3相泡沫流体密封技术及其应用.pdf

第 2 O卷第 3期 1 9 9 5年 6月 煤 炭 学 报 J OURNAL OF CHI NA COAL S 0CI E TY V o 1 ． 2 O No ． 3 J L i ll e 1 9 9 5 A 3相泡沫流体 密封技术及 其应 用 固世寻 中国矿 业大学 ’ 摘 要应用表面物理化 学、 密封材料 学、渗流 力学等理论 ，在 实验 基础 上研 究 丁一种新型 流体密封技 术 3相 泡沫流体 密封技术． 研 究结果表 明 3相泡 沫流体可作为封堵 裂隙的介 质． 当 3相泡沫流体向 密封裂 隙处运移 时 ，泡 沫流体本 身所携 带的 固相 介质能不断地压 附在裂 隙面 上， 不断地减小裂隙宽度 ， 直至完全堵塞裂隙， 从而搏高丁裂隙的，密封性． 3相泡沫流体密封是 阔 ， 关键词泡沫流体、 ． 密封 裂隙 封孔技术 d ， ’而J ●一， ～1●一 ，f 在矿井瓦斯压力测定 、煤层瓦斯抽放 以及煤层 注水 工艺 中，如何减少泄橱 、提高钻孔的密封性是一 个十分重要的 问题．由于井 下钻孔周围的煤岩体强度较低 尤其在橙软的岩层和煤层 中 ，钻孔周 围往往 存在微裂隙．这种情况增加 了密封 的难度 ，使得单纯用 固体物封 孔时 ，往 往不能严密地封闭钻孔周边的 裂 隙，易 于泄漏 ，造成钻孔密 封性 差．1 9 7 9 1 9 8 2年间 ，周世 宁教 授研 究的 “ 胶 圈一 粘液封孔测定煤层瓦 斯压力技术” ，采用了固体封液体，液体封气体的密封技术，使钻孔密封性有了很大的提高．但是 ， 对于 裂隙发育的煤体 如卸压 区和煤质较软 的煤层 ，单纯采用粘 液封堵裂隙也有一定的 困难． 针对上述存在问题 ，本 文以表面物理 化学、密封材料学和渗流力学 为基础[ 1 叫 ‘ 一 ，探讨 了一种新型 流体密封技术 3相泡 沫流体密 封技 术． 认 为 3相泡 沫流体 可作为封堵间隙的介 质 ， 尤其是对于裂 隙发 育 的煤矿井下煤体 中的密封具有独特 的作用．这 种新 的密封技 术 ，具有广阔 的应用前景． 1 钻 孔密 封段 的密封 机 理及 其 3相泡 沫流 体 的 密封 作 用 目前 ，衡量流体密封性能好坏 的主要技术指标是泄漏量 寿命 和使用条件 ，因此泄橱量通常是密封 性的重要指标．在评定流体密封等级 时 ，可按 密封周边边长 B 一 D除以泄橱量 q来表示 ，即 q ／ B，或表示为 q B． 1 文献 [ 3 3用式 2 计算钻孔周边 流体的泄橱 量 ，即 q x D A ，， ph 。 1 1 ．5 ， 2 式 中，A pP ． --p ，即密封体 内、外压差 ；h为密封件 与钻孔壁间的缝隙 ； 为密封介 质的粘度 ；L为密 封件 的长度 ； 为密封件在钻孔 中的偏心率 ；D 为钻孔 直径 ． 比较式 1 与式 2 ，可得 密封 等级 为 一 芒 1 1 、 5 。 ． 3 本文 1 9 9 5 0 l _ 2 2收到 - 八五 国家科技攻蓑赍助项目． * * 舞世 忠等 ．艳诛 流体钻井 技术 ．北京石 油勘探 开发 科学 研究 院钻井 工艺研 究所 ，1 9 9 1 维普资讯 煤 炭 学 掇 1 9 9 5 年第2 0 卷 由式 3 可知 ，为了提高 密封等级 ，在 同样 的压差和密封体长度的情况下 ，关键在于提高密封介质 的粘度和减少缝隙宽度． 泡沫流体由于具有密度低、 粘度高、 体积膨胀率大和有一定的稳压作用等特性 ， 对于封堵 间隙具有独特 的作 用．但是 ，单纯 的泡沫流体 由于液膜薄 ，往往容易发生破裂 ，难于实现封堵 功能．为了发挥泡沫流体的长处， 克服其不足之处， 开发研究了 3 相 固相液相气相泡沫流体．该 流体是由压力气体通过微孔在含有固相介质的发泡液 中形成的一种特殊流体 ．当被密封部位产生泄漏 时 ，压力泡沫能将 附着在液 相泡 沫面 上的固相物质 自动 紧密地压 附在泄漏面上 ，形成稳 固的附着层 ，减 小泄漏缝隙 ，并 自动迅速 地将 泄漏处 加以密封 ， 形成拱状结构 ， 提高 了缝 隙密封性 能．