水力压裂穿层钻孔“三段式”封孔技术的研究及应用.pdf

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第 2 8卷 第 2期 2 0 1 6年 6月 河南工程学院学报( 自然科学版) J O U R N A LO FH E N A NU N I V E R S I T YO FE N G I N E E R I N G V o l  2 8 , N o  2 J u n . 2 0 1 6 水力压裂穿层钻孔“ 三段式” 封孔技术的研究及应用 田坤云,张袁娟 ( 河南工程学院 安全工程学院, 河南 郑州 4 5 1 1 9 1 ) 摘 要 水力压裂作为一项煤矿区域防突技术已广泛应用于突出煤层, 其中压裂钻孔封孔技术较为关键, 直接决定压裂 成功与否. 为了提高煤矿井下水力压裂钻孔封孔的质量、 减少封孔材料的用量、 简化封孔工艺、 最大限度地保证压裂的成功, 对水力压裂穿层钻孔“ 三段式” 封孔技术进行了初步探讨, 在淮北矿业( 集团) 有限责任公司临涣煤矿进行了现场试验. 两个穿 层钻孔的试验结果表明, 该封孔技术能对煤( 岩) 体的原始裂隙进行有效封堵, 较好地杜绝了压裂过程中由于裂隙贯通而产生 的漏水、 蹿浆现象, 最大限度地提高了水力压裂措施的成功率, 可为其他煤矿穿层钻孔封孔提供一定的参考. 关键词 水力压裂; 卸压增透; 穿层钻孔; “ 三段式” 封孔技术 中图分类号 T D 7 1 2 . 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 4- 3 3 0 X ( 2 0 1 6 ) 0 2- 0 0 4 3- 0 4 收稿日期 2 0 1 5- 0 5- 2 1 基金项目 河南省重点科技攻关资助项目( 1 3 2 1 0 2 2 1 0 4 8 5 ) 作者简介 田坤云( 1 9 8 1- ) , 男, 河南台前人, 副教授, 博士, 主要从事煤矿瓦斯灾害预测与防治方面的教学与研究. 水力压裂卸压增透抽采瓦斯技术主要包括压裂钻孔成型、 钻孔封堵、 高压水压裂、 瓦斯抽采等一系列复 杂的工艺环节[ 1 - 4 ]. 由于压裂钻孔周围煤岩体发育有大量的裂隙, 压裂过程中高压水往往会沿裂隙泄掉, 进 而导致水压无法上升到使压裂对象破裂的临界值. 尽管注水量很大, 但由于高压水的泄漏、 逸失, 随着泵注 时间的增加, 泵注压力却未见上升甚至出现下降, 所以最终导致压裂失败[ 5 - 8 ]. 因此, 压裂钻孔封堵质量是水 力压裂的关键, 也是保证压裂成功的先决条件. 水力压裂封孔机理分析 封孔目的有 3个 ①封闭钻孔与压裂管之间的空隙, 保证封孔材料与压裂管、 煤层之间的黏结性; ②封闭 压裂范围内的裂隙, 隔断压裂范围内裂隙之间的连通, 进而隔断裂隙与外界贯通, 杜绝漏水及水压损失; ③ 封闭煤( 岩) 体中的原生裂隙, 防止压裂过程中压裂液从岩石原生裂隙中过度滤失. f 1- 封孔材料与钻孔壁之间的黏结力; f 2- 封孔材料与压力管之间的黏结力; F - 水压对封孔材料的压力; G - 封孔材料自重力; θ - 钻孔倾角. 图 1 封孔段受力示意 F i g . 1 T h ef o r c ed i a g r a mo f h o l es e a l i n gs e c t i o n 1 . 1 钻孔与压裂管之间空隙的密封 封孔段的受力如图 1所示. 穿层钻孔水力压裂时, 必须 满足如下公式 F+Gs i nθ ≤ f 1+f2. 1 . 2 裂隙圈内裂隙的密封 钻孔施工前, 煤( 岩) 体处于平衡状态, 施工后, 瓦斯压力 和围岩应力重新分布, 钻孔周围的煤体发生弹性与塑性形变 进而在裂隙圈内产生裂隙[ 1 0 - 1 1 ]. 将封孔材料注入裂隙圈的 裂隙中, 隔断裂隙圈中裂隙之间的贯通, 从而降低漏水以减 少水压损失. 1 . 3 原生裂隙的密封 如煤( 岩) 体裂隙较发育, 泵注过程中高压水会过度滤失 河南工程学院学报( 自然科学版)2 0 1 6年 造成其有效流量和压力不能使周围煤( 岩) 体破断甚至阻碍裂隙延展[ 1 2 - 1 3 ]. 