CN110984940A - 一种单管路调压式双端封堵压裂器及压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单管路调压式双端封堵压裂器及压裂方法，沿钻孔方向依次连通的尾部封孔器、连通管和前部封孔器，前部封孔器和尾部封孔器之间设置压裂单元，压裂单元由调压部和压裂部组成，在进行矿层压裂之前，通过调压部设定压裂部的开启压力，尾部封孔器与高压注水钻杆连接，高压注水钻杆与泵站连接，将高压注水钻杆伸入钻孔，使得压裂单元置于需要压裂的位置，尾部封孔器和前部封孔器随注水压力增大而膨胀并张紧于钻孔孔壁上，继续增加注水压力，直至到达开启压力，此时尾部封孔器、调压部和压裂部连通，高压水进入压裂部实现定点压裂。本发明具有改变传统的双管路压裂方式，只需一台泵站一次加压操作，使水力压裂操作更简单，并可大幅度降低压裂成本。

Description

一种单管路调压式双端封堵压裂器及压裂方法

技术领域

本发明属于压裂器技术领域，具体地说，涉及一种单管路可调压式双端封堵压裂器及压裂方法。

背景技术

水力压裂增透技术是将高压流体注入目标煤层，引起煤储层弹性能的聚集与失控，从而改变其有效压力系统和有效运移系统，促使煤储层形成新的裂缝体系或者重启、沟通煤层自生裂隙系统，形成新的、大规模连通的瓦斯抽采导流通道，实现煤层增透的目的。目前国内水利压裂增透采用的水力压裂器都是双管路设计，需要两台泵站提供水压。一台泵站通过一套单独的输送管路使水力压裂器实现封孔，另一台泵站通过另一套单独的输送管路用于压裂。由此可知，加工难度高，易泄漏，且操作复杂，施工成本高。因此，本发明提供一种改变传统的双管路压裂方式，只需一台泵站、一次加压操作，使水力压裂操作更简单，并可大幅度降低压裂成本的单管路可调压式双端封堵压裂器及压裂方法。

发明内容

针对当前双管路压裂器操作复杂、成本高、加工难度高且易泄露的缺点，本发明提供一种单管路调压式双端封堵压裂器及压裂方法，只需一台泵站、一次加压操作，使水力压裂操作更简单，可大幅度降低压裂成本。

本发明的具体技术方案如下：

一种单管路调压式双端封堵压裂器，所述压裂器包括尾部封孔器、前部封孔器和压裂单元，所述尾端封孔器的一端通过进水接头与高压注水钻杆连通，另一端通过连通管与前部封孔器连通，所述前部封孔器和尾部封孔器均为弹性囊体；所述压裂单元设置在前部封孔器和尾部封孔器之间，所述压裂单元由调压部和压裂部两部分组成，所述调压部设置有位于尾部封孔器与压裂部之间的限压开启装置，调压部一端与尾部封孔器连通，另一端通过限压开启装置与压裂部连通，所述压裂部设置在前部封孔器与调压部之间。

进一步地，所述限压开启装置包括一阀体，所述阀体位于所述尾部封孔器与所述压裂部之间，阀体内部设有与所述尾部封孔器连通的第一通孔和与所述压裂部连通的第二通孔，所述第一通孔与第二通孔轴线重合，且所述第一通孔的孔径小于第二通孔的孔径，所述第二通孔内装配有可封堵第一通孔的封堵件及用于顶接封堵件的弹簧，所述弹簧设置于封堵件和压裂部之间，所述阀体上活动连接有调节件，所述调节件在外力驱动下可沿弹簧的轴线运动且顶压于所述弹簧远离所述封堵件的一端。

进一步地，所述封堵件为圆球体或半圆体。

进一步地，所述第一通孔与第二通孔连接处设置有与所述封堵件圆弧表面相适配的凹槽。

进一步地，所述调节件包括与所述阀体外表面螺纹连接的调节螺母和紧锁螺母，所述调节螺母具有由阀体远离所述尾部封孔器的一端内翻入第二通孔内的顶套，所述弹簧的一端与封堵件顶接，另一端与所述顶套顶接，所述紧缩螺母顶接于所述调节螺母远离所述顶套的一端。

进一步地，所述压裂部设置有压裂管，所述压裂管的封堵端与前部封孔器固定连接，另一端与所述阀体的第二通孔连通，所述压裂管上沿压裂管轴向间隔设置有多组压裂孔组，每组压裂孔组包括多个沿压力管周向均匀开设的压裂孔。

