CN107023292B - 一种孔道压裂装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种孔道压裂装置，包括钻杆，所述钻杆轴心处设置有贯通孔，所述贯通孔用于将外部压裂液传导至欲压裂的孔道内部，所述钻杆的外圆柱面上设置有凹台，所述凹台上设置有弹性密封机构，所述弹性密封机构靠近所述钻杆轴心的一面设置有膨胀腔，所述膨胀腔与所述贯通孔之间设置有导流孔。本发明还提供了一种孔道压裂方法。本发明提供的该孔道压裂装置及方法能有效降低能耗。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械领域，更具体地说，特别涉及一种孔道压裂装置及方法。
背景技术
工程施工中，常常需要在岩石地层进行钻掘作业，由于岩石的硬度比较大，因此钻掘的难度极高，尤其是在单轴抗压强度(单向受压条件下岩石试件破坏时的极限压应力值)较大的致密硬岩。早期作业中，钻掘作业一般是通过钻爆法，即在巷道断面按一定方向和间距钻出炮孔，再充填炸药进行爆破，将预定长度的岩体碎裂成小块再运出，从而实现巷道的掘进，但是该种方法很难对爆破量进行精准掌控，且爆破冲击波很容易影响周边地层。为减少超挖欠挖情况，减少爆破冲击波对周边地层的扰动，工程人员后来又发明了预裂爆破工法，其关键是在掘进断面周边孔时，减量装药爆破以产生沿孔壁连线贯通的裂缝，然后再配合其他掘进机械作业。但是，采用该种方法时，为了按预定方向形成裂缝，要求周边孔间距较小，钻孔数量较多，影响了施工经济性。
尽管爆破破岩研究已非常充分，但其在安全环保方面的先天缺陷无法根除，在对冲击影响较敏感的地方适用性差。随着安全施工要求的提升，我国对非炸药破岩方面进行了积极研究，尤其是水力压裂技术得到了极大发展。高压水射流破岩技术在上世纪70年代在国内外曾广泛研究，但研究方向集中在以高速喷出的水射流对岩石的冲击破坏方面，能量经过势能-动能-势能的转换，损耗较大，效果并不理想，随着增压设备能力的提高，直接利用高压水势能的水力压裂技术得以快速发展。实际操作中，由于现有依靠水力压裂技术的压裂装置结构设计上存在局限性，现代压裂装置使用时，往往需要大量压裂液，如此，现有压裂装置往往能耗非常高。
发明内容
本发明要解决的技术问题为提供一种孔道压裂装置，该孔道压裂装置通过其结构设计，能够有效降低能耗。
一种孔道压裂装置，包括钻杆，所述钻杆轴心处设置有贯通孔，所述贯通孔用于将外部压裂液传导至欲压裂的孔道内部，所述钻杆的外圆柱面上设置有凹台，所述凹台上设置有弹性密封机构，所述弹性密封机构靠近所述钻杆轴心的一面设置有膨胀腔，所述膨胀腔与所述贯通孔之间设置有导流孔。
优选地，所述弹性密封机构为橡胶密封环。
优选地，所述弹性密封机构的两侧设置有卡条，所述凹台上设置有与所述卡条匹配的卡口。
优选地，所述弹性密封机构的横截面为梯形。
优选地，所述钻杆的前端设置有钻头。
优选地，所述钻头内设置有输液通道，所述输液通道的进口端连接在所述贯通孔上，所述输液通道的出口端延伸至欲压裂的孔道内壁。
本发明还提供了一种孔道压裂方法，通过该方法，可以非常有效、方便的实现孔道的压裂。
一种孔道压裂方法，包括步骤：
S01、将钻杆伸入欲压裂的孔道内直至达到规定位置；
S02、向贯通孔内导入压裂液，压裂液流向欲压裂的孔道内部及膨胀腔，当膨胀腔内的受压超过设计压力时弹性密封机构径向扩张，从而在欲压裂的孔道内形成密封将孔道内外隔断；
