CN104775787A - 一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法 - Google Patents

Abstract

一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法，通过钻孔并在钻孔中导入塑料套管，套管壁和钻孔壁之间导入塑料回气管，向套管内注入水泥浆液后，在步骤钻孔地点，打同心圆孔，钻孔长度至煤层或顶板地点，采用三段封孔工艺，利用水泥浆进行封孔。本发明方法无压裂时因为压裂液泄漏带来的安全隐患，且封孔效率高、封孔效果好、实用范围广、抗压范围广、可重复利用。

Description

一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法

技术领域

本发明属于水力压裂封孔技术领域，具体涉及一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法。

背景技术

近年来，煤矿井下水力压裂增透技术已经逐渐成为瓦斯防治的常规手段，然而，钻孔封孔质量直接决定了水力压裂的成败。现有的水力压裂钻孔封孔技术主要有以下几个方面：1)水力压裂专用封孔器研制方面，出现了如囊带式封孔器、高强度组合封孔器、耐高压水力封孔器等。2)封孔材料方面，主要有改性膨胀树脂、膨胀水泥、膨胀水泥冻复合材料、高强水泥等。3)封孔工艺上，利用动力，把封孔器及封孔材料送到钻孔密封段，实施封孔。

水力压裂钻孔封孔成功率的决定因素主要有三个方面：1)钻孔裂隙圈内的裂隙封堵问题；2)是钻孔孔壁与封孔材料的间隙封堵问题；3)封孔材料凝固后自身产生的微裂隙问题。现有的封孔技术，主要存在造价高，钻孔裂隙圈封堵不理想，封孔材料凝固后本身会产生裂隙，孔壁与封孔材料不耦合等问题，造成压裂作业过程中多发生压裂钻孔跑浆、窜浆、漏浆现象，致使压裂成本增加、失败率升高。

本申请在封孔材料方面主要使用水泥浆液，首先进行了钻孔周围裂隙的封堵，然后是三段式封孔，解决了钻孔周围裂隙发育的问题，由于封孔材料与钻孔壁同为水泥材料，解决了钻孔壁与封孔材料不耦合问题，同时三段式封孔工艺解决了水泥材料凝固后产生微小裂隙的缺陷。本申请技术方案操作简便、材料便宜易得、封孔效果好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法，该方法主要包含以下工艺流程：打大孔；下套管；高压水泥浆液注浆；同心扩孔；三段式封孔。能够实现钻孔周围围岩裂隙封堵，实现水力压裂过程中，不会因为封孔强度或封孔处裂隙分布等问题导致压裂失败。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法，包括以下步骤：

1)打孔：在压裂钻场内钻孔，孔深超过围岩松动破坏范围，有一定的冗余系数；

2)下套管：在钻孔中导入塑料套管，套管壁和钻孔壁之间导入塑料回气管，在套管壁、钻孔壁与回气管之间空隙用聚氨酯进行固定，用回气管注入水泥浆液进行封堵，封堵长度小于5m；

3)高压注浆：采用注浆泵向套管内注入水泥浆液，直至浆液从回气管流出，回气管端部封闭，2小时后，采用高压注浆泵注入水泥浆液，待压力稳定为3MPa时停止，完成注浆过程；

4)扩孔：在步骤(1)钻孔地点，打同心圆孔，钻孔长度至煤层或顶板地点。

5)封孔：采用三段封孔工艺，利用水泥浆进行封孔。

步骤(1)中孔深大于所在空间沿钻孔方向宽度的5倍。

步骤(4)同心圆孔直径为步骤(1)钻孔直径的90％。

步骤(5)具体为在步骤(4)同心圆孔内导入3根注浆管和一根压裂管，在孔口处用膨胀水泥封堵1～3m，从1号注浆管注入水泥浆，直到浆液从2号注浆管返出后停止，2小时后从2号注浆管注入水泥浆直到3号注浆管返浆后停止，2小时后对3号注浆管注浆，直至浆液从压裂管返浆然后停止。

所述的1号注浆管管长大于2号注浆管，2号注浆管管长大于3号注浆管。

本发明的有益效果为避免压裂时因为压裂液泄漏带来的安全隐患，且封孔效率高、封孔效果好、实用范围广、抗压范围广、可重复利用。

附图说明

图1是本发明实施例注浆封孔法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。

实施例1

一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法，包括以下步骤：

1)打孔：在压裂钻场内，利用全液压钻机，采用直径为118mm钻头进行钻孔，孔深超过围岩松动破坏范围，有一定的冗余系数，可以取孔深为20m(可根据压裂钻场空间关系调整钻孔深度，应大于所在空间沿钻孔方向宽度的5倍)。

