CN110284849A - 一种用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置及封孔方法 - Google Patents
一种用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置及封孔方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置及封孔方法，封孔装置包括抽采管、注浆管和返浆管；抽采管前端形成有抽采筛管，抽采管位于孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋之间的管段上形成有回气滤水结构；注浆管由第一注浆管和第二注浆管组成，第一注浆管在穿过孔口封孔囊袋后伸入孔底封孔囊袋；第二注浆管由孔底封孔囊袋接出，并朝向孔口封孔囊袋，且第二注浆管上设有爆破限压阀；返浆管贯穿孔口封孔囊袋，返浆管位于钻孔孔口外部的管段上设有泄压阀或背压型安全阀。封孔方法基于前述装置实施。本发明的有益效果是，装置结构简单、操作方便；方法操作性强；封孔段结构致密，封孔效果好。特别适用于中间封孔段较长的情形。
Description
技术领域
本发明专利属煤层气开发领域，特别涉及一种煤矿井下近水平水力压裂钻孔的带压注浆封孔装置及封孔方法。
背景技术
在煤矿领域，以水力压裂为代表的水力化增透措施被广泛应用于煤层增透，以提高煤层透气性来实现高效抽采。针对封孔问题，煤矿现场通常采用“两堵一注”等方法。中国专利文献CN201710845047.1公告了《一种注浆封孔器》、CN103615212A《两堵一注注浆封孔器》、CN208122818U《一种分段限压注浆封孔装置》。目前矿井主流采用的“两堵一注”、低压、二次注浆压裂钻孔封孔方式，其主要技术缺点在于两个方面：一是封孔材料为普通水泥，具有收缩性，需要增加二次注浆封孔工序，技术复杂且与钻孔壁紧密程度差；二是采用低压注浆，由于封孔浆液未带压进行，无法实现对孔壁较深部裂隙有效渗透，影响封孔段承压能力和后期作为抽采孔应用期间的抽采效果。虽然常规煤层钻孔带压注浆封孔技术已日趋成熟，但鉴于井下近水平水力压裂钻孔特殊性，不能完全采用现有封孔装置和封孔工艺，主要原因在于压裂钻孔封孔段长度(30～50m)较普通煤层抽采钻孔封孔长度(8～20m)进一步加长带来以下的不利影响：一是常规煤层钻孔带压注浆封孔压力偏小，深部封孔段压力达不到设计压力，且距离加长后对煤壁裂隙渗透性较差；二是封孔长度增加后，仅依靠两端座封的囊袋滤水滤气，其效率低，效果差，中间封孔段易出现极限气室现象，导致封孔效果差，漏气概率增大。
随着一次压裂范围的扩大，水力压裂起裂压力也在相应增加，对压裂钻孔封孔段的封孔质量及封孔效率要求也越高，而目前矿井主流采用的“两堵一注”、低压、二次注浆封孔方式，封孔工序繁琐、裂隙封堵效果较差，亟需开发一种带压注浆封孔装置，通过一次带压注浆完成两堵一注的顺序注浆方式，消除极限气室，提高裂隙封堵效果。
发明内容
本发明的第一目的就是针对现有技术中封孔工序繁琐和裂隙封堵效果差的不足，提供一种适用煤矿井下近水平水力压裂钻孔的带压注浆封孔装置，该装置通过抽采管位于中间封孔段的管段上设置回气滤水结构，以在两堵形成过程中，通过回气滤水结构排出气体和水分；并在两堵形成后的持续带压注浆过程中形成中间注浆封堵段，再次利用回气滤水结构排出气体和水分，避免注浆封堵段内形成极限气室，确保中间封孔段结构致密，提高裂隙封堵效果。其装置结构简单、封孔操作方便。本发明的第二目的是基于前述封孔装置实施的带压封孔方法，以在煤层外部的钻孔内形成裂隙封堵效果好的封孔结构。
为实现第一目的，本发明采用如下技术方案。
一种用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置，包括抽采管、注浆管和返浆管；抽采管前端形成有抽采筛管，抽采管中部设有孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋；以在对钻孔进行封孔时，通过注浆管灌注封孔浆液，在钻孔的孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋段分别形成孔口座封段和孔底座封段，在孔口座封段和孔底座封段之间形成中间封孔段；所述抽采管对应中间封孔段的管段上形成有回气滤水结构，该回气滤水结构包括设在抽采管上的多