文章编号：1005-0930（2014）06-1128-012中图分类号：TD712文献标识码：Adoi：10.16058/j．issn．1005-0930.2014.06.009
收稿日期：2013-10-14；修订日期：2014-04-27基金项目：大型油气田及煤层气开发十二五国家科技重大专项（2011ZX05065）；国家自然科学基金项目（51374258）；中央高校基本科研业务费（CDJZＲ12240056）；重庆大学研究生科技创新基金优秀新生科研
培育项目（CDJXS122411XX）作者简介：葛兆龙（1983—），男，博士，硕士生导师．Tel：023-65106640，E-mail：gezhaolong@163．com
煤矿井下新型水力压裂封孔材料优化及封孔参数研究
葛兆龙1，梅绪东1，卢义玉1，程亮1，夏彬伟1，陈久福2（1．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030；2．重庆市能源投资集团公司，重庆松藻煤
电有限责任公司，重庆401445）
摘要：针对目前煤矿井下水力压裂钻孔封孔材料易收缩、密封效果差、成本高及封孔长度不合理等问题，研究出一种由水泥、早强减水剂、聚丙烯纤维和拌合水组成的新型水力压裂封孔材料；通过室内实验优化出收缩率和抗压强度最优时的封孔材料配比及压裂钻孔封孔参数，建立新材料承压能力与封孔长度的计算关系式，并进行现场验证．结果表明，新材料的最优配比为m（水泥）∶m（水）∶m（早强减水剂）∶m（聚丙烯纤维）=1∶0.6∶0.03∶0.005；当钻孔孔径一定时，材
料承压能力与封孔长度呈线性关系，现场实验结果与封孔参数计算关系基本一致，该新材料是一种性能好、成本低廉以及操作配比简单的水力压裂封孔材料．关键词：突出煤层；瓦斯抽采；水力压裂；封孔材料；封孔参数
高瓦斯低透气性突出煤层瓦斯高效抽采是瓦斯治理的关键性技术难题，水力压裂技术具有增大煤层透气性、降低地应力及卸压范围大［1-2］等特点，对防治煤矿瓦斯灾害及煤层气开采起到了很好的作用［3-5］，在国内的多个矿区应用．压裂钻孔封孔是水力压裂技术的关键，正确选择封孔材料是压裂钻孔封孔成功的前提和保障．目前国内外用于煤矿井下水力压裂钻孔的封孔材料主要有水泥砂浆、聚氨酯、改性树脂以及PD复合材料［6-8］等；其中，水泥砂浆具有操作简单、成本低等优点，但是易收缩，密封效果差；聚氨酯材料与钻孔壁煤岩体的胶结能力弱、自身的抗压能力差，满足不了抗高压的要求，封孔长度也达不到理想的密封状态，同时材料有一定的毒性，价格高；改性树脂和PD复合材料，组成成分较多，材料制备工艺复杂而且成本高，煤矿难以承受，大范围的推广应用困难．煤矿井下水力压裂钻孔封孔质量主要取决于以下两个关键因素，一是封孔材料必须同时满足性能好、成本低廉以及配比简单等条件；二是封孔长度能够保证孔底高压水的作用下，钻孔不发生渗漏，但是封孔长度过长也会导致材料、人力、时间的浪费．要解决以上两个关键问题，必须寻找一种能够兼顾性能与经济性的新型水力压裂封孔材料，且从根本
第22卷6期2014年12月应用基础与工程科学学报JOUＲNALOFBASICSCIENCEANDENGINEEＲINGVol．22，No．6December2014上探索不同压裂孔孔径下材料封孔长度与承压能力之间的规律，建立计算关系式，避免钻孔封孔长度过长或者过短，造成封孔盲目性，导致水力压裂钻孔密封质量差、成功率低、封孔成本高等问题．本文在综合考虑上述因素的基础上，根据水力压裂钻孔密封对封孔材料的性能要求，综合分析水泥、早强减水剂、聚丙烯纤维等材料的特点，并进行实验室不同配比实验，最后优化出强度高、收缩率低、密封效果好、成本低的新型封孔材料．采用模拟钻孔封孔装置对新型封孔材料的封孔参数进行实验研究，建立不同钻孔孔径条件下新材料封孔长度与承压能力的计算关系式，计算在所需煤层起裂压力下钻孔的合理封孔长度，最后通过现场试验，分析并验证该封孔材料的实用性和优越性．
1水力压裂钻孔密封原理
煤矿井下水力压裂钻孔封孔是将压裂管与封孔材料以及地层煤岩体胶结在一起，从而形成一个纵向上的水力封隔系统．通过实验和煤矿井下水力压裂现场实践表明，不管是穿层条带还是本煤层水力压裂，压裂孔密封质量不好，渗漏水严重都会影响压裂效果，分析其原因主要有两种，（1）通过压裂钻孔封孔材料本身渗漏；（2）通过钻孔周围裂隙圈渗漏．因此，水力压裂钻孔封孔材料本身致密抗渗及其对钻孔周围裂缝密封是封孔材料的关键因素．封孔材料在注浆压力作用下，注入压裂钻孔一定长度，材料流动充满该段密封钻孔并扩散进入填充钻孔周边裂隙区的范围，使得钻孔到裂隙区范围内的渗透率和力学状态发生改变［9］，增加了钻孔周围煤岩体的密实度和强度，从而达到了对压裂钻孔周围以及密封连接处间隙或缝隙进行密封［10］．封孔材料通过自身及与钻孔壁、压裂管壁的固化胶结
