提侧钻导向工具3m，地面钻机或修井机加压实现底部封隔器坐封。在油管内下入侧钻柔性钻具，侧钻柔性钻具在侧钻导向工具的导向作用下，实现垂直向下定向。地面钻机加压旋转钻进，直至钻进至与液压支架后采空区沟通后停钻。起出柔性钻具，上提解封封隔器，起出侧钻导向工具。至此，完成了两个侧钻分支的施工作业。
步骤4，从地面井口注入充填料浆，充填液压支架后形成的采空区。
通过地面泵，向水平井内泵注步骤2中制备的充填料浆，步骤3中实施的侧钻孔眼是充填料浆从水平井筒进入架后采空区的通道，泵注排量3m3/min。
步骤5，通过两个侧钻分支充填至预定体积后，采用电缆输送方式向套管中泵送桥塞，电缆通电桥塞膨胀左封，对侧钻分支通道进行封堵。桥塞坐封位置距离侧钻分支孔开孔位置5m。
步骤6，重复步骤3至步骤5，实现整个工作面采空区的充填。
Claims (10)
1.一种基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在煤层顶板岩层中施工水平井，然后下套管注水泥固井；
步骤2，地面粉碎煤矸石制作充填料浆：采用煤矿开采过程中产生的煤矸石，粉碎筛选后与废水混合制成充填料浆；
步骤3，工作面回采，在水平井井筒中向下部煤层方向侧钻孔眼：工作面回采5～10m后，从水平井井口下入侧钻导向工具至预定深度，侧钻导向工具依靠重力实现垂直向下定向，再下入侧钻柔性钻具，侧钻柔性钻具在侧钻导向工具的导向作用下，垂直向下定向钻进侧钻孔眼，直至与液压支架后采空区沟通，形成第一侧钻分支，然后停钻起出侧钻柔性钻具和侧钻导向工具；
步骤4，通过地面泵向水平井中注入步骤2中制备的充填料浆，充填料浆通过水平井井筒和第一侧钻分支进入采空区，对采空区进行充填；
步骤5，第一侧钻分支充填至预定体积后，采用电缆输送方式向套管中泵送桥塞，电缆通电桥塞膨胀坐封，对第一侧钻分支通道进行封堵；
步骤6，重复步骤3至步骤5，依次进行多个侧钻分支的钻进、充填和封堵，完成整个工作面采空区的充填。
2.如权利要求1所述的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，所述步骤1中，水平井距离煤层顶面3-5m，水平井水平段长度至少覆盖一个工作面。
3.如权利要求1所述的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，所述步骤1中，当煤层埋深≤300m时，水平井采用二开井身结构，一开钻进至地表含水层后下套管注水泥固井，水泥返至地面；二开钻进直井段-造斜段-水平段；二开固井采用组合式套管，水平段采用玻璃钢套管，直井段采用钢套管，下套管至预定深度后从地面注水泥固井，水泥返高至地面，侯凝48h。
4.如权利要求3所述的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，所述步骤1中，当煤层埋深＞300m时，水平井采用三开井身结构，一开钻进至地表含水层后下套管注水泥固井，水泥返至地面；二开钻进至着陆点后，下钢套管注水泥固井；三开钻进水平段；三开固井采用组合式套管，水平段采用玻璃钢套管，直井段采用钢套管，下套管至预定深度后从地面注水泥固井，水泥返高至地面，侯凝48h。
5.如权利要求1所述的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，所述步骤2中，粉碎筛选粒径不大于4mm，充填料浆密度为1.15-1.20g/cm3。
6.如权利要求1所述的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，所述步骤3中，侧钻导向工具包括依次相接的安全丢手、扶正器、旋转定向短节、底部封隔器、导引头；
所述安全丢手通过销钉与油管相连；扶正器能确保侧钻导向工具在下入过程中始终在套管中部；旋转定向短节包括中间轴以及依次套在中间轴上的上旋转轴承、重力偏心式导向器和下旋转轴承，上旋转轴承和下旋转轴承能使重力偏心式导向器绕中间轴旋转；底部封隔器为机械式封隔器，通过上提解封，下放坐封。
7.如权利要求6所述的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，所述中间轴设有中心通道，重力偏心式导向器侧壁设有垂直向下的导向口且该导向口与中间轴的中心通道连通，以使侧钻柔性钻具能穿过中心轴并经导向口进行钻进；所述重力偏心式导向器为偏心式结构，其导向口处的材料密度大于另一侧材料密度以能在重力作用下导向口一侧始终向下。
8.如权利要求1所述的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，所述侧钻柔性钻具包括依次相接的接头、柔性钻杆、钻头；接头能与上部钻具相连接；柔性钻杆由依次连接的多节柔性短节组成，单节柔性短节能实现转向3°-5°，多节柔性短节连接后能实现从水平至竖直的转向；钻头为PDC钻头。
9.如权利要求7所述的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，所述步骤3中，侧钻导向工具与油管连接后通过油管下入水平井中至预定深度，通过地面钻机或修井机加压实现底部封隔器坐封；所述侧钻柔性钻具是在油管内下入至侧钻导向工具处。
10.如权利要求1所述的基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法，其特征在于，所述步骤5中，桥塞坐封位置距离第一侧钻分支开口处2-5m。
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| CN202310801563.XA CN116988733A (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 一种基于顶板水平井侧钻孔眼的随采随充采煤方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117967276A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-05-03 | 中国矿业大学 | 基于柔性钻杆的定向钻孔煤层厚度的测量装置及其方法 |
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2023
- 2023-07-03 CN CN202310801563.XA patent/CN116988733A/zh active Pending
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| CN117967276A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-05-03 | 中国矿业大学 | 基于柔性钻杆的定向钻孔煤层厚度的测量装置及其方法 |
| CN117967276B (zh) * | 2024-01-18 | 2024-08-09 | 中国矿业大学 | 基于柔性钻杆的定向钻孔煤层厚度的测量装置及其方法 |
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