CN109826610B - 一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤层开采领域，具体为一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，解决了高能气体压裂装置产生的高压膨胀流体同时作用于整个压裂孔以及水力压裂法容易造成资源浪费的问题，其包括气体压力发生器和压裂管体；压裂管体是由筛管和至少一段导气管依次密封连接而成的，导气管整体的两端分别设有破膜片和挡片，气体压力发生器和筛管分别连至导气管整体的两端，筛管的另一端封闭，筛管侧壁的两端分别套设有第一封隔器和第二封隔器。通过本装置有助于对不同煤体结构环境下的煤层进行可控的储层改造，能对不同状况的煤层进行压裂时间可控、压力值大小可调的可控压裂，增加裂缝延伸的可能性，能有效改善常规煤层的压裂效果。

Description

一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置

技术领域

本发明属于煤层开采领域，涉及煤层勘探和开发，具体为一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置。

背景技术

瓦斯是威胁煤矿生产安全的主要因素之一，在煤层开采的生产过程中，压裂及储层改造，是增加煤层的透气性，提高煤层的瓦斯抽采效率的关键技术环节。

我国煤层多数属于裂缝发育的多孔性储层。现有的高能气体压裂装置，通过将多个压裂器级联同时起爆，产生的高压膨胀流体作用于整个压裂孔中，达到压裂煤层的目的。由于煤层构造的复杂性，这一方法对原生多裂隙，多孔隙的预压裂段效果较好，但对原生裂隙发育程度较低的预压裂段进行改造时则会产生压裂裂缝小，裂隙深度浅等情况，造成同一压裂孔内压裂程度均一性较差的问题。而水力压裂法则伴有大量水资源的浪费与压裂液中的化学物质污染地下水层的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中高能气体压裂装置产生的高压膨胀流体同时作用于整个压裂孔以及水力压裂法容易造成资源浪费的问题，提供了一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，该装置能利用高能脉冲对压裂孔进行压力值可调的位置可选的多段压裂，能对煤层深孔起到较好的压裂效果。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，包括气体压力发生器和伸入煤层深孔的压裂管体；所述压裂管体是由端部的筛管和至少一段充有压裂液的导气管依次密封连接而成的，导气管整体的两端分别密封设置有破膜片和挡片，气体压力发生器密封连接至导气管设有破膜片的一端，所述筛管的自由端封闭，所述筛管（侧壁的）两端分别套设有第一封隔器和第二封隔器，所述筛管的筛孔开设于第一封隔器和第二封隔器之间的筛管侧壁上，所述第一封隔器和第二封隔器均由沿煤层深孔从外至里依次排列的固定卡环、弹性密封圈和压环构成，固定卡环与筛管侧壁固定连接，弹性密封圈和压环均套设在筛管侧壁上，弹性密封圈的外缘与煤层深孔的内壁抵紧配合，两个压环与同一根拉绳连接，所述拉绳的数量至少为一根，且拉绳的自由端引出至煤层深孔外。该装置中导气管的数目能根据煤层深孔的深度和煤层深孔的预压裂区的深度灵活调整，从而起到了逐段压裂煤层深孔的作用，且对于的原生裂隙发育程度不同的预压裂段采用不同的压裂液，能较好的控制压裂液的用量，起到了节省资源作用，其中第一封隔器和第二封隔器的固定卡环均起到固定弹性密封圈的作用，压环通过拉绳的拉力作用对各自对应的弹性密封圈起到压迫作用，使第一封隔器和第二封隔器的弹性密封圈受挤压后密封效果更好，能保证受高压气体冲击下的压裂液能顺利进入到预压裂区域的裂缝中，且在所述筛管的筛孔开设于第一封隔器和第二封隔器之间的筛管侧壁上能保证高压气体不会从第一封隔器和第二封隔器之外的筛管测漏，从而起到更好的压裂效果，该装置的结构为可重复使用结构，不易损坏，不会造成水资源浪费也不会由于化学物质污染地下水层，经济环保，性价比高。

通过本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置能实现逐段压裂煤层深孔，具体包括以下步骤：

首先在未开采的煤层中钻深孔，对煤层样品进行采集评估，确定预压裂段的段数以及位置，并计算出所取煤层构造所需的最小气压压裂值，通过此最小气压压裂值计算出气体压力发生器的需要的压力值、释放压力的时间以及选取具有相应破膜压力值的破膜片；

