新型耐高壓鉆孔密封方法試驗研究＊

高亞斌 林柏泉 郝志勇 李 飛 李子文 成艷英

（1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

新型耐高壓鉆孔密封方法試驗研究＊

高亞斌1，2林柏泉1，2郝志勇1，2李 飛1，2李子文1，2成艷英1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

針對高壓水力壓裂、高壓注水等卸壓增透措施中封孔困難的問題，在分析現(xiàn)有封孔方法不足的基礎(chǔ)上，提出了一種耐高壓鉆孔密封方法。通過進行實驗室模擬鉆孔試驗和現(xiàn)場工業(yè)性試驗，得出新型耐高壓鉆孔密封方法具備很高的抗壓強度和優(yōu)異的封孔性能，可顯著提高高壓水力壓裂、高壓注水鉆孔的封孔成功率，保證卸壓增透措施的實施效果。

瓦斯抽采 水力壓裂 封孔方法 試驗研究

1 耐高壓鉆孔密封方法現(xiàn)狀

目前國內(nèi)普遍采用的封孔方法主要有封孔器封孔、水泥類無機材料封孔、聚氨酯類有機材料封孔等。

（1）封孔器封孔是將具有膨脹性的封孔器送入鉆孔，通過注氣或注水使其膨脹，依靠與鉆孔壁的摩擦或粘結(jié)錨固來達到封孔的目的。該方法可對鉆孔進行快速密封，但在施工過程中對鉆孔要求較高，在易塌孔的松軟煤層封孔器很難送入。現(xiàn)有的ZF-A51增強型封孔器抗壓強度達到20 MPa（在水力壓裂過程中壓力可達到30 MPa以上），并且該封孔器需要和膨脹水泥相配合，操作較為繁瑣。

（2）水泥類無機材料封孔操作簡單、成本低廉，對鉆孔周圍巖體的裂隙有一定的封堵作用，但材料固化較慢，封孔時間長，且水泥砂漿在凝固過程易發(fā)生脫水收縮、開裂現(xiàn)象，難以保證鉆孔的封堵效果，封孔成功率較低。近年來引入了膨脹水泥進行封孔，克服了水泥材料凝固時間長、凝固后收縮的不足，提高了封孔的效果，但其自身強度較低，難以滿足耐高壓鉆孔的密封。

（3）聚氨酯封孔是一種新型封孔方法，利用聚氨酯的高發(fā)泡率來填充鉆孔，達到封孔的目的。目前煤礦井下常用的聚氨酯材料有馬麗散、羅克休、米諾華等，具有發(fā)泡倍數(shù)高、質(zhì)量輕、封孔迅速的優(yōu)點，但聚氨酯材料反應(yīng)后與鉆孔壁的粘結(jié)能力較弱，材料的抗壓性能較差，只適用于一般的煤層注水，無法滿足高壓水力壓裂鉆孔的封孔要求。

為解決高壓水力壓裂、高壓注水鉆孔封孔難的問題，針對上述各種方法的不足，需要研究新型的封孔材料及方法，提高鉆孔的密封質(zhì)量，保證卸壓增透措施的實施效果。

2 新型抗高壓封孔方法

高壓水力化措施在現(xiàn)場的實施經(jīng)驗表明，孔口的封堵情況決定著最終的卸壓效果。中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯防治與利用研究所開發(fā)的PD系列封孔材料具有良好的抗壓性能，可以滿足高壓水力壓裂、高壓注水鉆孔的封孔要求。筆者根據(jù)PD系列材料的特點，結(jié)合聚氨酯的使用方法，提出了一種封孔袋封孔工藝。

目前使用聚氨酯對孔口進行堵漏時，多將聚氨酯的兩種組分傾倒在毛巾上，揉搓毛巾使其混合后迅速塞入鉆孔中，重復(fù)多次完成鉆孔的密封。此方法較為繁雜，操作中材料浪費較多，并且由于聚氨酯反應(yīng)過快，往往毛巾尚未到達預(yù)定位置時，聚氨酯已經(jīng)開始膨脹，使得毛巾難以繼續(xù)送入。此外，該方法還存在聚氨酯兩種組分無法精確控制、聚氨酯在鉆孔內(nèi)分布不均勻等問題，造成鉆孔堵漏效果不佳，封孔效率低下。針對這些缺點，相關(guān)科研人員設(shè)計了幾種物理封孔止?jié){塞，但其操作復(fù)雜、成本高，且受鉆孔成孔效果影響較大，因而實際使用效果并不理想。

