孔底复合封堵破碎岩体的煤层气井穿越采空区的钻井方法与流程

本发明属于煤层气资源开采技术领域，具体涉及一种孔底复合封堵破碎岩体的煤层气井穿越采空区的钻井方法，主要采用气动潜孔锤和辅助技术开凿钻井形成煤层气井，排采地下煤层或采空区的煤层气。

背景技术：

在采空区中钻煤层气井，需要克服采空区的破碎岩体的钻进问题，通常煤层气井钻进的方法，主要有泥浆循环钻进和气动潜孔锤钻进，在钻孔的浅部使用表层套管，破碎岩体区段还可使用技术套管护壁，防止塌孔。套管与钻孔壁间隙充填水泥浆液。

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的技术人员结合施工现场分析，现有技术存在的主要问题是：（1）对于泥浆循环钻进，当穿越采空区的裂隙带或冒落带时将出现泥浆漏失，无法钻进；（2）对于气动潜孔锤钻进，当穿越采空区的裂隙带或冒落带同样会出现高压气体漏失，存在不返风或大量瓦斯涌出井口现象，导致无法继续安全钻至设计深度等等问题；（3）在岩体破碎地段，存在卡钻、夹钻现象，在冒落带的空洞区出现掉钻现象，可能导致生产安全问题。

技术实现要素：

本发明针对穿越采空区施工煤层气井时存在钻进困难、钻进时存在安全隐患的问题，进而提供了一种孔底复合封堵破碎岩体的煤层气井穿越采空区的钻井方法。

本发明采用如下技术方案：

一种孔底复合封堵破碎岩体的煤层气井穿越采空区的钻井方法，采用三重套管结构、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、三开钻孔与生产套管组成，二开钻孔阶段穿越采空区，穿越采空区二开钻进施工时，对煤层气井钻孔围岩破碎岩体进行分段复合封堵；所述钻孔围岩破碎岩体分为三个阶段施工，在中等破碎岩体区段实施孔底注入泡沫液辅助措施、显著破碎岩体区段实施孔底注浆的辅助措施、冒落带空洞区段实施跟管钻进措施。

所述表层套管、技术套管和生产套管的顶端孔口连接耦合，形成稳固管井结构体系。

具体的钻井施工工艺如下：

1）煤层气井孔口定位，施工材料准备；

2）一开钻孔施工，穿越第四系至基岩面以下5m左右，一开钻孔完毕；

3）下入表层套管，在一开钻孔与表层套管间隙，注入外层套壳料，候凝；

4）待外层套壳料初凝后，采用气动潜孔锤进行二开钻孔施工，穿越微弱破碎岩体，进入中等破碎岩体，注入泡沫液，降低破碎岩体的漏气性，减少高压气体漏失；

5）继续钻进至显著破碎岩体，如出现大量漏风、卡钻现象，提出气动潜孔锤，选用高压注浆装置在孔底注浆，形成直径2倍于钻孔直径的注浆体，再使用气动潜孔锤进行钻进；重复步骤5），直至钻进至冒落带空洞区；

6）下入技术套管，气动潜孔锤跟管钻进，直接穿越空洞区，钻至冒落带空洞区下部的极破碎岩区域时提钻，再次下入高压注浆装置在孔底注浆，候凝；

7）待孔底注浆体初凝后，采用气动潜孔锤跟管钻进至煤层底板内20m左右，二开钻孔完毕；

8）在二开钻孔孔底高压注浆，使水泥浆上返至空洞区；在技术套管与表层套管之间注入内层套壳料，候凝，使技术套管顶端、底端稳固；

9）三开钻孔钻进施工，钻进至下部煤层底板，三开钻孔完毕；

10）下入生产套管，在三开钻孔孔底高压注入水泥浆，使浆液沿生产套管与技术套管的间隙上返至孔口；

11）在孔口部位，使用锁口钢制固件，将表层套管、技术套管、生产套管锁固，完成钻井施工。

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。

所述注浆也为水灰比0.5-1.0的纯水泥浆。

步骤10）下入生产套管时，生产套管的管口至少高出地表0.5m。

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。

本发明主要解决了以下技术问题：

（1）安全高效穿越破碎岩体区段的钻井技术。即在中等破碎岩体区段（裂隙带中上部）采用气动潜孔锤结合孔底注入泡沫液的联合钻进措施；在显著破碎岩体区段（裂隙带下部）采用气动潜孔锤结合孔底注浆的联合钻进措施。

（2）安全高效穿越冒落带空洞的钻进技术。即在冒落带空洞处采用气动潜孔锤结合跟管钻进，在冒落带空洞底部适量注浆加固破碎岩体，使技术套管生根的措施。

（3）表层套管、技术套管、生产套管综合稳固技术。即在表层套管和一开钻孔间隙充填外层套壳料；在孔口上部的技术套管与表层套管间隙充填内层套壳料，在二开钻孔的底部的技术套管与孔壁间隙充填水泥浆，使技术套管上下端稳固；在生产套管与技术套管、三开钻孔间隙充填水泥浆液至孔口，将大大增强钻井的整体刚度和稳定性。

