CN106468153A - 围岩钻孔高压流体锁压系统 - Google Patents

Abstract

一种围岩钻孔高压流体锁压系统，使用聚氨酯膨胀体作为动力源和推体，采用一种固化前为无定形状态的单组份或双组份胶为封体材料，采用龟缩式囊袋以解决胶封体的运载与卸载和封体定位、定型。把双组份聚氨酯物料混合利用其膨胀力做功，将胶体压缩定型，以克服封体与钻孔壁出现环缝、封体出现缺板或短板现象，从而提高粘结抗剪强度，提高锁压能力。

Description

围岩钻孔高压流体锁压系统

技术领域

本发明涉及一种围岩钻孔高压流体锁压系统，特别涉及高压水压裂岩层。是瓦斯治理、煤层气开采、页岩气开采的核心技术，也涉及到石油开采领域。

背景技术

围岩钻孔高压流体锁压系统是高压水压裂岩层在煤炭开采和预防煤与瓦斯突出事故，以及煤层气、页岩气等开采作业中的核心技术。现有技术中主要产品是注水封孔器、水泥类混合物、金属构件桥塞等。桥塞的缺陷主要是结构复杂、价格昂贵、安装成功率低。封孔器的使用对围岩钻孔的成孔要求苛刻，很难将注水封孔器定位在围岩钻孔深部设定位置。进孔难是注水封孔器的缺陷，封孔器与钻孔壁之间，没有粘结力，仅靠静摩擦力无法实现封孔器与钻孔壁的有机结合。已知其抗剪切强度为0.5-0.7MPa(兆帕)。由金属材料制成的桥塞，同样存在入孔难的问题，卡壳现象司空见惯。水泥(通常为水泥混合物)的粘结强度48小时为0.1MPa。此外还有水泥终凝时间过长、定型难等本领域技术人员公知的缺陷。聚氨酯膨胀封体，粘结力仅为0.3-0.4MPa，抗压强度差。剥离剪切强度3-4kg/cm²。尽管人们长期探索实验，仍未能发现使用聚氨酯封体对高压流体锁压的成功案例。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，要解决现有技术封体不具有粘结力或粘结强度差的问题，换言之，是如何提高粘结剪切能力，从而显着提高锁压能力的问题。本发明通过采用不同于现有技术锁压系统封体的材质，采用一种固化前为无定形状态的单组份或双组份胶为封体材料。胶封体抗压缩强度高，通常能达到60MPa，粘接强度＞30MPa，抗剪强度＞18MPa。该封体不但具有优良的抗压缩强度和抗渗透能力，尤其具备高粘结强度和高抗剪切强度。克服了封体入孔时卡壳等现象的发生。特别是，胶封体具备亟强的粘结能力。抗粘结剪切强度是本发明胶封体独有的特点。确定了封体问题，就必须解决如何把裸胶毫无损耗地、准确地推送到设定的锁压位置并使其横向应变定型的问题。要解决裸胶封体在围岩钻孔中环形定位，就要解决载体的承载和卸载问题；还要解决裸胶封体在围岩钻孔中的定型问题。只有解决了定型问题才能克服封体缺板、短板现象和环缝现象。同时要解决动力源和推体的问题。所采用技术手段，将在下面‘具体实施方式’中加以陈述。本发明使用聚氨酯膨胀体作为动力源和推体在特殊的钻孔环形空间条件下，其做工全程皆在全封闭的空间进行，并能够把裸胶准确地推送到设定的锁压环形空间位置并使其横向应变定型。

技术方案

一改现有技术锁压能力差等缺陷，本发明的技术方案是，采用无定形状态的胶做封体，采用双组份聚氨酯做动力源和推体；采用龟缩式囊袋以解决胶封体的运载与卸载和封体定位、定型。

一个异形龟缩式囊袋的凹縮部分是一个独立的单元，其宽度与囊袋主体部分宽度相等。单元顶部是一叠幅开口，装入封体胶后，形成一个胶囊，该胶囊的叠幅开口安装一封闭装置，该封闭装置是可以通过动力系统的膨胀压力重新开启的。

