煤矿机械CoalMineMachineryVol.38No.09Sep.2017第38卷第09期2017年09月doi:10.13436/j.mkjx.2017090040引言随着瓦斯发电技术的成熟，对瓦斯这种洁净能源的需求也将越来越大。提高瓦斯抽采效率及抽采浓度，是瓦斯利用的基础。目前国内外都在大力研发煤层气抽采增透技术，水力压裂作为一种常用的增透技术手段，已在煤层气开发领域广泛使用并取得了较好的效果。简便、可靠的封孔设备和封孔工艺是水力压裂法提高瓦斯抽采效率的支撑。煤矿井下常规封孔方法一般用水泥砂浆、聚氨酯材料堵孔。水泥砂浆的收缩性使密封效果不理想；聚氨酯膨胀后强度不高，不适用于高压水力压裂孔的封堵。封隔器在煤层水力压裂中很好地解决了封孔等待时间较长、封孔材料和压裂管不能重复使用的难题。然而，与岩石层不同，煤层较为松软，造成传统扩张式封隔器封孔可靠性及重复利用性差。针对扩张式封隔器在煤矿井下裸眼井压裂时主要失效形式，建立了封隔器封孔有限元模型，分析了封隔器胶筒的力学性能，并研究了封隔器失效的原因，针对性地对封隔器及压差滑套进行了优化设计，很好地解决了扩张式封隔器在煤层裸眼井压裂封孔可靠性差及不能重复使用的问题。1封隔器有限元分析及结构优化1.1封隔器在煤矿井下裸眼井压裂时主要破坏形式不同于石油储层的砂岩，煤层富含有大量原生裂隙，均质性较差，成孔后极易出现局部塌孔等现象，封隔器胶筒在高压作用下局部变形过大，在实际使用中，扩张式封隔器失效的部位主要发生在胶筒上、下端部附近。1.2封隔器失效的原因分析（1）胶筒与井壁的接触应力为分析封隔器失效的原因，建立了封隔器有限元用以模拟封隔器胶筒和井壁之间的接触应力。中心管、胶筒及井壁的简化模型，如图1所示。模型的基本尺寸：井径为准96mm，胶筒外径为准80mm，中心管径为准36mm。为保证模型的稳定性，对中心管建立上、下位移约束，为简化计算，假设井壁不存在位移变化，即在模型中建立井壁的位移约束。胶筒承受压力取20MPa，封隔器的有效封隔长度为胶筒与井壁的接触长度。胶筒的米塞斯应力计算结果如图2所示，可以看出，胶筒的两端部接触应力最大，最大应力达到5.42MPa，这也很好地解释了封隔器使用中端部最容易失效的原因。*国家“十三五”科技重大专项（2016ZX05045-004）煤层裸眼井压裂用封隔器优化设计*陈德敏1，2（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）摘要：针对现有的煤层水力压力封孔方式存在的问题，将石油天然气行业压裂用扩张式封隔器引入煤矿井下水力压裂封孔中，针对扩张式封隔器在煤矿井下裸眼井压裂时主要失效形式，采用非线性有限元分析方法，分析了封隔器胶筒的力学性能，研究了封隔器失效的原因，并对封隔器进行改进设计，使扩张式封隔器更加适合于煤层裸眼井压裂，对改进后的封隔器在煤层水力压裂中进行了试验。关键词：水力压裂；有限元；裸眼井；封隔器中图分类号：TD713文献标志码：A文章编号：1003－0794（2017）09－0009－03OptimizationDesignofPackerforFracturinginOpenHoleofCoalSeamCHENDe-min1，2(1.StateKeyLaboratoryofGasDisasterMonitoringandEmergencyTechnology，Chongqing400037,China;2.ChongqingResearchInstituteCo.,Ltd.，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Chongqing400037,China)Abstract：Aimingattheexistingproblemsofsealingmethodofhydraulicpressureincoalseam，theexpansionpackerwasintroducedintothehydraulicfracturesealingofcoalmine.Pointingatthemainfailureformsofexpansionpackerinopenholefracturingofcoalmine，themechanicalpropertiesofpackerrubbercylinderwereanalyzedbynonlinearfiniteelementmethod,andthefailurereasonofpackerwasstudied.Andthepackerwasdesignedtomaketheexpansionpackermoresuitableforthefracturingoftheopenholeinthecoalseam，andtheimprovedpackerwastestedinthehydraulicfracturingofthecoalseam.Keywords:hydrofracture；finiteelementanalysis；openhole；packer9中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