3相泡沫流体的密 封作用是利用泡沫中所携带的固相介质封堵煤体中的裂隙，利用泡沫加粘液封堵其中的微裂晾，利用气 泡的稳定性进行 一定程度的稳压 ，从 而达到快速可靠封堵裂 隙的 目的，提高 了裂晾 的密封等级． 2 3 相泡沫流体组成及其封堵裂隙性能试验 2 ． 1 3相泡沫 流体 组成 3相泡沫流体是 由发泡剂 、 稳泡剂以及 固相填充剂组成 ， 其 中发泡剂是泡沫液 中的主要成分．衡量泡 沫性能 的参数主要有 发泡倍数、泡沫平 均直径 、泡 沫的尺寸分 布和粘度．选取 了 F B 3进行 试验 ，发泡 剂 的浓度为 4 ．单纯 的发泡剂所配制 的泡沫液所产 生的泡沫往往稳定性较差． 为了提高泡沫的稳定 时 间 ，需要在泡沫液中加入一定量的稳泡剂 ．对 稳泡剂的基本要求 是 提高 泡沫 的稳定时间 ，减小泡沫 的 尺寸分布范围和泡沫的平均直径．本试验采用的稳泡剂为 WP 1 ，稳泡剂浓度为 1 ．由于泡沫本身的刚 度低 ，难于 实现封堵裂晾 的功能 ，在泡沫液 中需加入一定量的固相填充剂． 由于这 些填充剂是靠泡沫液 膜 携带 ，要求所选 择的材料 密度 小、重量轻 ，且粒 径不能太 大．经 广泛 筛选 ，选取 S T1和 S T2组 成的 固 相填 充剂 ，其粒径2 mm． 2 ． 2 封堵裂隙性能试验。 实验流 程根据 实验要求 ，设计加工的封堵裂隙性能实验流程 ，如图 1所示． 图 1 封堵 裂隙性 能 实验流 程 Fi g． 1 Fo l w s he e t o t c r a c k s e a l i n g t e s t 实验过程高压气体流经气体 流 量控制阀 ，进入装满泡沫液的泡沫发 生器产生泡沫并携带一定量的固相介 质 ，经过泡沫流量控制 阀进入裂廉 模 拟装置进行封堵．其 中 ，裂 隙大小 可 调 ，最后经过裂晾模拟装置的泡沫进 入泡 沫接 收容器 ， 测定泄漏 量的大小． 实验结果 表 1 表 明，纯 泡沫液无法封堵裂 隙，大量 的泡沫 一到达裂 隙处就发生破裂 ， 无法封堵 裂 隙． 当密封液是 由 3相介质组成时 ，情况就发生 了显著的变化．含有 固相介 质的泡 沫流体 在向裂 隙运 移 过 程 中，把所携带 的固相介质压附在裂 隙的表面 ，使裂隙面逐渐减 小 ，直到完全堵 塞 ，达到密 封的 目的． 另一方面 ，所产生 的泡 沫平均 直径 应尽量小 ，泡 沫直径是保持 良好 的封孔状 态和携带足够 固相 介质 的必 要条 件．一般情况 下 ，泡沫平 均直径最 好应小于 2 mm． 2 ． 3 裂隙孔道形状对封堵性能的影响 为 了考查 孔道 形状 对 3相泡沫流体 封堵 性能的影响 ，分别进行 了 2种实验 ，即弯睦孔道和平直光滑 孔道的实验．实验结果如表 2 所示．从中可以看出在相同的条件下，弯曲孔道由于阻力较大 ，其封堵 能力要 比直孔道强 ，尤其是不光滑的弯 睦孔道 ，出现直角拆叠的弯曲孔道更 有可能发生封堵现象．此外 增加固相介质的粒径和孔道表面的粗糙度也易于发生封堵现象，这种情况说明，为了提高裂隙孔道的密 封性 ，改变裂隙孔道 的分布和裂 隙面 的粗糙度也是一种可供选择的方法． 维普资讯 第 3期 林柏泉等 3相泡沫流体密封技术及其应用 2 4 7 3 钻孔模拟封孔实验 实验装置根据实验要求，建立了钻孔模拟封孔实验流程 ，如图 2所示．整个流程主要由 3 部分组 成 ，即泡沫发生器、封 孔器和模拟 钻孔． 。 实验过程如图 2 中箭头方向所示 ，高压气体流经气体流量控制阀，进入装满泡沫藏的泡沫发生器 产生泡沫， 携带一定量的固相填充剂流经泡沫流量控制阀， 进入封孔器， 最后进入模拟钻孔中进行封孔． 图 2 钻 孔模 拟封 孔 实验流 程 Fi g． 2 F | o ws h e e t o f b o r e h o l e s e a l i n g s i mu l a t i o n t e s t 模拟封孔实验为了检验 3 相泡 沫流体在钻孔封孔中的密封性能，在 实验室模拟钻孔中进行了模拟封孔实 验，实验结果如表 3所示．从中可以 看出 模拟钻孔中的封孔实验 和裂 晾 封堵性 能实 验结 果基本 上是一 致的 ， 即单纯泡沫流体在有裂隙的情况 下无 法封住承压气体， 封堵裂隙主要靠固相介质．