帷幕注浆丛式井主孔和套管重复利用成孔技术研发与应用

李晓龙

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503535

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6344-6351 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503535

矿冶工程

帷幕注浆丛式井主孔和套管重复利用成孔技术研发与应用

李晓龙 ¹^,²^,³^,⁴^,⁵

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Development and Application of Main Borehole and Casing Pipe Reuse Technology for Curtain Grouting Cluster Boreholes

LI Xiao-long ¹^,²^,³^,⁴^,⁵

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摘要

黄陇侏罗纪煤田的煤层开采深受巨厚洛河组砂岩含水层水害的制约。针对彬长矿区高家堡煤矿巨厚洛河组砂岩含水层的水害问题,提出了利用地面定向钻孔在该含水层开展侧向帷幕截流与平面注浆改造的防治水方案。其中,侧向帷幕由5~7层定向钻孔构成。为确保浆液精准注入洛河组目标层段,二级技术套管需下入至洛河组。若采用一台定向钻机完成此类结构的多层帷幕定向钻孔,将面临多次搬运钻机、多次开孔、多次下入一级与二级技术套管及多次固井等难题,严重制约工期并增加成本。为此,研发了帷幕注浆丛式井主孔与套管重复利用成孔技术:采用直孔段、造斜段、水平段三段式钻孔结构,将二级技术套管的固管高度控制在造斜段内;使用套管割刀割开二级技术套管造斜段内环空无水泥段;通过钻机将割开后的二级技术套管上提至地面,借助钻机起拔力判断割开的套管是否成功断开或割开位置是否合理;采用密度大于1.5 g/cm³的浓水泥浆液对钻孔进行封孔,凝固72 h以确保水泥强度,保障其他层位帷幕定向钻孔的顺利施工;按照上述技术流程循环作业,直至完成帷幕施工。该技术成功解决了洛河组厚层砂岩含水层大高度帷幕注浆丛式井的成孔难题,经济效益显著,同时确保了浆液精准注入洛河组目标层段,可推广应用于其他大高度帷幕工程。

Abstract

Coal seam mining in the Huanglong Jurassic Coalfield is severely restricted by water hazards from the extra-thick Luohe Formation sandstone aquifer. To address the water hazard issue of the extra-thick Luohe Formation sandstone aquifer in the Gaojiabu Coal Mine of the Binchang Mining Area, a water prevention and control scheme was proposed. It involved using ground directional boreholes to conduct lateral curtain interception and planar grouting reconstruction in the extra-thick Luohe Formation sandstone aquifer. Among them, the lateral curtain was consisted of 5 to 7 layers of directional boreholes. To ensure the precise injection of grout into the target section of the Luohe Formation, the secondary technical casings needed to be run down to the Luohe Formation. However, if a single directional drilling rig was used to complete the directional borehole of such a multi-layer curtain structure, it would face problems such as repeat rig relocation, repeat borehole opening, repeat running of primary and secondary technical casings, and repeat well cementing. These problems seriously restrict the construction period and increase costs. To this end, the main borehole of curtain grouting cluster wells and the casing reuse borehole-forming technology have been developed, with the specific technical process as follows. Adopt a three-section borehole structure consisting of directional borehole, a build-up section, and a horizontal section, and control the cementing height of the secondary technical casing within the build-up section. Use a casing cutter to cut the section without cement in the annular space of the build-up section of the secondary technical casing. Lift the secondary technical casing to the ground using the drilling rig, and determine whether the cut casing had been cut open or if the cutting position was reasonable through the pulling force of the drilling rig. The borehole was sealed with a concentrated cement slurry with a density greater than 1.5 grams per cubic centimeter. It was allowed to solidify for 72 hours to ensure the cement strength and guarantee the smooth construction of directional drilling for the curtain of other layers. The above-mentioned technical process was repeated until the curtain construction was completed. This technology has successfully solved the problem of hole formation for high-height curtain grouting cluster boreholes in the thick sandstone aquifer of the Luohe Formation. It not only achieves significant economic benefits but also ensures the precise injection of grout into the target interval of the Luohe Formation, and can be promoted and applied to other high-height curtain projects.

