CN102071921B - 井下钻孔钻压一体化分段压裂装置及抽采瓦斯工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下钻孔钻压一体化分段压裂装置，包括前后依次连接且相连通的钻头、第一封隔器、第一分段钻杆、截流分水杆、第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆；还包括一球、二球、三球，井下钻孔钻压一体化分段压裂抽采瓦斯工艺为在上述井下钻孔钻压一体化分段压裂装置技术上实施的抽采瓦斯工艺。本发明是一种实现了钻、压一体化，能够使钻孔更长范围内的孔壁开启并延伸裂缝，使煤层透气性系数相比未分段压裂得到更大的提高，使压裂更加有针对性进行的井下钻孔钻压一体化分段压裂装置及抽采瓦斯工艺。

Description

井下钻孔钻压一体化分段压裂装置及抽采瓦斯工艺

技术领域

本发明涉及一种井下钻孔钻压一体化分段压裂装置及采用该装置进行瓦斯抽采的工艺。

背景技术

我国煤矿瓦斯灾害严重，严重制约着煤炭企业的安全生产。瓦斯抽采是我国目前进行瓦斯治理的主要技术手段，但由于我国煤层透气性系数普遍较低，没有取得理想的抽采效果。当前，井下钻孔水力压裂作用一种有效的煤层增透工艺取得了较大规模的应用，但是，现行的井下钻孔水力压裂只对单个钻孔进行一次压裂，高压水很容易在钻孔内的薄弱段开启裂缝并延伸，没有能够很好的使整个孔段较为均匀的开裂，从而降低了单孔的压裂效率，提高了单孔压裂成本，也没有能够使单孔生成更多的裂缝并延伸，影响了煤层透气性系数的进一步提高；另外，现行的水力压裂钻、压是分开的，钻进完成后，退钻，将带有封隔器的钢管塞入到孔内再进行压裂，压裂结束后，再将封隔器人力拔出。由于在钻杆钻进、退钻及压裂的过程中，孔壁已发生了一定的变化，重新将封隔器塞入或拔出将耗费大量的人力，也难以重新连接钻机拔钻。有时，封隔器甚至拔不出来，导致压裂钻孔不能抽采，成为一个耗费了大量人力物力的“废孔”。因此，有必要对钻孔进行分段压裂，并实现钻压一体化。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现了钻、压一体化，能够使钻孔更长范围内的孔壁开启并延伸裂缝，使煤层透气性系数相比未分段压裂得到更大的提高，使压裂更加有针对性进行的井下钻孔钻压一体化分段压裂装置及抽采瓦斯工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种井下钻孔钻压一体化分段压裂装置，包括前后依次连接且相连通的钻头、第一封隔器、第一分段钻杆、截流分水杆、第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆；所述功能转换杆为空心管状，功能转换杆通过管路连接高压水泵,连接高压水泵的管路连接于功能转换杆外壁一侧，并且功能转换杆上还设有第一球阀,功能转换杆后端连接钻机，管路上连接第二球阀；所述截流分水杆也为空心管状，截流分水杆内从前至后依次设置管状的弹簧底座、弹簧、管状的弹簧活套，截流分水杆的杆壁上设置出水口，所述弹簧活套覆盖出水口；所述钻头包括前侧的叶片部分和叶片部分后侧固设的扶正器，扶正器内横设小端朝向叶片部分的圆锥形空腔，叶片部分前端开设与圆锥形空腔小端连通的第一出水孔，扶正器外表面设有与圆锥形空腔连通的第二出水孔；包括一球和三球，一球的直径大于所述圆锥形空腔小端最小截面处直径小于圆锥形空腔大端处的直径，一球的直径均小于所述第一封隔器中心管、第一分段钻杆、第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆的内径以及截流分水杆内的弹簧底座、弹簧、弹簧活套的内径，所述三球的直径均小于所述第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆的内径，三球的直径大于弹簧活套的内径；当一球卡设于圆锥形空腔时，所述第二出水孔位于一球后侧。

在第二分段钻杆与功能转换杆之间连通有孔口锚固器，孔口锚固器由内外套设的两空心管组成，内外空心管之间螺纹连接，内空心管的前端设置锥形开口，朝向锥形开口一侧的外空心管外壁设置外螺纹；内空心管的内径大于一球和三球的直径。

钻头扶正器、第一封隔器、第一分段钻杆、截流分水杆、第二封隔器、第二分段钻杆、孔口锚固器、功能转换杆依次首尾螺纹连接。

包括二球，二球的直径大于一球的直径，均小于所述第一封隔器中心管、第一分段钻杆、第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆的内径以及截流分水杆内的弹簧底座、弹簧、弹簧活套的内径；二球的直径小于内空心管的内径。