2)下套管：在大孔中，导入外径为108mm的塑料套管，套管壁和钻孔壁之间导入5m长外径为8mm的塑料回气管。在套管壁、钻孔壁与回气管之间空隙用聚氨酯进行简单固定，后用回气管注入水泥浆液进行封堵，封堵长度小于5m。

3)高压注浆：采用注浆泵向套管内注入水泥浆液，直至浆液从回气管流出，回气管端部封闭。2小时后，采用高压注浆泵注入水泥浆液，待压力稳定为3MPa时停止。完成注浆过程。

4)扩孔：在原来钻孔地点，打同心的圆孔，直径为113mm，钻孔长度至需要压裂的煤层或顶板地点。

5)封孔：采用三段封孔工艺，利用水泥浆进行封孔，如图1所示：

可以在封堵钻孔破碎围岩裂隙的基础上，实现高压水作用下，钻孔不会出现漏水情况。

封孔方式：本次封孔采用三段式封孔法，即先在孔内导入3根注浆管和一根压裂管，分别为1^#管8米，2^#管15米，3^#管25米，压裂管42米。在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，等待2小时，再从2号管注入水泥浆直到3号管返浆后停止。等待2小时，最后对3号管注浆，直至浆液从压裂管返浆然后停止。

实施例2

1、实验地点：根据临涣矿开拓生产设计及瓦斯治理计划，初步确定在临涣煤矿9煤层底板岩巷—9134机巷底板抽排巷进行顶板水力压裂实验。布置3#、4#、5#三个压裂点，分别位于9134机巷底板抽排巷13#、15#、17#钻场，压裂顺序为3#→4#→5#。

2、钻孔设计：

在每个压裂钻场内垂直于9134机巷底板抽排巷中线同时朝着9煤层方向施工一个压裂孔。

3#、4#、5#压裂点压裂钻孔终孔达9煤层顶板0.5m，调整设计钻孔倾角，使封孔段长度为压裂管长度。

本阶段实验计划共考察三个压裂钻孔(3#钻孔、4#钻孔、5#钻孔)。压裂钻孔方位角需根据现场实际情况进行调整，倾角待现场考察后确定；钻头直径采用113mm。倾角尽量不超过35°，其中3#已经打好，倾角40°，见煤深度41.6m，累计孔深47.8m。

3、封孔工艺：

严格控制钻孔施工质量，钻孔质量直接关系到封孔质量。封孔质量不高，则必然导致压裂效果不好甚至失败。在施工钻孔过程中，首先确保稳好钻机，之后保证钻进高速慢进，使孔口以里30m保持笔直，以便保证封孔质量。由于压裂地点顶板为泥岩和砂岩，层理较为发育，因此，压裂孔施工完成后要及时封孔并尽快进行压裂，以免孔坍塌造成压裂失败。

压裂钻孔施工过程中，详细记录钻孔钻进长度及钻进所遇岩性的长度及深度，尤其是当万一钻进至煤层后，一定要详细记录钻进煤层的位置及长度

封孔效果是压裂成功的关键步骤，根据施工现场地质条件，为防止压裂过程中压裂液从岩石原生裂隙中过度滤失，本次封孔采用水泥浆封孔。

封孔方式：本次封孔采用三段式封孔法，即先在孔内导入3根注浆管和一根压裂管，分别为1号管8米，2号管15米，3号管25米，压裂管42米。在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，等待3小时，再从2号管注入水泥浆直到3号管返浆后停止。等待3小时，最后对3号管注浆，直至浆液从压裂管返浆然后停止。

封孔材料的选择：根据封孔的要求，本次封孔主要采用水泥沙浆封孔。

封孔钢管的选择：根据钻孔直径，本次封孔钢管选用外径Φ42mm，内径Φ36mm的无缝钢管，每根2.4米左右，钢管采用标准管扣连接。

封孔要求：各段封孔时间间隔要严格控制。

注浆设备的选择:采用注浆泵。

注意事项：封孔前要认真做好封孔所需材料，确保注浆泵的完好正常运行。

4、压裂实施

1)压裂泵选择(和专利要求不大吧，是不是可以去掉)

a.破裂压力

破裂压力的确定依据公式：

p_f＝K(p₁+p₂+p₃)