Graphical abstract

关键词

帷幕 / 洛河组 / 含水层 / 套管 / 钻孔 / 注浆

Key words

curtain / Luohe Formation / aquifer / casing pipe / borehole / grouting

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李晓龙. 帷幕注浆丛式井主孔和套管重复利用成孔技术研发与应用[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6344-6351 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503535

LI Xiao-long. Development and Application of Main Borehole and Casing Pipe Reuse Technology for Curtain Grouting Cluster Boreholes[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6344-6351 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503535

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中国西部生态脆弱区煤炭资源丰富,文献[1 -4]对煤炭资源开采造成地下水资源流失、地表生态环境破坏等方面开展了大量的基础研究和工程试验研究,提出了“保水采煤”理论及相关工程技术方法,“保水采煤”已成为国家煤炭行业和生态行业高质量发展的必然趋势。近年来,煤炭行业监管部门、学者和工程技术人员践行“保水采煤”理念,研发了多种采煤工艺,以及水资源保护工程技术方法,实现了地下水资源保护,解决了部分矿井顶板高强度涌水的治理难题^[5-6],基本攻克了底板水害治理难题^[7-8]。

针对陕西黄陇侏罗纪煤田厚层洛河组砂岩高强度涌水的难题,提出了以盘区为治理范围,采取侧向帷幕+平面注浆改造的防治水方案,通过地面定向钻孔+注浆手段,在陕西高家堡煤矿实施了相关治理工程,实现了工作面涌水量可控,取得了显著的效果^[9-11];针对底板灰岩水害,采取地面区域超前治理等方法,秉持“探查-治理-检查-评价-验证”的理念,解决了山东、河南、两淮、陕西渭北、乌海、准格尔旗等矿区底板水害问题,保护了水资源,也确保了矿井安全开采^[7-8,12-13];针对陕北侏罗纪煤田红土层缺失区,采取地面定向钻孔+注浆手段,再造隔水层,实现了保护第四系萨拉乌苏组含水层水,稳定了生态水位^[14];针对陕北侏罗纪煤田烧变岩水害治理、内蒙古呼吉尔矿区厚层直罗组砂岩水害治理、露天矿地表水害治理,以及地表水资源保护等,形成了地面帷幕注浆、地下连续墙等方案,典型成功案例如张家峁常家沟水库帷幕注浆^[15],张家峁烧变岩帷幕注浆治理^[16],元宝山和扎泥河露天矿地下连续墙治理地表水^[17-19]等。上述成功工程经验,为“煤水”双资源利用奠定了坚实的理论和技术力量,且部分成功方法被写入《煤矿安全规程》等,以期推广应用,实现了减水、控水和保水的目的。

