CN115163041A - 一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法。方法包括如下步骤：S1：使用透明材料模拟煤层下部的底板；上部试样、下部试样通过固体胶水粘连形成试样；下部试样钻有水平井眼，试样安装上摄像头和声发射探头；水平井眼包括至少一个主井眼和不超过两个分支井眼；S2：将试样安装在大尺寸真三轴水力压裂物理模拟机中，模拟三向地应力；S3：在模拟井筒中注入水泥浆液，在这个过程中，通过安装的摄像头实时记录浆液在水平井眼中的铺展规律，配套声发射监测设备监听下部试样在注浆断裂过程中的声发射信号；S4：构筑水泥浆液三维铺展动画和微地震云图。本发明的方法为水平分支井注浆堵水工艺技术提供实验支撑。
Description
技术领域
本发明涉及煤田开采技术领域，尤其涉及一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法。
背景技术
煤田矿井水害是我国大多数煤矿普遍存在的重大安全问题，也是煤矿长期以来难以解决的一大难题。钻孔注浆堵水是目前煤矿水害治理常采用的关键技术之一。水平井可以在地层中水平定向穿越，接触目的层的面积大。随着水平分支井钻井技术的日趋成熟，在水平分支井中注浆形成止水帷幕，逐渐成为煤矿水害治理的核心技术，即水平分支井注浆堵水技术。然而，注浆扩散规律和止水帷幕形态难以预测，这使得水平分支井注浆封堵导水裂隙的效果难以保障，注浆堵水工艺技术亟待完善。
在水平分支井注浆时，理想条件下浆液会沿着分支井筒扩散开来，流入到导水裂隙中，或压开目的层形成水平裂缝。水平分支井井身结构、地应力和目的层裂缝构造通常比较复杂，大排量注浆时井壁起裂压力波动较大，浆液扩散规律具有一定的随机性，浆液凝固之后形成的止水帷幕空间形态和尺寸难以定量预测。地面注浆泵压力、泵排量、浆液粘度、浆液密度等关键因素与注浆效果之间如何匹配，是注浆堵水设计中最为关键问题，制约着注浆堵水技术的推广应用。目前缺乏研究分支水平井注浆堵水的物理实验模拟方法，尤其是缺乏可视化观测浆液扩散规律和止水帷幕空间形态的方法和手段。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种可以实时动态观察浆液从水平分支井井筒到目的层的扩散过程，以及浆液凝固之后的止水帷幕的空间形态，为水平分支井注浆堵水工艺技术提供实验支撑的水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法。
本发明的一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，包括如下步骤：
S1：使用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×100mm上部试样，模拟煤层；使用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×200mm下部试样，模拟煤层下部的底板；上部试样、下部试样通过固体胶水粘连形成尺寸为300mm×300mm×300mm试样；下部试样钻有水平井眼，上部试样的顶部，下部试样的任一相邻的两个侧面均安装上摄像头，在试样表面粘贴了一定量的声发射探头；其中，所述水平井眼的深度比模拟井筒的长度大100mm，所述水平井眼包括至少一个主井眼和不超过两个分支井眼，所述分支井眼与所述主井眼在同一水平面上，且相连通，所述分支井眼远离所述主井眼的一端是封闭的，所述主井眼内固结有模拟井筒；
S2：将试样安装在大尺寸真三轴水力压裂物理模拟机中，并按照目的层地应力条件施加三向围压，模拟三向地应力；
S3：在模拟井筒中注入一定速率的具有特定水灰比的水泥浆液，试样在应力作用下形成裂缝，水泥浆液进入裂缝中，注浆结束后水泥浆凝固形成了止水帷幕，在这个过程中，通过安装的摄像头实时记录浆液在水平井眼中的铺展规律；配套声发射监测设备监听下部试样在注浆断裂过程中的声发射信号；
S4：根据录像分析浆液铺展规律，并构筑水泥浆液三维铺展动画，根据声发射信号重构微地震云图。
进一步的，2个所述分支井眼分别位于主井眼的两侧，沿所述主井眼的轴向依次设置，且与所述主井眼的夹角为锐角。
进一步的，2个所述分支井眼分别位于主井眼的两侧，2个所述分支井眼在同一直线上，且与所述主井眼垂直。
进一步的，所述水平井眼只包括至少两个平行的主井眼。
进一步的，所述主井眼孔径为25mm，深度为200mm，所述分支井井眼孔径为20mm。
