CN102287163A - 煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法及封孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法及封孔装置，该钻孔封孔方法包括在煤岩体上钻一封堵孔；在封堵孔内继续向里钻一压裂孔；将封孔装置送入封堵孔中，使压裂管的出水孔伸入压裂孔中，并使压裂管上紧套有的软质材料制成的锥套封堵在压裂孔孔口。在封堵孔的孔口1m长度段用聚氨酯封孔并固结30分钟；再由注浆管向封堵孔内压力灌注425以上的水泥浆，灌浆完成后固结48小时；该装置包括设在封堵孔中的注浆管和返浆管、由封堵孔伸入压裂孔的压裂管，注浆管、返浆管和压裂管连接成一体，压裂管上设有软质锥套，软质锥套封堵在压裂孔孔口。本发明的有益效果是，封孔方法封孔成功率高、效果好、适用范围广；封孔装置结构简单、操作方便。

Description

煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法及封孔装置

技术领域

本发明涉及煤层瓦斯抽采技术领域，特别是一种煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法以及用于该封孔方法的封孔装置。

背景技术

煤层瓦斯是一种洁净能源，但对煤矿生产而言更是一种灾害源。如何实现采煤之前瓦斯的预抽，达到资源开发利用和煤矿减灾的双重目的，一直是人们关注的焦点。特别是随着开采深度的增加、资源需求的日益强烈、国家一系列关于煤矿瓦斯灾害治理强制措施和煤层气开发利用鼓励政策的出台，都迫切要求有一套系统的、完整的、地面与井下相结合的瓦斯抽采工艺技术。特别是新的防突规定更加强调了区域瓦斯治理的重要性，要求“不掘突出头、不采突出面”，以往突出煤层掘进的“四位一体”方案已经难以满足新规定的要求。重庆地区所属煤矿多为突出煤层，瓦斯灾害是制约煤矿安全、高效生产的第一因素，现行的瓦斯治理措施已难以满足高效生产的需求，迫切需要一种新型的区域和局部治理工艺，以彻底改变目前消突困难、接替紧张的局面。水力压裂正是为了满足这一生产需求而诞生的一种集区域和局部瓦斯治理为一体的一种新工艺。该工艺是将地面煤层气开发的一种成熟技术移植到井下，根据煤体结构的不同采用不同的压裂方案，达到增透、提高抽采效率、缩短抽采时间的目的。水力压裂是一种适应性强、增透效果明显的工艺技术。

高压水力压裂钻孔的封孔方法是制约这一工艺产业化运行的关键。传统的封孔方法一般是使用胶管注水，用橡胶封孔器封孔或是采用单根铁管注水，在孔口使用黄泥、水泥封孔。使用橡胶封孔器封孔是靠高压水使橡胶封孔器膨胀压紧孔壁来封闭钻孔，封孔效果不好，随注水泵开停会有大量的水从孔内回流，且封孔深度有限。使用单根铁管加黄泥、水泥封孔是将铁管伸入钻孔后在孔口灌注黄泥和水泥进行封孔，需要在现场搅拌水泥，施工工艺复杂、工程量较大，水泥硬化需要很长时间，且使用一段时间后水泥与孔壁之间会形成缝隙而漏水。一旦封孔失败发生漏水，水流短路回流，注水就将不起作用。重复施工不但加大工程量，损失材料，还会浪费大量时间，贻误瓦斯抽采时机。

中国专利公告号CN101294500B，公告日期2010年9月8日，发明创造名称“大直径抽采钻孔高压注浆封孔方法”。该方法包括在煤层中施工一封孔段孔，在封孔段孔内置入封孔管，封孔管与封孔段孔的孔壁之间预留注浆腔，在注浆腔的两个相对的位置分别设置注浆管和回浆管，在封孔段孔口一段上采用聚氨酯封堵，再采用高压注浆泵注浆经养护一段时间后形成封孔段。之后，再在封孔管的内腔中施工一抽采孔，注浆压力可达4MPa以上，其封堵效果有所提高。但该方法在封堵施工完成后再钻抽采孔，且是再封孔管内进行，因此，在钻抽采孔时存在损坏封孔管的隐患。同时，由于其封孔压力具有一定的局限性，不适用于高压水力压裂钻孔的封孔。