②接着将该装置的压裂管体的筛管端朝内放入到煤层深孔中，根据煤层深孔的第一预压裂段的位置调整导气管数量，将筛管上的第一封隔器和第二封隔器分别卡在第一预压裂段的首端和末端，先在导气管整体中安装挡片，然后将压裂液注入到导气管整体中，再用步骤①中选取好的破膜片将导气管整体封口；

然后气体压力发生器与导气管密封连接；

④将拉绳收紧固定，使得弹性密封圈在压环的挤压下压缩发生形变，弹性密封圈的内缘挤压筛管的管壁且外缘挤压第一预压裂段的孔壁，开启气体压力发生器，高压气体压破破膜片并推动导气管内部的压裂液冲破挡片进入筛管，压裂液从筛管的筛孔中喷出并进入第一预压裂段的裂缝中；

⑤当第一预压裂段压裂完毕后，松开拉绳，调整导气管的数量并重新安装破膜片和挡片，调整筛管的位置将其移至第二预压裂段，重复上述步骤依次完成剩余各预压裂段的改造，即可完成煤层深孔的压裂工作。

本发明的有益效果是：本发明所述的装置可重复使用，不易损坏，不会造成资源浪费也不会由于化学物质污染地下水层，经济环保，性价比高，通过选取不同规格的破膜片以及控制气体压力发生器的压力值和释放压力的时间能有效控制对不同状况的煤层进行压裂时间可控、压力值大小可调的可控压裂，本装置能增加裂缝延伸的可能性，能有效改善常规煤层的压裂效果。

附图说明

图1为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的结构示意图。

图2为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的局部结构示意图。

图中：1-气体压力发生器；2-筛管；3-导气管；4-破膜片；5-挡片；6-筛孔；7-固定卡环；8-弹性密封圈；9-压环；10-拉绳；11-箱体；12-电加热器；13-可封闭式介质注入口；14-泄压口；15-堵头；16-支撑杆；17-旋转手持部；18-顶杆；19-压裂工作介质；20-支撑剂颗粒；21-煤层深孔；22-巷道；23-煤层。

具体实施方式

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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参见附图1和附图2，现对本发明提供的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置进行说明。

一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，包括气体压力发生器1和伸入煤层深孔21的压裂管体；所述压裂管体是由端部的筛管2和至少一段充有压裂液的导气管3依次密封连接而成的，导气管3整体的两端分别密封设置有破膜片4和挡片5，气体压力发生器1密封连接至导气管3设有破膜片4的一端，所述筛管2的自由端封闭，所述筛管2侧壁的两端分别套设有第一封隔器和第二封隔器，所述筛管2的筛孔6开设于第一封隔器和第二封隔器之间的筛管2侧壁上，所述第一封隔器和第二封隔器均由沿煤层深孔21从外至里依次排列的固定卡环7、弹性密封圈8和压环9构成，固定卡环7与筛管2侧壁固定连接，弹性密封圈8和压环9均套设在筛管2侧壁上，弹性密封圈8的外缘与煤层深孔21的内壁抵紧配合，两个压环9与同一根拉绳10连接，所述拉绳10的数量至少为一根，且拉绳10的自由端引出至煤层深孔21外（具体实施中，拉绳10先和靠里的压环9连接，然后拉绳10的自由端穿过第一封隔器的弹性密封圈8和固定卡环7后在张紧状态下又与靠外的压环9连接，拉绳10的自由端再穿过第二封隔器的弹性密封圈8和固定卡环7，之后引出至煤层深孔21外，具体如图2所示）。该装置中导气管3的数目能根据煤层深孔21的深度和煤层深孔21的预压裂区的深度灵活调整，从而起到了逐段压裂煤层深孔21的作用，且对于的原生裂隙发育程度不同的预压裂段采用不同的压裂液，而且能较好的控制压裂液的用量，从而起到了节省资源作用，其中第一封隔器和第二封隔器的固定卡环7起到固定弹性密封圈8的作用，在拉动拉绳10的过程中，两个压环9同时移动相同的位移，压环9通过拉绳10的拉力作用对弹性密封圈8起到压迫作用，使第一封隔器和第二封隔器的相应弹性密封圈8受挤压后密封效果更好，从而保证高压下的压裂液能顺利进入到预压裂区域的裂缝中，从而起到更好的压裂效果，该装置的结构为可重复使用结构，不易损坏，不会造成水资源浪费也不会由于化学物质污染地下水层，经济环保，性价比高。

