本發(fā)明涉及一種圍巖鉆孔高壓流體鎖壓系統(tǒng)，特別涉及高壓水壓裂巖層。是瓦斯治理、煤層氣開采、頁巖氣開采的核心技術(shù)，也涉及到石油開采領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

圍巖鉆孔高壓流體鎖壓系統(tǒng)是高壓水壓裂巖層在煤炭開采和預(yù)防煤與瓦斯突出事故，以及煤層氣、頁巖氣等開采作業(yè)中的核心技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中主要產(chǎn)品是注水封孔器、水泥類混合物、金屬構(gòu)件橋塞等。橋塞的缺陷主要是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、安裝成功率低。封孔器的使用對圍巖鉆孔的成孔要求苛刻，很難將注水封孔器定位在圍巖鉆孔深部設(shè)定位置。進(jìn)孔難是注水封孔器的缺陷，封孔器與鉆孔壁之間，沒有粘結(jié)力，僅靠靜摩擦力無法實(shí)現(xiàn)封孔器與鉆孔壁的有機(jī)結(jié)合。已知其抗剪切強(qiáng)度為0.5-0.7MPa(兆帕)。由金屬材料制成的橋塞，同樣存在入孔難的問題，卡殼現(xiàn)象司空見慣。水泥(通常為水泥混合物)的粘結(jié)強(qiáng)度48小時(shí)為0.1MPa。此外還有水泥終凝時(shí)間過長、定型難等本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的缺陷。聚氨酯膨脹封體，粘結(jié)力僅為0.3-0.4MPa，抗壓強(qiáng)度差。剝離剪切強(qiáng)度3-4kg/cm²。盡管人們長期探索實(shí)驗(yàn)，仍未能發(fā)現(xiàn)使用聚氨酯封體對高壓流體鎖壓的成功案例。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，要解決現(xiàn)有技術(shù)封體不具有粘結(jié)力或粘結(jié)強(qiáng)度差的問題，換言之，是如何提高粘結(jié)剪切能力，從而顯著提高鎖壓能力的問題。本發(fā)明通過采用不同于現(xiàn)有技術(shù)鎖壓系統(tǒng)封體的材質(zhì)，采用一種固化前為無定形狀態(tài)的單組份或雙組份膠為封體材料。膠封體抗壓縮強(qiáng)度高，通常能達(dá)到60MPa，粘接強(qiáng)度＞30MPa，抗剪強(qiáng)度＞18MPa。該封體不但具有優(yōu)良的抗壓縮強(qiáng)度和抗?jié)B透能力，尤其具備高粘結(jié)強(qiáng)度和高抗剪切強(qiáng)度?？朔朔怏w入孔時(shí)卡殼等現(xiàn)象的發(fā)生。特別是，膠封體具備亟強(qiáng)的粘結(jié)能力?？拐辰Y(jié)剪切強(qiáng)度是本發(fā)明膠封體獨(dú)有的特點(diǎn)。確定了封體問題，就必須解決如何把裸膠毫無損耗地、準(zhǔn)確地推送到設(shè)定的鎖壓位置并使其橫向應(yīng)變定型的問題。要解決裸膠封體在圍巖鉆孔中環(huán)形定位，就要解決載體的承載和卸載問題；還要解決裸膠封體在圍巖鉆孔中的定型問題。只有解決了定型問題才能克服封體缺板、短板現(xiàn)象和環(huán)縫現(xiàn)象。同時(shí)要解決動力源和推體的問題。所采用技術(shù)手段，將在下面‘具體實(shí)施方式’中加以陳述。本發(fā)明使用聚氨酯膨脹體作為動力源和推體在特殊的鉆孔環(huán)形空間條件下，其做工全程皆在全封閉的空間進(jìn)行，并能夠把裸膠準(zhǔn)確地推送到設(shè)定的鎖壓環(huán)形空間位置并使其橫向應(yīng)變定型。