为保证水力压裂效果, 可分别沿 煤层走向在压裂钻孔两侧施工一组煤( 岩) 原始裂隙封堵孔. 每组 3个封堵孔沿煤层倾斜方向呈扇形分布, 成孔后带压注入封孔材料封堵钻孔周围煤( 岩) 体的原始裂隙, 防止高压水过度滤失. “ 三段式” 封孔技术 目前, 水力压裂钻孔主要采取的密封方法有封孔材料直接封孔与封孔器封孔. 封孔材料分为有机封孔 材料( P D复合材料、 聚氨酯、 不同比例的有机材料混合物) 与无机封孔材料( 水泥砂浆) , 封孔器主要是摩擦 式封孔器和水力膨胀式封孔器. “ 三段式” 封孔技术采用了直接封孔的方法, 但在技术上有所创新. 图 2 “ 三段式” 封孔技术示意 F i g . 2 T h el a y o u t d i a g r a ma b o u t “ t h r e es e c t i o n ” s e a l b o r et e c h n i q u e ( 1 ) 封孔方式 先在孔内导入 3根注浆管和一根压裂 管, 1号、 2号、 3号管的长度分别为 8m , 1 5m和 2 5m , 压 裂管的长度为 4 2m , 孔口处用膨胀水泥封 1~ 3m . 然后, 先从 1号管注入水泥浆, 直到浆液从 2号管返出后停止. 待浆液凝固 3h 后, 再从 2号管注入水泥浆直到 3号管返 浆. 同样待浆液凝固 3h 后, 再对 3号管进行注浆, 直至浆 液从压裂管返浆后停止, 如图 2所示. ( 2 ) 封孔材料 根据封孔的要求, 本次封孔主要采用 水泥砂浆. 3 水力压裂封孔现场试验 采用“ 三段式” 封孔工艺, 在淮北矿业集团临焕煤矿进行了穿层钻孔水力压裂封孔试验, 验证该技术现 场应用的可行性. 3 . 1 现场情况 顶板穿层钻孔水力压裂封孔实验选择在临涣煤矿 9煤层底板岩巷Ⅰ1 3采区回风大巷实施. 该矿 9号煤 层底板埋藏深度为 3 9 4 . 3 0m , 煤层厚度为 1 . 0 5~ 1 . 9 0m , 煤层倾角为 1 0 ~ 1 5 , 煤层底板为泥岩, 顶板为粉 砂岩, 顶板上部赋存 8号煤层. 布置压裂钻孔要尽量避开断层发育区域, 根据试验区域的地质情况, 将 1号和 2号压裂钻孔分别布置在 Ⅰ1 3采区泵房口西 1 0 0m和 2 0 0m处. ( 1 ) 1号压裂钻孔 1号压裂钻孔终孔距 8煤层顶板 1 . 0m , 封孔位置距 9煤层顶板 1 . 0m . 调整设计钻孔倾角, 尽量使封孔 段不超过 3 5m , 该孔压裂对象为 8煤及 9煤顶板砂岩. ( 2 ) 2号压裂钻孔 2号压裂钻孔终孔位置距 9煤层顶板 0 . 5m , 封孔位置距 9煤层底板 0 . 5m . 调整设计钻孔倾角, 尽量使 封孔段不超过 3 5m , 该孔压裂对象为 9号煤层, 布置如图 3所示. 图 3 1号和 2号压裂钻孔布置 F i g . 3 T h es c h e ma t i cd i a g r a ma b o u t N o . 1a n dN o . 2h y d r a u l i cb o r e h o l e 44 第 2期田坤云, 等 水力压裂穿层钻孔“ 三段式” 封孔技术的研究及应用 3 . 2 封孔试验 根据施工现场的地质条件, 为防止压裂过程中压裂液从岩石原生裂隙中过度滤失, 本次压裂钻孔和封 堵钻孔均采用带压式封孔方法, 如图 4所示. 严格按照“ 三段式” 封孔法对 1号与 2号压裂钻孔进行封堵, 根 据封孔长度来计算封孔剂的使用量, 用高压注浆泵一次性连续地将封孔剂注入钻孔内, 要求注入的化学药 剂最小膨胀量是所需量的 1~ 2倍. 图 4 水力压裂穿层钻孔“ 三段式” 封孔法示意图 F i g . 4 T h es c h e ma t i cd i a g r a mo f “ t h r e es e c t i o n s ”s e a l b o r eme t h o da b o u t t h r o u g hb o r e h o l e 3 . 