中國礦業(yè)大學(xué)根據(jù)止?jié){塞的特點，發(fā)明了礦用擠壓式封孔袋用于鉆孔孔口的封堵。礦用擠壓式封孔袋由三層膜料組成，表面層為PET膜，中間層為鋁箔膜，內(nèi)層為PE膜。封孔袋本體由強度較低的熱燙隔離邊分隔為相對獨立的左右兩部分，用以灌裝聚氨酯材料的兩種組分。封孔袋四周由熱燙封袋邊進行密封，熱燙封袋邊的強度較高，不容易被損壞。使用封孔袋封孔時，雙手用力擠壓封孔袋，使左右兩部分的聚氨酯在壓力作用下?lián)伍_低強度的熱燙隔離邊，封孔袋本體內(nèi)部完全貫通，然后搖晃或揉搓封孔袋，使聚氨酯材料的兩種組分充分混合后，將封孔袋本體送入鉆孔內(nèi)需要封堵的部位。根據(jù)現(xiàn)場施工的需要，重復(fù)上述過程若干次，聚氨酯材料在鉆孔內(nèi)充分反應(yīng)、膨脹后，使用注漿泵注入PD材料，即可完成鉆孔的密封工作。

該種封孔方法與現(xiàn)有的封孔技術(shù)相比優(yōu)點為：整體結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，能夠有效、迅速完成井下鉆孔的密封工作；操作方法簡單，能夠精確控制聚氨酯兩種組分的比例，減少了材料的浪費，封孔袋能夠方便地送入預(yù)定部位；使聚氨酯在鉆孔內(nèi)均勻分布，改善鉆孔的密封效果，提高封孔的效率。

4.2 施肥習(xí)慣：重施有機肥、足施磷鉀肥、少施氮肥，比少施或不施有機肥、磷鉀肥用量不足、氮肥施用過量的地塊，整體發(fā)病危害輕，配方施肥比常規(guī)施肥的發(fā)病輕。

3 模擬鉆孔試驗研究

物理模擬系統(tǒng)使用直徑?95 mm的舊無縫鋼管作為模擬鉆孔，分別使用一根?20 mm的鍍鋅鋼管和兩根?8 mm的鍍鋅鋼管作為壓裂管、注漿管和回漿排氣管。模擬鉆孔兩端用礦用擠壓式封孔袋擋漿，中間注入PD系列封孔材料，待材料性能穩(wěn)定后，將壓裂管連接高壓水泵向模擬鉆孔內(nèi)注入高壓水。模擬實驗利用穩(wěn)壓閥穩(wěn)定模擬鉆孔內(nèi)的壓力，使壓力表讀數(shù)精確并保持在設(shè)定值，方便觀察和記錄封孔材料與模擬鉆孔的粘結(jié)性能。

圖1 物理模擬試驗裝置

調(diào)節(jié)模擬鉆孔封孔段長度可以測試不同封孔長度的抗高壓能力，模擬實驗分別選用3 m、4 m、5 m、6 m的封孔長度，待封孔材料性能穩(wěn)定后，將壓裂管連接高壓水泵向模擬鉆孔內(nèi)注入高壓水。當水從模擬鉆孔的孔口流出時，記錄下此時壓力表的壓力，以此來評判抗高壓能力。當模擬鉆孔的封孔長度為3 m、4 m和5 m，壓力表的壓力分別達到了25 MPa、30 MPa和36 MPa，最終在壓裂管與封孔材料結(jié)合處漏水。當模擬鉆孔的封孔長度為6 m，壓力表壓力達到42 MPa，模擬鉆孔被壓裂，此時鉆孔的孔口仍沒有水滲出，說明該新型耐高壓鉆孔密封方法具備很好的密封性能。

4 工業(yè)性試驗研究

4.1 鉆孔布置及封孔

工業(yè)性試驗的地點選在龍煤集團雞西分公司平崗煤礦下延采區(qū)14＃煤層右三巷，注水壓裂試驗鉆孔為3個上行孔，具體參數(shù)見表1。封孔長度分別選擇18 m、21 m和24 m，以便考察不同封孔長度下的封孔效果，各個鉆孔的具體距離位置見圖2。

表1 注水鉆孔參數(shù)

圖2 鉆孔布置示意圖

各鉆孔封孔方法相同。以1＃注水孔為例，采用6根直徑?25 mm×3 m的無縫鋼管作為高壓注水管，管與管之間通過快接并用U型銷連接。孔口預(yù)埋1根?25 mm×3 m的鍍鋅管作為注漿管路連接到注漿泵上。孔口用4袋封孔袋封堵，通過注漿管向孔內(nèi)注入PD材料，通過注水管向外排氣返漿，鉆孔內(nèi)用封孔材料漿液充實，以達到封孔目的。封孔示意圖見圖3。

圖3 封孔示意圖

具體的封孔操作步驟為：在下井封孔之前，計算所封鉆孔所需的漿液量，根據(jù)封孔孔深、孔徑、高壓注水無縫鋼管管徑，計算封孔注漿體積；清除鉆孔封孔段內(nèi)的煤粉；將?25 mm×3 m高壓注水無縫鋼管管用U型銷順序連接送入孔內(nèi)，帶花孔的一根放在最前端，最后一根留在孔口以外0.5 m，將?25 mm×3 m注漿管送入孔口并在孔口以外留0.2 m；準備封孔袋，撐開并混合均勻后纏繞在注漿管和注水管上，并用透明膠帶捆住，送到需要堵漿的位置；待封孔袋內(nèi)材料反應(yīng)完全凝固后，使用配套的注漿軟管將注漿泵的出料口和注漿管連接，打開注漿管閥門，啟動注漿設(shè)備，開始注漿。

