CN110206521B - 一种煤层长钻孔注水分段启裂装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤层长钻孔注水分段启裂装置及方法,涉及钻孔注水技术领域,包括管体、固定卡扣、膨胀密封圈、固定弹簧、挡板、密封扇片、弧形金属片、转轴、轴限位弹簧、扇片限位卡扣、轴限位卡扣和扇片限位弹簧,管体外侧设置有固定卡扣和膨胀密封圈,管体内侧设置有挡板,管体内壁还设置有对称的限位槽,转轴和密封扇片通过限位槽固定。该装置在注水过程中,膨胀密封圈遇水膨胀封堵钻孔,当孔底压力达到启裂压力时,裂缝使孔内流量增大,第一管段流速增幅最大,动压推动转轴和密封扇片旋转实现第一管段密封;随后依次启裂剩余管段。本装置及方法实现了煤层钻孔内分段注水自动密封启裂,简化施工步骤,提升了煤层注水效果。
Description
技术领域
本发明涉及钻孔注水技术领域,尤其是一种用于煤层的下行长钻孔注水分段启裂装置,以及利用该装置进行煤层注水的方法。
背景技术
随着煤矿开采深度增加,煤层地应力逐渐增大,煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害日益严重,由此引发的重特大灾害事故时有发生;同时,煤矿生产过程中产生的粉尘一直威胁着矿工的身体健康,导致严重的职业危害。煤层注水技术作为一项综合性防灾技术,在不同注水工艺下可实现对煤与瓦斯突出、冲击地压、粉尘灾害的综合治理。高压注水可压裂煤体,增加煤体孔隙度,降低煤层地应力,改善煤体结构,提高煤层渗透性,达到防治煤与瓦斯突出和冲击地压灾害的目的;在注水压裂初期,通过注水钻孔分段压裂可获得较多的初始裂缝,避免孔内憋压启开主裂缝后造成泄水现象,进而无法实现长钻孔均匀压裂。目前针对井下煤层注水分段压裂技术往往工艺复杂、设备成本昂贵、费力,且分段封孔耗时长等问题,需要提供一种针对煤层高压注水启裂特征的自动化分段密封装置,实现煤层注水分段启裂,减少分段封孔工艺的复杂性,提高煤层注水效果。
发明内容
为实现下行煤层钻孔内分段注水自动密封启裂,减少分段封孔工艺的复杂性,提高煤层注水效果,本发明提供了一种煤层长钻孔注水分段启裂装置及方法,具体技术方案如下。
一种煤层长钻孔注水分段启裂装置,包括管体、固定卡扣、膨胀密封圈、挡板、密封扇片、转轴和轴限位卡扣;管体包括多个管段;管体外侧设置有固定卡扣和膨胀密封圈,管体内侧设置有挡板,管体内壁还设置有对称的限位槽,限位槽内设置有轴限位卡扣,转轴和密封扇片通过限位槽固定。
优选的是,管体的每个管段外侧设置有一个以上的膨胀密封圈,所述膨胀密封圈紧密包裹在管体上,膨胀密封圈具体为遇水膨胀止水橡胶条。
优选的是,管体内侧还设置有扇片限位弹簧和扇片限位卡扣,密封扇片移动旋转密封管体后,密封扇片固定在挡板和扇片限位卡扣之间。
进一步优选的是,管体的每个管段上在管体内侧至少设置有一对扇片限位卡扣,相对布置的扇片限位卡扣设置方向相反;扇片限位卡扣和管体内壁上的卡槽铰接,扇片限位弹簧连接卡槽底部和扇片限位卡扣;密封扇片的端部还设置有弧形金属片。
还优选的是,管体外侧设置有多个凹槽,固定卡扣和凹槽的底部铰接,固定弹簧连接凹槽的底部和固定卡扣;固定卡扣的长度大于凹槽的长度,固定卡扣外露段的朝向和管段进入钻孔的方向相反。
还优选的是,管段的外直径均小于钻孔孔径,钻孔从煤层上方向下钻设;管段的直径由钻孔内至外依次增大。
还优选的是,管体的每个管段端部为弧形,或管体的端部设置有斜坡状边缘,并且每个管段的后端设置有螺纹。
