煤礦井下定點注漿工藝研究及裝備研究應用*

丁華忠,范運林,邵國杰,方有向,李正來,張 磊

(1.淮南礦業集團地質勘探工程處,安徽 淮南 232052;2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077)

0 引言

我國煤礦95%以上為井工開采,復雜的煤田地質條件給煤礦生產帶來了安全隱患,井下瓦斯災害(瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等)、煤礦底板突水與沖擊地壓等災害是礦山建設與生產過程中的主要安全災害,破壞性巨大[1-3]。瓦斯抽采、底板注漿加固和地質構造探測是防范煤礦安全事故的治本之策,也是當前國內煤礦最常用且最直接有效的保障安全方法[4-7]。近年來“以孔代巷”工藝,即在頂板巖石中施工鉆孔以代替高抽巷抽采上隅角瓦斯[8-10],先后在我國淮南、淮北、晉城、陽泉、沈陽、鐵法等礦區進行試驗,并取得了良好的效果。

由于煤礦地質條件復雜,地層破碎、松軟、膠結性差,且構造破碎帶多,導致定向鉆孔工藝在某些礦區適應性較差,斷層帶(含破碎帶)等復雜地質條件制約煤礦開采效率,因此需對斷層帶(含破碎帶)等地質異常區域進行注漿加固,確保區域內定向鉆孔施工效率。目前常用的有地面注漿和孔口注漿2種工藝,地面注漿周期長、注漿范圍大、有效面積少,而孔口注漿存在注漿點不精確、注漿壓力低等限制,因此有必要對局部破碎地層的定點注漿工藝進行進一步的深入研究。

油氣井封隔器在市面上種類齊全繁多[11-13]。但是,由于工況條件差異、施工環境差異和使用環境差異,適用于煤礦井下施工用的封隔器卻仍是空白。因此亟需研發適應于煤礦井下條件的定點注漿裝備和配套施工工藝,對井下長距離定向鉆孔施工中經常遇到的斷層帶或破碎帶進行坐封注漿,以加固改良破碎地層,從而順利完成鉆孔施工。

1 定點注漿技術原理

通過定向鉆孔施工確定斷層帶(含破碎帶)孔段位置,將定點注漿鉆具下入至距斷層帶(含破碎帶)一定距離的位置?？刂扑畨簩㈤y式裸眼封隔器的膠筒脹開緊貼孔壁,完成閥式裸眼封隔器坐封;繼續加壓超過閥式裸眼封隔器爆破閥額定壓力,打開注漿通道,將孔口一定水灰比的水泥漿液高壓擠壓進斷層帶(含破碎帶)地層,待水泥漿液凝固至一定強度后外提定點注漿鉆具,閥式裸眼封隔器的膠筒收縮,完成解封。水泥漿液與地層凝固成完整的固結體,實現鉆孔破碎、坍塌或漏失地層段的局部加固。斷層帶(含破碎帶)定點注漿原理如圖1所示。

圖1 定點注漿原理Fig.1 Principle of fixed point grouting

2 定點注漿工藝關鍵技術

定點注漿工藝關鍵技術包括定點注漿位置的選擇、裸眼擠堵封隔器的坐封、爆破和解封與注漿工藝。

2.1 定點注漿位置選擇

定點注漿位置可根據定向鉆進時鉆孔施工地層資料及返渣情況確定,封隔器下入至合適孔段進行坐封,如遇地層資料不清楚可下入鉆孔窺視儀觀察孔壁情況,坐封處需要孔壁完整堅硬,孔內干凈無沉渣。建議封隔器坐封位置距離斷層帶(含破碎帶)至少3 m以上。

2.2 裸眼擠堵封隔器的坐封、爆破和解封

裸眼擠堵封隔器下入鉆孔后無法觀察,只能通過泵壓來判斷其處于何種工作狀態,因此其坐封、爆破和解封均需要有清晰的壓力信號特征。裸眼擠堵封隔器內部分為2個通道,坐封時清水通過控制閥進入橡膠筒內部,利用泵壓來控制橡膠筒膨脹。待橡膠筒膨脹至與地層完全貼合,增大泵壓直至超過爆破閥起爆壓力,爆破閥爆破通道打開,進行注漿作業。注漿完畢等待水泥漿液終凝后,利用鉆機起拔力完成解封動作,將鉆具提出鉆孔。

2.3 注漿工藝

注漿壓力應緩慢上升,使水泥漿充分填充至地層裂隙,注漿過程中需邊注漿邊觀察孔口返水和注漿壓力,以保證不會壓裂地層。注漿完成后需要立即進行替漿作業,將鉆具內的泥漿替換為清水,防止水泥凝固后堵塞鉆具。

3 定點注漿裝備

定點注漿裝備主要包括定向鉆機、注漿泵、裸眼擠堵封隔器、高壓密封鉆桿和注漿用送水器等,具體注漿鉆具情況見表1。

表1 定點注漿施工鉆具

3.1 定向鉆機

定向鉆機為注漿鉆具下放和提升提供動力,ZDY12000LD型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機可滿足孔口回轉鉆進、孔底動力鉆進及復合鉆進等多種工藝要求,其最大給進/起拔力為250 kN。

3.2 注漿泵

通過注漿泵將配置好的水泥漿壓入地層裂隙中,注漿泵應為整體式設計,結構緊湊,便于轉場運輸及井下布置。雙缸雙液注漿系統,精確1∶1比例雙液注漿,全液壓驅動,方便調節壓力。

