一种利用煤层气井对煤层底板隔水层薄弱区带修补方法

摘要

本发明属于煤与煤层气资源共采技术领域，为了充分利用对拟开采煤层底板隔水层软弱区带进行注浆加固修补，本发明提供了一种利用煤层气井对煤层底板隔水层薄弱区带修补方法，该方法是利用废弃煤层气井来加固煤层底板隔水层，先通过在废弃煤层气井底部钻进形成煤层气井向下延伸段的延伸注浆修补段钻孔；然后通过延伸注浆修补段钻孔进行高压注浆，充填煤层底板隔水层内的导水裂隙，使煤层底板薄弱隔水层强度得到加固，导水裂隙封闭，切断水源补给通道，降低煤层底板突水的可能性。

说明书

技术领域

本发明属于煤与煤层气资源共采技术领域，具体涉及一种利用煤层气井对煤层底板隔水层薄弱区带修补方法。

背景技术

随着煤层气开发规模的扩大，煤层气开发对未来煤炭开采的影响日渐凸显，如地面煤层气抽采钻井遗留套管，不利于煤炭开采；地面钻井及水力压裂等增透措施破坏了煤层顶底板条件，易沟通含水层，给未来煤炭开采带来安全隐患等。煤层气开发直井一般都在煤层底板下40-50m完井，煤层气钻井对煤层底板有扰动破坏的作用，而在煤层气排采之后，煤炭的采动效应造成了底板的二次破坏。若煤层到含水层之间层间距小，则在煤层气开发后煤炭开采存在底板突水危险性。

如在山西沁水盆地南部晋城矿区成庄井田，煤层气钻井一般下到石炭系太原组15#煤下部40m-50m左右。根据地质资料，该区奥灰含水层水位标高为454.70m~535m；而煤层开采标高为420~730m之间，奥灰含水层的水位要高出各煤层底板0~112m。在这种情况下，煤层气钻井有导通奥灰水的可能。目前，山西蓝焰煤层气公司已在晋城矿区成庄矿范围内施工煤层气井260余口，该区煤层气开发均采用联层开采方式，即3#、9#、15#煤同时开采煤层气。生产实践表明，某些井液面迟迟不能下降，一直维持在3#煤层上面，液面降低困难，有可能与煤层底部奥陶系灰岩含水层水形成了沟通，在煤层气开发后煤炭开采过程中有可能存在突水隐患。

因此，充分利用既有的煤层气井，针对煤层底板隔水层的薄弱区进行加固修补，不仅可以降低生产成本，还可以有效地预防底板突水，显著提升未来煤炭开采的安全保障能力。

发明内容

本发明要解决的关键技术问题是：

（1）如何充分利用现有的废弃的煤层气井，对拟开采煤层底板隔水层软弱区带进行注浆加固修补。显然，对煤层底板隔水层带进行注浆强化处理，它能够增加煤层底板构造破碎区和弱隔水层带的岩层强度，降低采动矿压和承压水压对底板隔水层的破坏，达到安全生产的目的。通常情况下，工程上常采用井下钻孔注浆加固和地面钻孔注浆加固，其中井下底板注浆加固技术采用回旋钻进，开孔倾角一定，成孔也为直孔，孔迹不容易控制，注浆段比较短，注浆效果不是很好，钻孔利用率也比较低，而且井下设立临时注浆站比较耗费人力物力，机械化程度也不高。地面钻孔注浆，相对来说工作环境较好，工作效率大大提高，但将会显著增高钻孔工程费用和延长工期。因此，充分利用煤层气井进行注浆，将会减少钻孔费用，提高注浆效率和质量，发挥煤层气井的多功能性，实现煤层气井的高利用率。

（2）利用煤层气井对煤层底板4隔水层薄弱区带进行注浆加固修补的范围与质量控制技术。煤层气井是针对煤层气资源的分布特点开凿的钻井，其井位间距和布局不能覆盖煤层底板隔水层薄弱区，因此本发明需要在煤层气井钻孔延伸段16、注浆压力、注浆材料等方面采取措施，严格控制注浆加固修补的范围与质量，最大限度修补增强煤层底板4的强度，降低煤层底板4岩体的导水率。

本发明的具体采用如下技术方案：

一种利用煤层气井对煤层底板隔水层薄弱区带修补方法，该方法是利用废弃煤层气井来加固煤层底板隔水层，先通过在废弃煤层气井底部钻进形成煤层气井向下延伸段的延伸注浆修补段钻孔；然后通过延伸注浆修补段钻孔进行高压注浆，充填煤层底板隔水层内的导水裂隙，使煤层底板薄弱隔水层强度得到加固，导水裂隙封闭，切断水源补给通道，降低煤层底板突水的可能性。

具体施工工艺如下：

1）选取煤层气井，钻机及施工材料准备；

2）沿煤层气井下入气动潜孔锤，进行煤层气井延伸注浆段钻孔钻进，施工延伸注浆修补段钻孔时，由原废弃煤层气井的二开钻孔或三开钻孔孔底继续钻进，穿越煤层底板隔水层的煤层底板导水裂隙，至孔底形成延伸注浆修补段钻孔；