还优选的是,转轴呈柱状,转轴的两端设置有滑片和固定圆柱,滑片和限位槽的滑动段卡合;限位槽的滑动段内还设置有轴限位卡扣和轴限位弹簧。
一种煤层长钻孔注水分段启裂方法,利用上述的一种煤层长钻孔注水分段启裂装置,步骤包括:
步骤A.利用钻机沿煤层向下钻孔,根据钻孔长度确定煤层长钻孔注水分段启裂装置管体的管段数量,其中管段的间隔距离为10~15m;
步骤B.组装并检查煤层长钻孔注水分段启裂装置的密封性和活动性能,铰接和滑动部位涂抹润滑油;
步骤C.将煤层长钻孔注水分段启裂装置的管段分别通过导杆送入钻孔内,送至指定位置后回拽各个管段使各管段固定在钻孔内;
步骤D.进行封孔,对钻孔进行高压注水,分段启裂煤体。
优选的是,钻孔内注水后,膨胀密封圈遇水膨胀封堵钻孔,当孔底压力达到启裂压力时,裂缝使孔内流量增大,第一管段流速增幅最大,动压推动转轴和密封扇片旋转实现第一管段密封;随后依次启裂剩余的管段间煤体。
本发明的有益效果包括:
(1)本发明提供的一种煤层长钻孔注水分段启裂装置,装置包括有多个管段,每个管段之间设有间距,从而完成长钻孔的分段封堵,避免孔内憋压启开主裂缝后造成泄水现象,布置下行的钻孔从而保证了孔底最先达到启裂压力,完成启裂。
(2)本装置通过固定卡扣完成各个管段位置的固定,防止各个管段受压后向孔外压出;膨胀密封圈实现了对管段和钻孔内壁之间的密封,在充水后保证了段间封堵的密封性;挡板和扇片限位卡用于对密封扇片进行限位,固定密封扇片从而完成该管段的密封。
(3)利用该装置进行煤层长钻孔注水分段启裂时,膨胀密封圈遇水膨胀封堵钻孔,当孔底压力达到启裂压力时,裂缝使孔内流量增大,第一管段流速增幅最大,动压推动转轴和密封扇片旋转实现第一管段密封,随后依次启裂剩余的管段间煤体。实现了自动化分段封孔,减小压力损失,由深到浅,逐段压裂,同时避免孔内憋压启开主裂缝后造成泄水现象,提高煤层高压注水启裂效果。
附图说明
图1是煤层长钻孔注水分段启裂装置结构示意图;
图2是任一管段的剖面结构示意图;
图3是管段的截面结构示意图;
图4是转轴结构示意图;
图5是煤层长钻孔注水分段启裂施工示意图;
图中:1-煤层;2-管体;3-固定卡扣;4-膨胀密封圈;5-固定弹簧;6-挡板;7-密封扇片;8-弧形金属片;9-密封圈;10-注水套管;11-注水管;12-转轴;13-固定圆柱;14-轴限位弹簧;15-扇片限位卡扣;16-滑片;17-轴限位卡扣;18-扇片限位弹簧;19-钻孔。
具体实施方式
结合图1至图5所示,本发明提供的一种煤层长钻孔注水分段启裂装置及方法具体实施方式如下。
一种煤层长钻孔注水分段启裂装置具体包括管体2、固定卡扣3、膨胀密封圈4、挡板6、密封扇片7、转轴12和轴限位卡扣17。管体2的外管径上设置有固定卡扣3和膨胀密封圈4,管体2内设置有挡板6、密封扇片7,密封扇片7和转轴12共同运动,限位卡扣17保证转轴12到达固定位置后保持固定。该装置的管体2包括有多个管段,每个管段之间设有间距,从而完成长钻孔的分段封堵,避免孔内憋压启开主裂缝后造成泄水现象,布置下行的钻孔从而保证了孔底最先达到启裂压力,完成启裂,减少分段封孔工艺的复杂性,提高煤层注水效果。
其中管体2包括多个管段,每个管段之间设置有10-15m的间隔。管段的外直径均小于钻孔19孔径,从而保证各个管段均能轻松的捣入钻孔19中,钻孔19从煤层上方向下钻设,从而保证钻孔19注水时孔底先达到启裂压力,管段的直径由钻孔19内至外依次增大,从而可以根据管段流量和流速增幅实现分段密封、启裂。