进一步的，位于所述主井眼内的模拟井筒的直径为20mm、长度为100mm。进一步的，试样表面粘贴了一定量的声发射探头，配套声发射监测设备监听下部试样在注浆断裂过程中的声发射信号，并重构微地震云图。
进一步的，所述水泥浆液的水灰比为1.5～0.6：1。
进一步的，所述声发射探头粘贴位置与所述摄像头重合。
进一步的，所述透明材料为PMMA有机玻璃。
本发明的水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，可以实时动态观察浆液从水平分支井井筒到目的层的扩散过程，以及浆液凝固之后的止水帷幕的空间形态，为水平分支井注浆堵水工艺技术提供实验支撑。
附图说明
图1为可视化实验试样的示意图；
图2a为水平分支井(仅一个主井眼)注浆堵水可视化实验试样示意图；
图2b为图2a中的水平井眼的俯视图；
图3a水平分支井(含1个分支)注浆堵水可视化实验试样示意图；
图3b为图3a中的水平井眼的俯视图；
图4a水平分支井(含2个分支)注浆堵水可视化实验试样示意图；
图4b为图4a中的水平井眼的俯视图；
图5a水平分支井(含1个垂直分支)注浆堵水可视化实验试样示意图；
图5b为图5a中的水平井眼的俯视图；
图6a双水平井同步注浆堵水可视化实验试样示意图；
图6b为图6a中的水平井眼的俯视图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
图1为可视化实验试样的示意图。
实施例1
水平分支井(仅一个主井眼)注浆堵水可视化实验岩样
S1：采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×100mm试样，模拟上部煤层；采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×200mm试样，模拟煤层下部的底板；试样可由透明材料拼接而成，拼接间隙可模拟地层中的导水裂缝；在下部试样一侧中部钻取水平孔眼作为主井眼，孔眼直径为25mm，深度为200mm，模拟水平井眼；利用固体胶将直径为20mm、长度为100mm模拟井筒固结在水平井眼中，在水平井眼中至少保留长度为100mm的裸眼段，如图2a和2b所示；用固体胶水将上部和下部试样粘连在一起，组成尺寸为300mm×300mm×300mm试样；根据摄像头尺寸，在试样顶部、底部和一侧中间钻孔安装摄像头，用手机或电脑连接摄像头，测试摄像头效果，在试样表面粘贴了一定量的声发射探头；
S2：将试样安装在大尺寸真三轴水力压裂物理模拟机中，并按照目的层地应力条件施加三向围压，模拟三向地应力；将模拟井筒连接到压裂泵入管线上，注入提前配好的水泥浆液，开展注浆实验；开启摄像头，实时记录浆液在水平井眼中的铺展规律，配套声发射监测设备监听下部试样在注浆断裂过程中的声发射信号；实验结束后，排空管线中的残余水泥浆液；
S4：根据录像分析浆液铺展规律，并利用动画软件构筑水泥浆液三维铺展动画，根据声发射信号重构微地震云图。
实施例2
水平分支井(含1个分支)注浆堵水可视化实验岩样
S1：采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×100mm试样，模拟上部煤层；采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×200mm试样，模拟煤层下部的底板；试样可由透明材料拼接而成，拼接间隙可模拟地层中的导水裂缝；在下部试样一侧中部钻取水平孔眼作为主井眼，孔眼直径为25mm，深度为200mm，模拟水平井眼，在下部试样一侧钻取水平孔眼，孔眼直径为20mm，模拟水平分支井井眼，分支井眼与主井眼贯通之后将井眼根部用固体胶封堵，如图3a和3b所示，主井眼和分支井眼处于同一个水平面上；利用固体胶将直径为20mm、长度为100mm模拟井筒固结在主井眼中，在主井眼中至少保留长度为100mm的裸眼段，如图3a所示；用固体胶水将上部和下部试样粘连在一起，组成尺寸为300mm×300mm×300mm试样；根据摄像头尺寸，在试样顶部、底部和一侧中间钻孔安装摄像头，用手机或电脑连接摄像头，测试摄像头效果，在试样表面粘贴了一定量的声发射探头；
S2：将试样安装在大尺寸真三轴水力压裂物理模拟机中，并按照目的层地应力条件施加三向围压，模拟三向地应力；将模拟井筒连接到压裂泵入管线上，注入提前配好的水泥浆液，开展注浆实验；开启摄像头，实时记录浆液在水平井眼中的铺展规律，配套声发射监测设备监听下部试样在注浆断裂过程中的声发射信号；实验结束后，排空管线中的残余水泥浆液；
