一种钻孔高压注浆顶替用系统及方法

技术领域

本发明属于煤矿防治水治理技术领域，具体涉及一种钻孔注浆孔水泥浆顶替用系统及方法。

背景技术

现有技术中，对地层导水裂隙和导水通道的治理多采用地面或者井下钻孔揭露，再以高压注浆的施工方法，旨在借助胶凝物的胶凝作用对地层出水通道进行封堵，达到提高隔水层厚度，降低矿井涌(出)水量，保障安全生产的目的。具体包括：首先向含水层或者预定位置钻孔探查和揭露导水通道，在出水量(漏失量)大于设计注浆出水量(漏失量)时，采用注浆泵等动力设备、通过注浆管线将水泥浆自孔口注入，水泥浆液在压力作用下沿钻孔进入导水裂隙并扩展，逐渐充斥和封堵导水通道。随着通道被堵塞和水泥浆凝固，注浆压力逐渐升高，达到设计注浆结束压力值时，开始压水程序，即注入一定量清水，顶替钻孔内水泥浆，降低后续扫孔难度和工程量。顶替至预定量后，停止顶替，关闭孔口阀门，侯凝。待孔口压力归零后开始继续扫孔、钻进，出水量(漏失量)达到设计量时再次注浆。如此往复，直至钻至预定位置。上述方法主要存在以下缺陷：受限于流体的固有特性和水泥浆的粘附力，在注浆过程中，钻孔横截面上水泥浆流速不同，钻孔横截面圆心位置流速较快，靠近孔壁流速较慢，导致孔壁处产生水泥浆附着并逐渐凝固，在长时间注浆后，附着和凝固的水泥浆会导致过流横截面逐步减小，进而导致注浆压力逐步增大，甚至憋泵导致注浆停止，最终导致注浆效率低；注水顶替阶段，靠近钻孔孔壁的相当部分水泥浆无法被水顶替，在停止顶替、孔内压力释放过程中，在重力作用下，未完全凝固水泥浆发生缓慢流动，最终在钻孔相对低处聚集、凝固，增加后期扫孔工作量，同时极易导致后期扫孔过程中的钻孔轨迹偏移，出现钻新孔等状况。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种钻孔注浆顶替用系统及方法，通过在注浆过程中间歇性清除孔壁附着水泥浆，解决现有技术中存在的由于注浆材料在孔壁上的聚集和凝固导致的注浆效率低且后期扫孔工作量大的技术问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种钻孔高压注浆顶替用系统，包括由上至下顺序同轴连通设置的储存管、转换管和固井套管，所述储存管和转换管之间设置有第一闸阀，所述转换管和固井套管之间设置有第二闸阀，所述固井套管下端伸入注浆钻孔内；

所述储存管内设置有扰流封隔塞，所述扰流封隔塞的外壁与储存管的内壁之间形成环空通道；

还包括三通阀，所述三通阀的第一通道能够经第一注浆软管连接注浆泵，所述三通阀的第二通道经第二注浆软管与储存管的上端口连通，所述三通阀的第三通道经第三注浆软管与开设在转换管上的注浆接口连通；