S03、将压裂液继续导入欲压裂的孔道内部加压，孔道内壁受压产生裂纹；
S04、孔道内部泄压，膨胀腔内的压力减小，弹性密封机构回缩从而解除密封状态，将钻杆从压裂后的孔道中退出。
优选地，在步骤S01前还包括步骤S010，将带钻头的钻杆旋进至岩体上钻掘孔道。
优选地，在步骤S010中，将外部冷却液或/和润滑液导入贯通孔，冷却液或/和润滑液从贯通孔经输液通道流向钻掘的孔道内。
优选地，在步骤S010中，钻头旋进时在孔道进口段采用高转速低进给方式钻掘，从而形成光滑孔壁以强化步骤S02中的孔道密封。
优选地，在步骤S010中，钻头旋进时在孔道内部段采用低转速高进给方式钻掘，从而形成应力集中的粗糙孔壁以强化步骤S03中裂纹的产生。
优选地，在步骤S010中，钻头钻掘的孔道直径为30mm至60mm。
优选地，在步骤S010中，钻头钻掘的孔道深度为孔道直径的5至10倍。
优选地，在步骤S04中，压裂液推胀孔道内壁直至产生裂纹，当裂纹与岩体外部截断面贯通时形成破岩，压裂液从裂纹内渗漏至外部从而孔道内部泄压。
优选地，还包括步骤S05，将钻杆从压裂后的孔道中退出伸入下一个欲压裂的孔道，其中，根据孔道压裂程度在需压裂的孔道之间保留部分孔道不进行压裂。
本发明的有益效果是：本发明提供的该孔道压裂装置在钻杆轴心处设置有贯通孔用于传导压裂液，在钻杆的外圆柱面设置的凹台上设置弹性密封机构，弹性密封机构内设置有与贯通孔相通的膨胀腔，压裂过程中，压裂液可以流入膨胀腔使弹性密封机构向径向扩张从而形成密封，能有效防止压裂液从孔道内部流出，从而能有效降低能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所公开的孔道压裂装置弹性密封机构收缩时的结构示意图；
图2为本发明实施例1所公开的孔道压裂装置弹性密封机构扩张时的结构示意图；
图3为本发明实施例2所公开的孔道压裂装置钻孔时的结构示意图；
图4为本发明实施例2所公开的孔道压裂装置弹性密封机构扩张时的结构示意图；
图5为本发明实施例3所公开的孔道压裂方法进行孔道压裂时压裂孔布局结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1：
参见图1和图2，图1和图2提供了本发明一种孔道压裂装置的具体实施例，其中，图1为本发明实施例1所公开的孔道压裂装置弹性密封机构收缩时的结构示意图；图2为本发明实施例1所公开的孔道压裂装置弹性密封机构扩张时的结构示意图。
如图1和图2所示，本实施例公开了一种孔道压裂装置，可以用于隧道施工等工程作业中孔道的压裂，该孔道压裂装置包括钻杆1，贯通孔2，凹台3，弹性密封机构4，膨胀腔5与导流孔6。
本方案中，钻杆1主要用于起支撑作用。
钻杆1轴心处设置有贯通孔2，贯通孔2用于将外部压裂液传导至欲压裂的孔道内部。一般的，压裂液为高压水流，其中，压裂液需提供的压裂压力由孔道间距、岩石强度、致密度等决定，孔道间距越小、岩石强度越高、致密度越高，需要压裂压力越高，最佳的参数匹配可通过实验确定。本实施例通过实验研究表面，油气开采中水力压裂最高可采用140MPa的压力，破岩掘进压裂可以选用压力在250～600MPa左右。
钻杆1的外圆柱面上设置有凹台3，凹台3用于给弹性密封机构4的安装提供空间。加压压裂时，钻杆1需要承受的轴向反作用力F＝P*πD*D/4，P为压裂水压，单位MPa(兆帕)，D为成孔直径，单位mm(毫米)，F为反作用力，单位N(牛顿)。其他的各零部件按最高压裂水压选型或校核强度。