该异形龟缩式囊袋的主体部分是一个膨胀动力系统，以双组分聚氨酯膨胀体做为动力源和推体。该系统由两个区组成：贮存混合区和膨胀引导区。贮存混合区再被横向分割成相对独立的两个单元，分别贮存聚氨酯膨胀体的双组份物料。双组份物料混合后，发生膨胀，膨胀引导区可将体膨胀转化为线膨胀。膨胀力做功，压力迫使胶囊的叠幅开口的封口装置开启，并压迫胶囊向前凸展，凸展的过程就是逐渐卸载的过程，封体胶脱囊裸出，两个系统相向凸展，使封堵段定位。双端纵向压力进而实现封体横向应变，避免封体缺板、短板、环缝现象的发生，实现封堵段定型。从而提高抗剪切强度，增强锁压能力。

龟缩式囊袋的材质应选择抗渗、不透光、抗磨、柔韧的材质，尤其内层材质应选择高密度聚乙烯(HDPE)，其优点是对聚氨酯及封体胶具有抗粘连性。

毫无疑义，把裸胶推送到设定的锁压位置并使其横向应变定型，其载体不但必须具备承载特征，而且必须具备卸载特征。这里所述‘卸载’是指在围岩钻孔极度被限制的环形空间里，使承载物完全脱离载体，并且，还能使卸载后的载体转化为对胶封体实现泊松比应变原理的要素，从而解决了胶体横向应变定型的问题。本发明涉及的异形龟缩袋起了至关重要的作用。其特征在于，一方面，该异形龟缩袋凹缩部分是一个独立的单元，或者说一个封闭的载体，担负着封体胶的承载任务；另一方面，在本发明动力系统的支持下，又能自动开启该独立单元的封口，将该异形龟缩袋凹缩部分连同内中封体胶向外凸伸，完成卸载。同时，全系统转化为单一的封闭空间，该空间内只有聚氨酯膨胀体。由于使用时两个系统是相向布置的，两端对封体造成纵向压力，根据泊松比应变原理使封体形成横向应变。这对提供锁压能力是至关重要的。这里不妨就本发明涉及的异形龟缩袋，与现有技术做一简单比较。对比文件：〈使用聚氨酯发泡袋封堵瓦斯抽放孔(专利号：ZL 2010 1 0220304.0)〉，与本发明异形龟缩袋的区别在于：1)结构不同。对比文件仅是两个相对独立的单元：“材质为三层铝塑薄膜，袋的中部横向热压一隔离中封，也可以从袋的外部隔离”。也可以采用“主体呈长方形而项部或底部呈三角形的异形发泡袋”。本发明涉及的袋有必要做一通俗的说明：将一个全封闭的长方形的袋的一端向内折返，即可以理解为一个开口的内袋和一个封闭的外袋，或者说，一个长度不同的双层袋。袋的主体部分，或者说外袋又分成三个单元。二者结构之不同显而易见，不赘述。2)二者皆采用聚氨酯膨胀体，区别是：前者作为封体，“袋中的物料膨胀，当其膨胀力大于袋的材质(三层铝塑薄膜)所能承受的强度时，就会产生‘自爆’，连续产生的聚氨酯泡沫就会将瓦斯抽放孔与瓦斯抽放管的环形空间充满”。后者是作为动力源和推体。3)前者‘自爆’出料，后者始终存在于封闭空间。4)效果不同。瓦斯抽放孔的封堵与高压注水孔的锁压实质性的区别在于，前者为负压，通常为负15KPa，后者为正压通常高于20MPa。

利用膨胀力做功。把双组份聚氨酯物料混合，使其膨胀。并将体膨胀转化为线膨胀，封体胶及其载体异形龟缩式囊袋的凹縮部分受到单向压迫，进而将叠幅开口的封口装置冲开，凹縮部分向前凸伸，进行卸载。封体胶定位，凹縮部分并未完全凸展开，内中聚氨酯物料还在膨胀，继续从两端对胶封体进行压迫。聚氨酯膨胀体自始至终处于完全封闭的空间内。两端纵向膨胀压力造成封体胶横向应变，以克服封体与钻孔壁出现环缝、封体出现缺板或短板现象，从而提高粘结抗剪强度，提高锁压能力。