目前，有一种高压水力压裂钻孔的封孔方法，包括在煤岩体上钻一封堵孔；在封堵孔内继续向里钻一直径小于封堵孔的压裂孔；将煤矿井下超高压压裂封孔装置送入封堵孔中，在封堵孔的孔口一定长度段用聚氨酯封孔并固结一定时间；由注浆管向封堵孔压力灌注水泥浆，当水泥浆从返浆管外部管口流出后停止注浆并固结一段时间后形成对高压水力压裂钻孔的封堵。这种方式封堵孔的钻孔深度可达15m~50m、直径可控制在100mm左右，压裂孔孔径可控制在80mm左右，但这种封堵方式存在的主要问题是，当注浆压力升高到一定程度后，水泥浆就会从压裂孔孔口流入压裂孔中，造成堵塞压裂管前端的出水孔，从而影响压裂效果。当注浆压力足够大后，甚至会从水泥浆还会进入压力管内，堵塞压裂管管孔，造成不能压裂的后果。为此，需要进一步改进。

发明内容

本发明的第一的目的就是针对现有技术的不足，提供一种高压水力压裂钻孔的封孔方法。使用该方法在进行注浆封堵时，能有效防止水泥浆堵塞压裂管，提高封孔质量和成功率。

为实现第一目的，本发明采用如下技术方案。

一种煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法，包括以下顺序进行的步骤：

a 在煤岩体上钻一深度为15m~50m的封堵孔；

b 在封堵孔内继续向里钻一直径小于封堵孔的压裂孔；

c 将煤矿井下超高压压裂封孔装置送入封堵孔中，使煤矿井下超高压压裂封孔装置设有的注浆管、返浆管及压裂管的管口露出封堵孔孔口外部；注浆管设有注浆孔的底端距封堵孔孔口适当距离，返浆管设有的返浆孔的底端距封堵孔孔底适当距离，压裂管的出水孔伸入压裂孔中；

d 在封堵孔的孔口1m长度段用聚氨酯封孔并固结一定时间；

e 由注浆管向封堵孔内压力灌注水泥浆，当水泥浆从返浆管外部管口流出后停止注浆，顺序关闭返浆管和注浆管上设有的截止阀并固结一段时间；

所述压裂管上紧套有软质材料制成的锥套，在将煤矿井下超高压压裂封孔装置送入封堵孔中时，使锥套封堵在压裂孔孔口。

采用前述方案本发明，由于在压裂孔孔口封堵有软质材料制成的锥套，在对封堵孔进行压力灌浆封堵时，水泥浆由锥套阻挡而不会进入压裂孔，压裂孔内的压裂管内孔及出水孔不会被堵塞，以确保封堵孔被封堵后可对压裂孔孔壁实施压裂，利于瓦斯气的抽采。经试验证明，当采用注浆压力20MPa进行注浆封孔后，仍可对压裂孔实施正常压裂。故封孔效果好、封孔成功率高，且由封堵孔的钻孔深度为15m~50m可知其封孔深度的适用范围广，而压裂孔和封堵孔也是连续钻成，其钻孔效率高。

优选的技术方案，所述聚氨酯封孔是用聚氨酯浸透过的棉纱进行封堵；所述固结时间是30min。棉纱作为聚氨酯封孔段的骨料，其作用在于提高聚氨酯封孔段的强度，可进一步提高注浆封孔时的注浆压力；通常封堵孔孔径为94mm以上、压裂孔孔径为78mm以上、压裂管的外径为50mm以上、壁厚5mm以上、返浆管底端距封堵孔孔底的距离为30mm以内、注浆管伸入封堵孔内4m以上；具体根据煤层情况确定。

经试验在某煤层采用封堵孔孔径为94mm、压裂孔孔径为78mm、压裂管的外径为50mm、壁厚5mm、、注浆管伸入封堵孔内4m、返浆管底端距封堵孔孔底的距离为30mm时，注浆压力可达20MPa以上；当在封孔水泥浆采用标号为425号的水泥制成的水泥浆，固结时间48小时后，对压裂孔进行水力压裂时，压裂压力50MPa，封堵段长时间不会泄漏；当压裂压力70MPa时，封堵段短时间内工作不会泄漏，进一步确保封堵效果。

