寺家庄矿井下钻孔水力压裂参数优化.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 季长江 指导教师 苏现波 教授 学位类别 工学硕士 专业名称 矿产普查与勘探 研究方向 瓦斯地质与煤层气勘探开发 河南理工大学资源环境学院河南理工大学资源环境学院 二二○一二年六月一二年六月 寺家庄矿井下钻寺家庄矿井下钻孔水力压裂参数优化孔水力压裂参数优化 寺寺 家家 庄庄 矿矿 井井 下下 钻钻 孔孔 水水 力力 压压 裂裂 参参 数数 优优 化化 季季 长长 江江 河河 南南 理理 工工 大大 学学 万方数据 中图分类号中图分类号P618 密密 级级公开公开 UDC550 单位代码单位代码10460 寺家庄矿井下钻孔水力压裂参数优化寺家庄矿井下钻孔水力压裂参数优化 The Hydraulic Fracturing Parameters Optimization of Underground Borehole in Sijiazhuang Coalmine 申请人姓名申请人姓名 季长江季长江 学位类别学位类别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 矿产普查与勘探矿产普查与勘探 研究方向研究方向 瓦斯地质与瓦斯地质与 煤层气勘探开发煤层气勘探开发 导师导师 苏现波苏现波 职称职称 教授教授 提交日期提交日期 2012.04 答辩日期答辩日期 2012.06 河南理工大学 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文 寺家庄矿井下钻孔水力压裂参数优化 ，是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢 的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对 本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采 用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版 本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致 谢 在硕士研究生学习期间，导师苏现波教授严谨的治学态度、灵活的科研思维 给了我很大的启迪， 使我受益匪浅， 在生活上， 也给了我无微不至的关怀和帮助， 在此，向苏老师表示由衷的感谢。同时，在论文完成的过程中，还得到了蔺海晓 博士、郭红玉副教授、倪小明副教授、宋金星老师、刘晓老师的指导，在此一并 表示感谢。还要感谢同门师兄弟魏庆喜、李广生、杨程涛、陈俊辉、徐涛、王正 伟、吴昱、陈鹏等硕士在资料收集和数据统计分析等方面的帮助。 感谢父母这么多年来对我的辛勤培养， 他们无微不至的关怀和背后默默的支 持是我前进的最大动力，这种恩情我将终身难忘 最后，向文中引用到其学术论著和研究成果的前辈与同行们致谢 万方数据 I 摘 要 水力压裂工艺作为一种重要的增透技术，已经在地面煤层气的开发中得到了 广泛的应用。将地面水力压裂技术移植到井下，可以增大抽采钻孔间距、提高瓦 斯抽采浓度，达到安全、高效开采煤炭的目的。地面水力压裂设备、施工场地等 与井下压裂设备、施工场地等的差异性，决定了照搬地面煤层气井压裂工艺进行 井下水力压裂的局限性和盲目性。因此，针对井下煤层特点和施工场地等条件的 独特性，研究出与之相匹配的井下钻孔水力压裂参数优化方法是亟待解决的难题。 本文根据地质强度因子（GSI）及煤体结构特点，分析得出基于 GSI 的煤体结 构定量表征方法；用此方法，结合寺家庄矿地质演化史，对 15 号煤层的煤体结构 进行了定量划分；对不同 GSI 煤体所适用的压裂工艺进行了分类，GSI45 适用于 本煤层顺层钻孔和穿层压裂，局部 GSI 45 to fracture. The pseudo-reservoir boreholes are adoptted to the GSI 45 GSI 100米 图图 2-3 寺家庄寺家庄矿矿综合柱状图综合柱状图 Fig.2-3 The synthesis column map of Si Jiazhuang mine 太原组厚为 90.3143.8 m，平均约为 111.33 m，由深灰、灰黑色砂质泥岩、石 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 20 灰岩、泥岩和灰色砂岩组成。