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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 本发明具体通过以下技术方案实现：
[0007] 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：
[0008] 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；
[0009] 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;
[0010] 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 楽过程；
[0011] 4)扩孔：在步骤⑴钻孔地点，打同心圆孔，钻孔长度至煤层或顶板地点。
[0012] 5)封孔：采用三段封孔工艺，利用水泥浆进行封孔。
[0013] 步骤⑴中孔深大于所在空间沿钻孔方向宽度的5倍。
[0014] 步骤（4)同心圆孔直径为步骤（1)钻孔直径的90%。
[0015] 步骤（5)具体为在步骤⑷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。
[0016] 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。
[0017] 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】
[0018] 图1是本发明实施例注浆封孔法示意图。
【具体实施方式】
[0019] 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。 [00 20] 实施例1
[0021] 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：
[0022] 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）。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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：
[0027] 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。
[0028] 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l-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。
[0029] 实施例2
[0030] 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 煤层底板岩巷一9134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#。
[0031] 2、钻孔设计：
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 3、封孔工艺：
[0036] 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。
[0037] 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
[0038] 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。
[0039] 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 l_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。
[0040] 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。
[0041] 封孔钢管的选择：根据钻孔直径，本次封孔钢管选用外径〇42mm，内径〇36mm的 无缝钢管，每根2. 4米左右，钢管采用标准管扣连接。
[0042] 封孔要求：各段封孔时间间隔要严格控制。
[0043] 注浆设备的选择：采用注浆泵。
[0044] 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。
[0045] 4、压裂实施
[0046] 1)压裂泵选择（和专利要求不大吧，是不是可以去掉）
[0047] a?破裂压力
[0048] 破裂压力的确定依据公式：
[0049] pf= K(p !+p2+p3)
[0050] 其中：K--不均衡系数，取1. 0~1. 5 ;
[0051] pf--为破裂压力，MPa;
【主权项】
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⑷同心圆孔直径为步骤⑴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⑷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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】E21B33-13, E21B7-28, E21B7-20
【公开号】CN104775787
【申请号】CN201510089649
【发明人】孙光中, 田坤云, 王公忠, 张惠聚, 郭兵兵
【申请人】河南工程学院
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年2月27日