一种煤矿井下高压水力压裂封孔材料及封孔工艺

摘要

一种煤矿井下高压水力压裂封孔材料及封孔工艺，其中封孔材料由水泥100份，Ms型早强减水剂2~4份，聚丙烯纤维0.08~0.5份，水60份组成。封孔工艺包括：在煤岩体上钻一钻孔，施工至煤层顶板，再扩孔至煤层底板，压裂管送入孔底，注浆管送入到煤层底板处，返浆管设在孔口封堵段前端。孔口段采用AB胶加棉纱封堵。由注浆管向孔内注入该封孔材料，待返浆管返浆后，关闭返浆管截止阀，继续注浆，当压裂孔有水流出时，放空注浆管内浆液，待浆体凝固之后，二次注浆，最后后固结。本发明的优点在于：封孔材料具有收缩小、抗压强度和抗冲击韧性高的优点。在高压水力压裂冲击载荷作用下，具有良好的密封性能和抗高压性能，同时该材料成本低廉，施工方便；封孔工艺简单，封孔深度满足要求，成功率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下高压水力压裂封孔材料及封孔工艺。

背景技术

瓦斯灾害是制约煤矿安全、高效生产的第一要素，钻孔预抽是瓦斯治 理和防突的有效措施。我国煤矿煤层大多数是松软低透气性煤层，在 实施钻孔抽采过程中，由于煤层透气性低，瓦斯抽采难度大。如何增 加原始煤体的透气性系数，确保能快速较好的实现抽采达标，防治煤 与瓦斯突出事故发生，适应矿井安全高效的需要，为科学合理采取针 对性的瓦斯综合治理技术显得尤其重要。

水力压裂是地面煤层气开发的常规工艺，移植到井下具有异曲同工之 妙。在煤矿井下进行高压水力压裂，是煤层增透的特殊途径，是提高 预抽瓦斯浓度、缩短抽放时间的有力保障。

煤矿井下高压水力压裂，一个重要的技术难题就是钻孔的高压密封问 题，封孔质量的好坏，直接关系到压裂的成功与否。为了提高钻孔封 孔的成功率，必须解决三个问题：一是钻孔裂隙圈内的裂隙封堵问题 ，二是钻孔孔壁与封孔材料的间隙封堵问题，三是如何解决封孔材料 凝固后自身产生的微裂隙问题。目前，煤矿井下高压水力压裂常采用 胶囊封孔和普通水泥浆进行钻孔密封，胶囊抗压强度有限，难以满足 抗高压的要求；普通水泥浆体系普遍存在：进行高压水压裂时，水泥 石抗冲击韧性低；与钻孔孔壁的胶接质量差；凝固后存在微裂隙以及 抗压强度低等缺点，密封难度大，生产实践中难以满足高压水力压裂 密封抗冲击、抗高压的要求，封孔成功率低。

中国专利号CN102287163A，公告日期2011年12月21日，发明创造名称 “煤矿井下超高压压裂孔的钻孔封孔方法及封孔装置”。该封孔方法 注浆管伸入封堵孔内4m以上，返浆管底端距封堵孔孔底距离为30m以下 。应用该结构进行注浆，注浆方式是替浆注浆，封孔浆体不能太稠， 否则替浆失败，注浆困难。由于稠度小的浆体收缩大，凝固后，由于 浆体的收缩，封孔深度不够，钻孔的密封性有一定局限。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术中存在的问题，提供一种煤矿井下高 压水力压裂封孔材料及封孔工艺，该封孔材料具有很高的抗压强度、 抗冲击韧性，收缩率低，同时成本低廉等特点，使用该材料进行封孔 时，能有效封堵钻孔裂隙圈内的裂隙以及钻孔孔壁与封孔材料的间隙 ，凝固后能有效抑制自身产生的微裂隙。本发明还涉及一种封孔工艺 ，应用该封孔材料进行封孔的工艺，解决了替浆注浆，浆液稀，收缩 大，封孔深度不够等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤矿井下高压水力压裂封孔材料，该封孔材料由下列组分组成， 各组分按重量配比如下：水泥100份、水60份、Ms型早强减水剂2~4份 、聚丙烯纤维0.08~0.5份（体积掺量0.1~0.6%）。

本发明所述的水泥、早强减水剂、聚丙烯纤维都是市场上可以购买到 的公知材料。另外，早强减水剂1元/kg，聚丙烯纤维20元/kg，早强减 水剂和聚丙烯纤维加量少，对封孔材料的成本影响很小。

所述材料的优选组分为：水泥100份、水60份、Ms型早强减水剂3份、 聚丙烯纤维0.5份。所述材料在制成浆体时，Ms早强减水剂是直接加入 拌合水中，聚丙烯纤维要先与水泥干拌，混合均匀后，再加入水中， 使其均匀的分布在浆体中。

所述早强减水剂为Ms型早强减水剂；所述的聚丙烯纤维为高强聚丙烯 束状单丝纤维，密度为0.91g/cm³。

一种煤矿井下高压水力压裂封孔工艺，包括以下顺序进行的步骤：

a在煤岩体上钻一孔径为75mm的压裂孔，施工至煤层顶板，用Φ94mm直 径的钻头扩孔至煤层底板。

b将压裂管送至钻孔孔底煤层顶板处，压裂管前段为筛管，筛管采用纱 布包裹50~100cm，防止封孔浆体回流堵塞压裂管；在筛管下端包裹并 捆绑棉纱，形成一个棉纱塞，用于塞住煤层底板煤岩体交界处的孔段 ，起到封堵封孔浆体及过滤水的作用。将注浆管送至靠近煤层底板处 ，返浆管终端设在孔口封堵段前段5~10cm位置处。

c在钻孔孔口采用AB胶加棉纱封堵，固结后，在孔口打入木塞。

d 由注浆管向钻孔内注入封孔材料，当浆体从返浆管外部管口流出时 ，关闭返浆管外部阀门，继续注浆，直至压裂管外部管口有水流出时 ，停止注浆；同时，放空注浆管内浆液。

e 待浆体凝固8小时后，进行二次注浆，当压裂管外部管口有水流出 时，停止注浆，并关闭注浆管上截止阀，固结24小时。

采用前述方案的本发明，由于筛管采用纱布包裹50-100cm，在筛管下 端包裹并捆绑棉纱，形成一个棉纱塞。在进行注浆封孔时，稠浆不会 进入筛孔段，保证压裂孔不会被堵塞，利于压裂的顺利进行。