技術(shù)方案

一改現(xiàn)有技術(shù)鎖壓能力差等缺陷，本發(fā)明的技術(shù)方案是，采用無定形狀態(tài)的膠做封體，采用雙組份聚氨酯做動力源和推體；采用龜縮式囊袋以解決膠封體的運(yùn)載與卸載和封體定位、定型。

一個(gè)異形龜縮式囊袋的凹縮部分是一個(gè)獨(dú)立的單元，其寬度與囊袋主體部分寬度相等。單元頂部是一疊幅開口，裝入封體膠后，形成一個(gè)膠囊，該膠囊的疊幅開口安裝一封閉裝置，該封閉裝置是可以通過動力系統(tǒng)的膨脹壓力重新開啟的。

該異形龜縮式囊袋的主體部分是一個(gè)膨脹動力系統(tǒng)，以雙組分聚氨酯膨脹體做為動力源和推體。該系統(tǒng)由兩個(gè)區(qū)組成：貯存混合區(qū)和膨脹引導(dǎo)區(qū)。貯存混合區(qū)再被橫向分割成相對獨(dú)立的兩個(gè)單元，分別貯存聚氨酯膨脹體的雙組份物料。雙組份物料混合后，發(fā)生膨脹，膨脹引導(dǎo)區(qū)可將體膨脹轉(zhuǎn)化為線膨脹。膨脹力做功，壓力迫使膠囊的疊幅開口的封口裝置開啟，并壓迫膠囊向前凸展，凸展的過程就是逐漸卸載的過程，封體膠脫囊裸出，兩個(gè)系統(tǒng)相向凸展，使封堵段定位。雙端縱向壓力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)封體橫向應(yīng)變，避免封體缺板、短板、環(huán)縫現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)封堵段定型。從而提高抗剪切強(qiáng)度，增強(qiáng)鎖壓能力。

龜縮式囊袋的材質(zhì)應(yīng)選擇抗?jié)B、不透光、抗磨、柔韌的材質(zhì)，尤其內(nèi)層材質(zhì)應(yīng)選擇高密度聚乙烯(HDPE)，其優(yōu)點(diǎn)是對聚氨酯及封體膠具有抗粘連性。

毫無疑義，把裸膠推送到設(shè)定的鎖壓位置并使其橫向應(yīng)變定型，其載體不但必須具備承載特征，而且必須具備卸載特征。這里所述‘卸載’是指在圍巖鉆孔極度被限制的環(huán)形空間里，使承載物完全脫離載體，并且，還能使卸載后的載體轉(zhuǎn)化為對膠封體實(shí)現(xiàn)泊松比應(yīng)變原理的要素，從而解決了膠體橫向應(yīng)變定型的問題。本發(fā)明涉及的異形龜縮袋起了至關(guān)重要的作用。其特征在于，一方面，該異形龜縮袋凹縮部分是一個(gè)獨(dú)立的單元，或者說一個(gè)封閉的載體，擔(dān)負(fù)著封體膠的承載任務(wù)；另一方面，在本發(fā)明動力系統(tǒng)的支持下，又能自動開啟該獨(dú)立單元的封口，將該異形龜縮袋凹縮部分連同內(nèi)中封體膠向外凸伸，完成卸載。同時(shí)，全系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單一的封閉空間，該空間內(nèi)只有聚氨酯膨脹體。由于使用時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)是相向布置的，兩端對封體造成縱向壓力，根據(jù)泊松比應(yīng)變原理使封體形成橫向應(yīng)變。這對提供鎖壓能力是至關(guān)重要的。這里不妨就本發(fā)明涉及的異形龜縮袋，與現(xiàn)有技術(shù)做一簡單比較。對比文件：<使用聚氨酯發(fā)泡袋封堵瓦斯抽放孔(專利號：ZL 2010 1 0220304.0)>，與本發(fā)明異形龜縮袋的區(qū)別在于：1)結(jié)構(gòu)不同。對比文件僅是兩個(gè)相對獨(dú)立的單元：“材質(zhì)為三層鋁塑薄膜，袋的中部橫向熱壓一隔離中封，也可以從袋的外部隔離”。也可以采用“主體呈長方形而頂部或底部呈三角形的異形發(fā)泡袋”。本發(fā)明涉及的袋有必要做一通俗的說明：將一個(gè)全封閉的長方形的袋的一端向內(nèi)折返，即可以理解為一個(gè)開口的內(nèi)袋和一個(gè)封閉的外袋，或者說，一個(gè)長度不同的雙層袋。袋的主體部分，或者說外袋又分成三個(gè)單元。二者結(jié)構(gòu)之不同顯而易 見，不贅述。2)二者皆采用聚氨酯膨脹體，區(qū)別是：前者作為封體，“袋中的物料膨脹，當(dāng)其膨脹力大于袋的材質(zhì)(三層鋁塑薄膜)所能承受的強(qiáng)度時(shí)，就會產(chǎn)生‘自爆’，連續(xù)產(chǎn)生的聚氨酯泡沫就會將瓦斯抽放孔與瓦斯抽放管的環(huán)形空間充滿”。后者是作為動力源和推體。3)前者‘自爆’出料，后者始終存在于封閉空間。4)效果不同。瓦斯抽放孔的封堵與高壓注水孔的鎖壓實(shí)質(zhì)性的區(qū)別在于，前者為負(fù)壓，通常為負(fù)15KPa，后者為正壓通常高于20MPa。