注浆作业时，水泥浆经第三注浆软管、转换管和固井套管进入注浆钻孔；

推送扰流封隔塞时，注入的流体先经第二注浆软管进入储存管将扰流封隔塞推入转换管，再经第三注浆软管进入转换管将扰流封隔塞推入注浆钻孔。

本发明还具有以下技术特征：

具体的，所述第二注浆软管上还设置有第三闸阀，所述第三注浆软管上还设置有第四闸阀。

更进一步的，所述扰流封隔塞由添加了聚丙烯纤维的混凝土制成，混凝土采用与注浆水泥同种水泥；所述聚丙烯纤维以扰流封隔塞体积计，掺量为0.5-0.6kg/m

更进一步的，所述扰流封隔塞包括一体化连接设置的半球体状塞头和圆柱体状塞体，所述塞体外表面沿周向设置多个梯形凹槽。

更进一步的，所述扰流封隔塞的长度为0.4～0.7米，且扰流封隔塞的长度大于5.5倍塞体直径。

更进一步的，所述梯形凹槽的深度为塞体直径的0.3～0.6倍，且梯形凹槽的下底长度与梯形凹槽的深度之比大于1.8，相邻梯形凹槽的间距为塞体直径的0.5～1.3倍。

更进一步的，所述转换管的管壁上开设有卸压口，且转换管的管壁上还设置有压力表。

本发明还保护一种钻孔高压注浆顶替方法，所述方法通过上述钻孔高压注浆顶替用系统实现，包括以下步骤：

步骤1、完成注浆钻孔直井段的钻进，所述直井段内至少设置有一个固井套管，且固井套管沿直井段的长度方向延伸，连接固井套管与转换管；

步骤2、根据注浆钻孔的直径确定扰流封隔塞的直径，完成扰流封隔塞的预制，所述注浆钻孔的直径比扰流封隔塞的直径大5～10mm；

步骤3、完成注浆钻孔注浆段的钻进施工，并在钻进过程中实时获取出水量数据，在出水量达到设计注浆值后，继续钻进10～15m；

步骤4、完成注浆泵与储存管和转换管的连接，然后以清水冲孔，且清水冲孔的流速为0.5～0.7m/s，至清水注入量达到注浆钻孔总容积的1.5～2.5倍时停止注水；

步骤5、进行注浆作业，并在注浆作业过程中，按照设定的时间间隔推送扰流封隔塞经转换管进入注浆钻孔，至注浆时间达到设定值后结束注浆作业；

步骤6、清水注入作业，并在清水注入作业的过程中，按照设定的时间间隔推送扰流封隔塞经转换管进入注浆钻孔，至注水量达到注浆钻孔总容积的1.5～2.5倍时停止注水，清水注入作业结束；

步骤7、在达到注浆材料侯凝时间后，进行扫孔作业。

更进一步的，步骤5中所述的按照设定的时间间隔推送扰流封隔塞经转换管进入注浆钻孔具体包括：当水泥浆密度为1.2g/cm

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明系统通过结构设计，为扰流封隔塞提供了预装空间，通过转换管与注浆管路的配合可实现压力释放、扰流封隔塞推送的操作，本发明提供的扰流封隔塞通过结构设计，尤其是梯形凹槽的参数设计，能够有效清除钻孔壁上附着的水泥浆；本发明装置结构简单，安装使用方便，能够节约维修成本，值的推广。

(2)本发明系统中仅有转换管和注浆软管部分为高压，且转换管两侧均采用法兰盘连接其他管件，安全系数高；注浆管孔径较低，耐压系数高；通过闸阀实现高压部分与储存管等低压部分的分离，整体管路耐压及安全系数高。

(3)本发明方法在注浆过程中通过扰流封隔塞清理钻孔壁上附着的水泥浆，提高钻孔有效过流截面积，降低注浆压力，提高了注浆效率和注浆质量；提高顶替阶段顶替效果，减少后续扫孔工作量，降低了水泥损耗量，减少扫孔工作量。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图；

图2为扰流封隔塞的结构示意图；

图3为推送扰流封隔塞的阶段示意图；

图4为扰流封隔塞进入注浆钻孔示意图；

图5为扰流封隔塞在注浆钻孔内造成扰动的示意图I；

图6为扰流封隔塞在注浆钻孔内造成扰动的示意图II。

附图标号含义：

1-储存管，2-转换管，3-固井套管，4-第一闸阀，5-第二闸阀，6-扰流封隔塞，7-三通阀，8-第二注浆软管，9-第三注浆软管，10-第三闸阀，11-第四闸阀，12-压力表，13-第一注浆软管；

21-卸压口；

61-塞头，62-塞体，621-梯形凹槽。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，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。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明在进行方位描述时，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，本实施例中涉及到的所有部件，除特殊说明的之外，其余部件均为现有技术中可以通过购买获得的部件。

实施例1

遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施例提供了一种钻孔高压注浆顶替用系统，包括由上至下顺序同轴连通设置的储存管1、转换管2和固井套管3，可以根据地质情况选择使用一开、二开、三开或三开以上套管固井，储存管1和转换管2之间设置有第一闸阀4，转换管2和固井套管3之间设置有第二闸阀5，固井套管3下端伸入注浆钻孔内；其中，储存管1的内腔构成储存仓，储存仓用于存放扰流封隔塞6，且扰流封隔塞6的直径小于储存管1的内径，在扰流封隔塞6的外壁与储存管1的内壁之间形成环空通道；在注浆顶替施工过程中，扰流封隔塞6被推送到注浆钻孔内，在注浆结束进行后续钻进时，扰流封隔塞6会被钻头切割破碎，碎屑随泥浆等钻井液循环排出孔外，不影响后续施工。