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为一开钻孔阶段剖面图；

图2为二开钻孔阶段剖面图；

图3三开钻孔阶段剖面图；

图4为分段高压注浆器的结构示意图；

1.第四系；2.微弱破碎岩体（基岩弯沉带）；3.中等破碎岩体（裂隙带中上部）；4.显著破碎岩体（裂隙带下部）；5.冒落带空洞；6.上部煤层；7.煤层底板；8.下部煤层；9.孔口；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；15.二开钻孔；16.孔底注浆体；17.技术套管外注浆体；18.三开钻孔；19.生产套管；20.生产套管外注浆体；21.锁口钢制固件；

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

本发明针对采空区有大量破碎岩体或空洞的煤层气井钻井的不利地质条件，基于气动潜孔锤钻孔方法，结合孔底注入泡沫液、关键破碎岩体部位孔底注浆、套管跟进、技术套管端部注浆稳固等辅助技术，解决了煤层气井难以穿越采空区破碎岩体或空洞区段的钻井技术问题。其技术要点是，煤层气井分阶段依次三个开孔直径钻孔施工，二开钻孔阶段穿越采空区。其中，在中等破碎岩体区段（裂隙带中上部）实施孔底注入泡沫液辅助措施；在显著破碎岩体区段（裂隙带下部）实施孔底注浆的辅助措施；在冒落带空洞处实施跟管钻进措施；在技术套管顶端、底端注浆稳固管体，最后将表层套管、技术套管、生产套管在孔口焊接一体，完成钻井施工。

本发明施工工艺主要涉及以下关键技术：

（1）煤层气井钻孔围岩破碎岩体分段复合封堵技术。包括：第一阶段在中等破碎岩体（裂隙带中上部）3中，孔底注入泡沫液（泡沫剂浓度和泵量根据工况调整），以降低破碎岩体的漏气性，提高钻进效率。第二阶段在显著破碎岩体（裂隙带下部）4，采用高压注浆装置在孔底注浆，形成直径2倍于钻孔直径的注浆体16，注浆液为纯水泥浆（水灰比0.5-1.0，速凝剂水玻璃3%，必要时加入1%玻璃纤维），有效封堵与加固严重破碎岩体，避免气动潜孔锤卡钻、高压气体漏风等事故，提高施工安全性。

（2）煤层气井三重套管结构钻井施工及其连接耦合技术。包括：表层套管11穿越第四系1地层嵌固于下伏基岩5m左右；技术套管从孔口9穿越弯沉带2、裂隙带中上部3和下部4、冒落带及其空洞5，结合跟管钻进，到达煤层底板7内20m左右；生产套管19在三开钻孔18完毕后，全孔深安装，其管口高出孔口0.5m；三重套管间相互连接耦合，形成刚度较大的管井结构。其中，表层套管11外充填外层套壳料12（配比：水泥∶土∶水=1∶1.5∶1.80），表层套管11与技术套管13间由内层套壳料14粘结（配比：水泥∶土∶水=1∶1.5∶1.80），技术套管13底部由技术套管外注浆体17粘结于二开钻孔15孔壁；生产套管19与技术套管13由生产套管外注浆体20粘结；在孔口采用锁口钢制固件21将表层套管11、技术套管13、生产套管19焊接，形成稳固管井结构体系。

本发明的具体钻井施工工艺过程如下：

1）煤层气井孔口9定位，施工材料准备；

2）一开钻孔10施工，穿越第四系1至基岩面以下5m左右，一开钻孔完毕；

3）下入表层套管11，在一开钻孔10与表层套管11间隙，注入外层套壳料12，候凝；

4）待外层套壳料12初凝后，采用气动潜孔锤进行二开钻孔15施工，穿越微弱破碎岩体（基岩弯沉带）2，进入中等破碎岩体（裂隙带中上部）3，注入泡沫液，降低破碎岩体的漏气性，减少高压气体漏失；

5）继续钻进至显著破碎岩体（裂隙带下部）4，如出现大量漏风、卡钻等现象，提出气动潜孔锤，选用高压注浆装置在孔底注浆，形成直径2倍于钻孔直径的注浆体16，再使用气动潜孔锤进行钻进。重复步骤5），直至钻进至冒落带空洞区5。

6）下入技术套管13，气动潜孔锤跟管钻进，直接穿越空洞区，钻至冒落带下部的极破碎岩区域时提钻，再次下入高压注浆装置在孔底注浆，候凝。

7）待孔底注浆体16初凝后，采用气动潜孔锤跟管钻进至煤层底板7内约20m左右，二开钻孔15完毕。

8）在二开钻孔15孔底高压注浆，使水泥浆上返至空洞区5；在技术套管13与表层套管11之间注入内层套壳料14，候凝，使技术套管顶端、底端稳固。

9）三开钻孔18钻进施工，钻进至下部煤层8底板，三开钻孔18完毕。

10）下入生产套管19，管口高出地表0.5m，在三开钻孔18孔底高压注入水泥浆，使浆液沿生产套管19与技术套管13的间隙上返至孔口。

11）在孔口9部位，使用锁口钢制固件21，将表层套管11、技术套管13、生产套管19锁固，完成钻井施工。

其中，施工过程主要涉及以下几点关键部位连接：

（1）表层套管11与一开钻孔10孔壁间隙由外层套壳料12粘结；

（2）技术套管13的管口顶端部位由内层套壳料14粘结于表层套管11上，套管底部由技术套管外注浆体17粘结于二开钻孔15孔壁；

（3）生产套管19与技术套管13由生产套管外注浆体20粘结；

（4）表层套管11、技术套管13、生产套管19的管口由锁口钢制固件21焊接在一起。

注浆时采用如图4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。