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)間長等優(yōu)勢，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。

1. 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。
2. 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。使用不同直徑和表面粗糙度的鋼管模擬鉆孔，對封隔器的坐封壓力、密封承壓能力、疲勞壽命及解封可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)測試。

1. 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。
2. 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。
3. 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，證明了其對孔壁不規(guī)則性具有一定的包容能力。

三、現(xiàn)場工程試驗(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、保壓測試及聯(lián)入抽采系統(tǒng)試驗(yàn)。

1. 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)動作可靠。
2. 封隔效果監(jiān)測：坐封后，監(jiān)測封隔器上下兩側(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)了對孔底以遠(yuǎn)煤層的“隔離”與定向抽采引導(dǎo)。
3. 抽采效率對比：與傳統(tǒng)未封隔或采用簡易封堵的相鄰鉆孔對比，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)測與反饋調(diào)節(jié)；三是拓展其應(yīng)用場景，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。