带压封孔在煤层水力压裂中应用研究

2016-08-22周玉军河南工业和信息化职业学院资源环境系河南焦作454000

山东工业技术 2016年16期

周玉军（河南工业和信息化职业学院资源环境系，河南焦作 454000）

带压封孔在煤层水力压裂中应用研究

周玉军
（河南工业和信息化职业学院资源环境系，河南焦作 454000）

根据目前本煤层中钻孔封孔问题由于受到采动形成卸压带影响、钻孔动压影响及瓦斯解吸后煤体松动变形等因素，在本煤层钻孔封孔技术需将这些裂缝封堵，本次水力压裂要求高强度封孔，提出一种新型的封孔技术“倾斜布袋式带压封孔技术”满足水力压裂的要求，取得良好的效果。

水力压裂；钻孔；带压封孔

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.060

0　前言

井下钻孔水力压裂技术作为煤层增透强化抽采瓦斯的一种方法，已开始广泛的应用于低透气性高瓦斯矿井［1］，对于压裂成败的关键因素之一封孔问题，压裂过程因封孔不严易出现漏水［2］、漏气及压力水的压力达不到预定压力等问题，严重影响压裂过程的实施［3］。

1　基本原理

倾斜布袋式带压封孔技术，是基于受到采动及钻孔卸压影响而可能存在于煤体中的裂缝，利用带有一定压力的水泥浆液封堵裂隙，主动的将钻孔周围的破碎区及塑性区加固充填，形成新的保护带，从而改变压裂实施中封堵钻孔周围煤体的特性及封堵孔隙裂隙的目的，该技术先将孔口孔底的布袋充入聚氨酯，待其凝固后，注入孔底孔口无压水泥段，待凝固后注入中间带压段，孔口孔底聚氨酯段主要为注入无压水泥段期待阻挡保护作用，由于聚氨酯的硬度较小且具有一定的柔性，因此在注入聚氨酯后为防止其由于钻孔的变形而产生材料与孔壁之间的裂缝而注入无压水泥段，进行带压水泥段的注浆在一定的压力作用下，可以劈裂扩展及充填裂隙孔隙弱面，沿着煤体中的裂隙及孔隙从大的裂隙逐级进入下一级裂隙，进行层层封堵，最后进入微孔中，待其凝固以后形成与煤体颗粒结合一起，彻底地将孔隙裂隙封堵，且形成一定的强度，从而防止了高压水溢出，保证了水力压裂所需要的强度［4］。

2　封孔参数

2.1封孔深度

对于煤层中钻孔的封孔质量问题难以把握，煤层强度较低，钻进过过程使钻孔附近的应力平衡遭到破坏，应力重新分布，煤壁钻孔附近区域形成破碎区、塑性区、弹性区及原岩应力区，破碎区的煤体已经严重破坏，裂隙错综复杂，靠煤体的相互摩擦阻力来维持稳定性，一旦由于瓦斯压力的变化或者煤体失稳就会造成钻孔塌落，堵塞钻孔，弹性区受到钻进过程中的外力影响，形成部分的裂隙，在工作面的前方也会卸压带、应力集中带和原岩应力带，在卸压带处煤体裂隙增加，在集中应力带，煤体受到较高的外力作用，裂隙闭合适合封孔段的布置。

2.2钻孔方位和倾角

井下钻孔水力压裂裂缝的形态受到煤层中的地应力的大小和方向的影响，地应力在水平方向的力与垂直方向的力决定了形成什么样的的裂缝，通常认为压裂的裂缝垂直于煤层最小主应力，所以我们在设计钻孔方位应最好平行于最大主应力方向。

2.3钻孔直径与长度

钻孔直径跟钻孔长度的增大增加了煤层钻孔的暴露面积，使瓦斯的解吸能力提高，抽采量增加，随着钻孔直径的加大，成孔较困难，在钻机能力范围内和钻孔无塌孔不堵塞瓦斯运移通道的前提下，尽量增加钻孔半径，以提高瓦斯抽放量。增加钻孔的见煤长度，可以有效提高钻孔单孔的瓦斯抽放效率，但是长钻孔的施工也是困难的，所以单靠增加钻孔的见煤长度来增加瓦斯的抽采效果也是有一定的限制，并且钻孔的直径也需要考虑到钻机能力和压裂后的封孔方式，压裂时若采用封隔器封孔，需要要考滤到封隔器的膨胀能力，以此最终来确定钻孔的直径。

2.4带压封孔压力

抽采封孔管采用直径φ40mm的塑料管时，最小破损压力为0.5MPa，注浆最大压力取0.4MPa；采用直径φ50mm的塑料管时，最小破损压力为0.8MPa，注浆最大压力取0.6MPa。

2.5封孔材料配置

专用封孔水泥配制的水泥浆比重1.62时膨胀系数较大。无水钻孔要考虑水分滤失，有水钻孔要考虑水分渗入。为便于现场计量，水灰体积比取1.1：1～1：1.1，聚氨酯A、B液配比1：1，布袋的直径应略大于钻孔直径。压裂孔封孔示意图如图1所示。