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(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

水力壓裂穿層鉆孔“三段式”封孔技術(shù)的研究及應(yīng)用

田坤云， 張?jiān)?/p>

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

水力壓裂作為一項(xiàng)煤礦區(qū)域防突技術(shù)已廣泛應(yīng)用于突出煤層，其中壓裂鉆孔封孔技術(shù)較為關(guān)鍵，直接決定壓裂成功與否.為了提高煤礦井下水力壓裂鉆孔封孔的質(zhì)量、減少封孔材料的用量、簡(jiǎn)化封孔工藝、最大限度地保證壓裂的成功，對(duì)水力壓裂穿層鉆孔“三段式”封孔技術(shù)進(jìn)行了初步探討,在淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨渙煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).兩個(gè)穿層鉆孔的試驗(yàn)結(jié)果表明，該封孔技術(shù)能對(duì)煤(巖)體的原始裂隙進(jìn)行有效封堵，較好地杜絕了壓裂過(guò)程中由于裂隙貫通而產(chǎn)生的漏水、躥漿現(xiàn)象，最大限度地提高了水力壓裂措施的成功率，可為其他煤礦穿層鉆孔封孔提供一定的參考.

水力壓裂；卸壓增透；穿層鉆孔；“三段式”封孔技術(shù)

水力壓裂卸壓增透抽采瓦斯技術(shù)主要包括壓裂鉆孔成型、鉆孔封堵、高壓水壓裂、瓦斯抽采等一系列復(fù)雜的工藝環(huán)節(jié)[1-4].由于壓裂鉆孔周圍煤巖體發(fā)育有大量的裂隙，壓裂過(guò)程中高壓水往往會(huì)沿裂隙泄掉，進(jìn)而導(dǎo)致水壓無(wú)法上升到使壓裂對(duì)象破裂的臨界值.盡管注水量很大，但由于高壓水的泄漏、逸失，隨著泵注時(shí)間的增加,泵注壓力卻未見(jiàn)上升甚至出現(xiàn)下降，所以最終導(dǎo)致壓裂失敗[5-8].因此，壓裂鉆孔封堵質(zhì)量是水力壓裂的關(guān)鍵，也是保證壓裂成功的先決條件.

1 水力壓裂封孔機(jī)理分析

封孔目的有3個(gè)：①封閉鉆孔與壓裂管之間的空隙，保證封孔材料與壓裂管、煤層之間的黏結(jié)性；②封閉壓裂范圍內(nèi)的裂隙，隔斷壓裂范圍內(nèi)裂隙之間的連通，進(jìn)而隔斷裂隙與外界貫通，杜絕漏水及水壓損失；③封閉煤(巖)體中的原生裂隙，防止壓裂過(guò)程中壓裂液從巖石原生裂隙中過(guò)度濾失.

f1-封孔材料與鉆孔壁之間的黏結(jié)力；f2-封孔材料與壓力管之間的黏結(jié)力；F-水壓對(duì)封孔材料的壓力；G-封孔材料自重力；θ-鉆孔傾角.圖1 封孔段受力示意Fig.1 The force diagram of hole sealing section

1.1 鉆孔與壓裂管之間空隙的密封

封孔段的受力如圖1所示.穿層鉆孔水力壓裂時(shí)，必須滿足如下公式：

F+G×sin θ≤f1+f2.

1.2 裂隙圈內(nèi)裂隙的密封

鉆孔施工前，煤(巖)體處于平衡狀態(tài)，施工后，瓦斯壓力和圍巖應(yīng)力重新分布，鉆孔周圍的煤體發(fā)生彈性與塑性形變進(jìn)而在裂隙圈內(nèi)產(chǎn)生裂隙[10-11].將封孔材料注入裂隙圈的裂隙中，隔斷裂隙圈中裂隙之間的貫通,從而降低漏水以減少水壓損失.

1.3 原生裂隙的密封

如煤(巖)體裂隙較發(fā)育，泵注過(guò)程中高壓水會(huì)過(guò)度濾失造成其有效流量和壓力不能使周圍煤(巖)體破斷甚至阻礙裂隙延展[12-13].為保證水力壓裂效果，可分別沿煤層走向在壓裂鉆孔兩側(cè)施工一組煤(巖)原始裂隙封堵孔.每組3個(gè)封堵孔沿煤層傾斜方向呈扇形分布，成孔后帶壓注入封孔材料封堵鉆孔周圍煤(巖)體的原始裂隙，防止高壓水過(guò)度濾失.