图1封隔器计算模型1.上轴肩2.中心管3.胶筒4.套管5.下轴肩图2胶筒米塞斯应力图而封隔器端部最主要的失效形式是脱胶。（2）胶筒长度的影响胶筒密封性能的好坏，不仅跟接触应力有关还跟胶筒与井壁的有效接触长度有关，胶筒与井壁的接触应力随着长度的增加而增大，当胶筒的长度在80mm左右达到最大值，随后接触应力随着胶筒长度的增大而减小，图3为胶筒有效封隔长度为60mm、70mm、80mm及90mm的米塞斯应力图。单个胶筒的长度过长容易引起失稳，单个胶筒的合理长度应该是80mm左右。（a）胶筒有效封隔60mm（b）胶筒有效封隔70mm（c）胶筒有效封隔80mm（d）胶筒有效封隔90mm图3不同胶筒有效封隔长度的应力图（3）压差滑套的影响压差滑套是安装在封隔器前端，为封隔器提供坐封压力的装置。压差滑套的原理：当整套管柱中的压力超过封隔器的坐封压力时，压差滑套才会打开，高压水经压差滑套后从筛管射出压裂煤层。但是当压差滑套的流量太小时，就会在压差滑套和封隔器之间形成节流压差，导致封隔器胶筒承受较大的压力，超过胶筒自身承压能力，造成封隔器失效。2扩张式封隔器结构优化设计在研究煤层裸眼井压裂用扩张式封隔器主要失效形式及原因的基础上，对煤层压裂用扩张式封隔器进行了优化设计。扩张式封隔器的肩部是影响封隔器工作性能的薄弱环节。改进胶筒的端部结构，增强端部的刚度和强度对于提高封隔器的工作性能极为重要，改进后的胶筒肩部结构如图4所示。图4改进后的封隔器肩部结构1.中心管2.环形活塞3.锥套4.内胶筒5.进液孔6.钢带层7.排泄孔8.外胶筒改进后的封隔器胶筒肩部结构依靠机械楔入作用以及黏性流体对钢带层与锥套的黏接力来提高胶筒肩部的固结强度。当环形活塞与锥套之间丝扣上好以后，钢带层部分就被夹紧在内外胶筒之间、接着经过进液孔挤入环氧树脂进一步挤压钢带层，增加对胶筒的夹持力，并使环氧树脂充满钢带层与锥套之间的空隙，进一步提高了锥套和胶筒之间的结合强度。改进设计后的封隔器有效封长度为80mm；同时扩张式封隔器配套压差滑套出水口面积设计不合理时，在压差护套和封隔器胶筒之间就会形成节流压差，降低封隔器的使用寿命。压差滑套出水口孔径dK=421.6GρΔp姨姨式中G———通过流量，t/h；ρ———水的密度，kg/m3；234512345678第38卷第09期Vol.38No.09煤层裸眼井压裂用封隔器优化设计———陈德敏VonMisesstress(nodalvaluesN_m2)3.65e+0063.30e+0062.94e+0062.58e+0062.22e+0061.87e+0061.51e+0061.15e+0067.94e+0054.37e+0057.95e+004OnBoundaryVonMisesstress(nodalvaluesN_m2)6e+0065.42e+0064.83e+0064.25e+0063.66e+0063.08e+0062.50e+0061.91e+0061.33e+0067.43e+0051.59e+005OnBoundaryVonMisesstress(nodalvaluesN_m2)4.06e+0063.67e+0063.27e+0062.87e+0062.48e+0062.08e+0061.68e+0061.29e+0068.92e+0054.96e+0059.94e+004OnBoundaryVonMisesstress(nodalvaluesN_m2)6.26e+0065.66e+0065.06e+0064.46e+0063.85e+0063.25e+0062.65e+0062.05e+0061.45e+0068.43e+0052.41e+005OnBoundaryVonMisesstress(nodalvaluesN_m2)OnBoundary5.47e+0064.94e+0064.42e+0063.89e+0063.36e+0062.83e+0062.31e+0061.78e+0061.25e+0067.23e+0051.95e+005110中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

Δp———压差，MPa。根据目前煤矿井下压裂泵组额定流量，设定通过压差滑套的流量为30t/h；压差为1MPa，计算合理的压差滑套的最小出水口面积为314mm2。3现场应用基于以上的研究，重新加工优化设计后的煤层水力压裂用封隔器及压差滑套。并在阳煤集团新景公司保安分区3#煤南六底抽巷压裂增透项目中成功进行了现场试验。保安分区3#煤层厚度0.75～4.80m，平均厚2.26m，共设计压裂10个孔，采用改进后的扩张式封隔器封孔可靠，封隔器可重复利用2～4次，克服了传统的水泥砂浆封孔后压裂管不能重复使用，施工周期长的弊端。试验结果表明，改进后的扩张式封隔器在煤层裸眼井压裂封孔方面具备较好的推广价值。4结语以适合煤矿井下裸眼井压裂用扩张式封隔器为研究对象，针对煤层较为松软，易引起扩张式封隔器肩部脱胶，导致封孔失效及封隔器不能重复使用的问题，建立了封隔器有限元分析模型，研究并指出了封隔器肩部结构、有效封隔长度及压差滑套出水口与封隔器之间节流压差是导致煤层裸眼井压裂用封隔器脱胶失效的主要原因，针对性地对扩张式封隔器进行了优化设计，并在煤层压裂中进行了试验，试验表明改进后的煤层裸眼井压裂用封隔器封孔可靠，可重复使用2～4次。参考文献：［1］袁亮.低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2008（7）：1179-1370.［2］富向.井下点式水力压裂增透技术研究［J］.煤炭学报，2011，36（8）：1317-1321.［3］葛兆龙，梅绪东，卢义玉，等.煤矿井下新型水力压裂封孔材料优化及封孔参数研究［J］.应用基础与工程科学学报，2014，22（6）：1128-1139.［4］朱建安，申伟鹏，郭培红.煤矿水力压裂耐高压水力封孔器的研制［J］.煤矿安全，2011,42（8）：5-6＋10.［5］刘永辉，付建红，林元华，等.封隔器胶筒结构参数优化分析［J］.机械工程师，2007（7）：66-67.作者简介：陈德敏（1983-），甘肃庄浪人，硕士，助理研究员，主要从事煤矿安全设备设计方面的工作，电子信箱：chendemin110@163.com.责任编辑：赵荣收稿日期：2017－07－10第38卷第09期Vol.38No.09煤层裸眼井压裂用封隔器优化设计———陈德敏11中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net