帷幕注浆通常采取地面直孔注浆,存在直孔有效孔段较少,工程量较大,揭露裂隙能力有限,地面钻探和注浆施工占地面积较大,无法确保浆液注入预定目标层位等缺陷。随着石油定向钻井技术的发展,中煤科工西安研究院(集团)有限公司利用石油行业定向钻井技术,以梳状、扫把状和羽状等布孔方式,结合地面注浆手段,攻克了底板水害治理难题,保护了地下水资源,构建了底板水害治理体系和标准;针对西部侏罗纪煤田顶板巨厚洛河组砂岩含水层水害,实施了地面帷幕注浆工程,洛河组含水层是鄂尔多斯盆地白垩系主要含水层,其富水性中等-强,致灾性强,尤其是黄陇侏罗纪煤田洛河组含水层水害致灾性最强,通常表现为高强度涌水和离层水害等,其中黄陇侏罗纪煤田彬长矿区高家堡煤矿主要充水水源为洛河组含水层水,矿井涌水量达3 500³/h,为此,中煤科工西安研究院(集团)有限公司在高家堡煤矿实施了洛河组含水层大高度帷幕注浆工程,该帷幕由5~7层水平定向钻孔注浆构成,实施过程中,为了确保浆液精准进入洛河组含水层,特要求定向钻孔的二级技术套管下入洛河组,在施工多层定向钻孔时,面临每层定向钻孔需下入两级套管,多次搬运钻机、工期长、成本高等问题^[9]。为此,现提出在任何一层帷幕水平定向钻孔二级技术套管造斜段处割开并提出二级技术套管的技术,确保其他帷幕水平定向钻孔二级技术套管段为裸孔,拟解决在一个主孔内完成多层帷幕水平定向钻孔二级技术套管下入洛河组的困难,以及面临多次搬运钻机的问题,实现在一个井场不移动钻机的条件下,在一个主孔内完成多层帷幕水平定向钻孔,且可重复利用二级技术套管,并确保浆液精准注入洛河组地层。

1 研究区概况

1.1 研究区矿井水害特征

黄陇侏罗纪煤田是国家规划的14个大型煤炭基地之一,位于鄂尔多斯盆地南部^[20-21],其中彬长矿区主采4^-2煤层,煤层厚度通常在10 m以上,煤层开采深受巨厚洛河组砂岩含水层水害制约,给矿区安全高效开采带来严峻挑战^[22-25]。

以彬长矿区高家堡煤矿为研究区(图1),矿井主采4^-2煤层,煤层上覆地层自下而上依次为侏罗系延安组(含水层)、直罗组(含水层)、安定组,白垩系含水层宜君组、洛河组、华池组,新近系和第四系含水层(图2)。井田范围内洛河组含水层厚280~765 m,平均厚度408 m,煤层开采导水裂隙均会波及洛河组中部,导致矿井涌水量近年来持续处于高位,现矿井涌水量已达3 500 m³/h^[24],个别工作面峰值涌水量甚至可达2 500 m³/h,其主要充水水源是洛河组含水层水,该含水层q₉₁为0.246~2.287 L/(s·m),富水性中等-强。矿井持续高强度涌水,迫使矿井采取了底板泄水巷疏放水、分盘区建设大容量水仓等疏排水措施,且泄水巷清淤工作强度极大;水害防治方面,在顶板洛河组采取了采前和采后注浆,以及帷幕注浆+顶板注浆改造的治理措施,持续探索巨厚洛河组砂岩含水层水害治理技术和相关注浆材料等。

1.2 研究区矿井水害防治方案

广大学者已充分认识到工作面涌水水源主要为洛河组含水层水,主要以侧向径流的方式进入采场,为此,提出利用地面定向钻孔在巨厚洛河组砂岩含水层开展“侧向帷幕截流和平面注浆改造”的治理思路,以期达到“截流减水”“减量削峰”目的(图3)。

帷幕定向钻孔设计为丛式井,注浆工艺为前进式分段注浆,注浆材料为水泥和粉煤灰等。治理区域为四盘区,治理范围为四盘区边界外扩200 m,垂向帷幕由5~7层水平定向钻孔注浆构成,帷幕覆盖洛河组上段和中段,相邻水平定向钻孔层间距30~60 m(图4~图6)。

2 帷幕注浆丛式井结构

2.1 丛式井钻孔结构

帷幕注浆目标层位为洛河组,旨在减少洛河组含水层水侧向径流进入采场,则必须确保浆液有效注入洛河组地层,洛河组上覆地层自下而上依次为华池组、新近系和第四系。

(1)丛式井钻孔结构。丛式井钻孔结构为三级孔径二级套管结构。其中一级套管位于华池组基岩顶界面以下5 m,二级套管位于华池组中部(未进入洛河组),一级和二级套管段均为直孔段,这样设计的目的是确保在一个主孔直孔段可设计多个侧钻点,以完成多层定向分支孔施工,二级套管口至着陆点为裸孔段(图7),造成了在华池组地层重复且无效注浆;三级孔径:一开直孔段、二开直孔段、三开裸孔段,三开裸孔段包括造斜段和洛河组目标层段水平孔段,钻孔井眼轨迹结构为直孔段、造斜段、稳斜段。

