新型耐高压钻孔密封方法试验研究＊

高亚斌 林柏泉 郝志勇 李 飞 李子文 成艳英

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

新型耐高压钻孔密封方法试验研究＊

高亚斌1，2林柏泉1，2郝志勇1，2李 飞1，2李子文1，2成艳英1，2

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

针对高压水力压裂、高压注水等卸压增透措施中封孔困难的问题，在分析现有封孔方法不足的基础上，提出了一种耐高压钻孔密封方法。通过进行实验室模拟钻孔试验和现场工业性试验，得出新型耐高压钻孔密封方法具备很高的抗压强度和优异的封孔性能，可显著提高高压水力压裂、高压注水钻孔的封孔成功率，保证卸压增透措施的实施效果。

瓦斯抽采 水力压裂 封孔方法 试验研究

1 耐高压钻孔密封方法现状

目前国内普遍采用的封孔方法主要有封孔器封孔、水泥类无机材料封孔、聚氨酯类有机材料封孔等。

（1）封孔器封孔是将具有膨胀性的封孔器送入钻孔，通过注气或注水使其膨胀，依靠与钻孔壁的摩擦或粘结锚固来达到封孔的目的。该方法可对钻孔进行快速密封，但在施工过程中对钻孔要求较高，在易塌孔的松软煤层封孔器很难送入。现有的ZF-A51增强型封孔器抗压强度达到20 MPa（在水力压裂过程中压力可达到30 MPa以上），并且该封孔器需要和膨胀水泥相配合，操作较为繁琐。

（2）水泥类无机材料封孔操作简单、成本低廉，对钻孔周围岩体的裂隙有一定的封堵作用，但材料固化较慢，封孔时间长，且水泥砂浆在凝固过程易发生脱水收缩、开裂现象，难以保证钻孔的封堵效果，封孔成功率较低。近年来引入了膨胀水泥进行封孔，克服了水泥材料凝固时间长、凝固后收缩的不足，提高了封孔的效果，但其自身强度较低，难以满足耐高压钻孔的密封。

（3）聚氨酯封孔是一种新型封孔方法，利用聚氨酯的高发泡率来填充钻孔，达到封孔的目的。目前煤矿井下常用的聚氨酯材料有马丽散、罗克休、米诺华等，具有发泡倍数高、质量轻、封孔迅速的优点，但聚氨酯材料反应后与钻孔壁的粘结能力较弱，材料的抗压性能较差，只适用于一般的煤层注水，无法满足高压水力压裂钻孔的封孔要求。

为解决高压水力压裂、高压注水钻孔封孔难的问题，针对上述各种方法的不足，需要研究新型的封孔材料及方法，提高钻孔的密封质量，保证卸压增透措施的实施效果。

2 新型抗高压封孔方法

高压水力化措施在现场的实施经验表明，孔口的封堵情况决定着最终的卸压效果。中国矿业大学煤矿瓦斯防治与利用研究所开发的PD系列封孔材料具有良好的抗压性能，可以满足高压水力压裂、高压注水钻孔的封孔要求。笔者根据PD系列材料的特点，结合聚氨酯的使用方法，提出了一种封孔袋封孔工艺。

目前使用聚氨酯对孔口进行堵漏时，多将聚氨酯的两种组分倾倒在毛巾上，揉搓毛巾使其混合后迅速塞入钻孔中，重复多次完成钻孔的密封。此方法较为繁杂，操作中材料浪费较多，并且由于聚氨酯反应过快，往往毛巾尚未到达预定位置时，聚氨酯已经开始膨胀，使得毛巾难以继续送入。此外，该方法还存在聚氨酯两种组分无法精确控制、聚氨酯在钻孔内分布不均匀等问题，造成钻孔堵漏效果不佳，封孔效率低下。针对这些缺点，相关科研人员设计了几种物理封孔止浆塞，但其操作复杂、成本高，且受钻孔成孔效果影响较大，因而实际使用效果并不理想。

中国矿业大学根据止浆塞的特点，发明了矿用挤压式封孔袋用于钻孔孔口的封堵。矿用挤压式封孔袋由三层膜料组成，表面层为PET膜，中间层为铝箔膜，内层为PE膜。封孔袋本体由强度较低的热烫隔离边分隔为相对独立的左右两部分，用以灌装聚氨酯材料的两种组分。封孔袋四周由热烫封袋边进行密封，热烫封袋边的强度较高，不容易被损坏。使用封孔袋封孔时，双手用力挤压封孔袋，使左右两部分的聚氨酯在压力作用下撑开低强度的热烫隔离边，封孔袋本体内部完全贯通，然后摇晃或揉搓封孔袋，使聚氨酯材料的两种组分充分混合后，将封孔袋本体送入钻孔内需要封堵的部位。根据现场施工的需要，重复上述过程若干次，聚氨酯材料在钻孔内充分反应、膨胀后，使用注浆泵注入PD材料，即可完成钻孔的密封工作。

该种封孔方法与现有的封孔技术相比优点为：整体结构简单、成本低廉，能够有效、迅速完成井下钻孔的密封工作；操作方法简单，能够精确控制聚氨酯两种组分的比例，减少了材料的浪费，封孔袋能够方便地送入预定部位；使聚氨酯在钻孔内均匀分布，改善钻孔的密封效果，提高封孔的效率。