当 3 相泡沫流体的密封压力提高时，开始有泡沫泄漏现象， 随后则逐渐减少 ， 一般在 4 0 mi n内就可停止 泄漏 ， 并使 3相泡沫流体 的密封压力保 持基本稳定． 另外 ， 为 了保证封孔的顺利进行 ，必须确保输送管路的畅通 ，尤其应注意直角弯曲接头、阀门连接处等，以免发 生堵塞 ，影响密封效果． 4 现场封孔测试结果及分析 在井下煤体中封孔难度太的原固就在于煤体裂隙发育，具体表现在煤体内部的气体可以通过如下途 维普资讯 煤 炭 学 报 1 9 9 5 年第2 0 卷 径泄漏 1 通过巷道的卸压圈和裂隙而产生的泄漏} 2 通过钻孔密封段的煤体 向外泄漏； 3 通过 钻孔周边的裂隙和封孔材 料之问的微裂 隙向外泄漏 ． 衰 3 模拟封孔实验结果汇总 T a b l e 3 A s mn m a D f s i m u l a t i o n b o r e bo l e s e a l i n g t e s t 衰 _ 现蜗测定结果汇总 Ta b l e 4 A s №m ， o f t e t d t e s t s 瓦斯 ／ M 压力 P , M 气 Pa等 0 警 备 号 罹 瓦一 力 施 一气 P a性z d／ M P s ／ raz M p a 卜 1 蓍警 备注 号 罹 ／m 2 d 措施 1 5 0 ． 1 0 有 9 5 0 ． 4 4 1 3 ． 6 4 无 2 5 钆 2 9 有 1 0 s o l 5 O ． 8 5 2 3 5 0 ． 2 4 1 2 4 有 1 1 5 0 4 6 3 ． 1 5 无 s s 9 - 1 2 Xl O - z 1 2 5 0 1 5 3 ． 2 4 有 5 8 0 ． 5 1 1 4 4 无 1 3 5 0 ． 2 2 2 ． 8 6 有 6 0 ． s 6 无 I 4 5 0 ． s 5 4 ． 7 9 有 7 5 0 ． 4 5 1 ． 2 8 7 无 1 5 5 0 ． 2 2 8 ． } 3 有 8 5 0 ． 4 8 0 ． 2 2 9 无 注1 ～6 号孔为焦作矿务局焦西矿 4 2 0 8 1阿 巷测试结果 I 7 ～1 5号孔为平顶山矿务局五矿 2 Z 1 8 0 切眼穗试结果 一 图 3瓦斯 压力 P随时 间 t 变 化 曲线 Fi g ． 3 Va r i a t i o n o f g a s p r e s s u r e wi t h t h e t i me Nm a ～5 钻孔号 由于存在上述 3 种方式的泄漏，就使得煤体中的封孔要 难于一般的机械封孔． 为了检验 3相泡沫流体的密封性能 ， 选 择了封孔难度大的煤矿井下卸压区瓦斯压力测定中的封孔， 进行现场工业性试验．试验地点分别为河南焦作矿务局焦西 矿 4 2 0 8 1回风巷和平顶 山矿务 局五矿 2 2 1 8 0切 眼．测 压钻孔 沿煤层钻进，电煤钻打眼， 钻孔直径 5 4 mm， 钻孔长度 5 ～ 8 m-选择裂隙发育的卸压带进行封孔 ，封孔位置在 3 ～5 m 处．测定煤体中的残余瓦斯压力，结果如表 4 所示．测定过 程中瓦斯压力变化曲线如图 3 所示． 现场测试结果表明 3 相泡沫流体能够快速封住钻孔 ， 一 般在 4 0 r a i n内即可达到预定要求．由于封孔迅速， 钻孔中瓦 斯排放量少 ，所以一般在 1 ． 5 h内就能溯出煤巷前方 5 m左 右范围内的瓦斯压力， 大大缩短了煤层瓦斯压力测定时间， 提 高了封孔质量．尤其是对 于煤矿井下裂隙发育煤体，采用 固液气 3相泡沫流体进行封孔 ， 能够达到理想的结果。 维普资讯 第 3期 林柏 泉等 3 相 泡 沫流体 密封技 术 及其 应用 2 4 9 5 结 论 1 造成密封段泄漏 的主要原 因是密封面上存在 间隙或 裂隙，密封段两倒有压力差 ，密封技术所要 解决的问题就是消除或减少泄漏 ．3 相泡沫流体具有很好的密封裂隙的性能，是一种有发展前途的柔性 密封新技术 ． 2 3相泡沫流体 的密封主要是依靠泡沫流体所携带的 固相介质 ， 在 向裂 隙面运移 中不 断压 附在泄漏 裂隙面上，直至完全密封来实现 ．