实现对压裂钻孔的高压密封．上述钻孔密封原理，为优化出适用于井下煤矿水力压裂孔的封孔材料提供理论基础．
2新型水力压裂封孔材料研究
采用封孔材料进行水力压裂钻孔密封的关键在于封孔材料的选择．根据钻孔密封原理，防止压裂钻孔密封失败的发生，一是防止密封界面产生微间隙；二是避免封孔材料中形成通道．即要求材料具有较强的胶结能力和抗透水能力，而材料的胶结能力和抗透水能力与材料的致密程度、收缩率、抗压强度等性能紧密相关．因此封孔材料的基本要求是：（1）材料整体致密，胶结能力强、抗压强度高；（2）收缩小，凝固后能达到准确的封孔位置；（3）封孔材料的组成粒径小，能进入钻孔周围裂缝，同时对钻孔周围煤岩体有加固作用；（4）耐老化、干裂性能强，具有较高的抗冲击断裂韧性；（5）井下使用方便、操作配比技术
难度低；（6）各原料来源广泛，成本低．2.1原材料选择
根据煤矿井下水力压裂钻孔密封对封孔材料的要求，采用总体控制，反向调节的思路．采用以水泥浆为主料，对材料的性质起总体控制作用；在其它成分的选择上，力求使单一组分仅调节材料的某一指标，对材料总体性质没有明显影响．参考国内外相关文献［11-15］，以水泥浆作为主要成分，选择早强减水剂作为外加剂，并
9211No．6葛兆龙等：煤矿井下新型水力压裂封孔材料优化及封孔参数研究加入聚丙烯纤维．其中，早强减水剂的作用是：（1）增强材料的早期抗压强度，减小收缩；（2）增加浆液的流动性，使浆体在管路中容易输送；（3）使封孔材料能够最大限度地渗入
钻孔周边裂缝中，加固钻孔周围煤岩体．聚丙烯纤维的作用是：（1）提高浆体的密实程度，同时提高抗渗性能、抗裂性能以及抗冲击性能，起加强筋作用，使浆液胶结融合；（2）改善界面胶结质量，减小收缩，增强密封效果．并且聚丙烯纤维与早强减水剂的作用无相互影响，新型封孔材料组成及各组分作用如图1所示．
图1新型封孔材料的组成及各组分的作用Fig．1Componentsofnewsealingmaterialandcomponent'seffect
新型封孔材料的基本成分如图2所示，为满足材料性能要求，水泥为42.5Ｒ拉法基普通硅酸盐，水泥品质符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175—99）标准；外加剂为重庆某公司生成的早强减水剂，型号为Ms型，推荐加量2%—4%；纤维采用聚丙烯纤维，其物理力学参数见表1；水为干净的自来水．
图2新型封孔材料的基本成分Fig．2Basiccomponentsofnewsealingmaterial
表1聚丙烯纤维的物理力学参数Table1Physicalandmechanicalparametersofpolypropylenefiber
类型密度/（g/cm3）直径/mm规格/mm抗拉强度/MPa弹性模量/MPa熔点/℃燃点/℃耐酸碱性分散性束状单丝0.910.0489≥350≥3500165590极强极好
2.2实验方法
新型封孔材料需具备较小收缩率和较高强度，同时具备较大的流动性．为获得满足施工工艺要求的封孔材料最优配比，实验测试封孔材料的收缩率和抗压强度．（1）收缩率测定采用Φ50×260mm的PVC管，一端用稠水泥浆密封，将新型封孔材
料灌入一端密封的PVC管中，试件有效长度为250mm，每个配合比6根试件，如图3所
0311应用基础与工程科学学报Vol．22示，在（20±2）℃的养护室中养护，以新型封孔材料灌满PVC管为基准长度，待材料凝固24h后用游标卡尺测量材料的收缩长度l，游标卡尺精度为0.1mm，收缩率取6根试件的
平均值．则封孔材料收缩率为
s=l250×100（1）式中，s为封孔材料的收缩率，%；l为材料的收缩长度，mm；250为试件的有效长度，mm．
图3收缩率实验试件Fig．3Specimenofshrinkagetest
（2）抗压强度测试模具为70.7mm×70.7mm×70.7mm，成型后立即用PE保鲜膜覆
盖，标准养护24h拆模，在养护室进行养护，每个配合比6个试件，如图4所示．采用日本岛津压力试验机分别测定1、3、7d的单轴抗压强度．
图4抗压强度实验试件Fig．4Specimenofcompressivestrengthtest
测试共有3个变量：水灰比、聚丙烯纤维体积掺量以及早强减水剂质量掺量；水灰比依次为1∶1、0.8∶1、0.6∶1，聚丙烯纤维体积掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，早强减水剂质量掺量分别为2%、3%、4%；通过单掺以及复掺配合比组合
方式，测试并记录各配比材料的收缩率与抗压强度．2.3实验结果分析
2．3．1收缩率实验封孔材料收缩率对其致密程度、抗压强度、胶结能力、封孔位置有
重要影响．不同水灰比下，材料收缩率随聚丙烯纤维体积掺量变化如图5所示．
1311No．6葛兆龙等：煤矿井下新型水力压裂封孔材料优化及封孔参数研究