本发明的第二个目的是提供一种用于第一发明目的所述封孔方法的煤矿井下超高压压裂封孔装置。

一种煤矿井下超高压压裂孔的封孔装置，包括设在封堵孔中的注浆管和返浆管、由封堵孔伸入压裂孔的压裂管，注浆管、返浆管和压裂管连接成一体，注浆管、返浆管和压裂管的一端露出封堵孔孔口，在注浆管和返浆管露出封堵孔孔口的端部设有截止阀，注浆管前端设有多个注浆孔，返浆管底端设有多个返浆孔、压裂管底端设有多个出水孔，所述压裂管的外管壁上套接有软质材料制成的锥套，锥套的小端伸入压裂孔，锥套大端位于封堵孔孔内；所述压裂管上固定连接有限位挡，限位挡连接在锥套大端面上。

采用前述技术方案的本发明封孔装置，由于压裂管的外管壁上套接有软质材料制成的锥套，锥套的小端伸入压裂孔，锥套大端位于封堵孔孔内；压裂管上固定连接有限位挡，限位挡连接在锥套大端面上。在将注浆管、回浆管、压裂管送入封堵孔时，锥套也一起被送入，在压裂管前段进入压裂孔后，锥套被卡在压裂孔的孔口，锥套通过其大端及限位挡使注浆管、返浆管及压裂管在封堵孔的深度方向位置固定，利于提高封孔装置的安装效率；且在压裂注水时，限位挡可防止锥套后退，确保压裂时注水具有足够压力。同时，由于锥套卡持在压裂孔的孔口，在对封堵孔进行压力灌浆封堵时，锥套阻挡水泥浆进入压裂孔，压裂管不会被水泥浆堵塞，压裂管可对压裂孔实施正常压裂；同时，提高水泥浆的灌注压力，确保封孔效果。

优选的技术方案，所述压裂管由压裂花管和注水管组成，压裂花管和注水管的截面尺寸规格相同，压裂花管可伸入压裂孔中；所述出水孔设在压裂花管的底端管壁上；所述锥套设在压裂花管和注水管的连接段上，限位挡固定连接在注水管上。这样形成组合结构的压裂管，可随封堵孔的实际钻孔深度而增减，适用范围广，且单管加工方便。

进一步优选的技术方案，注水管由注水钢管和注水软管组成，注水钢管和注水软管的截面尺寸规格相同，注水钢管与压裂花管通过管螺纹连接，注水软管一端露出压裂孔外部，注水软管外端连接有快速接头，注水软管伸入压裂孔的长度大于1m；快速接头用于超高压压裂注水和抽采瓦斯气体时转换，注水软管可阻止压裂注水时压力水从压裂管管外壁流出，进一步确保压裂注水压力；同时，采用注水软管还可降低制造成本。

优选的技术方案，所述注水钢管分别通过抱箍与注浆管和返浆管固定连接。结构简单、连接方便、利于提高生产效率。

优选的技术方案，所述注浆管和返浆管均采用多根6分管通过管螺纹连接构成，注浆管伸入封堵孔内4m，返浆管底端距封堵孔孔底的距离为30mm；在构成注浆管前端的6分管上设注浆孔，在露出封堵孔外的6分管上连接截止阀；在构成返浆管底端的6分管上设返浆孔，在露出封堵孔外的6分管上连接截止阀；所述压裂管的外径为50mm、壁厚5mm；所述锥套由木材制成。确保压裂注水压力在50MPa时长期工作封堵段不泄漏，且取材方便、制造成本低。

本发明与现有技术相比的有益效果是，封孔方法封堵成功率高、效果好、适用范围广，且封堵孔在50MPa的压裂注水压力时长期工作无泄漏；封孔装置结构简单、操作方便、性能可靠、制造成本低。

附图说明

图1是本发明的封孔装置在用于封孔时的结构示意图，同时，本图也用于说明本发明的钻孔封孔方法。

图2是本发明图1中的A—A剖面图。

图3是本发明图1中的B—B剖面图。

图4是本发明图1中的C—C剖面图。

图5是本发明图1中的D—D剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1 参见图1，一种煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法，包括以下顺序进行的步骤：

a 在煤岩体上钻一深度为15m~50m的封堵孔1；

b 在封堵孔1内继续向里钻一直径小于封堵孔1的压裂孔2；

c 将煤矿井下超高压压裂封孔装置送入封堵孔1中，使煤矿井下超高压压裂封孔装置设有的注浆管8、返浆管10及压裂管的管口露出封堵孔1孔口外部；注浆管8设有注浆孔81的底端距封堵孔1孔口适当距离，返浆管10设有的返浆孔10a的底端距封堵孔1孔底适当距离，压裂管的出水孔4a伸入压裂孔2中；