进一步地，所述的弹性囊体由橡胶和钢丝辫制成。

进一步地，所述连通管至少为两个，所述连通管沿所述压裂单元的周向均匀布设，所述前部封孔器远离所述尾部封孔器的一端端部设置有顶尖。

一种采用单管路调压式双端封堵压裂器的压裂方法，包括如下步骤：

S1、调节调节螺母，设定压裂单元的开启压力，设定完成后旋转锁紧螺母，使锁紧螺母锁紧调节螺母；

S2、将尾部封孔器与高压注水钻杆的出水端连接；

S3、通过高压注水钻杆将封堵压裂器伸入钻孔，并使压裂单元置于岩层需要压裂的部位；

S4、通过与高压注水钻杆连接的泵站对高压注水钻杆供给高压水，高压水通过高压注水钻杆依次进入尾部封孔器、连通管及前部封孔器，直至尾部封孔器与前部封孔器充满，逐渐提高泵站的供给压力，使尾部封孔器和前部封孔器的外壁膨胀并张紧于钻孔的孔壁上，实现对钻孔孔壁封堵，且此时水压未将调压部与压裂部连通；

S5、继续提高泵站的供给压力，直至达到压裂单元的开启压力，此时高压注水钻杆、调压部和压裂部三者连通，高压水进入压裂部实现钻孔压裂。

有益效果，所述尾部封孔器与所述前部封孔器通过连通管连通，所述尾部封孔器与高压注水钻杆连接，且于所述尾部封孔器与所述前部封孔器之间设有压裂单元，所述压裂单元与所述尾部封孔器连通，压裂单元具有设于靠近尾部封孔器端的调压部及设于调压部和前部封孔器之间的压裂部；调压部将高压水分成两个压力范围，即封孔压力和压裂压力，当高压水注入尾部封孔器后，尾部封孔器内的高压水通过连通管进入前部封孔器，且尾部封孔器与前部封孔器的压力相等，通过对高压注水钻杆逐渐加压，尾部封孔器与前部封孔器的压力逐渐增大，直至前部封孔器和尾部封孔器的外壁与钻孔的孔壁顶接，进而实现对钻孔的孔壁的封堵，在这个压力范围内，调压部未与压裂部连通，高压水不能进入压裂部，这个范围内的压力成为封孔压力，此范围的高压水称为密封水；之后，持续提高流通高压注水钻杆的水压，直至达到压裂单元的调压部与压裂部连通，即预设的开启压力，高压水通过压裂部压裂并进入钻孔的裂缝中，尾部封孔器和前部封孔器在此压力范围内一直处于与钻孔孔壁张紧状态，这个压力范围为压裂压力，此范围的高压水称为压裂水；根据钻孔的实际情况，实现对调压部调节，以设定好调压部的开启压力，即压裂压力最小值，以使调压部与压裂部连通，在通过与高压注水钻杆将本发明输送至钻孔所需压裂的部位。本发明采用上述的结构，将压裂单元设置为调压部和压裂部，根据不同需要通过调压部设置压裂部不同的开启压力，以适应现场的复杂变化，由双管路压裂系统简化为单管路，同时实现调压部开启压力的可调可控，只需一台泵站、一次加压操作，使水力压裂操作更简单，并可大幅度降低压裂成本，此外，本发明的上述装置可以实现快速封堵、循环压裂等多项特征，不仅解决了采场周围及巷道内坚硬厚层顶板难垮落问题，更大大降低了安装作业强度及封堵时间，满足井下作业时间短、效率高及低成本的要求，为煤矿坚硬厚顶板处理提供了技术指导与装备支撑，采用双端封堵设置，根据预先设置，可以将压裂单元送入指定位置实现定点压裂。

附图说明

图1为压裂器的结构示意图；

图2为压裂单元的结构示意图。

图中：1、进水接头，2、尾部封孔器，3、压裂单元，4、前部封孔器，5、顶尖，6、连通管，7、第一通孔，8、封堵件，9、调节螺母，10、压裂管，11、压裂孔，12、顶套，13、锁紧螺母，14、弹簧。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种单管路可调压式双端封堵压裂器，如图1所示，包括沿钻孔的延伸方向依次连通的尾部封孔器2、连通管6及前部封孔器4，在前部封孔器4和尾部封孔器2之间设置有压裂单元3。为了使尾部封孔器2与前部封孔器4连接充分，且避免高压水由尾部封孔器2进入前部封孔器过程不均匀，或者单个连通管6承受局部压力过大，而使前部封孔器膨胀不均匀，将连通管6至少设为两个，且连通管6沿压裂单元3的周向均匀布设。其中，尾部封孔器2远离前部封孔器的一端构造有进水接头1，高压注水钻杆的出水端通过与进水接头1连接实现与尾部封孔器2的连接，高压注水钻杆的进水端与一台泵站连接。本发明为了便于生产制造，且在高压水的作用下尾部封孔器与前部封孔器有效地弹性膨胀，使尾部封孔器与前部封孔器的外壁张紧在钻孔的孔壁上，尾部封孔器为由橡胶和钢丝辫制成的第一囊体，前部封孔器为由橡胶和钢丝辫制成的第二囊体。