2 “三段式”封孔技術(shù)

目前，水力壓裂鉆孔主要采取的密封方法有封孔材料直接封孔與封孔器封孔.封孔材料分為有機(jī)封孔材料(PD復(fù)合材料、聚氨酯、不同比例的有機(jī)材料混合物)與無(wú)機(jī)封孔材料(水泥砂漿)，封孔器主要是摩擦式封孔器和水力膨脹式封孔器.“三段式”封孔技術(shù)采用了直接封孔的方法，但在技術(shù)上有所創(chuàng)新.

圖2 “三段式”封孔技術(shù)示意Fig.2 The layout diagram about “three section” seal bore technique

(1)封孔方式：先在孔內(nèi)導(dǎo)入3根注漿管和一根壓裂管，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)管的長(zhǎng)度分別為8 m，15 m和25 m，壓裂管的長(zhǎng)度為42 m，孔口處用膨脹水泥封1～3 m.然后，先從1號(hào)管注入水泥漿，直到漿液從2號(hào)管返出后停止.待漿液凝固3 h后，再?gòu)?號(hào)管注入水泥漿直到3號(hào)管返漿.同樣待漿液凝固3 h后，再對(duì)3號(hào)管進(jìn)行注漿，直至漿液從壓裂管返漿后停止,如圖2所示.

(2)封孔材料：根據(jù)封孔的要求，本次封孔主要采用水泥砂漿.

3 水力壓裂封孔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用“三段式”封孔工藝，在淮北礦業(yè)集團(tuán)臨煥煤礦進(jìn)行了穿層鉆孔水力壓裂封孔試驗(yàn)，驗(yàn)證該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可行性.

3.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

頂板穿層鉆孔水力壓裂封孔實(shí)驗(yàn)選擇在臨渙煤礦9煤層底板巖巷Ⅰ13采區(qū)回風(fēng)大巷實(shí)施.該礦9號(hào)煤層底板埋藏深度為394.30 m，煤層厚度為1.05～1.90 m，煤層傾角為10°～15°，煤層底板為泥巖，頂板為粉砂巖，頂板上部賦存8號(hào)煤層.

布置壓裂鉆孔要盡量避開(kāi)斷層發(fā)育區(qū)域，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域的地質(zhì)情況，將1號(hào)和2號(hào)壓裂鉆孔分別布置在Ⅰ13采區(qū)泵房口西100 m和200 m處.

(1)1號(hào)壓裂鉆孔

1號(hào)壓裂鉆孔終孔距8煤層頂板1.0 m，封孔位置距9煤層頂板1.0 m.調(diào)整設(shè)計(jì)鉆孔傾角，盡量使封孔段不超過(guò)35 m，該孔壓裂對(duì)象為8煤及9煤頂板砂巖.

(2)2號(hào)壓裂鉆孔

2號(hào)壓裂鉆孔終孔位置距9煤層頂板0.5 m，封孔位置距9煤層底板0.5 m.調(diào)整設(shè)計(jì)鉆孔傾角，盡量使封孔段不超過(guò)35 m，該孔壓裂對(duì)象為9號(hào)煤層,布置如圖3所示.

圖3 1號(hào)和2號(hào)壓裂鉆孔布置Fig.3 The schematic diagram about No.1 and No.2 hydraulic borehole

3.2 封孔試驗(yàn)

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，為防止壓裂過(guò)程中壓裂液從巖石原生裂隙中過(guò)度濾失，本次壓裂鉆孔和封堵鉆孔均采用帶壓式封孔方法,如圖4所示.嚴(yán)格按照“三段式”封孔法對(duì)1號(hào)與2號(hào)壓裂鉆孔進(jìn)行封堵，根據(jù)封孔長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算封孔劑的使用量，用高壓注漿泵一次性連續(xù)地將封孔劑注入鉆孔內(nèi)，要求注入的化學(xué)藥劑最小膨脹量是所需量的1～2倍.

圖4 水力壓裂穿層鉆孔“三段式”封孔法示意圖Fig.4 The schematic diagram of “three sections” seal bore method about through borehole

3.3 封孔效果分析

(1)壓裂之前進(jìn)行鉆孔打壓試驗(yàn)，注水壓力為15 MPa，注水時(shí)間為30 min，連續(xù)觀測(cè)壓力表讀數(shù).如果壓力表的讀數(shù)不出現(xiàn)明顯下降，說(shuō)明壓裂孔周圍的裂隙已完好地進(jìn)行了封堵.打壓試驗(yàn)過(guò)程中,1號(hào)和2號(hào)鉆孔泵注壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線如圖5和圖6所示.