3）在井内做压水试验，测定延伸注浆段钻孔的渗透性；

4）下入高压注浆装置至孔底，在延伸注浆修补段钻孔的顶部设置止浆塞，孔内高压注浆；

5）注浆完毕，候凝；

6）采用气动潜孔锤，对延伸注浆修补段钻孔进行扫孔，钻至孔底；

7）再次井内做压水试验，测定延伸注浆段钻孔的渗透性，若渗透性不满足要求，重复4）-5）；若渗透性满足要求，则终止修补注浆，并采用水泥土浆液填充煤层气井至煤层顶板以上，形成封堵浆体；

8）封存和保护煤层气井井口。

若为分段注浆，从孔底注浆开始，下部注浆完毕，再进行上部注浆，重复4）-5）步骤，直至延伸注浆修补段钻孔全部注浆加固，候凝。

所述延伸注浆修补段钻孔的钻孔终孔深度为煤层底板以下40~60m或钻孔至含水层顶板。

注浆浆液采用纯水泥浆，水灰比为1：1.6，密度为1.65t/m³。

注浆终压为6-10MPa。

煤层气井排采完毕后，本发明将煤层气井的管井进行改造重新利用，在孔底（二开钻孔或三开钻孔底部）继续钻孔，穿越煤层底板导水裂隙，直至接近含水层，形成延伸注浆修补段钻孔。通过延伸注浆修补段钻孔进行全孔或分段高压注浆的形式，对煤层底板薄弱区及其导水裂隙进行注浆加固，以逐渐降低导水裂隙的透水性，切断水源补给通道，增大煤层底板的力学强度，使煤层底板的防突水能力大大提升。

附图说明

图1为注浆修补钻孔剖面图（下部注浆）；

图2为注浆修补钻孔剖面图（上部注浆）；

图3为注浆修补钻孔剖面图（井底回填）；

图中：1.第四系；2.煤层上覆岩层；3.煤层；4.煤层底板隔水层；5.含水层；6.孔口；7.一开钻孔；8.表层套管；9.外层套壳料；10.二开钻孔；11.技术套管；12.技术套管外注浆体；13.三开钻孔；14.生产套管；15.生产套管外注浆体；16.延伸注浆修补段钻孔；17.止浆塞；18.煤层底板导水裂隙；19.孔底；20.注浆体；21.封堵浆体。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明针对废弃煤层气井再利用问题，基于煤层气井底部注浆孔延伸段钻进、延伸段压力注浆、煤层气井填充等辅助技术，解决了利用废弃煤层气井修补加固煤层底板隔水层薄弱区的技术难题。其技术要点是，在废弃的煤层气井底部（二开钻孔10或三开钻孔13底部）采用气动潜孔锤继续钻进（钻孔直径φ94~φ75），形成煤层气井向下延伸段注浆孔16。然后，通过煤层气井延伸注浆段高压注浆，充填煤层底板4隔水层的导水裂隙18（风化裂隙、构造裂隙、岩溶裂隙或溶洞），使薄弱隔水层强度得到加固，导水裂隙封闭，切断水源补给通道，降低煤层底板突水的可能性，实现了废弃煤层气井的综合再利用。

本发明的施工工艺如下：

1）选取煤层气井，钻机及施工材料准备；

2）沿煤层气井下入气动潜孔锤，进行煤层气井延伸注浆段钻孔16钻进，穿越煤层底板隔水层4及其导水裂隙18，至孔底19，钻孔终孔深度Hz为煤层底板以下扰动区（可取40~60m）或接近含水层顶板，提钻；

3）在井内做压水试验，测定延伸注浆段钻孔16的渗透性；

4）下入高压注浆装置至孔底19，在注浆段钻孔的顶部设置止浆塞17，孔内高压注浆，注浆参数如下：

①注浆浆液配比：纯水泥浆，以水灰比1：1.6，密度1.65t/m3为基准，可根据钻孔吸浆量、孔压等参数调整浓度，由注浆试验确定最佳配比；

②注浆终压Pz：以孔口压力为准，注浆终压可采用6-10MPa，具体应进行注浆试验确定；

③最大注浆量Qz：最大注浆量由注浆范围与裂隙率进行估算。

5）注浆完毕，候凝；

6）若为分段注浆，需从孔底注浆开始，下部注浆完毕，再进行上部注浆，重复4）-5）步骤，直至延伸注浆修补段钻孔16全部注浆加固，候凝；

7）采用气动潜孔锤，对延伸注浆修补段钻孔16进行扫孔，钻至孔底19；

8）再次井内做压水试验，测定延伸注浆段钻孔16的渗透性。若渗透性不满足要求，重复4）-6）；若渗透性满足要求，则终止修补注浆，并采用水泥土浆液填充煤层气井至煤层顶板以上，形成封堵浆体21；

9）封存和保护煤层气井井口。