d 在封堵孔1的孔口1m长度段用聚氨酯封孔并固结一定时间；

e 由注浆管8向封堵孔1内压力灌注水泥浆，当水泥浆从返浆管10外部管口流出后停止注浆，顺序关闭返浆管10和注浆管8上设有的截止阀3并固结一段时间；

所述压裂管上紧套有软质材料制成的锥套7，在将煤矿井下超高压压裂封孔装置送入封堵孔1中时，使锥套7封堵在压裂孔2孔口。

所述聚氨酯封孔是用聚氨酯浸透过的棉纱进行封堵；所述固结时间是30min。

所述封孔水泥浆采用标号为425号的水泥制成的水泥浆；所述固结时间是48小时。

所述封堵孔1孔径为94mm，压裂孔2孔径为78mm；所述压裂管的外径为50mm、壁厚5mm以上；所述注浆管8伸入封堵孔1内4m，返浆管10底端距封堵孔1孔底的距离为30mm。

本实施例的封堵孔1孔径可大于94mm，压裂孔2孔径可大于78mm；所述注浆管8伸入封堵孔1内的深度可大于4m；所述返浆管10底端距封堵孔1孔底的距离可小于30mm；所述封孔水泥浆采用标号高于425号的水泥制成的水泥浆。

实施例2  参见图1、图2、图3、图4、图5，一种用于实施例1的煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法的煤矿井下超高压压裂孔的封孔装置，包括设在封堵孔1中的注浆管8和返浆管10、由封堵孔1伸入压裂孔2的压裂管，注浆管8、返浆管10和压裂管连接成一体，注浆管8、返浆管10和压裂管的一端露出封堵孔1孔口，在注浆管8和返浆管10露出封堵孔1孔口的端部设有截止阀3，注浆管8前端设有多个注浆孔81，返浆管10底端设有多个返浆孔10a、压裂管底端设有多个出水孔4a，所述压裂管的外管壁上套接有软质材料制成的锥套7，锥套7的小端伸入压裂孔2，锥套7大端位于封堵孔1孔内；所述压裂管上固定连接有限位挡6，限位挡6连接在锥套7大端面上。

所述压裂管由压裂花管4和注水管5组成，压裂花管4和注水管5的截面尺寸规格相同，压裂花管4可伸入压裂孔2中；所述出水孔4a设在压裂花管4的底端管壁上；所述锥套7设在压裂花管4和注水管5的连接段上，限位挡6固定连接在注水管5上。

所述注水管5由注水钢管51和注水软管52组成，注水钢管51和注水软管52的截面尺寸规格相同，注水钢管51与压裂花管4通过管螺纹连接，注水软管52一端露出压裂孔2外部，注水软管52外端连接有快速接头11，注水软管52伸入压裂孔2的长度大于1m。

所述注水钢管51分别通过抱箍12与注浆管8和返浆管10固定连接。

所述注浆管8和返浆管10均采用多根6分管通过管螺纹连接构成，注浆管8伸入封堵孔1内4m，返浆管10底端距封堵孔1孔底的距离为30mm；在构成注浆管8前端的6分管上设注浆孔81，在露出封堵孔1外的6分管上连接截止阀3；在构成返浆管10底端的6分管上设返浆孔10a，在露出封堵孔1外的6分管上连接截止阀3；所述压裂管的外径为50mm、壁厚5mm；所述锥套7由木材制成。

以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。

Claims (10)

1.一种煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法，包括以下顺序进行的步骤：

a 在煤岩体上钻一深度为15m~50m的封堵孔（1）；

b 在封堵孔（1）内继续向里钻一直径小于封堵孔（1）的压裂孔（2）；

c 将煤矿井下超高压压裂孔的封孔装置送入封堵孔（1）中，使所述封孔装置设有的注浆管（8）、返浆管（10）及压裂管的管口露出封堵孔（1）孔口外部；注浆管（8）设有注浆孔（81）的底端距封堵孔（1）孔口适当距离，返浆管（10）设有的返浆孔（10a）的底端距封堵孔（1）孔底适当距离，压裂管的出水孔（4a）伸入压裂孔（2）中；

d 在封堵孔（1）的孔口1m长度段用聚氨酯封孔并固结一定时间；

e 由注浆管（8）向封堵孔（1）内压力灌注水泥浆，当水泥浆从返浆管（10）外部管口流出后停止注浆，顺序关闭返浆管（10）和注浆管（8）上设有的截止阀（3）并固结一段时间；

