帶壓封孔在煤層水力壓裂中應(yīng)用研究

周玉軍（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院資源環(huán)境系，河南 焦作 454000）

帶壓封孔在煤層水力壓裂中應(yīng)用研究

周玉軍
（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院資源環(huán)境系，河南 焦作 454000）

根據(jù)目前本煤層中鉆孔封孔問題由于受到采動形成卸壓帶影響、鉆孔動壓影響及瓦斯解吸后煤體松動變形等因素，在本煤層鉆孔封孔技術(shù)需將這些裂縫封堵，本次水力壓裂要求高強(qiáng)度封孔，提出一種新型的封孔技術(shù)“傾斜布袋式帶壓封孔技術(shù)”滿足水力壓裂的要求，取得良好的效果。

水力壓裂；鉆孔；帶壓封孔

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

0　前言

井下鉆孔水力壓裂技術(shù)作為煤層增透強(qiáng)化抽采瓦斯的一種方法，已開始廣泛的應(yīng)用于低透氣性高瓦斯礦井［1］，對于壓裂成敗的關(guān)鍵因素之一封孔問題，壓裂過程因封孔不嚴(yán)易出現(xiàn)漏水［2］、漏氣及壓力水的壓力達(dá)不到預(yù)定壓力等問題，嚴(yán)重影響壓裂過程的實施［3］。

1　基本原理

傾斜布袋式帶壓封孔技術(shù)，是基于受到采動及鉆孔卸壓影響而可能存在于煤體中的裂縫，利用帶有一定壓力的水泥漿液封堵裂隙，主動的將鉆孔周圍的破碎區(qū)及塑性區(qū)加固充填，形成新的保護(hù)帶，從而改變壓裂實施中封堵鉆孔周圍煤體的特性及封堵孔隙裂隙的目的，該技術(shù)先將孔口孔底的布袋充入聚氨酯，待其凝固后，注入孔底孔口無壓水泥段，待凝固后注入中間帶壓段，孔口孔底聚氨酯段主要為注入無壓水泥段期待阻擋保護(hù)作用，由于聚氨酯的硬度較小且具有一定的柔性，因此在注入聚氨酯后為防止其由于鉆孔的變形而產(chǎn)生材料與孔壁之間的裂縫而注入無壓水泥段，進(jìn)行帶壓水泥段的注漿在一定的壓力作用下，可以劈裂擴(kuò)展及充填裂隙孔隙弱面，沿著煤體中的裂隙及孔隙從大的裂隙逐級進(jìn)入下一級裂隙，進(jìn)行層層封堵，最后進(jìn)入微孔中，待其凝固以后形成與煤體顆粒結(jié)合一起，徹底地將孔隙裂隙封堵，且形成一定的強(qiáng)度，從而防止了高壓水溢出，保證了水力壓裂所需要的強(qiáng)度［4］。

2　封孔參數(shù)

2.1封孔深度

對于煤層中鉆孔的封孔質(zhì)量問題難以把握，煤層強(qiáng)度較低，鉆進(jìn)過過程使鉆孔附近的應(yīng)力平衡遭到破壞，應(yīng)力重新分布，煤壁鉆孔附近區(qū)域形成破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)，破碎區(qū)的煤體已經(jīng)嚴(yán)重破壞，裂隙錯綜復(fù)雜，靠煤體的相互摩擦阻力來維持穩(wěn)定性，一旦由于瓦斯壓力的變化或者煤體失穩(wěn)就會造成鉆孔塌落，堵塞鉆孔，彈性區(qū)受到鉆進(jìn)過程中的外力影響，形成部分的裂隙，在工作面的前方也會卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原巖應(yīng)力帶，在卸壓帶處煤體裂隙增加，在集中應(yīng)力帶，煤體受到較高的外力作用，裂隙閉合適合封孔段的布置。

2.2鉆孔方位和傾角

井下鉆孔水力壓裂裂縫的形態(tài)受到煤層中的地應(yīng)力的大小和方向的影響，地應(yīng)力在水平方向的力與垂直方向的力決定了形成什么樣的的裂縫，通常認(rèn)為壓裂的裂縫垂直于煤層最小主應(yīng)力，所以我們在設(shè)計鉆孔方位應(yīng)最好平行于最大主應(yīng)力方向。

2.3鉆孔直徑與長度

鉆孔直徑跟鉆孔長度的增大增加了煤層鉆孔的暴露面積，使瓦斯的解吸能力提高，抽采量增加，隨著鉆孔直徑的加大，成孔較困難，在鉆機(jī)能力范圍內(nèi)和鉆孔無塌孔不堵塞瓦斯運(yùn)移通道的前提下，盡量增加鉆孔半徑，以提高瓦斯抽放量。增加鉆孔的見煤長度，可以有效提高鉆孔單孔的瓦斯抽放效率，但是長鉆孔的施工也是困難的，所以單靠增加鉆孔的見煤長度來增加瓦斯的抽采效果也是有一定的限制，并且鉆孔的直徑也需要考慮到鉆機(jī)能力和壓裂后的封孔方式，壓裂時若采用封隔器封孔，需要要考濾到封隔器的膨脹能力，以此最終來確定鉆孔的直徑。

2.4帶壓封孔壓力

抽采封孔管采用直徑φ40mm的塑料管時，最小破損壓力為0.5MPa，注漿最大壓力取0.4MPa；采用直徑φ50mm的塑料管時，最小破損壓力為0.8MPa，注漿最大壓力取0.6MPa。

2.5封孔材料配置

專用封孔水泥配制的水泥漿比重1.62時膨脹系數(shù)較大。無水鉆孔要考慮水分濾失，有水鉆孔要考慮水分滲入。為便于現(xiàn)場計量，水灰體積比取1.1：1～1：1.1，聚氨酯A、B液配比1：1，布袋的直徑應(yīng)略大于鉆孔直徑。壓裂孔封孔示意圖如圖1所示。

圖1　壓裂孔封孔示意圖

3　封孔步驟

封孔的步驟如下：（1）待鉆孔、封孔工具及材料驗收完好后，開始注漿工作。首先向孔底布袋內(nèi)注入散裝的聚氨酯，之后向孔口布袋內(nèi)注入散裝聚氨酯；（2）關(guān)閉注聚氨酯管上的球閥，沖洗注液裝置，待4h后，進(jìn)行水泥漿段的注漿工作；（3）關(guān)閉注漿管球閥，沖洗注漿泵，封孔結(jié)束。

4　效果檢驗

通過壓裂試驗表明，采用傾斜布袋式帶壓封孔技術(shù)，基本堵絕了漏漿、竄漿、跑漿等現(xiàn)象，較好地解決了松軟煤層因其裂隙發(fā)育而造成的封孔時間長、封孔成本高等一系列問題，有效地提高了封孔成功率，使水力壓裂工作得以順利進(jìn)行，為提高低透煤層瓦斯抽放率奠定了堅實基礎(chǔ)。

［1］呂有廠，王玉杰，張建華等.井下水力壓裂鉆孔封孔技術(shù)研究與實踐［M］. 煤礦現(xiàn)代化，2010，99（06）：33-34.

［2］黃鑫業(yè)，蔣承林.帶壓封孔技術(shù)提高瓦斯抽放效果的試驗研究［M］.煤礦安全，2011（09）：1-8.

［3］黃鑫業(yè)，蔣承林.本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術(shù)研究［M］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（10）：45-48.

［4］王玉杰，楊繼東.突出煤層瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)［M］.中州煤炭，2011，189（09）：143-144.

周玉軍（1988-），男，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事煤礦開采和礦井瓦斯治理的教學(xué)和科研等工作。