个回气筛孔和包裹在回气筛孔外部的滤水层；所述注浆管由第一注浆管和第二注浆管组成，第一注浆管在穿过孔口封孔囊袋后伸入孔底封孔囊袋，第一注浆管的远端管口通过一堵塞封堵；第一注浆管位于孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋内的对应管段上分别设有第一注浆孔和第二注浆孔；所述第二注浆管由所述孔底封孔囊袋接出，并朝向孔口封孔囊袋延伸，且第二注浆管的自由端出口位于孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋之间，且第二注浆管上设有爆破限压阀；所述返浆管穿过所述孔口封孔囊袋，返浆管的进口端位于孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋之间，返浆管的出口端位于拟封钻孔外部，返浆管位于钻孔孔口外部的管段上设有泄压阀或背压型安全阀。
采用前述方案的本发明，通过在孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋之间的管段上形成由抽采管上的多个回气筛孔和包裹在回气筛孔外部的滤水层形成的回气滤水结构，以在对孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋进行灌浆形成座封的过程中，以及中间封孔段的注浆过程中，中间封孔段内空间逐渐减小，气压逐渐增大，中间封孔段内的气体和析出水通过回气筛孔回流至抽采管内，从而有效避免中间封孔段内出现封闭气室，亦称极限气室现象；或减小出现极限气室的几率；从而提高浆料灌注后的内部组织致密性，降低收缩率，提高裂隙封堵效果；同时，通过设置连通两个囊袋的第一注浆管，以及连通孔底囊袋和中间封孔段的第二注浆管和爆破限压阀，可实施两个座封段的同时注浆，座封段和中间封孔段的顺序注浆，以及中间封孔段的带压注浆；通过设置与中间封孔段形成空间连通的返浆管以及卸压阀或背压型安全阀，可有效确保中间封孔段的注浆压力被限制在设定范围内，确保注浆安全，且不会形成对座封的过度挤压，确保座封可靠。其结简单，封孔操作方便；特别适用于中间封孔段长度值较大的情形。其中，爆破限压阀的作用是，在相应管道或容器内部压力达到设定值时，阀门爆炸破裂，管路断开，物料由爆破口流出。泄流阀或背压型安全阀，是在相应管道或容器内部压力达到设定值时，阀门打开，在卸压过程中，当管道内压力低于或等于该设定值时阀门再次关闭，以使管道或容器内保持设定值的压力。其中，在确定抽采管上回气筛孔的直径和数量时，综合以下因素确定：中间密封段容量、注浆管径、注浆泵工况流量、注浆过程流量损失系数和滤水层的过滤特性。
优选的，所述返浆管通过三通形成有返浆排气旁路，并在该旁路上设有返浆排气控制阀，且所述返浆管的进口端设有滤网。以增加中间封孔段在座封形成过程中，以及中间封孔段注浆过程中水和气的外排通道，进一步降低极限气室形成几率，提高整个封孔段的封堵效果。
进一步优选的，所述返浆排气旁路的出口端连接有抽气泵。以进一步避免或消除极限气室现象，进而提高封堵效果。
优选的，所述第一注浆管上设有单向阀，单向阀位于孔口封孔囊袋内。以确保停止注浆后，确保两个囊袋内压力不下降，提高封孔效果，且单向阀设在囊袋内，不会在囊袋膨胀过程中对囊袋造成伤害，确保囊袋的座封效果。
优选的，所述滤水层由单层棉质囊袋材料制成圆筒形，并由两端设置的管卡与所述抽采管固定连接。以充分利用棉质囊袋材料的透气滤水特性，实现中间封孔段的回气滤水目的，从而简化回气滤水结构，降低制造成本。在设置返浆排气旁路的方案中，滤网也可采用单层棉质囊袋材料制成。
优选的，所述孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋均由棉质囊袋材料制成内外层的双层囊袋结构，并由两端设置的管卡与所述抽采管固定连接。以充分利用棉质囊袋材料的透气滤水特性，实现封孔囊袋透气滤水目的，从而简化回气滤水结构，降低制造成本。
为实现第二目的，本发明采用如下技术方案。
一种煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔方法，基于实现第一发明目的封孔装置实施；包括以下步骤：
S1、封孔装置安装：按压裂筛管向内的方式将设有孔口封孔囊袋、回气滤水结构和孔底封孔囊袋的抽采管置入拟封钻孔中，使孔底封孔囊袋位于目标煤层底板区域；将第一注浆管与注浆泵连接，并在连接管道上设置注浆控制阀门；且对泄压阀或背压型安全阀的动作压力值进行设定；
