CN102562018B - 井下水力割缝工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下水力割缝工具，属于煤气层开发领域。所述工具包括移动器、复位器及喷头，通过液压驱动装置驱动移动器下移，并带动喷头下移，使喷头在指定的深度通过高压水力作用对煤层进行射孔、压裂，使原始煤层内出现众多人工裂隙，形成煤层气涌出通道，增加煤层的透气性，从而在井中抽气时井孔周围出现大面积的压力下降，使煤层产生气体解吸的表面积增大，保证煤层气迅速并相对持久的泄放，所述工具通过复位弹簧使移动器复位。因此，本发明具有结构简单、操作和维护方便的优点。

Description

井下水力割缝工具

技术领域

本发明涉及煤层气开发工程机械，特别涉及一种井下水力割缝工具。

背景技术

煤层气是一种优质洁净的能源，主要是以吸附状态存在于煤层内，也有少量以游离状态存在于孔隙与裂缝中。从国家经济发展的角度看，由于煤层气的开发利用，回收了大量很可能被浪费的优质洁净能源，对缓解能源短缺、促进国民经济发展起到了积极作用。

尽管我国煤层气资源非常丰富，但是煤矿煤层渗透性普遍偏低，而目前缺少一种能够提高煤层的渗透性的工具，因此煤层气开发能力不足。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种井下水力割缝工具，具有结构简单，操作和维护方便可靠的特点，能够有效提高煤矿煤层渗透性。所述技术方案如下：

一种井下水力割缝工具，包括顺次连接的移动器、复位器及喷头；

所述移动器包括内外套接的移动器内管和移动器外管，所述移动内管通过液压驱动装置可相对所述移动外管滑动；

所述复位器包括内外套接的复位器内管和复位器外管，所述复位器内管与所述移动器内管固定连接，所述复位器外管与所述移动器外管固定连接，所述复位器内管在所述移动器内管的带动下，可沿所述复位器外管滑动，所述复位器内管与所述复位器外管之间设有复位弹簧，所述复位弹簧用于所述移动器内管的复位；

所述移动器内管与所述移动器外管相接触处、所述复位器外管与所述移动器内管相接触处分别设有密封装置，所述喷头与所述复位器内管固定连接，所述喷头为内部中空的筒体。

具体地，所述液压驱动装置包括由所述移动器内管与所述移动器外管形成的上液压腔及下液压腔，分别设置在所述移动器内管中并连通所述上液压腔及所述下液压腔的限流孔和回流孔，靠近所述下液压腔的所述限流孔处设置有溢流阀，靠近所述上液压腔的所述回流孔处设置有单向阀，对应所述上液压腔的所述移动器外管上设有注油孔，所述注油孔上安装有密封螺钉，所述上液压腔及所述下液压腔内均填充液压油，其中，所述限流孔为微细孔，所述回流孔为直径较大的孔。

具体地，所述喷嘴对称布置在所述喷头的径向方向，所述喷嘴包括射流孔，所述射流孔分为三段，前端锥形的收缩段、中间的圆柱段和后端的扩张段。

进一步地，所述复位器外管与所述喷嘴之间设置复位器下端接头，所述复位器下端接头与所述复位器外管固定连接，所述复位器下端接头靠近复位弹簧处设有过滤网。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例所述井下水力割缝工具包括移动器、复位器及喷头，整体具有结构简单、操作和维护方便的特点，通过液压驱动装置驱动移动器下移，并带动喷头下移，使喷头在指定的深度通过高压水力作用对煤层进行射孔、压裂，使原始煤层内出现众多人工裂隙，形成煤层气涌出通道，增加煤层的透气性，从而在井中抽气时井孔周围出现大面积的压力下降，使煤层产生气体解吸的表面积增大，保证煤层气迅速并相对持久的泄放，通过复位弹簧使移动器复位。因此，本发明实施例所述工具具有施工简单、方便、多层割缝一次性完成等优点。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的所述井下水力割缝工具整体结构剖视图；

图2是图1中A的放大图；

图3是图1中B的放大图。

图中：1移动器外管，2移动器内管，3第一密封装置，4密封螺钉，5单向阀，6第二密封装置，7溢流阀，8液压油，9第三密封装置，10复位器外管，11复位器内管，12复位弹簧，13过滤网，14复位器下端接头，15喷嘴，16喷头，17注油孔，18限流孔，19射流孔，20回流孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例所述的一种井下水力割缝工具，包括顺次连接的移动器、复位器及喷头16；所述移动器包括内外套接的移动器内管2和移动器外管1，所述移动内管通过液压驱动装置可相对所述移动外管滑动；所述复位器包括内外套接的复位器内管11和复位器外管10，所述复位器内管11与所述移动器内管2固定连接，所述复位器外管10与所述移动器外管1固定连接，所述复位器内管11在所述移动器内管2的带动下，可沿所述复位器外管10滑动，所述复位器内管11与所述复位器外管10之间设有复位弹簧12，所述复位弹簧12用于所述移动器内管2的复位；所述喷头16与所述复位器内管11固定连接，所述喷头16为内部中空的筒体。