利用膨脹力做功。把雙組份聚氨酯物料混合，使其膨脹。并將體膨脹轉(zhuǎn)化為線膨脹，封體膠及其載體異形龜縮式囊袋的凹縮部分受到單向壓迫，進(jìn)而將疊幅開口的封口裝置沖開，凹縮部分向前凸伸，進(jìn)行卸載。封體膠定位，凹縮部分并未完全凸展開，內(nèi)中聚氨酯物料還在膨脹，繼續(xù)從兩端對膠封體進(jìn)行壓迫。聚氨酯膨脹體自始至終處于完全封閉的空間內(nèi)。兩端縱向膨脹壓力造成封體膠橫向應(yīng)變，以克服封體與鉆孔壁出現(xiàn)環(huán)縫、封體出現(xiàn)缺板或短板現(xiàn)象，從而提高粘結(jié)抗剪強(qiáng)度，提高鎖壓能力。

有益效果

本發(fā)明具有如下顯著效果：

1.與現(xiàn)有技術(shù)相比，膠封體的鎖壓能力顯著提高。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，充氣橡膠封孔器與鉆孔壁的抗剪強(qiáng)度是0.5-0.7MPa(5-7kg/cm²)；水泥(48小時(shí))抗剪強(qiáng)度是0.1MPa(1kg/cm²)：聚氨酯封體抗剪能力是0.3-0.4MPa(3-4kg/cm²)，而本發(fā)明膠封體抗剪強(qiáng)度＞18MPa，即180kg/cm²。本發(fā)明膠封體的鎖壓能力是充氣橡膠封孔器的鎖壓能力的25-36倍；是水泥封體的180倍。

2.封孔成本

按現(xiàn)有單孔封孔價(jià)格計(jì)算，本發(fā)明產(chǎn)品成本僅為注水橡膠封孔器的20％(通常封孔器與水泥混合物或聚氨酯配合使用)，聚氨酯封體的25％，僅為金屬‘橋塞’成本的不到5％。

3.本發(fā)明即可直接封堵圍巖裸孔，也可封套管；即可手動操作，也可通過簡單的裝置電子遙控。

附圖說明

圖1：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)平面圖①膠囊。(龜縮式囊袋凹縮部分，內(nèi)裝封體膠)。②膨脹引導(dǎo)區(qū) ③+④貯存混合區(qū)，該兩個(gè)單元③和④，分別貯存膨脹體的雙組份物料。⑤膠囊疊幅開口。⑨膠囊疊幅開口的封口裝置。⑥隔離1。⑦隔離2。⑧封底。