(2)钻进工艺。考虑钻具造斜能力、钻孔造斜段长度以及洛河组注浆层位等因素,帷幕丛式井上部4~6层分支孔造斜段必须在华池组开始造斜,方可进入洛河组预定注浆层位,丛式井多个水平分支孔共用丛式井主孔,二级技术套管位于华池组地层中,故丛式井多层水平定向钻孔施工次序不受限制,可以优先施工任何一层水平定向钻孔,即可对洛河组任何层位进行注浆。待钻孔进入洛河组目标层段后,采取前进式分段注浆,据文献[12]可知,洛河组和华池组交界面处,钻井液漏失极其严重^[12],且存在浆液在华池组漏失的可能性,即浆液注入了非目标层段,这种情形也造成无法分析、认识洛河组主要吃浆层段,裂隙发育特征。

2.2 丛式井钻孔结构优化

为了解决浆液在华池组漏失的难题,特优化丛式井钻孔结构,将二级技术套管下入洛河组,每层分支孔套管下至钻孔着陆点,从而确保浆液通过裸孔段注入洛河组目标层位。但这种钻孔结构,面临多次搬运钻机、多次开主孔、多次下一级和二级套管、多次固井的难题,严重制约工期和成本。帷幕丛式井定向钻孔优化结构如图8所示。

3 帷幕注浆丛式井主孔和套管重复利用成孔技术

3.1 技术原理

帷幕注浆丛式井主孔和套管重复利用成孔技术共分为六步^[26]。帷幕注浆丛式井主孔和套管重复利用成孔技术原理如图9所示。

(1) 利用地面定向钻机施工某一层位帷幕定向钻孔,钻进至预定深度,下入一级表层套管,封隔松散层,待钻进至着陆点后,下入预定深度的技术套管至钻孔着陆点。帷幕定向钻孔造斜段长度通常大于200 m,水平段长度和垂深依据定向钻机能力设计,帷幕高度400~500 m。

(2) 采用地面注浆方式正循环封固二级技术套管,隔离非注浆层段,环空水泥浆液上返高度控制在造斜段以内。

固管水泥浆液密度为1.5~1.6 g/cm³。环空水泥浆液通常上返高度大于100 m,但小于造斜段长度。利用水泥浆液封固套管之前,先计算二级技术套管环空水泥浆液上返100 m高度所需的浆液体积V₁,同时考虑在二级技术套管内预留30~50 m的水泥塞所需水泥浆液体积V₂,一般对计算的浆液体积V₁+V₂乘1.5倍的安全系数,即注入浆液体积为计算体积的1.5倍,确保环空浆液上返高度至少达到100 m,但其仍位于造斜段内。环空水泥浆液上返高度控制在造斜段以内,是为了割开并提出造斜段未被水泥封固的二级技术套管,确保直孔段内无二级技术套管,以实现其他层位水平定向钻孔施工。

(3) 待二级技术套管水泥环凝固合格后,开始水平段钻进,实施前进式分段注浆作业,直至单层帷幕水平定向钻孔钻进至设计孔深。

套管凝固合格是指套管耐压试验可承受大于25 MPa的压力。实施前进式分段注浆作业,属正常的注浆工艺,通常为单次钻进合理长度(150 m)或者遇漏失的地层(漏失量大于5 m³/h),停止钻进开展注浆工作,一般目标层段注浆压力为20~25 MPa。