进一步地，整个工具中液压腔需要特别密封，以防止液压油流失，影响工具的正常作业过程。具体地，如图1所示，所述移动器内管2与所述移动器外管1相接触处设有第一密封装置3和第二密封装置6，所述复位器外管10与所述移动器内管2相接触处设有第三密封装置9。本例中，第一密封装置3、第二密封装置6和第三密封装置9均采用多级组合密封，最大限度的增加液压腔的密封效果。本例中，均采用三级密封。

本例中，所述组合密封装置由内置外优选丁晴密封环和聚四氟乙烯密封环。其中，聚四氯乙烯摩擦系数极低，耐磨性好，但是弹性差。丁腈橡胶弹性很好。故，在密封槽中填入丁腈橡胶材料的O型密封环，同时在O型密封环上压上聚四氯乙烯密封环，通过聚四氯乙烯密封环与工具表面接触，丁腈橡胶起增加弹力作用，故这种密封结构可以耐高压，而且摩擦力很小。本发明实施例通过水力压裂使煤层内部出现众多且延伸很远的裂隙，在井中抽气时井孔周围出现大面积的压力下降，使煤层产生气体解吸的表面积增大，保证煤层气迅速并相对持久的泄放，有效提高煤矿煤层渗透性。

具体地，如图1所示，还可参见图2，本例中，所述液压驱动装置包括由所述移动器内管2与所述移动器外管1形成的上液压腔及下液压腔，分别设置在所述移动器内管2中，并连通所述上液压腔及所述下液压腔的限流孔18和回流孔20，靠近所述下液压腔的所述限流孔18处设置有溢流阀7，靠近所述上液压腔的所述回流孔20处设置有单向阀5。其中，所述上液压腔及所述下液压腔内均填充液压油8。对应所述上液压腔的所述移动器外管1上设有注油孔17，方便了液压油8的注入。所述注油孔17上安装有密封螺钉4，实现了密封。其中，所述限流孔18为微细孔，所述回流孔20为直径较大的孔(与限流孔18相比)。

如图2所示，所述移动器的向下移动和向上复位动作的实现由限流孔18、溢流阀7和回流孔20、单向阀5实现。限流孔18是一个直径为0.25mm的微细孔，在限流孔18的下部安装一个溢流阀7，设计该阀在作业压力大于等于某一压力的时候打开。当作业压力小于这一压力时，不能抵消复位弹簧12力，溢流阀7也处于关闭状态，液压油8不能从上液压腔流入下液压腔，移动器内管2不动作，此时工具进行定点喷射，能够保证割缝深度达到预定的要求。

参见图1，当作业压力大于这一给定压力时，溢流阀7打开，同时此压力大于复位弹簧12力，上液压腔压力大于下液压腔压力，液压油8通过限流孔18从上液压腔流入下液压腔，移动器内管2向下以恒定速度稳定移动，保证割缝高度和割缝质量。回流孔20为一个较大直径的孔，在其上方有一个单向阀5，该阀在进行正常的割缝作业的时候处于关闭状态，当工具下行到了最大行程或割缝作业完成的时候，液压驱动装置开始泄压，下液压腔的压力大于上液压腔的压力，此时单向阀5打开，液压油8通过回流孔20从下液压腔流入上液压腔，在复位弹簧12的作用下，复位器内管11向上移动，工具复位。然后，地面通过调整油管下入深度调整喷嘴15位置，将喷嘴15调整到下一个要进行割缝作业的位置，重复进行上述工作。

具体地，本例中，如图1所示，各管之间的固定连接方式均采用梯形螺纹连接，保证密封性。

具体地，如图3所示，所述喷嘴15对称布置在所述喷头16的径向方向，根据实际情况，喷嘴15的数量可以是一个或多个。所述喷嘴15包括射流孔19，射流孔19表面经过特殊硬化处理，所述射流孔19分为三段，包括前端锥形的收缩段、中间的圆柱段和后端的扩张段。其中，收缩段能够使射流变化平稳，减少能量损失；圆柱段能够稳定射流，提高射流效率；扩张段能够稳定已经成型的射流。

如图3所示，采用沿喷头16径向对称设置的两喷嘴15结构，保证了射流的均衡性。当高压加砂水流到喷嘴15内时，由于喷嘴15下部被一钢球(图中未画出)密封，水流只能从喷头16两侧的喷嘴15射出，形成两股互相反向的高压水射流，高速水射流进入射孔通道和裂缝中，使得裂缝扩展、延伸，增加煤层的透气性，从而在井中抽气时井孔周围压力下降，使煤层产生气体解吸的表面积增大，保证煤层气迅速并相对持久的泄放。

进一步地，所述喷头16与所述喷嘴15为整体设置或分体设置。本例中，采用分体设置，使得零件加工方便，更换维修方便。

本发明人在实现本发明的过程中发现，切割液为含砂液体，砂砾沉积可能会划伤工具的接触面，同时有可能卡着工具的移动部位，使工具不能正常的进行割缝作业，所以要在较敏感的部位安防过滤网13，减少因石英砂或者岩层碎屑的沉积引起的卡死和划伤现象的发生。如图1所示，本实施例中，采用在所述复位器外管10与所述喷嘴15之间设置复位器下端接头14的结构，并且所述复位器下端接头14靠近复位弹簧12处设有过滤网13。其中，所述复位器下端接头14与所述复位器外管10固定连接，本例中，固定连接优选梯形螺纹连接。