S4：根据录像分析浆液铺展规律，并利用动画软件构筑水泥浆液三维铺展动画，根据声发射信号重构微地震云图。
实施例3
水平分支井(含2个分支)注浆堵水可视化实验岩样
S1：采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×100mm试样，模拟上部煤层；采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×200mm试样，模拟煤层下部的底板；试样可由透明材料拼接而成，拼接间隙可模拟地层中的导水裂缝；在下部试样一侧中部钻取水平孔眼作为主井眼，孔眼直径为25mm，深度为200mm，模拟水平井眼，在下部试样一侧钻取两个水平孔眼，孔眼直径为20mm，模拟水平分支井井眼，分支井眼与主井眼贯通之后将井眼根部用固体胶封堵，如图4a和4b所示，主井眼和分支井眼处于同一个水平面上；利用固体胶将直径为20mm、长度为100mm模拟井筒固结在主井眼中，在主井眼中至少保留长度为100mm的裸眼段，如图4a所示；用固体胶水将上部和下部试样粘连在一起，组成尺寸为300mm×300mm×300mm试样；根据摄像头尺寸，在试样顶部、底部和一侧中间钻孔安装摄像头，用手机或电脑连接摄像头，测试摄像头效果，在试样表面粘贴了一定量的声发射探头；
S2：将试样安装在大尺寸真三轴水力压裂物理模拟机中，并按照目的层地应力条件施加三向围压，模拟三向地应力；将模拟井筒连接到压裂泵入管线上，注入提前配好的水泥浆液，开展注浆实验；开启摄像头，实时记录浆液在水平井眼中的铺展规律，配套声发射监测设备监听下部试样在注浆断裂过程中的声发射信号；实验结束后，排空管线中的残余水泥浆液；
S4：根据录像分析浆液铺展规律，并利用动画软件构筑水泥浆液三维铺展动画，根据声发射信号重构微地震云图。
实施例4
水平分支井(含垂直分支)注浆堵水可视化实验岩样
S1：采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×100mm试样，模拟上部煤层；采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×200mm试样，模拟煤层下部的底板；试样可由透明材料拼接而成，拼接间隙可模拟地层中的导水裂缝；在下部试样一侧中部钻取水平孔眼作为主井眼，孔眼直径为25mm，深度为200mm，模拟水平井眼，在下部试样一侧钻取两个水平孔眼，孔眼直径为20mm，模拟水平分支井井眼，分支井眼与主井眼贯通之后将井眼根部用固体胶封堵，如图5a和5b所示，主井眼和分支井眼处于同一个水平面上；两个分支井眼在同一直线上，且与主井眼垂直并钻穿整个试样，分支井眼需贯通主井眼，两个分支井眼远离主井眼的一端均用固体胶封堵，中部保持裸眼段；利用固体胶将直径为20mm、长度为100mm模拟井筒固结在主井眼中，在主井眼中至少保留长度为100mm的裸眼段，如图5a所示；用固体胶水将上部和下部试样粘连在一起，组成尺寸为300mm×300mm×300mm试样；根据摄像头尺寸，在试样顶部、底部和一侧中间钻孔安装摄像头，用手机或电脑连接摄像头，测试摄像头效果，在试样表面粘贴了一定量的声发射探头；
S2：将试样安装在大尺寸真三轴水力压裂物理模拟机中，并按照目的层地应力条件施加三向围压，模拟三向地应力；将模拟井筒连接到压裂泵入管线上，注入提前配好的水泥浆液，开展注浆实验；开启摄像头，实时记录浆液在水平井眼中的铺展规律，配套声发射监测设备监听下部试样在注浆断裂过程中的声发射信号；实验结束后，排空管线中的残余水泥浆液；
S4：根据录像分析浆液铺展规律，并利用动画软件构筑水泥浆液三维铺展动画，根据声发射信号重构微地震云图。
实施例5
双水平井同步注浆堵水可视化实验岩样示意图
S1：采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×100mm试样，模拟上部煤层；采用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×200mm试样，模拟煤层下部的底板；试样可由透明材料拼接而成，拼接间隙可模拟地层中的导水裂缝；在下部试样一侧同一高度处钻取2口平行的水平孔眼，孔眼直径为25mm，深度为200mm，模拟平行的双水平井眼，如图6a和6b所示；用一根三通接头连接双水平井，构成叉形分布；水泥浆由一端注入，同时对2口水平井眼注浆。利用固体胶将直径为20mm、长度为100mm模拟井筒固结在主井眼中，在主井眼中至少保留长度为100mm的裸眼段，如图6a所示；用固体胶水将上部和下部试样粘连在一起，组成尺寸为300mm×300mm×300mm试样；根据摄像头尺寸，在试样顶部、底部和一侧中间钻孔安装摄像头，用手机或电脑连接摄像头，测试摄像头效果，在试样表面粘贴了一定量的声发射探头；