圖5 打壓過(guò)程中1號(hào)壓裂孔的泵注壓力Fig.5 The water injection pressure about No.1 hydraulic borehole

通過(guò)圖5和圖6可以看出:

①注水開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)(1號(hào)孔的前5 min與2號(hào)孔的前10 min)，泵注壓力一直為0 MPa.1號(hào)鉆孔壓裂對(duì)象9煤層頂板砂巖和8煤層內(nèi)部發(fā)育有大量裂隙，2號(hào)鉆孔的壓裂對(duì)象9煤層內(nèi)部發(fā)育有微孔、小孔、中孔甚至大孔與裂隙，裂隙內(nèi)液體的滲失量大于注水量.該過(guò)程注入的水量主要進(jìn)入煤(巖)裂隙內(nèi)，泵注壓力無(wú)明顯變化.

②1號(hào)孔的5～20 min與2號(hào)孔的10～24 min，泵注壓力隨時(shí)間基本呈線性上升.隨著水量的增加，煤體內(nèi)孔隙裂隙逐漸被濕潤(rùn)、充滿，當(dāng)注水量大于滲失量時(shí)，注水壓力隨時(shí)間不斷上升.

③1號(hào)孔的20～30 min與2號(hào)孔的24～30 min，泵注壓力一直維持在15 MPa.煤(巖)體中裂縫體積和濾失量之和與泵注流量達(dá)到平衡，煤巖體內(nèi)水壓與注水壓力基本持平.

④1號(hào)孔的30～40 min與2號(hào)孔的30～40 min，泵注壓力略有下降.持續(xù)注水約30 min后，停止泵注.煤巖體內(nèi)裂隙充滿高壓水且與外界無(wú)溝通渠道,這一現(xiàn)象說(shuō)明壓裂孔周圍裂隙的封堵效果較好.

(2)正式開(kāi)始?jí)毫押?，注水壓力達(dá)到30 MPa，1號(hào)和2號(hào)鉆孔均未出現(xiàn)漏水，煤壁均正常.綜合分析，穿層鉆孔“三段式”封孔技術(shù)具有很好的耐高壓性能,而且該技術(shù)在臨渙煤礦的試驗(yàn)是可行的、有效的.

4 結(jié)論

(1)穿層鉆孔“三段式”封孔技術(shù)采用水泥砂漿為封孔材料直接封孔，降低了封孔成本，封孔工藝簡(jiǎn)單，易于一般井下技術(shù)人員掌握和操作.

(2)臨渙煤礦現(xiàn)場(chǎng)封孔試驗(yàn)驗(yàn)證了穿層鉆孔“三段式”封孔技術(shù)的合理性與可行性，該技術(shù)封孔效果好且耐高壓，為井下水力壓裂鉆孔封孔提供了參考.

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Research and application on “three sections” seal bore technique about through borehole hydraulic fracturing

TIAN Kunyun，ZHANG Yuanjuan

(CollegeofSafetyEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Hydraulic fracturing has widely used in coal and outburst coal mine as an outburst prevention technique, hole sealing technique is the key, and hole sealing effect of fracturing drilling directly determines the success of hydraulic fracturing. In order to improve the quality of sealing hole, reduce the consumption of hole sealing material, reduce the cost of hole sealing and ensure the greatest possible success of fracturing, the paper has carried out the preliminary discussion about the “three sections” seal bore technique of through borehole and the field test research has been implemented in Huaibei mining (Group) Co. Ltd. of Linhuan coal mine. The experimental results about two through borehole showed that the seal bore technique can block off the original crack of coal (rock) body effectively, put an end to the phenomenon that the high pressure water let out due to the crack through, guarantee the success of hydraulic fracturing technology. The “three section” seal bore technique can provide certain reference value for other coal mines about the through borehole seal bore technique.

hydraulic fracturing; relief permeability increasing; through borehole; “three sections” seal bore technique

2015-05-21

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(132102210485)

田坤云(1981-)，男，河南臺(tái)前人，副教授，博士，主要從事煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治方面的教學(xué)與研究.

TD712.1

A

1674-330X(2016)02-0043-04