使用上述井下钻孔钻压一体化分段压裂装置进行抽采瓦斯工艺，先选取压裂地点；再确定钻孔参数施工钻孔，然后设计水力压裂，将所述的井下钻孔钻压一体化分段压裂装置通过开启钻机，钻进煤层钻孔内，然后停钻，由第二球阀处投入一球，关闭第一球阀，开启第二球阀，开启高压水泵，用高压水将一球卡在钻头圆锥形空腔的小端，此时封堵圆锥形空腔的第一出水孔并露出圆锥形空腔的第二出水孔, 在压差的作用下，使第一封隔器膨胀并封堵第一封隔器前端煤体，同时，通过高压水泵释放高压水进行第一次压裂；第一次压裂完成后，关闭第二球阀，开启第一球阀，开动钻机退钻，退钻长度大于第一压裂段长度1~2m，停止退钻后;准备进行第二次压裂,从功能转换杆的第二球阀处投入二球,利用高压水泵产生高压水将二球喷射入钻头圆锥形空腔内的一球后侧并封堵圆锥形空腔的第二出水孔，二球的直径大于一球的直径，均小于所述第一封隔器中心管、第一分段钻杆、第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆的内径以及截流分水杆内的弹簧底座、弹簧、弹簧活套的内径，同时，从功能转换杆的第二球阀处投入三球，利用高压水将三球喷射至截流分水杆处,截流分水杆的弹簧活套在三球的作用下向前压缩弹簧，使截流分水杆的出水口外露，高压水由截流分水杆出水口流出，同时,第二封隔器膨胀, 封堵第一封隔器与第二封隔器之前的煤层，然后进行第二次压裂；第二次压裂完成后，退钻，退出长度大于第二阶段压裂长度;开始进行第三次压裂,开启高压水泵，井下钻孔钻压一体化分段压裂装置内通入高压水进行第三孔段的压裂；然后循环退钻压裂，直至压裂完成整个钻孔至孔口段20m以内；最后完全退出钻杆，用封孔材料进行封孔抽采。

压裂时，均关闭第一球阀、开启第二球阀。

在施工钻孔后，可开启第一球阀使其连接水管或者风管，在钻杆内排渣，同时关闭第二球阀，使钻杆内用水或风能够通过并达到钻头。 

各部件的作用如下：

（1）钻机,提供钻杆钻进的动力，同时在压裂实施过程中，同锚固装置同起阻挡钻杆窜出钻孔的作用；（2）钻杆，钻进器具，与钻机和封隔器连接，压裂过程中，高压水通过钻杆进入孔内；（3）封隔器，2只，实施钻孔分段水力压裂的主要设备，起到封孔注水的作用，同时，可以调节2只封隔器之间钻杆的长度确定分段压裂长度；（4）钻头，钻杆钻进的前端，同时，在钻头之内设置不同层位的孔眼，在钻进的过程中，孔眼起到排水、通风的作用，在实施压裂前，投入小球密封钻头前端孔眼，只留有其余孔眼，使钻杆内外压差升高，有利于封隔器膨胀密封；（5）截流分水杆，设置在两封隔器之间的一根带有小孔的钻杆，在压裂两封隔器之间的煤体时期形成内外压差及出水作用；（6）投球，共计3个，直径大小不同，在压裂的不同阶段，通过投入不同直径的投球，起到封堵不同阶段出水孔的作用。（7）功能转换杆，在施工钻孔后，可开启第一球阀使其连接水管或者风管，在钻杆内排渣，同时并关闭第二球阀，使钻杆内用水或风能够通过并达到钻头。当钻进较为困难时，可开启第二球阀，继续钻进时关闭球阀2。压裂时，关闭球阀1、开启球阀2并接高压管路进行压裂。（8）孔口锚固器，利用膨胀螺栓的原理起锚固作用。若钻孔开口孔壁较为完整并致密，如岩石钻孔，此时，可不使用锚固器，若孔壁较为破碎、松软则使用锚固器，加大孔内管路与孔壁的摩擦力，使在压裂过程中孔内装置不致被高压水顶出孔外。在常态下锥形开口缩紧包覆于外空心管内，外空心管的外螺纹可螺纹连接于钻杆内，然后转动内空心管，将锥形开口露出并展开，加大钻杆内壁与锥形开口的摩擦力，起到固定钻杆的作用。