管体2外侧还设置有固定卡扣3和膨胀密封圈4,管体2内侧设置有挡板6,用于阻挡密封扇片7过渡转动,并使其达到限位后保持固定,管体2内壁上还设置有对称的限位槽,用于安放转轴12。限位槽内设置有轴限位卡扣17,转轴12和密封扇片7通过限位槽固定,限位槽的滑动段呈条状,限位槽的固定段和转轴的截面相配合,还可以在转轴的两端设置弹性片,对转轴12达到密封位置时进行进一步的固定。管体2的每个管段外侧设置有一个以上的膨胀密封圈4,可以设置2个膨胀密封圈4,膨胀密封圈4可以设置在各个管段的中部。膨胀密封圈4紧密的包裹在管体2上,膨胀密封圈4具体为遇水膨胀止水橡胶条,遇水发生膨胀从而可以实现各个管段的密封。管体2内侧还设置有扇片限位弹簧18和扇片限位卡扣15,密封扇片7移动旋转密封管体后,密封扇片7固定在挡板6和扇片限位卡扣15之间,从而可以保证起裂后该段的密封。
管体2的每个管段上在管体内侧至少设置有一对扇片限位卡扣15,对密封扇片7进行限位,保证其在压力推动下只能向一个方向转动,从而完成密封。相对布置的扇片限位卡扣15设置方向相反,从而可以保证卡合,扇片限位卡扣15和管体2内壁上的卡槽铰接,扇片限位弹簧18连接卡槽底部和扇片限位卡扣15,密封扇片7的端部还设置有弧形金属片8,从而可以保证密封性。
管体2外侧设置有多个凹槽,固定卡扣3和凹槽的底部铰接,固定弹簧5连接凹槽的底部和固定卡扣3,从而可以固定各个管段。固定卡扣3的长度大于凹槽的长度,固定卡扣3外露段的朝向和管段进入钻孔19的方向相反,因此在回拽各个管段时可以使各管段固定在钻孔19内。其中固定卡扣3呈锥状,从而可以更好的抓紧钻孔卡合在钻孔内。
管体2的每个管段端部为弧形,或管体的端部设置有斜坡状边缘,从而可以方便各个管段通过导管导如安装至钻孔的指定位置,并且每个管段的后端设置有螺纹,方便连接。
另外,转轴12呈柱状,转轴12的两端设置有滑片16和固定圆柱13,滑片16和限位槽的滑动段卡合,限位槽的滑动段内还设置有轴限位卡扣17和轴限位弹簧14。其中轴限位卡扣17和轴限位弹簧14相连,轴限位弹簧14和限位槽相连,轴限位卡扣17保证了转轴只能向钻孔深处这一个方向滑动。
本装置通过固定卡扣17完成各个管段位置的固定,防止各个管段受压后向孔外压出;膨胀密封圈4实现了对管段和钻孔内壁之间的密封,在充水后保证了段间封堵的密封性;挡板6和扇片限位卡扣15用于对密封扇片进行限位,固定密封扇片从而完成该管段的密封。
一种煤层长钻孔注水分段启裂方法,利用上述的一种煤层长钻孔注水分段启裂装置,步骤包括:
步骤A.利用钻机沿煤层1向下钻孔,根据具体的煤层情况可以垂直钻孔或者倾斜向下钻孔。根据钻孔19长度确定煤层长钻孔注水分段启裂装置管体的管段数量,其中根据钻孔的长度、孔内情况、和孔径等实际条件进行间隔距离的确定,其中管段的间隔距离可以选择10~15m,该距离需要满足水压的要求。
步骤B.组装并检查煤层长钻孔注水分段启裂装置的密封性和活动性能,具体是膨胀密封圈4的密闭性,各个铰接部位的活动性,防止存在部件卡住的情况,并在铰接和滑动部位涂抹润滑油,来保证各个部件的灵活性。
步骤C.将煤层长钻孔注水分段启裂装置的管段分别通过导杆送入钻孔内,通过插接导杆计算钻孔内的深度,从而将各个管段送至指定位置,送至指定位置后回拽各个管段,固定卡扣3打卡,固定卡扣3和钻孔19孔壁卡合,使各管段固定在钻孔内。
步骤D.进行封孔,对钻孔19进行高压注水,分段启裂煤体。其中,当钻孔19内注水后,水通过钻孔向下向孔底流,膨胀密封圈4遇水膨胀封堵钻孔19,各个管段和孔壁之间完成密封。当水注满钻孔后,孔底压力为钻孔高度差形成的水压和高压注水的水压,因此孔底最先达到钻孔的启裂压力。当孔底压力达到启裂压力时,在孔底段形成裂缝,形成裂缝后裂缝使孔内流量增大,由于靠近孔底的第一管段直径最小,因此该管段的流速增幅最大,此处形成动压,动压推动转轴和密封扇片旋转实现第一管段密封;随后依次启裂剩余的管段间煤体。
