隨著煤層氣(瓦斯)開采技術(shù)的深入發(fā)展,近水平定向鉆孔技術(shù)因其有效抽采范圍廣、預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),已成為煤礦瓦斯治理與煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在近水平鉆孔施工與抽采過程中,孔底的有效封隔是實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)抽采的核心技術(shù)難題。傳統(tǒng)封隔方式在長(zhǎng)距離、小直徑、復(fù)雜煤巖結(jié)構(gòu)的近水平孔中常面臨密封不嚴(yán)、易失效、操作復(fù)雜等挑戰(zhàn)。因此,研發(fā)一種適用于煤層氣近水平鉆孔孔底工況的水力封隔器,并進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)于提升煤層氣抽采效率、保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要的理論與工程價(jià)值。
一、水力封隔器設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu)
針對(duì)近水平鉆孔孔底封隔的技術(shù)需求,本研究設(shè)計(jì)的水力封隔器主要基于液壓膨脹密封原理。其核心設(shè)計(jì)目標(biāo)是在低壓注水條件下,實(shí)現(xiàn)快速、可靠的環(huán)空密封,并能適應(yīng)一定范圍的孔壁不規(guī)則變化。封隔器主體結(jié)構(gòu)主要包括中心管、可膨脹橡膠筒、承壓護(hù)套、單向閥組及連接部件。
- 工作流程:通過鉆桿或?qū)S霉芫€向封隔器內(nèi)部注入高壓水,水流經(jīng)中心管通道推動(dòng)內(nèi)部活塞,擠壓外部可膨脹橡膠筒。橡膠筒在徑向壓力作用下發(fā)生彈性變形,緊密貼合鉆孔孔壁,形成環(huán)空密封。注水壓力卸除后,內(nèi)部鎖緊機(jī)構(gòu)可維持橡膠筒的膨脹狀態(tài),確保密封持久有效。需解封時(shí),通過泄壓機(jī)構(gòu)釋放內(nèi)部壓力,橡膠筒依靠自身彈性恢復(fù)原狀。
- 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù):重點(diǎn)考慮了橡膠材料的耐壓性、耐磨性、耐瓦斯腐蝕性及膨脹率;結(jié)構(gòu)上優(yōu)化了膨脹均勻性與抗剪切能力;密封壓力設(shè)計(jì)需高于預(yù)計(jì)的孔內(nèi)瓦斯壓力與注水壓力。
二、室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究
為驗(yàn)證封隔器的基本性能,在實(shí)驗(yàn)室搭建了模擬近水平鉆孔條件的試驗(yàn)平臺(tái)。使用不同直徑和表面粗糙度的鋼管模擬鉆孔,對(duì)封隔器的坐封壓力、密封承壓能力、疲勞壽命及解封可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。
- 坐封與密封試驗(yàn):結(jié)果表明,在設(shè)定的注水壓力范圍內(nèi)(如8-15 MPa),封隔器均能順利實(shí)現(xiàn)坐封。在模擬孔壁條件下,其密封承壓能力最高可達(dá)坐封壓力的1.5倍以上,有效封隔了模擬的“孔內(nèi)”與“環(huán)空”區(qū)間。
- 耐久性試驗(yàn):經(jīng)過多次(如200次以上)坐封-承壓-解封循環(huán)后,橡膠筒主體未出現(xiàn)明顯破損或永久變形,關(guān)鍵密封性能指標(biāo)衰減小于10%,表現(xiàn)出良好的工作壽命。
- 適應(yīng)性試驗(yàn):在模擬孔壁存在輕微凹陷或凸起的非理想條件下,封隔器仍能通過橡膠材料的自適應(yīng)變形實(shí)現(xiàn)有效密封,證明了其對(duì)孔壁不規(guī)則性具有一定的包容能力。
三、現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)與效果分析
在完成室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)化后,于某煤礦煤層氣抽采巷道的近水平鉆孔中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)。選取了不同深度、不同煤體結(jié)構(gòu)的鉆孔進(jìn)行封隔器下入、坐封、保壓測(cè)試及聯(lián)入抽采系統(tǒng)試驗(yàn)。
- 下入與坐封:封隔器通過鉆桿順利輸送至設(shè)計(jì)孔底位置。采用井口泵注系統(tǒng)加壓,坐封過程順利,壓力曲線平穩(wěn),表明孔內(nèi)工況下機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠。
- 封隔效果監(jiān)測(cè):坐封后,監(jiān)測(cè)封隔器上下兩側(cè)的瓦斯壓力與濃度。數(shù)據(jù)顯示,封隔器上方(近孔口側(cè))瓦斯?jié)舛妊杆偕仙路剑椎滓赃h(yuǎn))濃度變化平緩,壓力梯度明顯,初步證實(shí)了其有效封隔了目標(biāo)區(qū)段,實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔底以遠(yuǎn)煤層的“隔離”與定向抽采引導(dǎo)。
- 抽采效率對(duì)比:與傳統(tǒng)未封隔或采用簡(jiǎn)易封堵的相鄰鉆孔對(duì)比,安裝水力封隔器的鉆孔在穩(wěn)定抽采階段的瓦斯純流量平均提升了約30%-50%,抽采濃度也更為穩(wěn)定,驗(yàn)證了其對(duì)于提升單孔抽采效率的積極作用。
四、結(jié)論與展望
本研究針對(duì)煤層氣近水平鉆孔孔底封隔的技術(shù)難題,設(shè)計(jì)了一種基于液壓膨脹原理的水力封隔器。通過系統(tǒng)的室內(nèi)模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)表明,該封隔器具有坐封可靠、密封性能良好、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),能夠有效滿足近水平孔孔底封隔的技術(shù)要求,顯著提升瓦斯抽采的針對(duì)性與效率。
未來研究可在以下方面進(jìn)一步深入:一是優(yōu)化材料配方,提升封隔器在復(fù)雜地應(yīng)力與化學(xué)環(huán)境下的長(zhǎng)期耐久性;二是開發(fā)智能化控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)坐封狀態(tài)與密封壓力的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋調(diào)節(jié);三是拓展其應(yīng)用場(chǎng)景,如與水力壓裂、注漿等工藝結(jié)合,形成一體化的鉆孔完井與強(qiáng)化抽采技術(shù)體系。本項(xiàng)研究工作屬于“自然科學(xué)研究和試驗(yàn)發(fā)展”范疇,為煤層氣高效抽采裝備的自主研發(fā)提供了有益的技術(shù)積累與實(shí)踐參考。