如图2所示，压裂单元3具有设置在靠近尾部封孔器2端的调压部及设置在调压部和前部封孔器4之间的压裂部。压裂单元3设置调压部的目的是，使通过高压注水钻杆的高压水分成两个压力范围，当高压水的压力范围在使尾部封孔器2与前部封孔器4的外壁分别张紧在钻孔的孔壁时，且在这个压力范围内调压部未与压裂部连通，高压水不能进入压裂部进行压裂，这个压力范围称为封孔压力，且在此范围内的高压水被称为密封水。另一个压力范围的最小压力大于封孔压力的最大值，当高压水的压力范围达到使尾部封孔器2、调压部及压裂部连通时，高压水进入压裂部进行压裂，且尾部封孔器2与前部封孔器4在此压力范围内一直处于与钻孔孔壁张紧的状态，这个压力范围称为压裂压力，且在此范围内的高压水被称为压裂水。

为了有效控制压裂压力的最小值，以使通过压裂部压裂水对矿层达到预期的压裂效果，如图2所示，调压部设置有在尾部封孔器2与压裂部之间的阀体，在阀体内分别开有与尾部封孔器2连通的第一通孔7和与压裂部连通的第二通孔，第一通孔7与第二通孔轴线重合，且第一通孔7的孔径小于第二通孔的孔径，在第二通孔内装配有可封堵第一通孔7的封堵件8，且在第二通孔内装配有弹簧14，弹簧14的设置于封堵件和压裂部之间，在阀体上活动连接有在外力驱动下可沿弹簧14的轴线运动的调节件，调节件顶压在弹簧14远离封堵件一端的调节件。其中，为了提高封堵件在弹簧14的顶压下充分密封第一通孔7，采用的实施方式是：封堵件8为圆球体或半球体，圆球体可以为钢球，在第一通孔7与第二通孔连接处形成有与封堵件圆弧表面相适配的圆弧形凹槽。调节件包括与阀体外表面螺纹连接的调节螺母9，调节螺母9具有由阀体远离尾部封孔器的一端内翻入第二通孔内的顶套12，其中，当旋转调节螺母9的过程中，顶套12随调节螺母9沿第二通孔的轴线的运动，这样构成了顶套对弹簧14的压缩程度的不同，从而实现调节高压水将封堵件顶离圆弧形凹槽的压力。为了防止调节螺母9在调节完成后与阀体发生相对位移，在阀体上螺纹连接有锁紧螺母13，且确保锁紧螺母13顶接在调节螺母9远离压裂部的一端，以实现对调节螺母9的锁定。

压裂部包括压裂管10，压裂管10的封堵端与相对应的前部封孔器4的端部固定连接，压裂管10的另一端与阀体的第二通孔连通。在压裂管10上沿压裂管10的轴向间隔开有多组压裂孔11组，每组压裂孔11组包括多个沿压裂管10的周向均匀开设的压裂孔11，这样使得高压压裂水从各个压裂孔11充分地渗入相对应的矿层裂缝内。

为了使前部封孔器4随高压注水钻杆顺利进入钻孔，以避免钻孔对前部封孔器4造成阻碍，在前部封孔器4远离尾部封孔器2的一端端部形成有顶尖5。

采用上述单管路可调压式双端封堵压裂器进行钻孔压力的具体操作步骤如下：

S1、调节调节螺母9，设定压裂单元3的开启压力，设定完成后旋转锁紧螺母13，使锁紧螺母13锁紧调节螺母9；

S2、将尾部封孔器2与高压注水钻杆的出水端连接固定；

S3、将高压注水钻杆伸入钻孔，并使压裂单元3位于矿层需要压裂的部位；

S4、通过与高压注水钻杆连接的泵站对高压注水钻杆供给高压水，高压水通过高压注水钻杆依次进入尾部封孔器2、连通管6及前部封孔器4，直至尾部封孔器2与前部封孔器4充满，提高泵站的供给压力，使尾部封孔器2和前部封孔器4的外壁分别膨胀并张紧于钻孔的孔壁上，且此时水压未将调压部与压裂部连通；