进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，所述气体压力发生器1包括用于容纳压裂工作介质19的箱体11，所述箱体11内底部固定有电加热器12，箱体11上部设有可封闭式介质注入口13，箱体11侧壁上设有泄压口14，所述泄压口14与导气管3设有破膜片4的一端密封连接。当电加热器12开启之后，压裂工作介质19受热气化，所述箱体11内部压力增加，通过控制所述箱体11内注入的压裂工作介质19的量来控制所述气体压力发生器1的压力的大小，以及压裂的时间。

进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，所述箱体11侧壁上还设有入料口，所述入料口配合有堵头15，所述堵头15外侧撑有支撑杆16，所述支撑杆16上连接有旋转手持部17，所述支撑杆16的另一端螺纹配合有顶杆18，所述顶杆18的另一端被抵紧，具体的，所述顶杆18的另一端能够抵靠在巷道22壁上或者通过其他方式抵紧。所述阀门能控制可封闭式介质注入口13打开或者封闭。调节支撑杆16和顶杆18的长度能保证堵头157封闭得更加严密，可以有效防止气体压力发生器1中压力过高顶开堵头15。

进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，所述导气管3的压裂液混有支撑剂颗粒20，所述筛管2的筛孔6的孔径大小大于支撑剂颗粒20，即筛孔6的孔径保证支撑剂颗粒20能穿过。压裂液中混合支撑剂颗粒20，当高压气体压迫压裂液进入到预压裂段的裂缝中时，支撑剂颗粒20也能随压裂液进入裂缝中，所以能起到更好的压裂效果，且能增加裂缝延伸的可能性，支撑剂颗粒20能有效的防止裂缝回缩。

进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，所述破膜片4和挡片5分别通过环形卡扣卡设在导气管3中。环形卡扣方便安装，既能很好的固定破膜片4和挡片5，而且节省施工时间。

进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，所述破膜片4和挡片5均为厚度为三毫米至五毫米的金属片。破膜片4和挡片5太厚不利于被冲破，但太薄又不能对导气管3内的压裂液起到密封作用。

进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，所述筛孔6的直径为八毫米至十毫米。这个尺寸即可满足一般支撑剂颗粒顺利穿过。具体尺寸能够根据实施情况的需求更改。

进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，拉绳10的数目均为两根。在实际应用中，拉环上根据实际情况增加拉绳的数量，例如增加至两根，这能尽量保证压环9给相应弹性密封圈8的挤压力是均匀的。

进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，弹性密封圈8由橡胶制成。橡胶制品受挤压之后容易发生形变又有一定的可塑性，能起到较好的密封作用。

进一步的，作为本发明所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置的具体实施方式，所述气体压力发生器1与导气管3之间、导气管3与筛管2之间均为螺纹连接。螺纹连接既好拆卸又能起到很好的紧固作用。

以上具体实施例中所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置实现逐段压裂煤层深孔21的方法，具体包括以下步骤：

首先在未开采的煤层23中钻深孔，对煤层23样品进行采集评估，确定预压裂段的段数以及位置，计算出所取煤层23构造所需的最小气压压裂值，通过此最小气压压裂值计算出压裂工作介质19的注入量以及选取具有相应破膜压力值的破膜片4，所述压裂工作介质19为加热可气化的无毒气体；

②接着将该装置的压裂管体接好筛管2的一端放入到煤层深孔21中，根据煤层深孔21的第一预压裂段的位置调整导气管3数量，，将筛管2上的第一封隔器和第二封隔器分别卡在第一预压裂段的首端和末端，先在导气管3整体中安装挡片5，然后将压裂液注入到导气管3整体中，再用步骤①中选取好的破膜片4将导气管3整体封口；