本发明的有益效果为：

（1）在钻孔内实施分段压裂，与未分段压裂相比较，能够使钻孔更长范围内的孔壁开启并延伸裂缝；使煤层透气性系数相比未分段压裂得到更大的提高；

（2）实现了钻、压一体化，现行的水力压裂工艺钻孔和压裂时分开一次进行的，耗时时间长，并且人工不容易下封隔器及拔出封隔器，钻压一体化工艺时间减半，同时，在钻机的作用下可以较容易的使孔内装置前进或后退；

（3）针对孔壁是否破碎、松软，研制了孔口锚固装置，使压裂更加有针对性的进行；

（4）截流分水杆的研制较好的实现了封堵与排水的作用，出水口的大小小于杆内径，使出水口内外形成了压差，有利于封隔器1和封隔器2的膨胀；

（5）井下钻孔钻压一体化分段压裂工艺及装置操作简单，实用性强，能够显著增大煤层透气性系数，有利于瓦斯的抽采。

本发明在不改变原有地应力状态下，通过高压水力对煤体或岩体进行分段均匀压裂，使得煤储层裂缝能够均匀的进一步扩张、延伸、相互联通，达到增透提高抽采效率的目的，增强煤层透气性、减少采、掘工作面瓦斯涌出量，显著提升单孔抽采能力和抽采效果。提高抽放效率、缩短抽放时间、加大抽放半径、减少钻进工程量、最大限度消除瓦斯灾害。

实施井下钻孔分段压裂钻压一体化工艺能够将煤层的透气性系数提高20倍以上。为煤矿安全高效回采、掘进提供了宝贵时间及安全保障。

附图说明

图1是本发明井下钻孔钻压一体化分段压裂装置的结构示意图；

图2是功能转换杆的结构示意图；

图3是孔口锚固器的结构示意图；

图4是钻头的结构示意图； 

图5是图4的左视图；

图6是截流分水杆的结构示意图；

图7是截流分水杆的工作状态结构示意图；

图8是第一次压裂时的使用状态图；

图9是第二次压裂时的使用状态图；

图10是第二次压裂后退钻时的使用状态图。

具体实施方式

实施例1：

由图1-图7所示的一种井下钻孔钻压一体化分段压裂装置，包括前后依次连接且相连通的钻头1、第一封隔器3、第一分段钻杆4、截流分水杆5、第二封隔器6、第二分段钻杆7、功能转换杆9，在第二分段钻杆7与功能转换杆9之间连通有孔口锚固器8，所述功能转换杆9为空心管状，功能转换杆9通过管路11连接高压水泵12，高压水泵12与注水的水箱连接(水箱图中未示出)，连接高压水泵12的管路11连接于功能转换杆9外壁一侧，管路11与功能转换杆9连接处后侧的管路11上设置第二球阀10，并且该管路11与功能转换杆9连接处的后侧功能转换杆9上设有第一球阀14,功能转换杆9的后端15连接钻机13。孔口锚固器由内外套设的两空心管组成，内、外空心管17,18之间螺纹连接，内空心管17的前端设置钢材料制成的锥形开口16，朝向锥形开口一侧的外空心管18外壁设置外螺纹，在常态下锥形开口16缩紧包覆于外空心管18内，外空心管18的外螺纹17A可螺纹连接于第二分段钻杆7内，然后转动内空心管2，将锥形开口16露出并展开，加大第二分段钻杆7内壁与锥形开口16的摩擦力，起到固定第二分段钻杆7的作用。所述截流分水杆5也为空心管状，截流分水杆5内从前至后依次设置管状的弹簧底座25、弹簧26、管状的弹簧活套27，截流分水杆5的杆壁上设置出水口28，所述弹簧活套27覆盖出水口28；所述钻头1包括前侧的叶片部分19和叶片部分19后侧固设的扶正器2，扶正器2内横设小端朝向叶片部分19的圆锥形空腔23，叶片部分19前端开设与圆锥形空腔23小端连通的第一出水孔20，扶正器2外表面设有与圆锥形空腔23连通的第二出水孔21；包括均为圆球状的一球24、二球22和三球29，一球24的直径大于所述圆锥形空腔23小端最小截面处直径小于圆锥形空腔23大端处的直径，一球24的直径均小于所述第一封隔器3中心管、第一分段钻杆4、第二封隔器6、第二分段钻杆7、功能转换杆9的内径以及截流分水杆5内的弹簧底座25、弹簧26、弹簧活套27的内径。二球22的直径大于一球24的直径，均小于所述第一封隔器3中心管、第一分段钻杆4、第二封隔器6、第二分段钻杆7、功能转换杆9的内径以及截流分水杆5内的弹簧底座25、弹簧26、弹簧活套27的内径。所述三球29的直径均小于所述第二封隔器6、第二分段钻杆7、功能转换杆9的内径，三球29的直径大于弹簧活套27的内径，内空心管17的内径均大于一球24、二球22和三球29的直径；当一球24卡设于圆锥形空腔23时，所述第二出水孔21位于一球24后侧。钻头1的扶正器2、第一封隔器3、第一分段钻杆4、截流分水杆5、第二封隔器6、第二分段钻杆7、孔口锚固器8、功能转换杆9首尾依次为螺纹连接。所述第一分段钻杆4和第二分段钻杆7每一分段均由多节钻杆组成。