為保證封孔效果，封孔前必須對鉆孔內(nèi)煤粉進行處理，封孔袋必須嚴格按照使用說明進行操作。

4.2 具體實施效果

試驗首先對3＃注水孔進行注水壓裂試驗。調(diào)節(jié)水泵向鉆孔內(nèi)注水，使水壓緩慢上升，40 min時水壓達到46 MPa，此時煤壁有煤炮聲傳來，為保證試驗施工安全，將注水壓力緩慢下調(diào)至35 MPa。90 min以后，3＃注水孔旁邊的5＃抽采孔開始往外流水，并且水量逐漸增大，隨即停止注水，停泵約30 min后壓力歸0。隨后分別對2＃、1＃注水孔進行注水實驗。2＃注水孔注水水壓維持在35 MPa，注水時間約70 min時，旁邊的2＃抽采孔出水；1＃注水孔注水60 min，注水量大約10 m3，依然沒有水從旁邊的抽采鉆孔和煤壁流出，停泵以后，壓力表迅速歸0，經(jīng)分析由于受2＃注水孔壓裂的影響，導(dǎo)致1＃注水孔周圍煤體內(nèi)有較大的裂縫，注入鉆孔的水流量小于裂縫泄漏的水量，造成水壓無法升高。

現(xiàn)場試驗中，當最高注水壓力達到46 MPa時，所封的3＃注水孔孔口仍未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，注水壓力穩(wěn)定在35 MPa時，旁側(cè)的抽采孔出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，3＃注水壓裂孔也未出水。現(xiàn)場試驗表明，新型耐高壓鉆孔密封方法效果優(yōu)異，能夠承受住35～40 MPa的壓力而不漏水。

5 結(jié)論

（1）新型耐高壓鉆孔密封方法能夠方便地將封孔袋送入到鉆孔中需要封堵的部位，精確控制聚氨酯材料兩種組分的比例，解決聚氨酯在鉆孔內(nèi)分布不均勻的問題，改善鉆孔的封孔效果，提高封孔的效率。

（2）在模擬鉆孔試驗中，封孔長度為6 m時，封孔段可承受42 MPa的壓力； 在平崗煤礦工業(yè)性試驗中，封孔長度達到20 m以上時，封孔段能夠承受35～40 MPa的壓力而不漏水。表明該封孔方法具備很高的抗壓強度和優(yōu)異的封孔性能。

（3）新型耐高壓鉆孔密封方法可顯著提高高壓水力壓裂、高壓注水鉆孔的封孔成功率，保證卸壓增透措施的實施效果。

［1］林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術(shù) ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

［2］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 ［J］.中國煤層氣，2010（6）

［3］劉三鈞，林柏泉，郝志勇等.鉆孔密封機理及新型煤層瓦斯壓力測定技術(shù)研究 ［J］.中國煤炭，2009（10）

［4］尹志宏.低級無煙煤綜放工作面煤層注水基礎(chǔ)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2006

［5］韓劍.巖巷下向孔瓦斯壓力直接測定法的改進及應(yīng)用 ［J］.煤，2010 （12）

［6］高振勇，張志剛，尹斌.提高聚氨酯封孔質(zhì)量的研究 ［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2009（s）

［7］蘇培莉.裂隙煤巖體注漿加固滲流機理及其應(yīng)用研究 ［D］.西安：西安科技大學(xué)，2010

［8］李濤.水泥復(fù)合膠體充填加固冒落巷道實驗研究與應(yīng)用 ［D］.西安：西安科技大學(xué)，2011

［9］梁為，王海鵬，尹尚先.膠囊式分段注漿止?jié){塞的研制 ［J］.煤炭工程，2011 （3）

［10］李飛，林柏泉，翟成等.新型水力壓裂鉆孔密封材料的試驗研究 ［J］.煤礦安全，2012（1）

Experimental study of novel high pressure resistant borehole sealing method

Gao Yabin1，2，Lin Boquan1，2，Hao Zhiyong1，2，Li Fei1，2，Li Ziwen1，2，Cheng Yanying1，2
（1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Aimed at the difficulty in the borehole sealing after the pressure relief and permeability enhancement by high pressure hydraulic fracturing and high pressure water injection，a high pressure resistant borehole sealing method was proposed.The experimental simulating drilling test and the industrial test both showed that this novel high pressure resistant borehole sealing method possesses high compressive strength and great sealing effect，enhancing the success of borehole sealing during high pressure hydraulic fracturing and high pressure water injection and ensuring the pressure relief and permeability enhancement.

gas drainage，hydraulic fracturing，borehole sealing，experimental study

TD712

A

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助 （973計劃2011CB201205）；國家自然科學(xué)基金項目（51074161）；國家科技支撐計劃 （2012BAK04B07）

高亞斌 （1988-），男，山西臨汾人，中國礦業(yè)大學(xué)2011級研究生，主要從事礦井瓦斯防治方面的研究工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）