钻孔高压注浆顶替用系统还包括三通阀7，在进行注浆时，三通阀7的第一通道能够经第一注浆软管13连通注浆泵，三通阀7的第二通道经第二注浆软管8与储存管1的上端口连通，三通阀7的第三通道经第三注浆软管9与开设在转换管2上的注浆接口连通；本实施例中，注浆接口开设在转换管2的侧壁上。

作为本实施例的一种优选方案，第二注浆软管8上还设置有第三闸阀10，第三注浆软管9上还设置有第四闸阀11。

注浆作业时，关闭第一闸阀4和第三闸阀10，水泥浆顺序经过三通阀7、第三注浆软管9、第四闸阀11、转换管2、第二闸阀5和固井套管3进入注浆钻孔。

推送扰流封隔塞6时，先关闭第四闸阀11，开启第三闸阀10，经过三通阀7注入的流体先经第二注浆软管8进入储存管1，将预先装到储存管内的扰流封隔塞6经开启的第一闸阀4推入转换管2，然后，关闭第一闸阀4和第三闸阀10，开启第四闸阀11，流体经第三注浆软管9进入转换管2将扰流封隔塞6推入注浆钻孔，此时，储存管内没有压力，可以通过储存管1顶端开口再次放入扰流封隔塞6，做好下次推送准备。

水泥浆经第三注浆软管9、转换管2和固井套管3进入注浆钻孔；

推送扰流封隔塞6时，通过控制各闸阀的开闭，可以实现注入的流体先经第二注浆软管8进入储存管1将扰流封隔塞6推入转换管2，再经第三注浆软管9进入转换管2将扰流封隔塞6推入注浆钻孔，本实施例中的流体包括水和水泥浆。闸阀与管道之间可以借助法兰盘实现连接。

作为本实施例的一种优选方案，扰流封隔塞6由添加了聚丙烯纤维的混凝土制成，聚丙烯纤维以扰流封隔塞体积计，掺量为0.5-0.6kg/m

作为本实施例的一种优选方案，扰流封隔塞6包括一体化连接设置的半球体状塞头61和圆柱体状塞体62，塞体62外表面沿周向设置多个梯形凹槽621。半球体的直径与圆柱体的直径相同，直径根据施工钻孔孔径确定。

作为本实施例的一种优选方案，受限于孔口装置及储存管的长度，扰流封隔塞6的长度为0.6米，如果长度过大，就会降低扰流封隔塞的整体强度，增加塞体和孔壁的摩擦，增加卡阻风险，且扰流封隔塞6的长度大于5.5倍塞体直径。

作为本实施例的一种优选方案，梯形凹槽621的深度为塞体直径的0.3～0.6倍，且梯形凹槽621的下底长度与梯形凹槽621的深度之比大于1.8，相邻梯形凹槽621的间距为塞体直径的0.5～1.3倍。

作为本实施例的一种优选方案，转换管2的管壁上开设有卸压口21，且转换管2的管壁上还设置有压力表12。

作为本实施例的一种优选方案，塞体62外壁与储存管1内壁的间距为5mm～10mm。

本实施例中采用数值模拟方式对扰流封隔塞的外形进行了模拟试验，模拟数据主要包括：水泥浆密度1.4g/cm

最终对比模拟表明：梯形凹槽621的深度为塞体直径的0.3～0.6倍，且梯形凹槽621的下底长度与梯形凹槽621的深度之比大于1.8，相邻梯形凹槽621的间距为塞体直径的0.5～1.3倍时，对孔壁水泥浆清除效果较好。考虑到材料强度，将扰流封隔塞凹陷间距设置为1倍直径，深度设置为0.25倍直径。

此外，如图5及图6所示，在扰流封隔塞通过前及扰流封隔塞通过一定距离后，孔壁至孔中心颜色很深且色值较为均一，表明孔内水泥浆含量分布较为一致，在这种状态下，孔内水泥浆呈层流状态，孔壁附近附着水泥浆受孔壁影响，流速较慢且容易缓慢附着和凝固。