其中：K——不均衡系数，取1.0～1.5；

p_f——为破裂压力，MPa；

$p_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i$

其中：γ_i——上覆基岩岩层比重，kg/m³；

h_i——岩层厚度，m；

p₂——岩石的抗拉强度，MPa，一般取2.0MPa。

p₃——管道摩阻，MPa。一般为管内压力的10～20％，可先按照15％选取(此次压裂注水泵的最大量程为50MPa)。

本项目实施水力压裂地点9134机巷底板抽排巷9136工作面区域的上覆岩石厚度h累计450m，取上覆岩石γ平均值为2.5。据此上述公式可得出：

p_f＝(1.0～1.5)×(450×9.81×2.5×10^-3+2+0.15×50)＝20.5～31MPa

b.总注水量

注水量的确定依据公式：

ν_水＝ν_体k

ν_体＝abh

其中：ν_体——注水影响体体积，m³；

k——为影响体孔隙率，％；

a——为影响体长度，m；

b——为影响体宽度，m；

h——为影响体高度，m；

注水量需要根据本项目实施地点的地质条件及初步试验的水力压裂范围逐步优化确定。

在注水形成压力之前，需充填压裂泵组至压裂孔的管道已经压裂孔，此处需要的水量约为：

ν_c＝ν_g+ν_k

ν_g＝πγ_g ²h_g

ν_k＝πγ_k ²h_k

其中：ν_c为充填管道和压裂孔所需水量，m³；

ν_g、γ_g、h_g分别为充填管道所需水量、管道半径和管道长度，m3；

ν_k、γ_k、h_k分别为充填压裂孔所需水量、压裂孔半径和压裂孔长度，m3；

因此，压裂所需总注水量为以上两部分之和。

c.压裂泵及压裂管道的选择

压裂泵选择

煤矿井下用压裂泵型号为BYW50/315J，该压裂泵最大应用压力可达52.8Mpa，最大流量可达1128L/min，可以满足不同煤层压裂工艺需要。为方便煤矿下井安装和运输，整个压裂泵组能拆分成三大部分：机械调速箱、泵头总成、连接部分；各部分外形尺寸分别为2850×1150×1450mm；1900×1350×1050mm；850×850×800mm；附属水箱外形尺寸为3000×1300×1400mm。

压裂管道的选择

压裂管道型号为R13－51，该管道额定耐压51MPa，最高抗压能力达到60MPa。

2)打压试验

压裂之前做钻孔打压试验，注水压力为20MPa，注水时间为30min，如果压力不出现明显下降，证明压裂孔周围的裂隙已完好地进行了封堵。

压裂结束后，观测自然流量及瓦斯抽采流量，如数据较未压裂前相比增大30％以上，则认为压裂成功，接入抽采管路正常抽采。如若压裂自然流量、抽采数据等没有明显增大则认为此次压裂失败，分析失败原因，重新接入压裂泵组，根据第一次压裂泵注程序设计及压裂情况进行第二次压裂泵注程序设计，同时实施第二次压裂，如此反复直至取得较为明显的效果。

Claims (5)

1.一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)打孔：在压裂钻场内钻孔，孔深超过围岩松动破坏范围，有一定的冗余系数；

2)下套管：在钻孔中，导入塑料套管，套管壁和钻孔壁之间导入塑料回气管，在套管壁、钻孔壁与回气管之间空隙用聚氨酯进行固定，用回气管注入水泥浆液进行封堵，封堵长度小于5m；

3)高压注浆：采用注浆泵向套管内注入水泥浆液，直至浆液从回气管流出，回气管端部封闭，2小时后，采用高压注浆泵注入水泥浆液，待压力稳定为3MPa时停止，完成注浆过程；

4)扩孔：在步骤(1)钻孔地点，打同心圆孔，钻孔长度至煤层或顶板地点；

5)封孔：采用三段封孔工艺，利用水泥浆进行封孔。

2.根据权利要求1所述的一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法，其特征在于：步骤(1)中孔深大于所在空间沿钻孔方向宽度的5倍。

3.根据权利要求1所述的一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法，其特征在于：步骤(4)同心圆孔直径为步骤(1)钻孔直径的90％。

4.根据权利要求1所述的一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法，其特征在于：步骤(5)具体为在步骤(4)同心圆孔内导入3根注浆管和一根压裂管，在孔口处用膨胀水泥封堵1～3m，从1号注浆管注入水泥浆，直到浆液从2号注浆管返出后停止，3小时后从2号注浆管注入水泥浆直到3号注浆管返浆后停止，3小时后对3号注浆管注浆，直至浆液从压裂管返浆然后停止。

5.根据权利要求4所述的一种破碎围岩水力压裂穿层钻孔上仰孔封孔方法，其特征在于：所述的1号注浆管管长大于2号注浆管，2号注浆管管长大于3号注浆管。