所述导气管3用破膜片4封口的一端与气体压力发生器1的泄压口14螺纹连接，在气体压力发生器1的下端支撑有使气体压力发生器1和压裂管体保持水平的支撑架；打开气体压力发生器1的堵头15将支撑剂颗粒20从入料口放入箱体11内部，再紧固好堵头15，然后将支撑杆16和顶杆18撑在巷道22壁与堵头15外侧之间，通过旋转支撑杆16上的旋转手持部17，调整所述支撑杆16和顶杆18之间的相对长度，从而抵紧堵头15，将步骤①中计算好的压裂工作介质19从可封闭式介质注入口13注入到箱体11内部，然后将可封闭式介质注入口13完全封闭；

④将拉绳10收紧，使得弹性密封圈8在压环9的挤压下压缩发生形变，弹性密封圈8的内缘挤压筛管2的管壁且外缘挤压第一预压裂段的孔壁，开启气体压力发生器1的箱体11内部的电加热器12，加热后的压裂工作介质19受热气化升压，产生的高压膨胀流体压破破膜片4，高压膨胀流体推动导气管3内部的混有支撑剂颗粒20的压裂液冲破挡片5进入筛管2，混有支撑剂颗粒20的压裂液从筛管2的筛孔6中喷出并将支撑剂颗粒20和压裂液压入第一预压裂段的裂缝中；

⑤当第一预压裂段压裂完毕后，松开拉绳10，调整导气管3的数量并重新安装破膜片4和挡片5，调整筛管2的位置将其移至第二预压裂段，重复上述步骤依次完成剩余各预压裂段的改造，即可完成煤层深孔21的压裂工作。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，包括气体压力发生器（1）和伸入煤层深孔（21）的压裂管体；所述压裂管体是由端部的筛管（2）和至少一段充有压裂液的导气管（3）依次密封连接而成的，导气管（3）整体的两端分别密封设置有破膜片（4）和挡片（5），气体压力发生器（1）密封连接至导气管（3）设有破膜片（4）的一端，所述筛管（2）的自由端封闭，所述筛管（2）两端分别套设有第一封隔器和第二封隔器，所述筛管（2）的筛孔（6）开设于第一封隔器和第二封隔器之间的筛管（2）侧壁上，所述第一封隔器和第二封隔器均由沿煤层深孔（21）从外至里依次排列的固定卡环（7）、弹性密封圈（8）和压环（9）构成，固定卡环（7）与筛管（2）侧壁固定连接，弹性密封圈（8）和压环（9）均套设在筛管（2）侧壁上，弹性密封圈（8）的外缘与煤层深孔（21）的内壁抵紧配合，两个压环（9）与同一根拉绳（10）连接，所述拉绳（10）的数量至少为一根，且拉绳（10）的自由端引出至煤层深孔（21）外。

2.根据权利要求1所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，所述气体压力发生器（1）包括用于容纳压裂工作介质（19）的箱体（11），所述箱体（11）内底部固定有电加热器（12），箱体（11）上部设有可封闭式介质注入口（13），箱体（11）侧壁上设有泄压口（14），所述泄压口（14）与导气管（3）密封连接。

3.根据权利要求2所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，所述箱体（11）的侧壁上还设有入料口，所述入料口配合有堵头（15），所述堵头（15）外侧撑有支撑杆（16），所述支撑杆（16）上连接有旋转手持部（17），所述支撑杆（16）的另一端螺纹配合有顶杆（18），所述顶杆（18）的另一端被抵紧。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，所述导气管（3）的压裂液内还混有支撑剂颗粒（20），所述筛管（2）的筛孔（6）的孔径大于支撑剂颗粒（20），即筛孔（6）的孔径保证支撑剂颗粒（20）能穿过。

5.根据权利要求4所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，所述破膜片（4）和挡片（5）分别通过环形卡扣卡设在导气管（3）中。

6.根据权利要求5所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，所述破膜片（4）和挡片（5）均为厚度为三毫米至五毫米的金属片。

7.根据权利要求6所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，所述筛孔（6）的直径为八毫米至十毫米。

8.根据权利要求7所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，所有弹性密封圈（8）均由橡胶制成。

9.根据权利要求8所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，拉绳（10）的数目为两根。

10.根据权利要求9所述的一种注入式高能脉冲逐段压裂煤层深孔的装置，其特征在于，所述气体压力发生器（1）与导气管（3）之间、导气管（3）与筛管（2）之间均为螺纹连接。

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