在扰流封隔塞6通过后的一定距离内，孔内流体状态出现不同程度波动，从图中可看出，扰流封隔塞6通过后孔内流体出现明显的扰动，所以原本较为稳定均一的流态出现扰动，并在扰流封隔塞6通过一定距离后恢复到稳定状态。

综上，在孔内使用扰流封隔塞6可通过在孔内制造扰动的方式，对孔壁上附着的水泥浆等胶凝物质进行清理和顶替，尤其是在清水顶替阶段，扰流封隔塞6可有效提高顶替效果。

实施例2

遵从上述技术方案，本实施例提供一种钻孔高压注浆顶替方法，所述方法通过实施例1提供的煤矿井下高压注浆顶替用系统实现，包括以下步骤：

步骤1、完成注浆钻孔直井段的钻进，本实施例中，选用采用直径为120mm的钻头和直径为89mm钻杆，所述直井段内至少设置有一个固井套管，且固井套管沿直井段的长度方向延伸，钻孔轨迹进入设计层位后，在钻孔出水量(漏失量)达到设计注浆阈值时，继续钻进10-15m，然后起钻，提钻完成后，保持第二闸阀开启状态，让孔内涌水排出孔外，将孔内残留岩屑随涌水排出孔外；关闭第二闸阀，连接固井套管与转换管；

本实施例中，一开套管采用直径为194mm的套管，二开套管采用直径为146mm的套管，三开孔径为120mm，采用裸孔钻进。第二闸阀、第一闸阀、第四闸阀和第三闸阀均采用DN200/40型闸阀，闸阀内腔直径为200mm，钻头等钻具均可通过。转换管和储存管均采用直径为146mm的套管，扰流封隔塞的长度为660mm，直径为110mm，梯形凹槽的深度为55mm，梯形凹槽的下底长度为110mm，上底长度为55mm。

步骤2、根据注浆钻孔的直径确定扰流封隔塞的直径，完成扰流封隔塞的预制，所述注浆钻孔的直径比扰流封隔塞的直径大5～10mm；

步骤3、完成注浆钻孔注浆段的钻进施工，并在钻进过程中实时获取出水量数据，在出水量达到设计注浆值后，继续钻进10～15m；

步骤4、完成注浆泵与储存管和转换管的连接，然后以清水冲孔，且清水冲孔的流速为0.5～0.7m/s，至清水注入量达到注浆钻孔总容积的1.5～2.5倍时停止注水；

步骤5、进行注浆作业，并在注浆作业过程中，按照设定的时间间隔推送扰流封隔塞经转换管进入注浆钻孔，至注浆时间达到设定值后结束注浆作业；

具体包括：当水泥浆密度为1.2g/cm

首先，保持卸压口21和第一闸阀4关闭，第四闸阀11开启，将注浆泵或者其他注浆动力设备开启，水泥浆液通过第一注浆软管13、三通阀7、第四闸阀11、转换管2、第二闸阀5和固井套管3进入钻孔，并最终进入出水裂隙；注浆过程中，打开转换接口，将扰流封隔塞6放置入储存管1，然后关闭转换接口。

注浆时长达到预定时间后，暂停注浆，关闭第二闸阀5，打开卸压口21，消除转换管2内的水泥浆压力，观察转换管2上安装的压力表12读数，读数为0时，关闭第四闸阀11，开启第三闸阀10和第一闸阀4，开启注浆泵，水泥浆液经三通阀7、第二注浆软管8、第三闸阀10、储存管1，推动扰流封隔塞6经第一闸阀4进入转换管2，再次暂停注浆泵，关闭第一闸阀4、第三闸阀10，开启第四闸阀11，关闭卸压口21，开启第二闸阀5，启动注浆泵，水泥浆液推动扰流封隔塞6进入固井套管3。由于扰流封隔塞6与孔径较为接近，水泥浆液推动扰流封隔塞6运动过程中，扰动孔壁上附着的尚未凝固的水泥浆，向孔底方向推动，减少孔壁附着量。扰流封隔塞6到达孔底位置后被推送至预先多钻进的10～15m预留钻孔内。

步骤6、清水注入作业，并在清水注入作业的过程中，按照设定的时间间隔推送扰流封隔塞经转换管进入注浆钻孔，至注水量达到注浆钻孔总容积的1.5～2.5倍时停止注水，清水注入作业结束；

步骤7、在达到注浆材料侯凝时间后，进行扫孔作业。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。