凹台3上设置有弹性密封机构4，具体地，弹性密封机构4可以优选为橡胶密封环。
弹性密封机构4靠近钻杆1轴心的一面设置有膨胀腔5，膨胀腔5与贯通孔2之间设置有导流孔6。
弹性密封机构4一般状态下保持收缩，其径向尺寸小于孔壁的径向尺寸，此时孔道的内外无法形成密封；当贯通孔2内通入压裂液，压裂液通过导流孔6进入膨胀腔5，膨胀腔5受压膨胀从而导致弹性密封机构4向径向方向扩张，当膨胀腔5内的压力达到一定程度时，弹性密封机构4外壁压紧在孔道的内壁上，从而在孔道内形成密封。具体的，孔道一般为圆孔，弹性密封机构4一般为环状体，弹性密封机构4的厚度与径向大小由实际工况选择，但需保证弹性密封机构4膨胀后的外壁厚不能小于钻杆与孔壁之间的间隙宽度。
本实施例中，压裂与钻孔分别采用不同的工装实现，即钻孔沿用现有常规钻机装置，孔道成型后移走常规钻机装置，再将本实施例中带有径向密封的孔道压裂装置伸入孔道中，封闭孔道孔口并进行压裂。
压裂完成后，再将外部机械铲斗等装置移动到刚才的破岩工作面，利用铲齿将碎石剥离岩体并收集到斗中，再转移到外部输送皮带或小车上运出。
整体来说，本发明提供的该孔道压裂装置在钻杆1轴心处设置有贯通孔2用于传导压裂液，在钻杆1的外圆柱面设置的凹台3上设置弹性密封机构4，弹性密封机构4内设置有与贯通孔2相通的膨胀腔5，压裂过程中，压裂液可以流入膨胀腔5使弹性密封机构4向径向扩张从而形成密封，能有效防止压裂液从孔道内部流出，从而能有效降低能耗。
此外，本发明提供的该孔道压裂装置往往结构小巧、设备简单，不需占用大额空间且生产成本较低。
对于本孔道压裂装置而言，一般的，同样岩石条件下，压裂压力越低，孔道压裂装置可靠性越高，钻掘的孔道间距越大，破岩效率越高。同时，考虑到压裂所需流量不大，应在满足高压设备可靠性的前提下尽量选用高压与大间距的组合。
此外，高压压裂流量还应考虑弹性密封机构4密封时的少量泄漏以及岩石中渗漏部分，其中岩石中渗漏部分与岩石本身结构有关，可通过实验测定。
本实施例中，为进一步方便弹性密封机构4的安装与固定，弹性密封机构4的两侧设置有卡条7，凹台3上设置有与卡条7匹配的卡口8。使用时，卡条7嵌设在卡口8内从而能有效保证弹性密封机构4受压扩张时与钻杆1的稳定连接。
本实施例中，为进一步减缓孔道内压裂液对弹性密封机构4侧壁的冲击压力，优选地，弹性密封机构4的横截面为梯形。
实施例2：
参见图3和图4，图3和图4提供了本发明一种孔道压裂装置的另一种具体实施例，其中，图3为本发明实施例2所公开的孔道压裂装置钻孔时的结构示意图；图4为本发明实施例2所公开的孔道压裂装置弹性密封机构扩张时的结构示意图。
如图3和图4所示，本实施例中，该孔道压裂装置的钻杆1的前端设置有钻头9。通过钻头9的设置，本发明提供的孔道压裂装置既可以在岩体上开孔，又可以将开设的孔道进行压裂。
上实施例提供的装置实施时钻进与密封压裂动作是相区分开的，孔道钻进是通过其他专门的钻孔设备，钻孔完成后，再将本发明提供的孔道压裂装置伸入孔道内部进行裂孔操作，成本较高且费时费力。而本实施例提供的装置则可以实现“钻进-密封-压裂”动作的连续进行。
本实施例中，孔道压裂装置的钻杆1的前端直接设置有钻头9。钻头1钻孔后，贯通孔2直接通液压裂，实现“钻进-密封-压裂”的一体化作业，降低购买专业钻孔设备和搬运设备的成本且省时省力。