圖2：產(chǎn)品安裝透視圖。

①膠囊；②膨脹引導(dǎo)區(qū)；③和④開啟隔離后的貯存膨脹體雙組份物料的兩個(gè) 單元；⑤錐形纏綁裝置；⑥注水管；⑦圍巖鉆孔；⑧預(yù)留鉆孔環(huán)形空間；⑨膨脹引導(dǎo)區(qū)隔離；⑩圍巖鉆孔口。

圖3：產(chǎn)品效果透視圖

①膠體封堵段，封體膠已經(jīng)脫囊，并被定位定型。②由圖2中①、②、③、④轉(zhuǎn)化而形成的單一封閉空間，內(nèi)中全部是聚氨酯膨脹體⑤錐形纏綁裝置⑥注水管⑦圍巖鉆孔。⑩圍巖鉆孔口。

具體實(shí)施方式

使用配置的固定裝置，把產(chǎn)品固定在高壓注水管設(shè)定的段位上。

1)選定注水管的段位，以確定圍巖鉆孔封堵段位置。

2)產(chǎn)品寬度或產(chǎn)品寬度之和通常不小于鉆孔周長的1.2倍。

3)確定兩個(gè)產(chǎn)品的間距，即預(yù)留距離(圖2⑧)。

4)將產(chǎn)品順向呈環(huán)形圍在注水管上，使得物料膨脹起來充滿環(huán)形空間時(shí)，必須呈‘O’型，環(huán)形空間不得出現(xiàn)空隙。

5)兩個(gè)產(chǎn)品要對向固定(見圖2)在注水管相應(yīng)段位上。即其中一個(gè)產(chǎn)品，膨脹動力部分④朝內(nèi)，膠囊部分①朝外；第二個(gè)產(chǎn)品首尾顛倒過來固定。即膠囊部分①朝內(nèi)，膨脹動力部分④朝外。

6)將膨脹動力系統(tǒng)端部加固成錐型。要對內(nèi)外兩個(gè)產(chǎn)品膨脹動力部分端部(圖2⑤)，使用膠帶進(jìn)行纏綁或使用錐形裝置加固。加固分為兩個(gè)層面，一是將系統(tǒng)和注水管綁牢，使不錯(cuò)位，不松脫。二是順勢向主體部分纏繞成錐型，或者使用錐狀裝置固定在該部位。

7)手動打開隔2，(見圖1⑦)；將單元③和④內(nèi)兩種物料混合(見圖2③和④)。

8)將高壓注水管連同該系統(tǒng)送入圍巖鉆孔設(shè)定的位置。

9)根據(jù)作業(yè)條件也可以選擇入孔后再使用簡單的裝置電子遙控，將單元③和④(見圖1或圖2)內(nèi)兩種物料混合。例如，使用輥壓裝置或間歇式壓迫裝置。

動力系統(tǒng)在圍巖鉆孔中啟動。在封閉的空間內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，膨脹。先是在單元③和④合成的單元內(nèi)(圖2)，進(jìn)行體膨脹，將③、④充滿。物料還在膨脹，膨脹壓力沖開了圖1的隔離1(見圖1⑥或圖2⑨)。由于受到鉆孔壁的剛性限制，膨脹動力部分端部加固成錐型(見圖3⑤)，增加了強(qiáng)度、減少了受力面積，所以不會從此處脹裂跑料，這是保障動力系統(tǒng)效果的必要技術(shù)手段。由于沒有發(fā)展空間，隔離1(見圖1⑥或圖2⑨)被膨脹壓力沖開，膨脹體進(jìn)入膨脹引導(dǎo)區(qū)(圖1②或圖2②)，由體膨脹轉(zhuǎn)化為線膨脹。其產(chǎn)生的推壓力作用在膠囊的底部，將囊袋連同封體膠推壓，使得疊幅開口的封閉裝置被壓開，隨著膠囊向外凸展，封體膠逐漸 脫離載體，定位在設(shè)定的封堵段位置。