因此，其密封效果取决于所携带的固相介质的多少和压附在裂隙面上 的效果，此外，不 同的裂隙孔道形状和裂隙面粗糙度对封堵效果也会产生影响 ． 参考文献 1 亚 当森 A w 著 ．表 面物理 化学 ．北 京 科学 出版社 1 9 8 5 2 彼 雷 B A 著 ．密封 系统材 料学 导论 ．北 京 机 械工 业 出版社 ．1 9 9 0 ． 5 2 5 4 3 林柏泉 ． 3相泡沫体密封技术及其在煤和瓦斯突出预测 中的应用[ 学位论文]．徐州 中国矿业大学 ，1 9 9 2 作者简介 林柏 泉 ．男 ，3 5岁 ，副教 授 ．1 9 9 2 年 于 中国矿 业大 学 获博士 学位 ．主要 从事安 全技 术及 工程和 相关 学科 方面 的研 究 工作 ．在国内外有关刊物上发表论文 2 o多篇 ．江苏省徐I I I 市中国矿业大学采矿系 ．邮政编码 2 2 1 0 0 8 ． 周世宁 ，男 ．6 O岁，教授 ，博士生导师 ．全国 五一 劳动奖章获得者，江苏省政协委员 ．主要从事安全技术及工 程和 相关学 科 方 面的研 究工作 ．曾获多项 国家 级 、 省部 级 科研 奖 ．在 有关 刊物 上发表 论文 5 O多篇 ．江苏 省撩 I I I 市 中 国矿 业大学采矿系 ，邮政编码 2 2 1 0 0 8 ． S E AL I NG TE CHNI QUE oF T HREE PHAS E F OAMI NG F L UI D AND I TS APPLI CATI oN L i n Ba i q u a n Zh o u s h i ni n g Chi n a U积 M i i n g 4积 Te c h n o l o g y Ab s t r a c t Ba s e d o n s u r f a c e p h y s i c o c h e mi s t r y． me c h a ni c s o f s e a l i n g ma t e r i a l s a n d o s mo t i c flu i d me - c he n i c s， a n e ；v s e a l i n g t e c h n i q u e--t h r e e p h a s e f o a mi ng f l i u d wa s d e v e l op e d i n l a b o r a t o r y ．Th e ma t e r i a l c a n b e u s e d a s a me d i u m f o r s e a l i n g c r a c k s ．W h e n t h e fli u d mov e s t o t he c r a c k， t h e s o l i d med i u m c a r r i e d h v t h e flu i d c a n h e a p p l i e d c o nt i n u o u s l y t o t h e s ur f a c e o f t h e c r a c k a n d r e d u c e s t h e wi d t h o f t h e c x a c k u n t i l i t i s f u l l y s e a l e d． Th u s t h e s e a l i n g a bi l i t y o f t he c r a c k i s g r e a t l y e n h a n c ed ． I t i s a n e w s o f t s e a l i n g t e c h n o l o g y ， wh i c h wi l l h a v e a h r o a d p r o s p e c t ． Ke y wo r d s f o a mi n g f l u i d，s e a l i n g，c r a c k s a n d f i s s u r e s ，h o r e h o l e s e a l i n g t e c h n i q u e 维普资讯