有益效果

本发明具有如下显着效果：

1.与现有技术相比，胶封体的锁压能力显着提高。根据已知数据，充气橡胶封孔器与钻孔壁的抗剪强度是0.5——0.7MPa(5-7kg/cm²)；水泥(48小时)抗剪强度是0.1MPa(1kg/cm²)；聚氨酯封体抗剪能力是0.3-0.4MPa(3-4kg/cm²)，而本发明胶封体抗剪强度＞18MPa，即180kg/cm²。本发明胶封体的锁压能力是充气橡胶封孔器的锁压能力的25-36倍；是水泥封体的180倍。

2.封孔成本

按现有单孔封孔价格计算，本发明产品成本仅为注水橡胶封孔器的20％(通常封孔器与水泥混合物或聚氨酯配合使用)，聚氨酯封体的25％，仅为金属‘桥塞’成本的不到5％。

3.本发明即可直接封堵围岩裸孔，也可封套管；即可手动操作，也可通过简单的装置电子遥控。

附图说明

图1：产品结构平面图 ①胶囊。(龟缩式囊袋凹缩部分，内装封体胶)。②膨胀引导区③+④贮存混合区，该两个单元③和④，分别贮存膨胀体的双组份物料。⑤胶囊叠幅开口。⑨胶囊叠幅开口的封口装置。⑥隔离1。⑦隔离2。⑧封底。

图2：产品安装透视图。

①胶囊；②膨胀引导区；③和④开启隔离后的贮存膨胀体双组份物料的两个单元；⑤锥形缠绑装置；⑥注水管；⑦围岩钻孔；⑧预留钻孔环形空间；⑨膨胀引导区隔离；⑩围岩钻孔口。

图3：产品效果透视图

①胶体封堵段，封体胶已经脱囊，并被定位定型。②由图2中①、②、③、④转化而形成的单一封闭空间，内中全部是聚氨酯膨胀体⑤锥形缠绑装置⑥注水管⑦围岩钻孔。⑩围岩钻孔口。

具体实施方式

使用配置的固定装置，把产品固定在高压注水管设定的段位上。

1)选定注水管的段位，以确定围岩钻孔封堵段位置。

2)产品宽度或产品宽度之和通常不小于钻孔周长的1.2倍。

3)确定两个产品的间距，即预留距离(图2⑧)。

4)将产品顺向呈环形围在注水管上，使得物料膨胀起来充满环形空间时，必须呈‘O’型，环形空间不得出现空隙。

5)两个产品要对向固定(见图2)在注水管相应段位上。即其中一个产品，膨胀动力部分④朝内，胶囊部分①朝外；第二个产品首尾颠倒过来固定。即胶囊部分①朝内，膨胀动力部分④朝外。

6)将膨胀动力系统端部加固成锥型。要对内外两个产品膨胀动力部分端部(图2⑤)，使用胶带进行缠绑或使用锥形装置加固。加固分为两个层面，一是将系统和注水管绑牢，使不错位，不松脱。二是顺势向主体部分缠绕成锥型，或者使用锥状装置固定在该部位。

7)手动打开隔2，(见图1⑦)；将单元③和④内两种物料混合(见图2③和④)。

8)将高压注水管连同该系统送入围岩钻孔设定的位置。

9)根据作业条件也可以选择入孔后再使用简单的装置电子遥控，将单元③和④(见图1或图2)内两种物料混合。例如，使用辊压装置或间歇式压迫装置。

动力系统在围岩钻孔中启动。在封闭的空间内发生反应，膨胀。先是在单元③和④合成的单元内(图2)，进行体膨胀，将③、④充满。物料还在膨胀，膨胀压力冲开了图1的隔离1(见图1⑥或图2⑨)。由于受到钻孔壁的刚性限制，膨胀动力部分端部加固成锥型(见图3⑤)，增加了强度、减少了受力面积，所以不会从此处胀裂跑料，这是保障动力系统效果的必要技术手段。由于没有发展空间，隔离1(见图1⑥或图2⑨)被膨胀压力冲开，膨胀体进入膨胀引导区(图1②或图2②)，由体膨胀转化为线膨胀。其产生的推压力作用在胶囊的底部，将囊袋连同封体胶推压，使得叠幅开口的封闭装置被压开，随着胶囊向外凸展，封体胶逐渐脱离载体，定位在设定的封堵段位置。