共 12 层煤层，其中可采的有 4 层，为本区主要含煤 地层。按岩性与岩相的不同可分为上、下两段，下段从 K1砂岩底部到 K4灰岩顶 部，厚约 80 m，包括 11 号、12 号、13 号、14 号、14下、15 号、16 号共 7 层煤， 15 号煤层全井田稳定可采，煤厚 4.076.90 m，平均厚度为 5.53 m，其它煤层基本 无开采价值；上段从 K4顶部到 K7底部，厚约 35 m，包括的岩性有灰、深灰、灰 黑色泥岩、砂岩及浅灰色细砂岩和中～粗砂岩，包括 8 号和 9 号两个煤组共 6 层 煤，其中具有开采价值的 81、84、9 号煤层。 山西组地层厚 42.60～75.50 m，平均厚度约 61 m。主要由灰黑色泥岩、浅灰 色铝质泥岩、砂质泥岩及中～粗粒砂岩组成。共有 6 层煤，其中 3、6 号厚度到达 可采的要求，但范围很小，且分布零散，该组的 6 层煤均不可采。 2.3 瓦斯赋存特征 经实验测试，寺家庄矿各煤层基础参数如表 2-1. 表表 2-1 瓦斯基础参数测定结果瓦斯基础参数测定结果 Tab.2-1 The determination results of the gas basic parameters 煤层 密度 r （t/m） 孔隙率 π（） 瓦斯压 力 Mpa 吸附常数 工业分析 瓦 斯 含 量 m3/t A b Mad Aad Vdaf 8 1.44 5.05 2.20 34.552 1.258 1.92 13.7 10.3 13.58 9 1.39 4.01 1.60 30.423 1.319 2.42 10.39 8.52 10.29 12 1.46 2.96 0.25 29.601 1.214 1.38 5.97 8.81 5.73 15 1.48 3.01 0.60 41.068 1.352 0.81 14.51 9.23 11.22 对寺家庄矿 15 号煤层进行瓦斯含量测试， 采用 MG–Ⅱ型密封罐采集样本， 用 FHJ–2 型野外解吸仪进行现场解吸， 测定瓦斯解吸量和损失量， 并将样品送实验室 测定残存瓦斯含量及自然瓦斯成分，并计算总瓦斯含量，具体见表 2-2。 表表 2-2 15煤层瓦斯含量测定结果煤层瓦斯含量测定结果 Tab.2-2 The methane content measured results of the 15 coal seam 采样地点 数据来源 瓦斯含量（m3/t）可燃基 寺家庄 15108 回风顺槽付巷 220m 处 实测 11.27 寺家庄 15108 进风顺槽正巷 270m 处 实测 6.13 寺家庄 15108 行人顺槽 130m 处 实测 9.38 寺家庄 15108 进风顺槽付巷 210m 处 实测 9.09 寺家庄 15201 开七队掘进头 实测 13.80 寺家庄 15201 回风顺槽左帮（距切眼 300m） 实测 13.55 寺家庄 15201 回风顺槽切眼掘进头 实测 15.63 万方数据 2 寺家庄井田瓦斯地质特征 21 由井田勘探采样测试 15 号煤层瓦斯成分如表 2-3 所示。 表表 2-3 15煤层瓦斯含量与成分煤层瓦斯含量与成分 Tab.2-3 The methane content and components of the 15 coal seam 煤层号 样品 个数 煤层自然瓦斯成份 CH4 CO2 N2 最小最大 平均 最小最大 平均 最小最大 平均 15 14 40.9297.38 67.24 2.019.82 7.08 0.6184.67 42.64 15 号煤层其他已测试的瓦斯参数如表 2-4 所示。 表表 2-4 15煤层其他相关参数煤层其他相关参数 Tab.2-4 Other relevant parameters of 15 coal seam 煤层 坚固性系数 f 瓦斯放散初速 度 ΔP 突出危险性 综合指标 K 煤层透气性系数 （m2/Mpa2d） 百米钻孔自然瓦斯 流量衰减系数（d-1） 15 0.21 9.10 43.34 0.175 0.0417 从实测瓦斯含量可以看出，寺家庄瓦斯含量较大，为突出危险性矿井，瓦斯 成分以甲烷为主，具有很大的开发潜能。 