S2：将试样安装在大尺寸真三轴水力压裂物理模拟机中，并按照目的层地应力条件施加三向围压，模拟三向地应力；将模拟井筒连接到压裂泵入管线上，注入提前配好的水泥浆液，开展注浆实验；开启摄像头，实时记录浆液在水平井眼中的铺展规律，配套声发射监测设备监听下部试样在注浆断裂过程中的声发射信号；实验结束后，排空管线中的残余水泥浆液；
S4：根据录像分析浆液铺展规律，并利用动画软件构筑水泥浆液三维铺展动画，根据声发射信号重构微地震云图。
其中，摄像头可以为***头。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：使用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×100mm上部试样，模拟煤层；使用透明材料制备尺寸为300mm×300mm×200mm下部试样，模拟煤层下部的底板；上部试样、下部试样通过固体胶水粘连形成尺寸为300mm×300mm×300mm试样；下部试样钻有水平井眼，上部试样的顶部，下部试样的任一相邻的两个侧面均安装上摄像头；在试样表面粘贴了一定量的声发射探头；其中，所述水平井眼的深度比模拟井筒的长度大100mm，所述水平井眼包括至少一个主井眼和不超过两个分支井眼，所述分支井眼与所述主井眼在同一水平面上，且相连通，所述分支井眼远离所述主井眼的一端是封闭的，所述主井眼内固结有模拟井筒；
S2：将试样安装在大尺寸真三轴水力压裂物理模拟机中，并按照目的层地应力条件施加三向围压，模拟三向地应力；
S3：在模拟井筒中注入一定速率的具有特定水灰比的水泥浆液，试样在应力作用下形成裂缝，水泥浆液进入裂缝中，注浆结束后水泥浆凝固形成了止水帷幕，在这个过程中，通过安装的摄像头实时记录浆液在水平井眼中的铺展规律，配套声发射监测设备监听下部试样在注浆断裂过程中的声发射信号；
S4：根据录像分析浆液铺展规律，并构筑水泥浆液三维铺展动画；根据声发射信号重构微地震云图。
2.如权利要求1所述的一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，其特征在于：2个所述分支井眼分别位于主井眼的两侧，沿所述主井眼的轴向依次设置，且与所述主井眼的夹角为锐角。
3.如权利要求1所述的一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，其特征在于：2个所述分支井眼分别位于主井眼的两侧，2个所述分支井眼在同一直线上，且与所述主井眼垂直。
4.如权利要求1所述的一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，其特征在于：所述水平井眼只包括至少两个平行的主井眼。
5.如权利要求1所述的一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，其特征在于：所述主井眼孔径为25mm，深度为200mm，所述分支井井眼孔径为20mm。
6.如权利要求5所述的一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，其特征在于：位于所述主井眼内的模拟井筒的直径为20mm、长度为100mm。
7.如权利要求1所述的一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，其特征在于：所述水泥浆液的水灰比为1.5～0.6：1。
8.如权利要求7所述的一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，其特征在于：所述声发射探头粘贴位置与所述摄像头重合。
9.如权利要求1所述的一种煤层底板水平分支井注浆堵水可视化实验模拟方法，其特征在于：所述透明材料为PMMA有机玻璃。
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