本发明实施例的安装过程：

所述工具在组装的时候，首先要对工具的各个配合表面进行清洗，确定清洁了之后组装。整个安装过程要在一个相对清洁的环境中进行，以防止有杂物在装配过程中黏附于工具上。

参见图1，液压油8在工具组装完毕之后，通过移动器外管1的注油孔17注入，注满之后在用密封螺钉4密封注油孔17。液压油8除了要求粘度适中的同时，同样要求清洁度很高，以防止污物积存堵死限流孔18，而使工具无法下行。在每次进行下井作业之前要检查液压腔内的液压油8是否注满，及时加注液压油8保证油腔内有充足的液压油8。

参见图1，下入冲砂管柱，用清水替出井筒内钻井液并冲砂至人工井底。用高压油管下入接箍探测器、井下割缝工具、水力扶正器等喷砂割缝工具组。下到预定深度，清水开泵，进行找接箍。接箍位置确定后重新核对割缝位置。投球，用压裂车组向地面管线中打入清水，当排量达到设计排量时开始加砂，砂比保持在7％-9％。维持油管内压力在稍低于溢流阀7的开启压力，定点喷射时间根据不同的底层硬度适当掌握。加大流量，使油管内压力增加到溢流阀7开启压力以上，溢流阀7打开，移动器内管2带动复位器内管11能够下行，维持压力在一定的时间，降低流量，使管柱内压力稍低于溢流阀7开启压力，此时移动器停止移动，再次进行定点喷射，喷射时间可以略小于第一次的定点喷射时间。停止地面注水，工具移动器在复位弹簧12作用下复位。地面通过调整油管下入深度调整喷嘴15位置，将喷嘴15调整到下一个要进行割缝作业的位置，重复定点喷射和移动器下移，至工具下行到最大行程或者达到要求的割缝高度，完成割缝作业。

从总体上看，本发明实施例所述工具结构简单、紧凑，使用、维护方便，工作可靠安全，由于无复杂零部件，加工制造简单。本发明实施例所述工具的移动器和复位器分别采用液压控制和弹簧控制，大大提高了工具作业的精度，提高了工具移动的稳定性。所述工具正常的射流作业的时候，压力波动范围广，对地面控制设备的要求降大大降低。同时所述工具的割缝作业理论上达到了可以在任意位置进行定点喷射作业，这对保证割缝的质量起到了至关重要的作用。工具的复位由复位弹簧实现，液压腔内的单向阀，控制液压油在地面停止注水的时候只能由上液压腔流入下液压腔。通过地面简单的压力控制，整个割缝过程操作相当简单，对设备的要求也相对简单了很多。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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之内。

Claims (2)

1.一种井下水力割缝工具，其特征在于，所述工具包括顺次连接的移动器、复位器及喷头；

所述移动器包括内外套接的移动器内管和移动器外管，所述移动内管通过液压驱动装置可相对所述移动外管滑动；

所述复位器包括内外套接的复位器内管和复位器外管，所述复位器内管与所述移动器内管固定连接，所述复位器外管与所述移动器外管固定连接，所述复位器内管在所述移动器内管的带动下，可沿所述复位器外管滑动，所述复位器内管与所述复位器外管之间设有复位弹簧，所述复位弹簧用于所述移动器内管的复位；

所述移动器内管与所述移动器外管相接触处、所述复位器外管与所述移动器内管相接触处分别设有密封装置，所述喷头与所述复位器内管固定连接，所述喷头为内部中空的筒体；

所述密封装置包括密封槽、丁腈密封环和聚四氟乙烯密封环，所述丁腈密封环设置在密封槽中，所述四氟乙烯密封环压装在所述丁腈密封环上；

所述液压驱动装置包括由所述移动器内管与所述移动器外管形成的上液压腔及下液压腔，分别设置在所述移动器内管中并连通所述上液压腔及所述下液压腔的限流孔和回流孔，靠近所述下液压腔的所述限流孔处设置有溢流阀，靠近所述上液压腔的所述回流孔处设置有单向阀，对应所述上液压腔的所述移动器外管上设有注油孔，所述注油孔上安装有密封螺钉，所述上液压腔及所述下液压腔内均填充液压油，其中，所述限流孔为微细孔，且直径为0.25mm，所述回流孔为直径较大的孔，

喷嘴对称布置在所述喷头的径向方向，所述喷嘴包括射流孔，所述射流孔分为三段，前端锥形的收缩段、中间的圆柱段和后端的扩张段。

2.如权利要求1所述的井下水力割缝工具，其特征在于，所述复位器外管与所述喷嘴之间设置复位器下端接头，所述复位器下端接头与所述复位器外管固定连接，所述复位器下端接头靠近复位弹簧处设有过滤网。