3 封孔效果分析 ( 1 ) 压裂之前进行钻孔打压试验, 注水压力为1 5M P a , 注水时间为3 0m i n , 连续观测压力表读数. 如果压 力表的读数不出现明显下降, 说明压裂孔周围的裂隙已完好地进行了封堵. 打压试验过程中, 1号和 2号钻 孔泵注压力随时间变化的关系曲线如图 5和图 6所示. 图 5 打压过程中 1号压裂孔的泵注压力 F i g . 5 T h ew a t e ri n j e c t i o np r e s s u r ea b o u t N o . 1h y d r a u l i cb o r e h o l e 图 6 打压过程中 2号压裂孔的泵注压力 F i g . 6 T h ew a t e ri n j e c t i o np r e s s u r ea b o u t N o . 2h y d r a u l i cb o r e h o l e 通过图 5和图 6可以看出 ①注水开始的一段时间内( 1号孔的前5m i n 与2号孔的前1 0m i n ) , 泵注压力一直为0M P a . 1号钻孔压 裂对象 9煤层顶板砂岩和 8煤层内部发育有大量裂隙, 2号钻孔的压裂对象 9煤层内部发育有微孔、 小孔、 中孔甚至大孔与裂隙, 裂隙内液体的渗失量大于注水量. 该过程注入的水量主要进入煤( 岩) 裂隙内, 泵注压 力无明显变化. ②1号孔的5~ 2 0m i n 与2号孔的1 0~ 2 4m i n , 泵注压力随时间基本呈线性上升. 随着水量的增加, 煤体 内孔隙裂隙逐渐被湿润、 充满, 当注水量大于渗失量时, 注水压力随时间不断上升. ③1号孔的 2 0~ 3 0m i n 与 2号孔的 2 4~ 3 0m i n , 泵注压力一直维持在 1 5M P a . 煤( 岩) 体中裂缝体积和 滤失量之和与泵注流量达到平衡, 煤岩体内水压与注水压力基本持平. ④1号孔的3 0~ 4 0m i n 与2号孔的3 0~ 4 0m i n , 泵注压力略有下降. 持续注水约3 0m i n 后, 停止泵注. 煤 岩体内裂隙充满高压水且与外界无沟通渠道, 这一现象说明压裂孔周围裂隙的封堵效果较好. 54 河南工程学院学报( 自然科学版)2 0 1 6年 ( 2 ) 正式开始压裂后, 注水压力达到 3 0M P a , 1号和 2号钻孔均未出现漏水, 煤壁均正常. 综合分析, 穿 层钻孔“ 三段式” 封孔技术具有很好的耐高压性能, 而且该技术在临涣煤矿的试验是可行的、 有效的. 结论 ( 1 ) 穿层钻孔“ 三段式” 封孔技术采用水泥砂浆为封孔材料直接封孔, 降低了封孔成本, 封孔工艺简单, 易于一般井下技术人员掌握和操作. ( 2 ) 临涣煤矿现场封孔试验验证了穿层钻孔“ 三段式” 封孔技术的合理性与可行性, 该技术封孔效果好 且耐高压, 为井下水力压裂钻孔封孔提供了参考. 参考文献 [ 1 ] 姜光杰, 孙明闯, 付江伟. 煤矿井下定向压裂增透消突成套技术研究及应用[ J ] . 中国煤炭, 2 0 0 9 , 3 5 ( 1 1 ) 1 0- 1 4 . [ 2 ] 姚尚文. 高瓦斯低透气性煤层强化增透抽放瓦斯技术研究[ D ] . 淮南 安徽理工大学, 2 0 0 5 . [ 3 ] 姜瑞忠, 蒋廷学, 汪永利. 水力压裂技术的近期发展及展望[ J ] . 石油钻采工艺, 2 0 0 4 , 2 6 ( 4 ) 5 2- 5 6 . [ 4 ] 孙炳兴, 王兆丰, 伍厚荣. 水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用[ J ] . 煤炭科学技术, 2 0 1 0 , 3 8 ( 1 1 ) 7 8- 9 0 . [ 5 ] 田坤云. 高压水载荷下煤体变形特性及瓦斯渗流规律研究[ D ] . 北京 中国矿业大学( 北京) , 2 0 1 4 . [ 6 ] 孙炳兴, 王兆丰, 伍厚荣. 水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用[ J ] . 