(4) 待某一层帷幕水平定向钻孔水平段最后一次注浆结束后,扫孔至造斜段环空无水泥的位置,此位置通常井斜小于30°,利用套管割刀在造斜段将二级技术套管割开,利用钻机将割开后的二级技术套管提出至地面,此时一级套管以下表现为裸孔段。

套管割刀材质通常为合金。利用套管割刀在钻孔造斜段将二级技术套管割开,此位置是人为判断的环空无水泥位置,可能存在一定误差,通常利用钻具将套管割刀下入预定位置,之后割开套管,提出割刀,利用钻机起拔被割开的技术套管,通常起拔力至少需大于套管自重,若套管无法松动,说明此处环空存在凝固的水泥。则需上提套管割刀位置,再次割开套管,上提套管,重复上述步骤,直至套管可提出孔外。

在套管内打开套管割刀刀翼后,其外径须大于套管外径,即打开后割刀刀翼径向长度为2~3 cm,确保套管割刀可顺利割开二级技术套管。套管割刀刀翼未打开前的外径须小于套管内径,确保套管割刀可顺利送至钻孔内预定位置。套管割刀刀翼位于钻具最前端,需通过地面泥浆泵压力和钻杆内液柱压力打开,启动割套管工作,若地面泥浆泵压力降低后,则可收回套管割刀刀翼,结束割套管工作。

(5) 采用大于1.5 g/cm³的浓水泥浆液将钻孔封孔至孔口,凝固72 h,并达到一定的强度,旨在施工其他帷幕定向钻孔时,避免沿原帷幕定向钻孔轨迹钻进。

(6) 扫孔至其他层位帷幕定向钻孔的侧钻点,再次造斜钻进其他层位帷幕定向钻孔,依次循环上述步骤,直至完成所有帷幕定向钻孔。

3.2 技术优点

(1) 采用在某一层位帷幕定向钻孔的主孔内继续实施其他层位帷幕定向钻孔,节约了搬运钻机、开孔、下入一级套管和固管等时间以及经济成本。

(2) 采用在造斜段将二级技术套管割开,上提套管至地面,提出的技术套管可再次应用于其他帷幕定向钻孔,节约了套管费用;确保了二开直孔段为裸孔,造斜段再无套管,避免施工其他层位帷幕定向钻孔时发生碰撞,可方便施工任何一层帷幕定向钻孔;采用浓水泥浆液封孔,克服了其他层位帷幕定向钻孔施工时顺原轨迹跑的难题。

(3) 利用水压打开套管割刀,可通过控制水压实现套管割刀的打开与闭合,确保套管割刀顺利送至预定位置,也实现了割套管作业的目的。

4 工程应用

将帷幕注浆丛式井主孔和套管重复利用成孔技术应用于研究区洛河组砂岩含水层注浆帷幕工程。

4.1 帷幕水平定向钻孔A施工

帷幕定向钻孔A设计为三级孔径二级套管结构(图9)。A钻孔施工工艺:

一开:采用Φ311 mm钻头无芯钻进至基岩顶界面以下10 m,孔深145 m,下入Φ244.5 mm×8.94 mm石油套管,固井,并进行止水检查。

二开:采用Φ215.9 mm钻头无芯钻进至洛河组顶界面以下10 m(孔深604 m),侧钻点位于孔深160 m,造斜段长444 m,着陆点位于604 m,下入Φ177.8 mm×8.04 mm石油套管604 m,按照1.5 g/cm³水泥浆液密度计算浆液在环空上返100 m固井所需水泥浆液体积V₁,同时考虑在套管内预留30~50 m的水泥塞所需水泥浆液体积V₂,取安全系数1.5,计算水泥浆体积为3.63 m³,凝固72 h,之后开展耐压试验,套管可承受25 MPa的注浆压力。