优选的技术方案，孔口段用AB胶加棉纱封堵是用AB料浸透过的棉纱进 行封堵。采用注浆管送入煤层底板，由于浆体的收缩性，封孔深度不 够，一次注浆后，可进行二次注浆甚至多次注浆保障封孔的深度。返 浆管终端设在孔口封堵段前端，其目的是保障浆体是否流入到孔口封 堵段前端，然后逐渐上升至孔深部。

本发明具有如下有益效果：本发明的封孔材料从机理上分析外加剂和 外掺料对水泥浆的影响为基础。添加早强减水剂，使浆体的强度3d提 高40—50％，同时减小了浆体的收缩；添加聚丙烯纤维，不但能很好 地改善水泥石的韧性和抗冲击性能，还可以提高水泥浆的流变性，降 低失水量并延长稠化时间，纤维对水泥石性能具有增强效果，同时在 外载荷作用下，纤维与水泥石共同承受外载荷，尤其是水泥石开始起 裂时，能有效控制水泥石裂纹的延展和扩展，并能控制水泥石多点开 裂，保证水泥石的完整性。本发明的封孔工艺以封孔材料为基础，施 工简单，封孔深度满足施工要求，密封性好。

附图说明

图1是本发明的封孔工艺的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：封孔材料的成分为：水泥100份、水60份、早强减水剂2~4份 ，聚丙烯纤维0.08~0.5份（体积掺量0.1~0.6%）。

表1  封孔材料配比实验数据

实施例2：封孔材料的成分为：水泥100份、水60份、早强减水剂3份、 聚丙烯纤维0.08~0.5份（体积掺量0.1~0.6%）。

由表2中的第18组数据可以看出，早强减水剂掺量为3%，聚丙烯纤维体 积掺量为0.6%时，强度最大，收缩率最小。

表2  封孔材料最佳配比实验数据

上述方案中聚丙烯纤维属惰性材料，与Ms早强减水剂配伍，具有很好 的相容性，不影响浆体的其他性能，Ms早强减水剂直接加入拌合水中 ，聚丙烯纤维先与水泥干拌，混合均匀后，再加入水中，使其均匀的 分布在浆体中，不会堵塞管线等设备；聚丙烯纤维长度3 ~15mm，通 过选择不同长度的纤维可以提高了界 面的胶结质量，纤维在浆体中起到桥接作用，可以部分或者全部渗入 到钻孔周边裂隙，压裂时，阻止微裂纹的产生和扩张，同时阻止开裂 ，从而达到钻孔的高压密封性能。

以上的早强减水剂可采用现在市面上的Ms型早强减水剂，如重庆健杰 科技有限公司、四川国兴建材有限公司、重庆路恩建材厂等公司都有 生产销售。

实施例：封孔工艺，如图1所示，包括以下顺序进行的步骤：

a 在煤岩体上钻一孔径为75mm的钻孔，施工至煤层顶板，用Φ94mm直 径的钻头扩孔至煤层底板。

b将压裂管1送至钻孔孔底煤层顶板处，压裂管1前段为筛管6，筛管6采 用纱布包裹50~100cm长度，防止封孔浆体回流堵塞压裂管；在筛管6下 端包裹并捆绑棉纱，形成一个棉纱塞11，用于塞住煤层底板煤岩体交 界处的孔段，起到封堵封孔浆体10及过滤水的作用，将筛管6和压裂管 1连接，放入钻孔直至送至钻孔孔底。将注浆管2送至靠近煤层底板处 ，返浆管3终端设在孔口封堵段前段5~10cm位置处。

c 钻孔孔口段采用AB胶加棉纱4封堵，固结后，在孔口打入木塞5。 

d 由注浆管2向钻孔内注入封孔浆体10，当浆体从返浆管3外部管口流 出时，关闭返浆管外部截止阀8，继续注浆，直至压裂管1外部管口有 水流出时，停止注浆；同时，放空注浆管2内浆液。

e 待浆体10凝固8小时之后，进行二次注浆，当压裂管1外部管口有水 流出时，停止注浆，并关闭注浆管2上截止阀9，注浆完成后，固结24 小时。

采用前述方案的本发明，筛管采用纱布包裹50~100cm，防止封孔浆体 回流堵塞压裂管，在筛管下端包裹并捆绑棉纱，形成一个棉纱塞，用 于塞住煤层底板煤岩体交界处的孔段，起到封堵封孔浆体及过滤水的 作用。注浆封孔时，稠浆不会进入筛孔段，保证压裂孔不会被堵塞， 利于压裂的顺利进行。

优选的技术方案，孔口段用AB胶加棉纱封堵是用AB料浸透过的棉纱进 行封堵，所述固结时间是10min。采用注浆管深入到煤层底板，由于浆 体的收缩性，封孔深度不够，一次注浆后，可进行二次注浆甚至多次 注浆保障封孔的深度；返浆管设在孔口封堵段前端，其目的是保障浆 体流入到孔口封堵段前端然后逐渐上升至孔深部。