S2、注浆封孔：采用注浆压力＞3.0MPa的注浆泵将搅拌均匀的封孔材料，通过第一注浆管同时灌注至孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋内形成孔口和孔底座封，并在爆破限压阀爆破后，通过第二注浆管注浆形成中间封孔段；在返浆管出现返浆时，先关闭注浆控制阀门，再停止注浆泵，以完成注浆。
采用前述技术方案的封孔方法，能够实现不同压力要求的分段式封孔，并在对孔口封孔囊袋和孔底封孔囊袋进行灌浆形成座封，以及在中间封孔段的注浆过程中，因中间封孔段内空间减小，气压增大，中间封孔段内的气体和析出水通过回气筛孔回流至抽采管内，从而有效避免中间封孔段内出现封闭气室，亦称极限气室现象；或减小出现极限气室的几率；从而提高浆料灌注后的内部组织致密度，降低收缩率，提高裂隙封堵效果；同时，通过设置连通两个囊袋的第一注浆管，以及连通孔底囊袋和中间封孔段的第二注浆管和爆破限压阀，可实施两个座封段的同时注浆，座封段和中间封孔段的顺序注浆，以及中间封孔段的带压注浆；通过设置与中间封孔段形成空间连通的返浆管以及卸压阀或背压型安全阀，可有效确保中间封孔段的注浆压力被限制在设定范围内，确保注浆安全，且不会形成对座封的过度挤压，确保座封可靠。其封孔操作简单、方便，特别适用于中间封孔段长度较大的情形。
优选的，还包括在封孔装置安装前进行封孔装置制作和对拟封钻孔进行清洗；在注浆完成后，进行设备清洗和现场整理，且在封孔装置制作过程中确定抽采管上回气筛孔的直径和数量时，综合以下因素确定：中间密封段容量、注浆管径、注浆泵工况流量、注浆过程流量损失系数和滤水层的过滤特性。以进一步提高封孔效果以及下一次封孔操作，以确保中间密封段无极限气室形成隐患。
优选的，所述爆破限压阀的爆破限压值按2.0MPa选用；所述泄压阀或背压型安全阀的动作压力值按2.5Mpa设定。以在座封阶段形成压力相对较低的座封，并在中间封孔段注浆封孔阶段，使整个封孔段形成更高封孔压力，最后达到整体封孔效果提升的目的。
优选的，在注浆过程中，还包括通过抽气泵进行辅助排气。以进一步确保消除大尺寸中间封孔段极限气室的目的，确保封孔效果好。
本发明的有益效果是，封孔装置结构简单、操作方便；封孔方法易实施；所形成的封孔段组织致密，收缩率低，密封效果好，适用于煤矿井下各类水力压裂钻孔，尤其是钻孔角度为近水平，且中间封孔段较长的钻孔密封效果更加明显。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明装置的孔口部分结构示意图。
图3是本发明装置的中间封孔段部分结构示意图。
图4是本发明装置的孔底部分结构示意图。
以上示意图还用于说明封孔方法。
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、图2、图3、图4，一种用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置，包括抽采管1、注浆管和返浆管8；抽采管1前端形成有抽采筛管1a，抽采管1中部设有孔口封孔囊袋2和孔底封孔囊袋3；以在对钻孔进行封孔时，通过注浆管灌注封孔浆液，在钻孔的孔口封孔囊袋2和孔底封孔囊袋3段分别形成孔口座封段和孔底座封段，在孔口座封段和孔底座封段之间形成中间封孔段；所述抽采管1对应中间封孔段的管段上形成有回气滤水结构，该回气滤水结构包括设在抽采管1上的多个回气筛孔和包裹在回气筛孔外部的滤水层12；所述注浆管由第一注浆管6和第二注浆管7组成，第一注浆管6在穿过孔口封孔囊袋2后伸入孔底封孔囊袋3，第一注浆管6的远端管口通过一堵塞封堵；第一注浆管6位于孔口封孔囊袋2和孔底封孔囊袋3内的对应管段上分别设有第一注浆孔6a和第二注浆孔6b；所述第二注浆管7由所述孔底封孔囊袋3接出，并朝向孔口封孔囊袋2延伸，且第二注浆管7的自由端出口位于孔口封孔囊袋2和孔底封孔囊袋3之间，且第二注浆管7上设有爆破限压阀4；所述返浆管8穿过所述孔口封孔囊袋2，返浆管8的进口端位于孔口封孔囊袋2和孔底封孔囊袋3之间，返浆管8的出口端位于拟封钻孔外部，返浆管8位于钻孔孔口外部的管段上设有泄压阀或背压型安全阀5，泄压阀或背压型安全阀5用于两个座封段和中间封孔段的整个封孔段保压。第一注浆孔6a和第二注浆孔6b均由至少3个直径10mm的注浆小孔构成；返浆管8通过管卡与孔口封孔囊袋2固定形成密封连接。