4.2 施肥习惯：重施有机肥、足施磷钾肥、少施氮肥，比少施或不施有机肥、磷钾肥用量不足、氮肥施用过量的地块，整体发病危害轻，配方施肥比常规施肥的发病轻。

3 模拟钻孔试验研究

物理模拟系统使用直径ø95 mm的旧无缝钢管作为模拟钻孔，分别使用一根ø20 mm的镀锌钢管和两根ø8 mm的镀锌钢管作为压裂管、注浆管和回浆排气管。模拟钻孔两端用矿用挤压式封孔袋挡浆，中间注入PD系列封孔材料，待材料性能稳定后，将压裂管连接高压水泵向模拟钻孔内注入高压水。模拟实验利用稳压阀稳定模拟钻孔内的压力，使压力表读数精确并保持在设定值，方便观察和记录封孔材料与模拟钻孔的粘结性能。

图1 物理模拟试验装置

调节模拟钻孔封孔段长度可以测试不同封孔长度的抗高压能力，模拟实验分别选用3 m、4 m、5 m、6 m的封孔长度，待封孔材料性能稳定后，将压裂管连接高压水泵向模拟钻孔内注入高压水。当水从模拟钻孔的孔口流出时，记录下此时压力表的压力，以此来评判抗高压能力。当模拟钻孔的封孔长度为3 m、4 m和5 m，压力表的压力分别达到了25 MPa、30 MPa和36 MPa，最终在压裂管与封孔材料结合处漏水。当模拟钻孔的封孔长度为6 m，压力表压力达到42 MPa，模拟钻孔被压裂，此时钻孔的孔口仍没有水渗出，说明该新型耐高压钻孔密封方法具备很好的密封性能。

4 工业性试验研究

4.1 钻孔布置及封孔

工业性试验的地点选在龙煤集团鸡西分公司平岗煤矿下延采区14＃煤层右三巷，注水压裂试验钻孔为3个上行孔，具体参数见表1。封孔长度分别选择18 m、21 m和24 m，以便考察不同封孔长度下的封孔效果，各个钻孔的具体距离位置见图2。

表1 注水钻孔参数

图2 钻孔布置示意图

各钻孔封孔方法相同。以1＃注水孔为例，采用6根直径ø25 mm×3 m的无缝钢管作为高压注水管，管与管之间通过快接并用U型销连接。孔口预埋1根ø25 mm×3 m的镀锌管作为注浆管路连接到注浆泵上。孔口用4袋封孔袋封堵，通过注浆管向孔内注入PD材料，通过注水管向外排气返浆，钻孔内用封孔材料浆液充实，以达到封孔目的。封孔示意图见图3。

图3 封孔示意图

具体的封孔操作步骤为：在下井封孔之前，计算所封钻孔所需的浆液量，根据封孔孔深、孔径、高压注水无缝钢管管径，计算封孔注浆体积；清除钻孔封孔段内的煤粉；将ø25 mm×3 m高压注水无缝钢管管用U型销顺序连接送入孔内，带花孔的一根放在最前端，最后一根留在孔口以外0.5 m，将ø25 mm×3 m注浆管送入孔口并在孔口以外留0.2 m；准备封孔袋，撑开并混合均匀后缠绕在注浆管和注水管上，并用透明胶带捆住，送到需要堵浆的位置；待封孔袋内材料反应完全凝固后，使用配套的注浆软管将注浆泵的出料口和注浆管连接，打开注浆管阀门，启动注浆设备，开始注浆。

为保证封孔效果，封孔前必须对钻孔内煤粉进行处理，封孔袋必须严格按照使用说明进行操作。

4.2 具体实施效果

试验首先对3＃注水孔进行注水压裂试验。调节水泵向钻孔内注水，使水压缓慢上升，40 min时水压达到46 MPa，此时煤壁有煤炮声传来，为保证试验施工安全，将注水压力缓慢下调至35 MPa。90 min以后，3＃注水孔旁边的5＃抽采孔开始往外流水，并且水量逐渐增大，随即停止注水，停泵约30 min后压力归0。随后分别对2＃、1＃注水孔进行注水实验。2＃注水孔注水水压维持在35 MPa，注水时间约70 min时，旁边的2＃抽采孔出水；1＃注水孔注水60 min，注水量大约10 m3，依然没有水从旁边的抽采钻孔和煤壁流出，停泵以后，压力表迅速归0，经分析由于受2＃注水孔压裂的影响，导致1＃注水孔周围煤体内有较大的裂缝，注入钻孔的水流量小于裂缝泄漏的水量，造成水压无法升高。

现场试验中，当最高注水压力达到46 MPa时，所封的3＃注水孔孔口仍未出现漏水现象，注水压力稳定在35 MPa时，旁侧的抽采孔出现渗水现象，3＃注水压裂孔也未出水。现场试验表明，新型耐高压钻孔密封方法效果优异，能够承受住35～40 MPa的压力而不漏水。

5 结论

（1）新型耐高压钻孔密封方法能够方便地将封孔袋送入到钻孔中需要封堵的部位，精确控制聚氨酯材料两种组分的比例，解决聚氨酯在钻孔内分布不均匀的问题，改善钻孔的封孔效果，提高封孔的效率。

（2）在模拟钻孔试验中，封孔长度为6 m时，封孔段可承受42 MPa的压力； 在平岗煤矿工业性试验中，封孔长度达到20 m以上时，封孔段能够承受35～40 MPa的压力而不漏水。表明该封孔方法具备很高的抗压强度和优异的封孔性能。

（3）新型耐高压钻孔密封方法可显著提高高压水力压裂、高压注水钻孔的封孔成功率，保证卸压增透措施的实施效果。

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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

国家重点基础研究发展计划资助 （973计划2011CB201205）；国家自然科学基金项目（51074161）；国家科技支撑计划 （2012BAK04B07）

高亚斌 （1988-），男，山西临汾人，中国矿业大学2011级研究生，主要从事矿井瓦斯防治方面的研究工作。

（责任编辑 张艳华）