万方数据 3 基于 GSI 的煤体结构划分 23 3 基于 GSI 的煤体结构划分 水力压裂是通过人为加压，达到改造煤体结构的目的，从而提高煤体的渗透 率。煤体结构的不均一性及由此引发的“可否压裂”性，决定了水力压裂具有一 定的适用性。本章从煤体变形引起的煤体结构不同入手，并结合寺家庄矿 15 号煤 层煤体结构空间展布情况对寺家庄矿不同地点的水力压裂进行可行性分析。 3.1 基于 GSI 的煤体结构定量表征 煤岩体在经历多期次的构造运动后，会发生不同程度的煤体变形，煤体变形 会导致煤体结构发生变化。以前将煤体结构简单划分为四类（焦作工学院瓦斯地 质研究室） ，即原生结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构。不同煤体结构具有不 同的煤岩力学性质，力学性质的不同将直接影响到水力压裂过程中各种施工参数 的确定。而对于具有相同煤体结构的煤层，其结构面（裂隙）发育程度也差别较 大。如同属于碎裂煤结构，焦煤的割理系统相对发育；而对于高级无烟煤由于其 割理或闭合或被矿物充填，导致两者裂隙系统发育程度差别较大。所以，以前的 煤体结构分类方法还存在一定的不足，界限划分也相对模糊，只是从煤体强度和 完整程度进行了区分，并没有将煤体的裂隙发育程度作为主要的划分依据，特别 是微裂隙发育情况。所以本文以岩体地质强度因子（GSI）理论的定量表征方法为 基础，综合考虑煤体结构及其结构面特征，对煤体结构划分进行定量表征。 煤体中被裂隙系统切割的基质单元与岩体 GSI 分类体系中岩体中的岩块相对 应，两者在本质上是相同的，煤层由于埋藏在其他岩层之下，在由构造应力引起 的变形过程中遭到的风化极少。所以，在 GSI 分类体系中用于描述岩体表面结构 特征的风化情况，不能被用来描述煤体的表面结构状况。文中采用裂隙宽度和裂 隙充填状况来替代传统 GSI 图表中的结构面风化情况。 在煤体变形逐步过渡的基础上，结合岩体 GSI 的分类方法，对原生结构煤、 碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤进行定量的精细描述如表 3-1 所示。由表可知，相同的煤 体结构在结构面（裂隙）发育程度上有较大的差异。这里在 GSI 的理论基础上， 结合煤体结构类型及煤体结构面发育情况进行了综合考虑，对煤体结构进行了精 细定量赋值。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 24 3.2 寺家庄矿区地质演化背景 寺家庄矿区位于沁水盆地东北缘，寒武纪至中奥陶世，沁水盆地地壳开始缓 慢沉降，形成的地层主要以碳酸盐沉积为主；中奥陶后，华北断块在加里东运动 下持续上升，导致该区地层遭受长时间的剥蚀；中石炭世，该区又一次发生沉降， 含煤地层在石炭二叠纪得到了持续的沉积，该时期是全区主要的成煤阶段；石炭 二叠纪已沉积的煤层在三叠纪地层的持续沉积下遭到深埋，煤层在高温、高压环 境下开始进行深成变质；印支运动再一次将沁水盆地所在地壳整体抬升，导致地 表表 3-1 修正量化的修正量化的煤体煤体 GSI 表表 Tab.3-1 The modified quantitative GSI chart for coal 注表中斜线上的数值即为 GSI 取值，“N/A”表示在这个范围内不适用。 万方数据 3 基于 GSI 的煤体结构划分 25 层又一次遭受到大范围的剥蚀；发生在早、中侏罗世的燕山运动，形成了北部为 孟县隆起，南端为中条山，东为太行山，西为吕梁山的沁水盆地。发生在第三纪 的喜山运动将沁水盆地分为西山煤田、沁水煤田和霍西煤田三部分。 3.3 寺家庄矿区煤体结构展布 寺家庄矿区就位于沁水煤田的东北边缘，在华北断块吕梁太行断块沁水块 拗武乡昔阳北北东向褶带东部边缘（如图3-1） ，总体上呈一东高西低的单斜，在 单斜的基础上发育的次级褶曲，由背、向斜相间组成，轴向为NNE向，与地层走 向一致，背向斜两翼倾角为5 ～20 。由于本区一系列的褶曲变形，所以寺家庄矿 区煤层主要发育褶皱构造，断层发育较少，整体构造类型中等。褶皱两翼煤体结 构比较完整，一般为原生结构或碎裂结构，而褶皱轴部煤体破坏程度较大，局部 变形强烈成碎粒煤，在褶皱轴叠加部位甚至变为糜棱煤。 