其特征在于：所述压裂管上紧套有软质材料制成的锥套（7），在将煤矿井下超高压压裂封孔装置送入封堵孔（1）中时，使锥套（7）封堵在压裂孔（2）孔口。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下超高压压裂钻孔封孔方法，其特征在于：所述聚氨酯封孔是用聚氨酯浸透过的棉纱进行封堵；所述固结时间是30min。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下超高压压裂钻孔封孔方法，其特征在于：所述封孔水泥浆采用标号为425号以上的水泥制成的水泥浆；所述固结时间是48小时。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下超高压压裂钻孔封孔方法，其特征在于：所述封堵孔（1）孔径为94mm以上，压裂孔（2）孔径为78mm以上；所述注浆管（8）伸入封堵孔（1）内4m以上；所述返浆管（10）底端距封堵孔（1）孔底的距离为30mm以下。

5.根据权利要求4所述的煤矿井下超高压压裂钻孔封孔方法，其特征在于：所述封堵孔（1）孔径为94mm，压裂孔（2）孔径为78mm；所述压裂管的外径为50mm、壁厚5mm以上；所述注浆管（8）伸入封堵孔（1）内4m，返浆管（10）底端距封堵孔（1）孔底的距离为30mm。

6.一种用于权利要求1所述煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法的煤矿井下超高压压裂孔的封孔装置，包括设在封堵孔（1）中的注浆管（8）和返浆管（10）、由封堵孔（1）伸入压裂孔（2）的压裂管，注浆管（8）、返浆管（10）和压裂管连接成一体，注浆管（8）、返浆管（10）和压裂管的一端露出封堵孔（1）孔口，在注浆管（8）和返浆管（10）露出封堵孔（1）孔口的端部设有截止阀（3），注浆管（8）前端设有多个注浆孔（81），返浆管（10）底端设有多个返浆孔（10a）、压裂管底端设有多个出水孔（4a），其特征在于：所述压裂管的外管壁上套接有软质材料制成的锥套（7），锥套（7）的小端伸入压裂孔（2），锥套（7）大端位于封堵孔（1）孔内；所述压裂管上固定连接有限位挡（6），限位挡（6）连接在锥套（7）大端面上。

7.根据权利要求6所述的煤矿井下超高压压裂孔的封孔装置，其特征在于：所述压裂管由压裂花管（4）和注水管（5）组成，压裂花管（4）和注水管（5）的截面尺寸规格相同，压裂花管（4）可伸入压裂孔（2）中；所述出水孔（4a）设在压裂花管（4）的底端管壁上；所述锥套（7）设在压裂花管（4）和注水管（5）的连接段上，限位挡（6）固定连接在注水管（5）上。

8.根据权利要求7所述的煤矿井下超高压压裂孔的封孔装置，其特征在于：所述注水管（5）由注水钢管（51）和注水软管（52）组成，注水钢管（51）和注水软管（52）的截面尺寸规格相同，注水钢管（51）与压裂花管（4）通过管螺纹连接，注水软管（52）一端露出压裂孔（2）外部，注水软管（52）外端连接有快速接头（11），注水软管（52）伸入压裂孔（2）的长度大于1m。

9.根据权利要求8所述的煤矿井下超高压压裂孔的封孔装置，其特征在于：所述注水钢管（51）分别通过抱箍（12）与注浆管（8）和返浆管（10）固定连接。

10.根据权利要求6所述的煤矿井下超高压压裂孔的封孔装置，其特征在于：所述注浆管（8）和返浆管（10）均采用多根6分管通过管螺纹连接构成，注浆管（8）伸入封堵孔（1）内4m，返浆管（10）底端距封堵孔（1）孔底的距离为30mm；在构成注浆管（8）前端的6分管上设注浆孔（81），在露出封堵孔（1）外的6分管上连接截止阀（3）；在构成返浆管（10）底端的6分管上设返浆孔（10a），在露出封堵孔（1）外的6分管上连接截止阀（3）；所述压裂管的外径为50mm、壁厚5mm；所述锥套（7）由木材制成。

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