实施例2：

由图8-图10所示的井下钻孔钻压一体化分段压裂抽采瓦斯工艺，是在实施例1的基础上实施的，步骤如下：先选取压裂地点；再确定钻孔参数施工钻孔，钻孔参数包括孔长、开孔高度、孔径、倾角、方位角；然后设计水力压裂，包括分段压裂数目及每段压裂长度、压裂时间、每段压裂注入水量、注入压力；将实施例1所述的井下钻孔钻压一体化分段压裂装置装配好，通过开启钻机13，钻进煤层钻孔内，然后停钻，由第二球阀10处投入一球24，关闭第一球阀14，开启第二球阀10，开启高压水泵12，用高压水将一球24从第二球阀10处投入并卡在钻头1圆锥形空腔23的小端，此时封堵圆锥形空腔23的第一出水孔20并露出圆锥形空腔23的第二出水孔21,由于第一封隔器3孔内压力与钻头1小孔出水压力形成压差，使第一封隔器3膨胀并封堵第一封隔器3前端煤体，这时关闭第一球阀14，开启第二球阀10并接通高压水泵12通过释放高压水进行第一次压裂；第一次压裂完成后，关闭第二球阀14，开启第一球阀10，开动钻机13退钻，退钻长度大于第一压裂段长度1~2m，停止退钻后;开始进行第二次压裂,从功能转换杆9的第二球阀10处投入二球22,利用高压水泵12产生高压水将二球22喷射入钻头1圆锥形空腔23内的一球24后侧并封堵圆锥形空腔23的第二出水孔21，二球22的直径大于一球24的直径，均小于所述第一封隔器3中心管、第一分段钻杆4、第二封隔器6、第二分段钻杆7、功能转换杆9的内径以及截流分水杆5内的弹簧底座25、弹簧26、弹簧活套27的内径，同时，从功能转换杆9的第二球阀10处投入三球29，利用高压水将三球29喷射至截流分水杆5处,截流分水杆5的弹簧活套27在三球29的作用下向前压缩弹簧26，使截流分水杆5的出水口外露，高压水由截流分水杆5出水口流出，同时，第一封隔器3,第二封隔器6均为膨胀状态， 封堵第一封隔,3与第二封隔器6之前的煤层，然后进行第二次压裂；第二次压裂完成后，退钻，退出长度大于第二阶段压裂长度;开始进行第三次压裂,开启高压水泵12，井下钻孔钻压一体化分段压裂装置内通入高压水进行第三孔段的压裂；然后循环退钻压裂，直至压裂完成整个钻孔至孔口段20m以内；最后完全退出钻杆，用封孔材料进行封孔。压裂时，均关闭第一球阀14、开启第二球阀10。需要投放一球24或者二球22或者三球29时,可先将第二球阀10朝向功能转换杆9的一面从管路11上卸下,卸掉的那段管路11开口处放置一球24或者二球22或者三球29,然后在与第二球阀10连接。在常态下锥形开口16缩紧包覆于外空心管18内，组装第二分段钻杆7与孔口锚固器8时，外空心管18的外螺纹17A可螺纹连接于第二分段钻杆7内，然后转动内空心管2，将锥形开口16露出并展开，加大第二分段钻杆7内壁与锥形开口16的摩擦力，起到固定第二分段钻杆7的作用。退钻时，应关闭高压水泵12。

在施工钻孔后，可开启第一球阀14使其连接水管或者风管，在钻杆内排渣，同时关闭第二球阀10，使第一分段钻杆内用水或风能够通过并达到钻头1。

Claims (5)