對于脫離了載體約束、無定形狀態(tài)封體膠而言，固化前的定型至關(guān)重要。為克服封堵段出現(xiàn)缺板、短板和環(huán)縫現(xiàn)象，本發(fā)明采用的技術(shù)手段是，對封堵段實(shí)行對向推壓。將兩個(gè)系統(tǒng)相向固定在注水管上就是必不可少的技術(shù)手段。根據(jù)泊松比應(yīng)變原理，均勻分布的縱向壓力，會使封體產(chǎn)生橫向應(yīng)變，橫向應(yīng)變和粘結(jié)能力的雙重貢獻(xiàn)，提高了抗剪強(qiáng)度，從而提高鎖壓能力。此外，為達(dá)到所述效果，具體實(shí)施方式3)記載的預(yù)留距離對于實(shí)現(xiàn)封體定位，尤其對于封體定型，其必要性是毋寧質(zhì)疑的。

實(shí)施例1：

使用寬度大于鉆孔周長的產(chǎn)品，其寬度通常不小于鉆孔周長的1.2倍。將兩個(gè)產(chǎn)品使用產(chǎn)品配置的固定裝置，呈環(huán)形相向固定在注水管上(見圖2)。

使用寬度之和大于鉆孔周長的產(chǎn)品，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上為一組的產(chǎn)品。兩組產(chǎn)品相向固定在注水管上。

無論是一個(gè)還是一組產(chǎn)品都要要形成一個(gè)完整的‘O’型環(huán)，尤其物料膨脹后仍為一個(gè)完整的‘O’型環(huán)。保障囊袋內(nèi)的物料膨脹起來，足以將鉆孔環(huán)形空間全部脹滿。顯然，鉆孔壁和注水管管壁是兩個(gè)剛性界面。膨脹體不但要受兩個(gè)剛性界面間的環(huán)形空間的約束，同時(shí)還要受到袋的約束。其間不得出現(xiàn)界面間的空隙，以避免脹裂跑料。物料在鉆孔中必須完全可控，這是實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案的要素之一。考慮到操作誤差，產(chǎn)品寬度之和更要大于鉆孔周長。設(shè)，圍巖鉆孔直徑100mm，產(chǎn)品寬度130mm，使用產(chǎn)品數(shù)量3×2＝6。

實(shí)施例2：

應(yīng)當(dāng)確保兩個(gè)相向固定在高壓注水管上的兩個(gè)產(chǎn)品之間預(yù)留距離。預(yù)留距離(圖2⑧)應(yīng)＞封堵段長度(圖3①)，＜封堵段長度+囊袋凹縮部分長度(圖2①)的2倍。

設(shè)：封堵段長(圖3①)＝25cm，囊袋凹縮部分長度即膠囊部分(圖2①)＝20cm。則：25cm＜預(yù)留長度＜25cm+20cm×2。

實(shí)施例3：封堵段環(huán)形體積最小用膠量

設(shè)：鉆孔直徑11cm，高壓注水管直徑3.3cm，封堵段長度20cm，膠密度為1.2g/cm³，

公式：

其中：V-環(huán)空體積，cm³；

D-鉆孔直徑，cm

d-注水管直徑，cm

L-封堵段長度，cm

將數(shù)值帶入公式，得，

＝0.785×(11²-3.3²)×20

＝1728.727cm³

最小總用膠量：

G＝v·ρ＝1728.727×1.2g/cm³＝2074.47g≈2.07kg

其中，ρ-膠的密度，g/cm³；

G-膠的重量，kg。