三开:采用Φ152.4 mm钻头无芯水平钻进,每150 m注浆一次或者遇漏失量大于5 m³/h时注浆,直至水平段钻进结束,施工结束后钻孔内为凝固的水泥浆液。

4.2 帷幕定向钻孔B施工

待帷幕定向钻孔A施工完成后,扫孔至孔深505 m,下入套管割刀至孔深500 m处,利用泥浆泵水压打开套管割刀,在此位置保证刀翼打开15~30 min,之后提出割刀,利用钻机起拔套管,瞬时起拔力为20 t,无法提出套管,此位置井斜达到80°。之后将套管割刀上提至230 m处,此处井斜为17°,在此位置再次采用同样的工艺割开并提出套管,钻机起拔力为10 t,套管明显出现松动迹象,可判断套管已经被成功割开,之后起拔力仅为套管自重8 t,最终成功将套管提出孔外。套管割刀实物如图10所示。

二级技术套管提出孔外后,该孔段为裸孔段,向孔内注入1.6 g/cm³的水泥浆液封孔,之后凝固72 h,按照帷幕定向钻孔B设计轨迹再次钻进至下部帷幕定向钻孔层位。

4.3 其他帷幕定向钻孔施工

重复上述步骤,充分利用钻孔主孔和二级技术套管,往复循环完成帷幕定向钻孔C、D、E、F、G施工。

5 技术成果转化经济效益分析

(1)帷幕钻孔二级技术套管为Φ177.8 mm×8.04 mm,该型号套管重量为34.26 kg/m。A钻孔成功上提二级技术套管230 m;B钻孔成功上提二级技术套管270 m;C钻孔成功上提二级技术套管340 m;D钻孔成功上提二级技术套管400 m;E钻孔成功上提二级技术套管460 m;F钻孔成功上提二级技术套管520 m。考虑上提的二级技术套管可重复利用,故7层帷幕注浆水平定向钻孔可节约二级技术套管4 200 m,按照市场价每吨6 500元计算,材料费用共计93.6万元。施工7层帷幕定向钻孔,只需要下入1次一级套管,故节约了6次一级套管材料成本和施工成本。1级套管深度145 m,套管型号为Φ244.5 mm×8.94 mm,该型号套管重量为53.62 kg/m,可见6个钻孔一级套管重量为53.62 kg/m×145 m×6/1 000=46.65 t,按照市场价每吨6 500元计算,共计节约一级套管材料费用30.3万元。单个帷幕注浆定向钻孔一级孔段施工费用为11万元,单次搬家费用为2万元,则6个帷幕注浆水平定向钻孔节约1级孔段施工费用78万元。可见,采用此技术,可节约一级孔段施工费用和材料费用共计108.3万元。综上,施工7层帷幕钻孔共计可节约201.9万元。

(2)高家堡煤矿四盘区帷幕共计构建了4条7层帷幕,可见采用该技术可节约807.6万元,经济效益非常显著。

6 结论

(1)帷幕注浆丛式井钻孔主孔和套管多次重复利用成孔技术:利用直孔段、造斜段、水平段三段式钻孔结构,将二级技术套管固管高度控制在造斜段内;利用套管割刀将二级技术套管造斜段内环空无水泥段割开;利用钻机将割开后的二级技术套管上提至地面,通过钻机起拔力确定套管是否被割开或割开套管的位置是否合理;利用浓水泥浆液将钻孔封孔,凝固72 h,确保水泥凝固强度,保证其他层位帷幕定向钻孔顺利施工。

(2)帷幕注浆丛式井钻孔主孔和套管多次重复利用成孔技术,解决了洛河组厚层砂岩含水层大高度帷幕注浆丛式井施工多次搬家、开孔、下套管、固井等时间和经济成本问题,也确保了浆液精准注入洛河组目标层位,可推广应用于其他矿井防治水大高度帷幕工程。

(3)采用帷幕注浆丛式井钻孔主孔和套管多次重复利用成孔技术,实施高家堡煤矿四盘区巨厚洛河组含水层帷幕注浆工程,可节约807.6万元,经济效益非常显著。

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