3.3 裸眼擠堵封隔器

裸眼擠堵封隔器是實現定點注漿功能的最主要裝備,其主要由閥系總成、單流閥、膠筒總成、密封件、上下中心管等部分組成,如圖2所示。

圖2 裸眼擠堵封隔器Fig.2 Open-hole plugging packer

3.4 高壓注漿鉆桿

高壓注漿鉆桿為漿液注入提供通道,由公接頭、母接頭和中間桿體3部分組成,公、母接頭分別通過摩擦焊接方式與中間桿體焊接為一體。鉆桿接頭具有特殊的密封結構,配套使用密封圈,可耐壓≤30 MPa。

3.5 注漿用送水器

注漿用送水器用于分離鉆桿的旋轉運動,防止高壓膠管纏繞;同時通過送水器向孔底輸送高壓沖洗介質(清水、水泥漿液等),及時將沉積鉆屑排出,冷卻鉆頭。注漿用送水器密封可靠、轉動靈活,其結構可分為旋轉模塊和密封模塊。旋轉模塊保證送水器聯接鉆桿端與聯接膠管端的相對轉動,防止回轉鉆進時膠管纏繞;密封模塊可防止壓力介質泄漏,保證介質壓力。

4 現場試驗及結果分析

4.1 地面試驗

開展封隔器坐/解封地面試驗,將φ90 mm往復式封隔器與ZDY3200S鉆機和煤礦用液壓注漿泵設備連接,確保整個系統連接穩固無滲漏。封隔器膠筒部位套入φ146 mm套管(內徑φ133 mm)用以模擬井下完整段孔壁,現場圖片如圖3所示。

圖3 現場試驗Fig.3 Field test

連接完成后通過注漿鉆桿內孔向往復式封隔器緩慢注入清水,觀察壓力表,壓力每升1 MPa穩壓3 min,繼續加壓至4～5 MPa時,封隔器坐封完成。繼續增大泵壓,加壓至8～12 MPa時,爆破閥爆掉,注漿通道打開。坐封成功,如圖4所示,往復式封隔器居于套管中心位置。

圖4 往復式封隔器坐封成功Fig.4 Packing success of reciprocating packer

將坐封成功的封隔器保壓16 h,觀察無松動無泄漏后,進行解封操作。起拔解封時鉆機緩慢起拔,完成解封動作。

試驗過程中,封隔器膠筒膨脹至坐封成功所需水量為

(1)

整個封隔器膠筒膨脹需要11.68 L清水,坐封過程中逐漸增大泵壓,在數分鐘內即可坐封成功。

4.2 井下試驗

朱集東礦1151(3)軌順6#鉆孔在前期施工過程中發現有一處斷層破碎帶,影響范圍較大,導致施工困難,出現孔內憋壓,鉆孔無法正常鉆進。開展定點注漿工藝試驗,試驗位置在孔深80 m較為穩定的泥巖段。

注漿工藝如下。

封隔器檢查:在下入封隔器之前檢查封隔器內部控制閥是否堵塞。根據設計及工藝要求將封隔器及配套工具連接好下入孔內,螺紋連接處涂抹潤滑脂,防止泄漏。

坐封:將封隔器下至設計位置,通過注漿鉆桿內孔向封隔器緩慢注入清水,觀察注漿泵出口壓力表,壓力每升1 MPa穩壓3 min,繼續加壓至4～5 MPa關閉閥,膠筒坐封完成。

打開爆破閥:打開注漿泵,通過注漿鉆桿內孔向封隔器緩慢注入清水,觀察注漿泵出口壓力表,壓力緩慢上升至8～10 MPa時,打開爆破閥,和地層建立通道,通道打開管路泄壓。

注漿:將配好的水泥漿液通過高壓密封鉆桿內孔注入到孔內,觀察壓力表,從1 MPa開始緩慢升高,密切注意孔口返水。邊注漿邊觀察孔口返水和注漿壓力,整個注漿作業共計消耗P.O42.5普通硅酸鹽水泥44袋,鋸末約15 kg。

頂替侯凝:水泥漿液注漿完成后,泵入清水頂替鉆桿及封隔器中的水泥漿液。水泥漿放出后,連接好送水器打開注漿泵,向管路內注入清水清洗注漿鉆桿及封隔器,注水量計算公式如下

Q=5×m×1.1

(2)

式中,m為注漿鉆桿數量,帶入可得Q=220 L,即注入220 L清水后關閉注漿泵,將注漿鉆桿及封隔器中的水泥漿液完全清洗干凈。

解封:注漿完成后等待12 h后開始解封,利用鉆機起拔力將4個銅銷釘剪斷,封隔器膠桶與鉆桿內孔通道打開,內部高壓水泄壓膠桶收縮,即可將封隔器取出孔外?，F場使用ZDY12000LD鉆機起拔,起拔壓力達到12 MPa時,將封隔器及鉆具提出孔外更換配件待下次使用。

下入定向鉆具正常施工,驗證定點注漿效果,鉆孔順利通過破碎帶,注漿效果良好,破碎帶被水泥漿液固結,鉆進過程中未見破碎憋泵現象。

5 結論

(1)研發的定點注漿工藝用裸眼擠堵封隔器、高壓密封鉆桿和高壓送水器性能穩定可靠,在地面試驗和井下試驗過程中均能夠精確穩定的執行各種工藝動作,有力保障了定點注漿工藝在煤礦井下的使用。

(2)定點注漿工藝對于定向鉆孔中破碎帶加固效果明顯,注漿加固完成后再次進行定向鉆進施工,能順利穿越破碎帶,未發生塌孔、垮孔和埋鉆等事故。

(3)在地面和井下的成功試驗為定點注漿工藝在其他類型鉆孔施工中的使用奠定了基礎,可將其推廣至頂底板注漿加固、鉆孔突水堵水等施工作業中。