图图 3-1 沁水盆地构造地质略图沁水盆地构造地质略图 Fig.3-1 The geological structure sketch map of Qin Shui basin 在井下观察寺家庄 15 号煤层煤体结构情况可分为两种 第一种为距顶板 0.5 m 左右，有一层厚约 0.3 m 的软分层，该层内为煤体结构破坏较为严重的碎粒煤，结 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 26 合表 3-1 其 GSI 为 3045 之间， 其他的为原生结构煤或碎裂煤 GSI 在 5085 之间， 在垂向剖面上形成硬软硬的“三层结构”（图 3-2 a） ；第二种是整个剖面发育构 造软煤（图 3-2 b） ，该类煤多位于褶皱的叠加部位，由多次构造运动形成，煤体破 碎严重，但范围很小，GSI 在 2035 之间。 a b 图图 3-2 巷道素描图巷道素描图 Fig.3-2 The Sketch map of roadway 第一种情况分布于 15201、15203、15112 大部分区域、15104 大部分区域及 15108 大部分区域；第二种情况分布于 15104 中部局部区域、15112 北端局部区域 及 15108 中部的局部区域。 从煤层底板等高线 （图 3-3） 上可以看出， 15201、 15203、 15112 大部分区域、15104 大部分区域及 15108 的大部分区域等高线较为平缓，构 造不发育，因此煤层破坏程度不大；15104 中部、15112 北端和 15108 中部的局部 区域等高线较密，褶皱相对发育，煤体破坏会较为严重。 3.4 寺家庄矿不同 GSI 的煤体压裂工艺选择 不同的煤体结构，适宜的压裂工艺不相同。对于 GSI45 的煤体，由于煤体受 破坏程度低，原始裂隙保存较为完整，适合于本煤层顺层钻孔和穿层钻孔进行压 裂增透。而对于 GSI σy或 σz σx σy这两种情况下压裂，会产生垂直裂缝； 而当 σx σy σz时，产生水平裂缝；若 σx σy ≈ σz，则既可能产生水平裂缝也可能 产生垂直裂缝。因此，在水力压裂过程中裂缝的延伸方向受水平应力与垂直应力 相对大小的共同控制，在现场施工条件允许的情况下，最优的压裂孔布置方位是 垂直于最大主应力方向。 （2）裂隙方位 钻孔方位与裂隙方向的夹角是影响压裂半径的又一个关键因素，为使压裂半 径足够大，避免煤壁出水，要考虑裂隙与钻孔方向的几何关系，压裂半径与裂隙 方向的几何图形如图4-8所示。理想的钻孔方位是尽量与裂隙方向垂直，以达到较 大的压裂半径。 万方数据 4 井下钻孔工水力压裂工艺参数优化 35 θ 钻孔 裂 隙 l 封 孔 长 度 裂缝半长 r 封孔位置 图图 4-8 钻孔方位与裂隙几何钻孔方位与裂隙几何关系关系 Fig.4-8 Geometric relationship between the borehole position and the fracture 经现场实地测量，寺家庄矿裂隙发育情况如下表4-2所示 表表 4-2 实测裂隙实测裂隙方位方位统计表统计表 Tab.4-2 The testing results of the fracture position 第 1 组 304 第 5 组 337 第 9 组 54 第 2 组 257 第 6 组 347 第 10 组 342 286 43 346 第 3 组 160 第 7 组 33 第 11 组 53 第 4 组 27 第 8 组 313 第 12 组 342 由表 4-2 分析得知，寺家庄 15 号煤裂隙发育的主要方向为西北方向，所以在 进行钻孔布设时，在巷道施工条件允许的情况下，尽量使钻孔的方向垂直于西北 方向，可以使压裂半径最大化。 综上所述，为了使水力压裂半径最大化，取得理想的压裂效果，压裂钻孔的 方位是由应力场和裂隙场相耦合决定的，在现场施工条件允许的情况下，尽量使 钻孔的方位与最大主应力方向垂直，同时还要保证与主裂隙方位垂直。 4.2 封孔方案优化 钻孔施工完毕后，采用经济高效的封孔工艺将压裂孔封住，达到压裂施工的 要求，对压裂具有重要的意义。若想使井下钻孔水力压裂技术得到广泛应用与推 广，必须对各种封孔方案进行经济性优化，从而降低井下钻孔水力压裂的整体施 工成本。