煤炭科学技术, 2 0 1 0 , 3 8 ( 1 1 ) 7 8- 8 1 . [ 7 ] 田坤云, 张瑞林. 松软煤层穿层钻孔水力压裂实验研究[ J ] . 河南工程学院学报 自然科学版, 2 0 1 3 , 2 5 ( 3 ) 2 5- 2 8 . [ 8 ] 吕有厂. 水力压裂技术在高瓦斯低透气性矿井中的应用[ J ] . 重庆大学学报 自然科学版, 2 0 1 0 , 3 3 ( 1 ) 1 0 2- 1 0 5 . [ 9 ] 郭启文, 韩炜, 张文勇, 等. 煤矿井下水力压裂增透抽采机理及应用研究[ J ] . 煤炭科学技术, 2 0 1 1 , 3 9 ( 1 2 ) 6 0- 6 4 . [ 1 0 ] 郝富昌. 基于多物理场耦合的瓦斯抽采参数优化研究[ D ] . 北京 中国矿业大学( 北京) , 2 0 1 2 . [ 1 1 ] 田坤云, 张瑞林. 高压水及负压加载状态下三轴应力渗流实验装置的研制[ J ] . 岩土力学, 2 0 1 4 , 3 5 ( 1 1 ) 3 3 3 8- 3 3 4 4 . 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I no r d e r t o i m  p r o v et h eq u a l i t yo f s e a l i n g h o l e ,r e d u c e t h e c o n s u m p t i o no f h o l e s e a l i n g m a t e r i a l ,r e d u c e t h e c o s t o f h o l e s e a l i n g a n de n s u r e t h e g r e a  t e s t p o s s i b l es u c c e s s o f f r a c t u r i n g ,t h ep a p e r h a s c a r r i e do u t t h e p r e l i m i n a r y d i s c u s s i o na b o u t t h e “ t h r e e s e c t i o n s ”s e a l b o r e t e c h n i q u e o f t h r o u g hb o r e h o l e a n dt h e f i e l dt e s t r e s e a r c hh a s b e e ni m p l e m e n t e di nH u a i b e i m i n i n g ( G r o u p )C o .L t d .o f L i n h u a nc o a l m i n e .T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a b o u t t w o t h r o u g hb o r e h o l e s h o w e dt h a t t h e s e a l b o r e t e c h n i q u e c a nb l o c ko f f t h e o r i g i n a l c r a c ko f c o a l ( r o c k )b o d y e f f e c t i v e l y ,p u t a ne n dt ot h ep h e n o m e n o nt h a t t h eh i g hp r e s s u r ew a t e r l e t o u t d u et ot h ec r a c kt h r o u g h ,g u a r a n t e et h es u c c e s s o f h y  d r a u l i c f r a c t u r i n g t e c h n o l o g y . 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