S5、继续提高泵站的供给压力，直至达到压裂单元3的开启压力，即高压注水钻杆、调压部及压裂部三者连通，高压水进入压裂部并通过压裂部对钻孔进行压裂。

当高压水注入尾部封孔器2后，尾部封孔器2内的高压水通过连通管6进入前部封孔器4，且尾部封孔器2与前部封孔器4的压力相等，通过对高压注水钻杆逐渐加压，尾部封孔器2与前部封孔器4的压力逐渐增大，直至前部封孔器4和尾部封孔器2的外壁与钻孔的孔壁顶接，进而实现对钻孔的孔壁的封堵，此范围的高压水称为密封水；之后，持续提高流通高压注水钻杆的水压，直至达到压裂单元3的调压部与压裂部连通，即预设的压裂压力，高压水通过压裂部压裂并进入钻孔的裂缝中，此范围的高压水称为压裂水；根据钻孔的实际情况，实现对调压部调节，以设定好调压部的开启压力，即压裂压力，以使调压部与压裂部连通，在通过与高压注水钻杆将本发明输送至钻孔所需压裂的部位，进行定点压裂。

由此，本发明具有改变传统的双管路压裂方式，只需一台泵站、一次加压操作，使水力压裂操作更简单，并可大幅度降低压裂成本的特点。

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 (9)

1.一种单管路调压式双端封堵压裂器，其特征在于：所述压裂器包括尾部封孔器、前部封孔器和压裂单元，所述尾端封孔器的一端通过进水接头与高压注水钻杆连通，另一端通过连通管与前部封孔器连通，所述前部封孔器和尾部封孔器均为弹性囊体；所述压裂单元设置在前部封孔器和尾部封孔器之间，所述压裂单元由调压部和压裂部两部分组成，所述调压部设置有位于尾部封孔器与压裂部之间的限压开启装置，调压部一端与尾部封孔器连通，另一端通过限压开启装置与压裂部连通，所述压裂部设置在前部封孔器与调压部之间。

2.根据权利要求1所述的一种单管路调压式双端封堵压裂器，其特征在于，所述限压开启装置包括一阀体，所述阀体位于所述尾部封孔器与所述压裂部之间，阀体内部设有与所述尾部封孔器连通的第一通孔和与所述压裂部连通的第二通孔，所述第一通孔与第二通孔轴线重合，且所述第一通孔的孔径小于第二通孔的孔径，所述第二通孔内装配有可封堵第一通孔的封堵件及用于顶接封堵件的弹簧，所述弹簧设置于封堵件和压裂部之间，所述阀体上活动连接有调节件，所述调节件在外力驱动下可沿弹簧的轴线运动且顶压于所述弹簧远离所述封堵件的一端。

3.根据权利要求2所述的一种单管路调压式双端封堵压裂器，其特征在于，所述封堵件为圆球体或半圆体。

4.根据权利要求3所述的一种单管路调压式双端封堵压裂器，其特征在于，所述第一通孔与第二通孔连接处设置有与所述封堵件圆弧表面相适配的凹槽。

5.根据权利要求2所述的一种单管路调压式双端封堵压裂器，其特征在于，所述调节件包括与所述阀体外表面螺纹连接的调节螺母和紧锁螺母，所述调节螺母具有由阀体远离所述尾部封孔器的一端内翻入第二通孔内的顶套，所述弹簧的一端与封堵件顶接，另一端与所述顶套顶接，所述紧缩螺母顶接于所述调节螺母远离所述顶套的一端。

6.根据权利要求2所述的一种单管路调压式双端封堵压裂器，其特征在于，所述压裂部设置有压裂管，所述压裂管的封堵端与前部封孔器固定连接，另一端与所述阀体的第二通孔连通，所述压裂管上沿压裂管轴向间隔设置有多组压裂孔组，每组压裂孔组包括多个沿压力管周向均匀开设的压裂孔。

7.根据权利要求1所述的一种单管路调压式双端封堵压裂器，其特征在于，所述的弹性囊体由橡胶和钢丝辫制成。

8.根据权利要求1所述的一种单管路调压式双端封堵压裂器，其特征在于：所述连通管至少为两个，所述连通管沿所述压裂单元的周向均匀布设，所述前部封孔器远离所述尾部封孔器的一端端部设置有顶尖。

9.一种采用权利要求1-8之一所述的单管路调压式双端封堵压裂器进行压裂的压裂方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、调节调压部，设定压裂部的开启压力；

S2、将尾部封孔器与高压注水钻杆的出水端连接；

S3、通过高压注水钻杆将封堵压裂器伸入钻孔，并使压裂单元置于岩层需要压裂的部位；

S4、通过与高压注水钻杆连接的泵站对高压注水钻杆供给高压水，高压水通过高压注水钻杆依次进入尾部封孔器、连通管及前部封孔器，直至尾部封孔器与前部封孔器充满，逐渐提高泵站的供给压力，使尾部封孔器和前部封孔器的外壁膨胀并张紧于钻孔的孔壁上，实现对钻孔孔壁封堵，且此时水压未将调压部与压裂部连通；

S5、继续提高泵站的供给压力，直至达到压裂单元的开启压力，此时高压注水钻杆、调压部和压裂部三者连通，高压水进入压裂部实现钻孔压裂。

Images