利用该装置进行煤层长钻孔注水分段启裂时,利用膨胀密封圈遇水膨胀封堵钻孔,进行分段,当孔底最先启裂,利用裂缝使孔内流量增大,并且在孔底第一管段的直径最小,利用动压原理和密封扇片的结构完成封端密封启裂。利用了水压和动压原理,实现了自动化分段封孔,减小压力损失,由深到浅,逐段压裂,同时避免孔内憋压启开主裂缝后造成泄水现象,提高煤层高压注水启裂效果。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种煤层长钻孔注水分段启裂装置,其特征在于,包括管体、固定卡扣、膨胀密封圈、挡板、密封扇片、转轴和轴限位卡扣;所述管体包括多个管段;所述管体外侧设置有固定卡扣和膨胀密封圈,管体内侧设置有挡板,管体内壁还设置有对称的限位槽,限位槽内设置有轴限位卡扣,转轴和密封扇片通过限位槽固定;所述管体内侧还设置有扇片限位弹簧和扇片限位卡扣,所述密封扇片移动旋转密封管体后,密封扇片固定在挡板和扇片限位卡扣之间;所述管体的每个管段上在管体内侧至少设置有一对扇片限位卡扣,相对布置的扇片限位卡扣设置方向相反;所述扇片限位卡扣和管体内壁上的卡槽铰接,扇片限位弹簧连接卡槽底部和扇片限位卡扣;所述密封扇片的端部还设置有弧形金属片;所述管段的外直径均小于钻孔孔径,所述钻孔从煤层上方向下钻设;所述管段的直径由钻孔内至外依次增大;所述转轴呈柱状,转轴的两端设置有滑片和固定圆柱,所述滑片和限位槽的滑动段卡合;所述限位槽的滑动段内还设置有轴限位卡扣和轴限位弹簧。
2.根据权利要求1所述的一种煤层长钻孔注水分段启裂装置,其特征在于,所述管体的每个管段外侧设置有一个以上的膨胀密封圈,所述膨胀密封圈紧密包裹在管体上,膨胀密封圈具体为遇水膨胀止水橡胶条。
3.根据权利要求1所述的一种煤层长钻孔注水分段启裂装置,其特征在于,所述管体外侧设置有多个凹槽,固定卡扣和凹槽的底部铰接,固定弹簧连接凹槽的底部和固定卡扣;所述固定卡扣的长度大于凹槽的长度,固定卡扣外露段的朝向和管段进入钻孔的方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种煤层长钻孔注水分段启裂装置,其特征在于,所述管体的每个管段端部为弧形,或管体的端部设置有斜坡状边缘,并且每个管段的后端设置有螺纹。
5.一种煤层长钻孔注水分段启裂方法,利用权利要求1至4任一项所述的一种煤层长钻孔注水分段启裂装置,其特征在于,步骤包括:
步骤A.利用钻机沿煤层向下钻孔,根据钻孔长度确定煤层长钻孔注水分段启裂装置管体的管段数量,其中管段的间隔距离为10~15m;
步骤B.组装并检查煤层长钻孔注水分段启裂装置的密封性和活动性能,铰接和滑动部位涂抹润滑油;
步骤C.将煤层长钻孔注水分段启裂装置的管段分别通过导杆送入钻孔内,送至指定位置后回拽各个管段使各管段固定在钻孔内;
步骤D.进行封孔,对钻孔进行高压注水,分段启裂煤体。
6.根据权利要求5所述的一种煤层长钻孔注水分段启裂方法,其特征在于,钻孔内注水后,膨胀密封圈遇水膨胀封堵钻孔,当孔底压力达到启裂压力时,裂缝使孔内流量增大,第一管段流速增幅最大,动压推动转轴和密封扇片旋转实现第一管段密封;随后依次启裂剩余的管段间煤体。
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