其中，第一注浆管6与注浆泵17连接，并在连接管道上设置注浆控制阀门15。且第一注浆管6上设有单向阀10，单向阀10位于孔口封孔囊袋2内；单向阀10用于两个囊袋3的整体保压。
其中，滤水层12由单层棉质囊袋材料制成圆筒形，并由两端设置的管卡与所述抽采管1固定连接。孔口封孔囊袋2和孔底封孔囊袋3均由棉质囊袋材料制成内外层的双层囊袋结构，并由两端设置的管卡与所述抽采管1固定连接。第一注浆管6和第二注浆管7均通过对应的管卡与对应囊袋固定，并形成密封连接。
实施例2，一种用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置，其中，返浆管8通过三通13形成有返浆排气旁路，并在该返浆排气旁路上设有返浆排气控制阀14，返浆排气旁路的出口端连接有抽气泵18，且所述返浆管8的进口端设有滤网9；滤网9也由单层棉质囊袋材料制成，并包裹在返浆管8的进口端管口处。
本实施例的其余结构与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例3，参见图1至图4，一种煤矿井下近水平孔带压注浆封孔方法，基于实施例1或2的封孔装置实施；包括以下步骤：
S1、封孔装置安装：按压裂筛管1a向内的方式将设有孔口封孔囊袋2、回气滤水结构和孔底封孔囊袋3的抽采管1置入拟封钻孔中，使孔底封孔囊袋3位于紧邻目标煤层的外侧岩层内；将第一注浆管6与注浆泵17连接，并在连接管道上设置注浆控制阀门15；且对泄压阀或背压型安全阀5的动作压力值进行设定；
S2、注浆封孔：采用注浆压力＞3.0MPa的注浆泵17将搅拌均匀的封孔材料，通过第一注浆管6同时灌注至孔口封孔囊袋2和孔底封孔囊袋3内形成孔口和孔底座封，并在爆破限压阀4爆破后，通过第二注浆管7注浆形成中间封孔段；在返浆管8出现返浆时，先关闭注浆控制阀门15，再停止注浆泵17，以完成注浆。
其中，所述爆破限压阀4的爆破限压值按2.0MPa选用；所述泄压阀或背压型安全阀5的动作压力值按2.5Mpa设定。在封孔装置安装前进行封孔装置制作和对拟封钻孔进行清洗；在注浆完成后，进行设备清洗和现场整理，且在封孔装置制作过程中确定抽采管1上回气筛孔的直径和数量时，综合以下因素确定：中间密封段容量、注浆管径、注浆泵工况流量、注浆过程流量损失系数和滤水层的过滤特性。
在采用实施例2的装置时，还包括在注浆过程中，通过抽气泵18进行辅助排气。
应用本发明装置进行压力分段封孔在具体应用于重庆能投渝新能源松藻煤矿-225m水平压裂钻孔进行封孔试验，采用本发明封孔工艺与普通水泥砂浆封孔各试验5个，新型封孔试验钻孔为1次注浆，均实现成功返浆，达到设计压力2.0MPa，压裂后抽采单孔平均抽采浓度80％；普通水泥砂浆封孔均采用2次注浆，抽采浓度为50％；同时地面模拟实验钻孔采用钢管模拟钻孔封孔后拆解内部结构，可见封孔质量紧密无裂隙和气室。采用本发明封孔工序明显简化，降低中部气室产生概率，且试验过程中调整压裂压力达到70MPa钻孔封孔完好，展示出新型封孔工艺的技术优越性。其中，抽采管1采用通径50mm，外径56mm的钢管；钻孔孔径90mm、第一和第二注浆管均采用4分的PVC管，所选用的管卡、囊袋均为通用型，可满足50-75mm压裂用钢管使用需求；分别用于囊袋固定，以及伸入和穿过囊袋的各注浆管、返浆管等与囊袋之间的密封固定。
第一注浆管6端口封堵，采用管壁上对应囊袋内设置的至少3个孔径10mm的注浆小孔进行注浆；回气滤水结构的回气筛孔1b为双排设置，孔径6mm，轴向间距20cm、共计12个；并根据钻孔倾角调整回气筛孔1b的布置位置，封上向孔时，该回气筛孔1b位置靠近孔底囊袋；封近水平孔或水平孔时，布置在中间封孔段3/4位置，封下向孔时，靠近孔口囊袋。
在具体应用中的回气筛孔1b直径和数量设置时，考虑以下因素：中间封孔段空气体积、单位时间内注浆量；具有滤布的回气筛孔1b的等效直径。