本实施例提供的设备特别适用于隧道掘进，针对隧道掘进与油气开采需求的不同，隧道掘进过程中，可以选择小孔径、浅孔深、多孔数的工作参数，而本实施例将钻头9直接安装在孔道压裂装置的钻杆1的前端，虽然钻孔深度不如其他专业钻孔设备，但在本实施例中，可以只钻浅孔，钻完之后钻头不需退出则即刻进行压裂，可以满足隧道掘进的需求，能进一步提高工作效率，降低总体能耗。
此外，利用破岩只需产生裂缝而不需保持裂缝张开的特点，取消了压裂液中的保持剂，进一步提高了设备运行可靠性和寿命。
钻孔过程中，可在钻杆1上附加其他工具从而在孔壁上切割出径向和轴向的V形切槽，从而形成应力集中源使裂纹按预定位置和方向产生、扩展，如此，可以显著提高后期压裂效率，降低钻孔数量，提高总体施工效率。
本实施例中，钻头9内设置有输液通道10，输液通道10的进口端连接在贯通孔2上，输液通道10的出口端延伸至欲压裂的孔道内壁。
采用内含输液通道10的凿岩钻头9在岩体中钻孔，此时可以通过贯通孔2至输液通道10向钻头9输送压力较低的冷却液或润滑液，还可以通过上述管路辅助排渣。
一般的，孔道进口段采用高转速低进给以形成光滑的孔壁，加强弹性密封机构4与孔道孔壁的贴合紧密程度，强化密封效果；孔道内部段采用低转速高进给以形成粗糙的孔壁，便于应力集中，更方便裂纹的产生。
本实施例中，可以采用低压大流量泵和高压小流量泵配合工作，钻孔时以低压大流量流体进行冷却润滑和冲渣，压裂时以高压小流量胀裂岩体，考虑到致密硬岩的渗透率较小以及水的可压缩性较低，可以优先采用增压器形式的高压泵。
通过本发明，可以实现非爆破方式在致密硬岩底层掘进，钻孔-压裂-出渣实现连续作业，提高破岩效率，同时降低地层扰动，确保施工安全，降低粉尘和毒烟释放，避免环境污染，特别适合人口密集地区地下工程，尤其是非圆断面巷道的施工。
实施例3：
本发明还提供了一种孔道压裂方法，通过该方法，可以非常有效、方便的实现孔道的压裂。
一种孔道压裂方法，包括步骤：
S01、将钻杆1伸入欲压裂的孔道内直至达到规定位置；
S02、向贯通孔2内导入压裂液，压裂液流向欲压裂的孔道内部及膨胀腔5，当膨胀腔5内的受压超过设计压力时弹性密封机构4径向扩张，从而在欲压裂的孔道内形成密封将孔道内外隔断；
S03、将压裂液继续导入欲压裂的孔道内部加压，孔道内壁受压产生裂纹；
S04、孔道内部泄压，膨胀腔5内的压力减小，弹性密封机构4回缩从而解除密封状态，将钻杆1从压裂后的孔道中退出。
本实施例中，为提高孔道压裂的速度，优选地，在步骤S01前还包括步骤S010，通过钻头9旋进在岩体上钻掘孔道。如此，可以在钻头9钻孔后直接充入压裂液进行孔道压裂，而不再需用采用常规的专门钻孔装置。
本实施例中，为方便钻头9钻孔时的冷却与润滑，优选地，在步骤S010中，将外部冷却液或/和润滑液导入贯通孔，冷却液或/和润滑液从贯通孔经输液通道流向钻掘的孔道内。
本实施例中，为进一步优化弹性密封机构4对孔道的密封效果，优选地，在步骤S010中，钻头旋进时在孔道进口段采用高转速低进给方式钻掘，从而形成光滑孔壁以强化步骤S02中的孔道密封。
本实施例中，为进一步使裂纹的产生更容易、更深，优选地，在步骤S010中，钻头9旋进时在孔道内部段采用低转速高进给方式钻掘，从而形成应力集中的粗糙孔壁以强化步骤S03中裂纹的产生。
本实施例中，为进一步加强孔道的压裂效果，优选地，在步骤S010中，钻头9钻掘的孔道直径为30mm至60mm。优选地，在步骤S010中，钻头钻掘的孔道深度为孔道直径的5至10倍。