1.一种井下钻孔钻压一体化分段压裂装置，其特征在于：包括前后依次连接且相连通的钻头、第一封隔器、第一分段钻杆、截流分水杆、第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆；在第二分段钻杆与功能转换杆之间连通有孔口锚固器，孔口锚固器由内外套设的两空心管组成，内外空心管之间螺纹连接，内空心管的前端设置锥形开口，朝向锥形开口一侧的外空心管外壁设置外螺纹；所述功能转换杆为空心管状，功能转换杆通过管路连接高压水泵,高压水泵与注水的水箱连接，连接高压水泵的管路连接于功能转换杆外壁一侧，管路与功能转换杆连接处后侧的管路上设置第二球阀，并且该管路与功能转换杆连接处的后侧功能转换杆上设有第一球阀,功能转换杆的后端连接钻机；所述截流分水杆也为空心管状，截流分水杆内从前至后依次设置管状的弹簧底座、弹簧、管状的弹簧活套，截流分水杆的杆壁上设置出水口，所述弹簧活套覆盖出水口；所述钻头包括前侧的叶片部分和叶片部分后侧固设的扶正器，扶正器内横设小端朝向叶片部分的圆锥形空腔，叶片部分前端开设与圆锥形空腔小端连通的第一出水孔，扶正器外表面设有与圆锥形空腔连通的第二出水孔；包括一球和三球，一球的直径大于所述圆锥形空腔小端最小截面处直径小于圆锥形空腔大端处的直径，一球的直径均小于所述第一封隔器中心管、第一分段钻杆、第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆的内径以及截流分水杆内的弹簧底座、弹簧、弹簧活套的内径，所述三球的直径均小于所述第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆的内径，三球的直径大于弹簧活套的内径；当一球卡设于圆锥形空腔时，所述第二出水孔位于一球后侧，包括二球，二球的直径大于一球的直径，均小于所述第一封隔器中心管、第一分段钻杆、第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆的内径以及截流分水杆内的弹簧底座、弹簧、弹簧活套的内径；二球的直径小于内空心管的内径，内空心管的内径大于一球和三球的直径。

2.如权利要求1所述的井下钻孔钻压一体化分段压裂装置，其特征在于：钻头扶正器、第一封隔器、第一分段钻杆、截流分水杆、第二封隔器、第二分段钻杆、孔口锚固器、功能转换杆依次首尾螺纹连接。

3.使用权利要求1或2所述的井下钻孔钻压一体化分段压裂装置进行抽采瓦斯工艺，先选取压裂地点；再确定钻孔参数施工钻孔，然后设计水力压裂，其特征在于：将所述的井下钻孔钻压一体化分段压裂装置通过开启钻机，钻进煤层钻孔内，然后停钻，由第二球阀处投入一球，关闭第一球阀，开启第二球阀，开启高压水泵，用高压水将一球卡在钻头圆锥形空腔的小端，此时封堵圆锥形空腔的第一出水孔并露出圆锥形空腔的第二出水孔, 在压差的作用下，使第一封隔器膨胀并封堵第一封隔器前端煤层，同时，通过高压水泵释放高压水进行第一次压裂；第一次压裂完成后，关闭第二球阀，开启第一球阀，开动钻机退钻，退钻长度大于第一压裂段长度1~2m，停止退钻后;准备进行第二次压裂,从功能转换杆的第二球阀处投入二球,利用高压水泵产生高压水将二球喷射入钻头圆锥形空腔内的一球后侧并封堵圆锥形空腔的第二出水孔，二球的直径大于一球的直径，均小于所述第一封隔器中心管、第一分段钻杆、第二封隔器、第二分段钻杆、功能转换杆的内径以及截流分水杆内的弹簧底座、弹簧、弹簧活套的内径，同时，从功能转换杆的第二球阀处投入三球，利用高压水将三球喷射至截流分水杆处,截流分水杆的弹簧活套在三球的作用下向前压缩弹簧，使截流分水杆的出水口外露，高压水由截流分水杆出水口流出，同时,第二封隔器膨胀, 封堵第一封隔器与第二封隔器之间的煤层，然后进行第二次压裂；第二次压裂完成后，退钻，退出长度大于第二阶段压裂长度;开始进行第三次压裂,开启高压水泵，井下钻孔钻压一体化分段压裂装置内通入高压水进行第三孔段的压裂；然后循环退钻压裂，直至压裂完成整个钻孔至孔口段20m以内；最后完全退出钻杆，用封孔材料进行封孔抽采。

4.如权利要求3所述的井下钻孔钻压一体化分段压裂抽采瓦斯工艺，其特征在于：压裂时，均关闭第一球阀、开启第二球阀。

5.如权利要求4所述的井下钻孔钻压一体化分段压裂抽采瓦斯工艺，其特征在于：在施工钻孔后，开启第一球阀使其连接水管或者风管，在钻杆内排渣，同时关闭第二球阀，使钻杆内用水或风能够通过并达到钻头。

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