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置，包括抽采管(1)、注浆管和返浆管(8)；抽采管(1)前端形成有抽采筛管(1a)，抽采管(1)中部设有孔口封孔囊袋(2)和孔底封孔囊袋(3)；以在对钻孔进行封孔时，通过注浆管灌注封孔浆液，在钻孔的孔口封孔囊袋(2)和孔底封孔囊袋(3)段分别形成孔口座封段和孔底座封段，在孔口座封段和孔底座封段之间形成中间封孔段；其特征在于，所述抽采管(1)对应中间封孔段的管段上形成有回气滤水结构，该回气滤水结构包括设在抽采管(1)上的多个回气筛孔和包裹在回气筛孔外部的滤水层；所述注浆管由第一注浆管(6)和第二注浆管(7)组成，第一注浆管(6)在穿过孔口封孔囊袋(2)后伸入孔底封孔囊袋(3)，第一注浆管(6)的远端管口通过一堵塞封堵；第一注浆管(6)位于孔口封孔囊袋(2)和孔底封孔囊袋(3)内的对应管段上分别设有第一注浆孔(6a)和第二注浆孔(6b)；所述第二注浆管(7)由所述孔底封孔囊袋(3)接出，并朝向孔口封孔囊袋(2)延伸，第二注浆管(7)的自由端出口位于孔口封孔囊袋(2)和孔底封孔囊袋(3)之间，且第二注浆管(7)上设有爆破限压阀(4)；所述返浆管(8)穿过所述孔口封孔囊袋(2)，返浆管(8)的进口端位于孔口封孔囊袋(2)和孔底封孔囊袋(3)之间，返浆管(8)的出口端位于拟封钻孔外部，返浆管(8)位于钻孔孔口外部的管段上设有泄压阀或背压型安全阀(5)。
2.根据权利要求1所述的用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置，其特征在于，所述返浆管(8)通过三通形成有返浆排气旁路，并在该旁路上设有返浆排气控制阀(14)，且所述返浆管(8)的进口端设有滤网(9)。
3.根据权利要求2所述的用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置，其特征在于，所述返浆排气旁路的出口端连接有抽气泵(18)。
4.根据权利要求1所述的用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置，其特征在于，所述第一注浆管(6)上设有单向阀(10)，且单向阀(10)位于孔口封孔囊袋(2)内。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置，其特征在于，所述滤水层由单层棉质囊袋材料制成圆筒形，并由两端设置的管卡与所述抽采管(1)固定连接。
6.根据权利要求1～4任意一项所述的用于煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔装置，其特征在于，所述孔口封孔囊袋(2)和孔底封孔囊袋(3)均由棉质囊袋材料制成内外层的双层囊袋结构，并由两端设置的管卡与所述抽采管(1)固定连接。
7.一种煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔方法，其特征在于，基于权利要求1～6中任意一项所述的封孔装置实施；包括以下步骤：
S1、封孔装置安装：按压裂筛管(1a)向内的方式将设有孔口封孔囊袋(2)、回气滤水结构和孔底封孔囊袋(3)的抽采管(1)置入拟封钻孔中，使孔底封孔囊袋(3)位于目标煤层底板区域；将第一注浆管(6)与注浆泵(17)连接，并在连接管道上设置注浆控制阀门(15)；且对泄压阀或背压型安全阀(5)的动作压力值进行设定；
S2、注浆封孔：采用注浆压力>3.0MPa的注浆泵(17)将搅拌均匀的封孔材料，通过第一注浆管(6)同时灌注至孔口封孔囊袋(2)和孔底封孔囊袋(3)内形成孔口和孔底座封，并在爆破限压阀(4)爆破后，通过第二注浆管(7)注浆形成中间封孔段；在返浆管(8)出现返浆时，先关闭注浆控制阀门(15)，再停止注浆泵(17)，以完成注浆。
8.根据权利要求7所述的煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔方法，其特征在于，还包括在封孔装置安装前进行封孔装置制作和对拟封钻孔进行清洗；在注浆完成后，进行设备清洗和现场整理，且在封孔装置制作过程中确定抽采管(1)上回气筛孔的直径和数量时，综合以下因素确定：中间密封段容量、注浆管径、注浆泵工况流量、注浆过程流量损失系数和滤水层的过滤特性。
9.根据权利要求7所述的煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔方法，其特征在于，所述爆破限压阀(4)的爆破限压值按2.0MPa选用；所述泄压阀或背压型安全阀(5)的动作压力值按2.5Mpa设定。
10.根据权利要求7～9中任意一项所述的煤矿近水平压裂钻孔的带压封孔方法，其特征在于，在注浆过程中，还包括通过抽气泵(18)进行辅助排气。
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