对于脱离了载体约束、无定形状态封体胶而言，固化前的定型至关重要。为克服封堵段出现缺板、短板和环缝现象，本发明采用的技术手段是，对封堵段实行对向推压。将两个系统相向固定在注水管上就是必不可少的技术手段。根据泊松比应变原理，均匀分布的纵向压力，会使封体产生横向应变，横向应变和粘结能力的双重贡献，提高了抗剪强度，从而提高锁压能力。此外，为达到所述效果，具体实施方式3)记载的预留距离对于实现封体定位，尤其对于封体定型，其必要性是毋宁质疑的。

实施例1：

使用宽度大于钻孔周长的产品，其宽度通常不小于钻孔周长的1.2倍。将两个产品使用产品配置的固定装置，呈环形相向固定在注水管上(见图2)。

使用宽度之和大于钻孔周长的产品，是指两个或两个以上为一组的产品。两组产品相向固定在注水管上。

无论是一个还是一组产品都要要形成一个完整的‘O’型环，尤其物料膨胀后仍为一个完整的‘O’型环。保障囊袋内的物料膨胀起来，足以将钻孔环形空间全部胀满。显然，钻孔壁和注水管管壁是两个刚性界面。膨胀体不但要受两个刚性界面间的环形空间的约束，同时还要受到袋的约束。其间不得出现界面间的空隙，以避免胀裂跑料。物料在钻孔中必须完全可控，这是实现技术方案的要素之一。考虑到操作误差，产品宽度之和更要大于钻孔周长。设，围岩钻孔直径100mm，产品宽度130mm，使用产品数量3×2＝6。

实施例2：

应当确保两个相向固定在高压注水管上的两个产品之间预留距离。预留距离(图2⑧)应＞封堵段长度(图3①)，＜封堵段长度+囊袋凹縮部分长度(图2①)的2倍。

设：封堵段长(图3①)＝25cm，囊袋凹縮部分长度即胶囊部分(图2①)＝20cm。则：25cm＜预留长度＜25cm+20cm×2。

实施例3：封堵段环形体积最小用胶量

设：钻孔直径11cm，高压注水管直径3.3cm，封堵段长度20cm，胶密度为1.2g/cm³，

公式：

其中：V-环空体积，cm³；

D-钻孔直径，cm

d-注水管直径，cm

L-封堵段长度，cm

将数值带入公式，得，

＝0.785×(11²-3.3²)×20

＝1728.727cm³

最小总用胶量：

G＝ν·ρ＝1728.727×1.2g/cm³＝2074.47g≈2.07kg其中，ρ-胶的密度，g/cm³：

G-胶的重量，kg。

Claims (4)

1.一种围岩钻孔高压流体锁压系统，特别涉及高压水压裂岩层，其特征是，一个龟缩式囊袋，其凹縮部分中装有封体胶，其主体部分是一个膨胀动力系统，以双组分聚氨酯膨胀体做为动力源和推体。

2.根据权利要求1所述一种围岩钻孔高压流体锁压系统，其特征是，龟缩式囊袋的凹縮部分宽度与主体部分宽度是相等的。

3.根据权利要求1所述一种围岩钻孔高压流体锁压系统，其特征是，龟缩式囊袋的凹縮部分顶部的叠幅口安装一封闭装置，该封闭装置是可以通过膨胀动力系统膨胀压力重新开启的。

4.根据权利要求1所述一种围岩钻孔高压流体锁压系统，其特征是，膨胀动力系统被隔离成两个区：贮存混合区和膨胀引导区，贮存混合区再被隔离成两个相对独立的单元，分别贮存聚氨酯膨胀体的双组份物料。