同时，若要达到煤体破裂所需的额定压力，首先要求压裂孔能够提供一 定长度的封闭空间，使压力得到聚积；其次压裂孔的封孔必须具有一定的长度才 能保证在压裂时封孔段不被高压水顶出，导致压裂失败。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 36 4.2.1 封孔工艺 封孔工艺的选择不仅决定了压裂孔能否封的住，还影响着压裂施工的整体经 济成本，所以对封孔工艺的研究与优化对提高封孔质量和降低压裂成本具有重要 的意义。当前钻孔的封孔工艺主要有两类即封隔器封孔和浆液式封孔。 （1）封隔器封孔 封隔器的样式较多，按其封孔原理可划分为水力膨胀式和摩擦式两类，在摩 擦式封隔器中，螺旋式摩擦封隔器和串球式摩擦封隔器较为常见，螺旋式摩擦封 隔器结构如图 4-9 所示。 1 2 3 1手柄2螺母3橡胶膨胀体 图图 4-9 螺旋式螺旋式封隔器封隔器结构简图结构简图[109] Fig.4-9 The structure diagram of the spiral-type packer[109] 螺旋式封隔器的工作原理是在手柄 1 和螺母 2 的共同作用下， 使橡胶膨胀体 3 发生轴向压缩，在径向上膨胀，从而达到封孔的目的。 串球式摩擦封隔器结构简图如图 4-10 所示。 1 234 1进液管2橡胶膨胀体3挡圈4出液管 图图 4-10 串球式串球式封隔器封隔器结构简图结构简图[109] Fig.4-10 The structure diagram of the string ball type packer[109] 串球式摩擦封隔器的工作原理也是由机械作用对橡胶膨胀体进行压缩，使串 球膨胀，达到封孔的目的。串球式摩擦封隔器的膨胀系数稍大于螺旋式摩擦封隔 器，但总体来看，摩擦式封隔器的膨胀系数还是不足，满足不了井下钻孔水力压 裂封孔的需求。 水力膨胀式封隔器膨胀系数较大，且操作较为轻便，可重复利用率较高，能 满足井下钻孔水力压裂的封孔需求，水力膨胀式封隔器结构简图如图 4-11 所示。 万方数据 4 井下钻孔工水力压裂工艺参数优化 37 1234 5 1喷头2弹簧3单向阀4钢丝膨胀管5快速接头 图图 4-11 水力膨胀式水力膨胀式封隔器封隔器结构简图结构简图[109] Fig.4-11 The structure diagram of the hydraulic expansion type packer[109] 水力膨胀式封隔器封孔原理是当高压水刚进入封隔器内，单向阀保持关闭， 随着高压水的不断注入，钢丝膨胀管逐渐膨胀，此时封隔器开始封孔，当水压继 续升高达到单向阀的启动压力时，单向阀开启，高压水从喷头喷出。 封隔器的膨胀系数决定了其能否封得住钻孔，寺家庄目前所采用的钻头直径 一般为85 mm， 钻孔的成孔直径一般为100110 mm， 根据膨胀系数的计算公式4-5， 按照最大膨胀直径为 110 mm， 经计算与 85 mm 钻头匹配的封隔器的膨胀系数不能 小于 29。 100 /kDDD （4-5） k膨胀系数；D1膨胀后直径，mm；D0初始直径，mm。 水力膨胀式封隔器单向阀的开启压力可以按要求进行调整改进，其开启压力 公式如下 0 psk aa （4-6） p开启压力，MPa；s单向阀有效作用面积，m2；k弹簧刚度；a弹簧压 缩量；a0弹簧预压缩量。 综合对比市场现有的封隔器，河南平顶山生产的一种水力膨胀式封隔器（图 4-12） ，其膨胀系数达 30。 图图 4-12 水力膨胀式水力膨胀式封隔器封隔器（平顶山生产）（平顶山生产） Fig.4-12 The structure diagram of the hydraulic expansion type packermade in Ping Dingshan 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 38 由于寺家庄矿煤体强度相对较软，在本煤层顺层钻孔打钻过程中，扩孔、塌 孔现象较为严重， 用 74 mm 直径的钻头打钻， 成孔后孔口处最大直径可达 120 mm。 施工完毕后用平顶山产的封隔器封孔，封孔效果不理想，封隔器曾发生爆裂，较 适合在穿层钻孔中封孔。但其单向阀开启压力过高，封隔器长达 10 m，较为笨重， 封孔过程中很难将其推进钻孔，其价格也相对较贵。