本实施例中，为确保孔道内部泄压时间的准确性，优选地，在步骤S04中，压裂液推胀孔道内壁直至产生裂纹，当裂纹与岩体外部截断面贯通时形成破岩，压裂液从裂纹内渗漏至外部从而孔道内部泄压。
本实施例中，为提高工作效率，优选地，还包括步骤S05，将钻杆1从压裂后的孔道中退出伸入下一个欲压裂的孔道，其中，根据孔道压裂程度在需压裂的孔道之间保留部分孔道不进行压裂。
图5为本发明实施例3所公开的孔道压裂方法进行孔道压裂时压裂孔布局结构示意图。压裂孔布局表明，孔道压裂时，可以相间隔布置压裂孔，也就是说，每两个压裂孔之间留一个孔道不需进行压裂，但是设计压裂孔压裂时的压力，仍然可以使裂纹延伸至未压裂的孔道。图5中，带辐射线的孔表示压裂孔a，辐射线表示裂纹。未带辐射线的孔表示不需压裂的孔道b。
具体的，可采用多个钻头同时钻孔，其中部分孔不进行压裂，而是作为周边其他压裂孔的自由面，提高掘进效率。在围压较高的地层中，岩体中裂纹难以产生和扩展，该方式可有效提高压裂效率。
以上对本发明所提供的一种孔道压裂装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种孔道压裂方法，其特征在于，钻杆轴心处设置有贯通孔，所述贯通孔用于将外部压裂液传导至欲压裂的孔道内部，所述钻杆的外圆柱面上设置有凹台，所述凹台上设置有弹性密封机构，所述弹性密封机构靠近所述钻杆轴心的一面设置有膨胀腔，所述膨胀腔与所述贯通孔之间设置有导流孔；所述弹性密封机构的两侧设置有卡条，所述凹台上设置有与所述卡条匹配的卡口；包括步骤：
S01、将钻杆伸入欲压裂的孔道内直至达到规定位置；
S02、向贯通孔内导入压裂液，压裂液流向欲压裂的孔道内部及膨胀腔，当膨胀腔内的受压超过设计压力时弹性密封机构径向扩张，从而在欲压裂的孔道内形成密封将孔道内外隔断；
S03、将压裂液继续导入欲压裂的孔道内部加压，孔道内壁受压产生裂纹；
S04、孔道内部泄压，膨胀腔内的压力减小，弹性密封机构回缩从而解除密封状态，将钻杆从压裂后的孔道中退出；
在步骤S01前还包括步骤S010，将带钻头的钻杆旋进至岩体上钻掘孔道；
在步骤S010中，钻头旋进时在孔道进口段采用高转速低进给方式钻掘，从而形成光滑孔壁以强化步骤S02中的孔道密封，钻头旋进时在孔道内部段采用低转速高进给方式钻掘，从而形成应力集中的粗糙孔壁以强化步骤S03中裂纹的产生。
2.根据权利要求1所述的孔道压裂方法，其特征在于，所述弹性密封机构为橡胶密封环。
3.根据权利要求1所述的孔道压裂方法，其特征在于，所述弹性密封机构的横截面为梯形。
4.根据权利要求1所述的孔道压裂方法，其特征在于，所述钻杆的前端设置有钻头，所述钻头内设置有输液通道，所述输液通道的进口端连接在所述贯通孔上，所述输液通道的出口端延伸至欲压裂的孔道内壁。
5.根据权利要求1所述的孔道压裂方法，其特征在于，钻头钻掘的孔道直径为30mm至60mm，钻头钻掘的孔道深度为孔道直径的5至10倍。
6.根据权利要求5所述的孔道压裂方法，其特征在于，在步骤S010中，将外部冷却液或/和润滑液导入贯通孔，冷却液或/和润滑液从贯通孔经输液通道流向钻掘的孔道内。
7.根据权利要求1所述的孔道压裂方法，其特征在于，在步骤S04中，压裂液推胀孔道内壁直至产生裂纹，当裂纹与岩体外部截断面贯通时形成破岩，压裂液从裂纹内渗漏至外部从而孔道内部泄压。
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