为此河南理工大学自主研制 一种较为轻巧、价格较为经济可行、膨胀系数高（达 41）且开启压力较小的一 种新型封隔器（图 4-13） ，经过多次试验，河南理工大学研制的封隔器取得了理想 的封孔效果。两种封隔器的具体参数如表 4-3 所示。 图图 4-13 水力膨胀式水力膨胀式封隔器封隔器（河南理工大学生产）（河南理工大学生产） Fig.4-13 The structure diagram of the hydraulic expansion type packermade by Henan Polytechnic Univerdity 表表 4-3 水力膨胀式水力膨胀式封隔器封隔器参数表参数表 Tab.4-3 The parameters of the hydraulic expansion type packer 厂家 河南平顶山 河南理工大学 内径（mm） 37.538.4 26 外径（mm） 78.580 85 工作压力Mpa 33 150 最小爆破压力Mpa 45 60 膨胀后外径（mm） 102 2 120 启动压力Mpa 67 2 内管壁厚（mm） 3.5 0.1 6 钢丝增强层外层（mm） 66.6 0.4 20 长度（m） 10 1.8 由上表对比可知，河南理工大学研制的封隔器具有启动压力低、膨胀系数高、 体积小、抗压能力强等优点，也较为经济，适合井下钻孔水力压裂封孔。 （2）浆液封孔 穿层孔或硬煤较为发育的顺层孔，钻孔扩孔、塌孔现象较少，成孔较为规则， 用水力膨胀式封隔器可以取得理想的封孔效果。但在局部软煤相对发育的位置， 顺层孔的扩孔较为明显，成孔也很不规则，多为椭圆状，采用水力膨胀式封隔器 封孔很容易造成封隔器的爆裂。在此情况下采用浆液封孔可以避免该问题的出现。 浆液式封孔所用的材料主要分为有机材料和无机材料（主要为水泥）两大类。 目前市场上有机封孔材料名称繁多，但其主要成分基本相同，多为树脂类化 万方数据 4 井下钻孔工水力压裂工艺参数优化 39 合物，如固安特、波雷音、聚氨酯和美固 364 等。但水力压裂要求封孔材料必须 有较高的抗压强度，一般要高于 40 MPa，且对封孔液的安全性、反应时间等都有 特殊的要求。 首先，由于在煤层中进行封孔，化学浆在煤层内的反应温度不宜过高，避免 引起煤层自燃和瓦斯爆炸等危害。其次化学浆的凝固时间不能过快，不然在注浆 过程中就出现凝固，导致达不到设计的封孔长度。最后，为了能大面积推广井下 钻孔水力压裂，封孔的成本必须经济、可行。在寺家庄水力压裂施工过程中，分 别对固安特、 波雷音和美固 364 等化学材料的相关参数进行了考察， 如表 4-4 所示。 表表 4-4 化学浆封孔材料参数表化学浆封孔材料参数表 Tab.4-4 The parameters of the chemical pulp materials for sealing 材料名称 产地 开始反应时间s 抗压强度MPa 膨胀系数 美固 364 北京 90 30 40 1 波雷音 河北邢台 1045 50 23 固安特 山东青岛 40 10 55 1.22 在综合考虑施工的安全性、反应时间和抗压强度等因素后，选择山东青岛新 宇田化工有限公司的固安特材料，在寺家庄矿 15201 回风顺槽距切巷约 70 m 左帮 的压裂孔进行了封孔和压裂试验，压裂过程中在钻孔附近有三个位置出水。分析 其原因可能是固安特开始反应时间过快，在封孔时没能充分地流入煤层裂隙，将 裂隙堵死，导致在压裂时高压水从裂隙中涌出。 化学浆封孔虽然具有一定的优点如封孔速率快，操作工艺简单等，但其开始 反应时间较快，不能很好地控制浆液的注入速度，在封孔过程中往往会将注浆管 也凝固住。 采用水泥砂浆封孔可以解决此问题，且与化学浆封孔相比，水泥砂浆封孔的 成本也相对较低，有利于井下钻孔水力压裂的推广。封孔所用的水泥要求具有膨 胀率高，结实率大，凝固时间短，抗压强度高和粒径小等特点。水泥砂浆封孔如 图 4-14 所示，具体工艺如下 ① 在压裂管里端绑定一段成马尾巴状的纱布，下至设计的封孔位置。在下管 过程中要避免向外拉动压裂管，待到达设计的位置再向外拉动压裂管。在棉纱马 尾巴的作用下，可以较好的将压裂管固定在孔内。固定之后，注入一定量的聚氨 酯，聚氨酯的长度要大于 1 m，将端部堵住，防止在水泥注入过程中发生泄漏。 ② 将注水泥的注浆管塞入孔内，并在孔内孔口处用聚氨酯固定注浆管和压裂 管。聚氨