CN111425175A - 一种煤岩层高压封孔卸压保护方法 - Google Patents

一种煤岩层高压封孔卸压保护方法 Download PDF

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CN111425175A CN202010255303.3A CN202010255303A CN111425175A CN 111425175 A CN111425175 A CN 111425175A CN 202010255303 A CN202010255303 A CN 202010255303A CN 111425175 A CN111425175 A CN 111425175A
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Abstract

本发明公开了一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，包括步骤：一、钻孔并将封孔器伸入钻孔内；二、钻孔注水并注水封孔；三、封孔器保压封孔压裂煤岩层；四、停止压裂；五、封孔器保压逐级降压卸压；六、回收封孔器。本发明通过将单向安全阀改造成双向安全阀，并配合管路控制阀门，满足常规的高压水注入钻孔封孔并压裂煤岩层同时，可以进行封孔器保压卸压，利用压力表获取钻孔内水压，停止压裂时通过封孔器双向安全阀配合单向阀对停止注水的封孔器进行保压，通过调节外部管路截止阀和调压阀实现逐级卸压，且压裂孔中高压水可通过双向安全阀流出，实现封孔器原位保压卸压，保证高压橡胶膨胀胶管不易从钻孔中弹出，避免与压裂孔的高速摩擦，寿命长。

Description

一种煤岩层高压封孔卸压保护方法
技术领域
本发明属于煤岩层压裂封孔卸压技术领域，具体涉及一种煤岩层高压封孔卸压保护方法。
背景技术
我国瓦斯喷出、煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、冲击地压等事故时有发生。煤岩层注水、煤岩层水力压裂等技术是防治瓦斯灾害、冲击地压灾害的有效手段。安全有效封孔是实现高效注水和高效水力压裂的首要条件。常规封孔方式是将高压水注入高压橡胶膨胀胶管，通过高压橡胶膨胀胶管膨胀压紧钻孔壁实现封孔，高压橡胶膨胀胶管内水达到一定压力后，高压水从前侧的单向安全阀中输出，实现煤层高压注水，一旦煤层压裂效果达到后，则停止注水。当停止注水或意外停泵时，现有封孔器封孔的钻孔内压力远大于高压橡胶膨胀胶管内压力，高压橡胶膨胀胶管因封孔压力不足而从钻孔中喷出，存在很大的安全隐患，一旦操作人员位于钻孔位置，停止注水后则后果不堪设想，并且巨大的冲击力和冲击速度导致高压橡胶膨胀胶管外的密封胶皮被钻孔摩擦而损坏，再次使用封孔效果差，使用寿命短，并且现有封孔方式无法对钻孔高压水实现有效可控卸压。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，通过将单向安全阀改造成双向安全阀，并配合管路控制阀门，满足常规的高压水注入钻孔封孔并压裂煤岩层同时，可以进行封孔器保压卸压，利用压力表获取钻孔内水压，停止压裂时通过封孔器双向安全阀配合单向阀对停止注水的封孔器进行保压，通过调节外部管路截止阀和调压阀实现逐级卸压，且压裂孔中高压水可通过双向安全阀流出，实现封孔器原位保压卸压，保证高压橡胶膨胀胶管不易从钻孔中弹出，避免与压裂孔的高速摩擦，延长了封孔器使用寿命，并消除了安全隐患，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、钻孔并将封孔器伸入钻孔内：在待预裂的煤岩层内指定位置进行钻孔，并将封孔器伸入钻孔内，高压注水管连接在所述封孔器后侧快速接头上，并引出至煤岩层外，在高压注水管位于煤岩层外的管段安装单向阀和压力表，高压注水管位于煤岩层外及单向阀前侧的管段上设置高压回水管，在高压回水管上安装截止阀和调压阀，调压阀安装在高压回水管的末端，保持截止阀处于关闭状态；
所述封孔器包括高压橡胶膨胀胶管和设置在高压橡胶膨胀胶管前端的双向安全阀，双向安全阀包括与高压橡胶膨胀胶管配合的中空结构的安全阀头、设置在安全阀头内的第一弹簧和伸入至第一弹簧内且为中空结构的双向安全阀芯，所述双向安全阀芯包括安全阀芯、设置在安全阀芯一端且与第一弹簧配合的中空结构的安全阀芯挡盖和设置在安全阀芯另一端且与高压橡胶膨胀胶管内管抵接配合的中空结构的密封锥，所述双向安全阀芯内开设有安全阀芯腔，所述安全阀芯挡盖内设置有与安全阀芯腔连通的贯通孔，密封锥内开设有密封锥贯通孔，安全阀芯腔内设置有第二弹簧和挡球，挡球的直径大于贯通孔的内径，挡球的直径大于密封锥贯通孔的内径，安全阀芯包括依次连接的第一安全阀芯段、第二安全阀芯段和第三安全阀芯段，第一安全阀芯段和第三安全阀芯段的外形尺寸一致，第一安全阀芯段和第三安全阀芯段均通过一圆柱体对称的切去两侧弓形柱加工制作而成，第二安全阀芯段的外形为一长方体，所述长方体的长宽高均小于所述圆柱体的直径；
步骤二、钻孔注水并注水封孔：通过高压注水管向钻孔中的高压橡胶膨胀胶管持续注入高压水，双向安全阀芯内的挡球被高压水挤压，挡球同时在第二弹簧弹力作用下复位，封堵贯通孔，高压水挤压高压橡胶膨胀胶管侧壁，使高压橡胶膨胀胶管膨胀挤压钻孔，随着高压水压力升高，高压水自动挤压密封锥，密封锥、安全阀芯和安全阀芯挡盖共同运动挤压第一弹簧与高压橡胶膨胀胶管密闭口分离，高压水经第一安全阀芯段外部的缺口平面、第二安全阀芯段的外表面和第三安全阀芯段外部的缺口平面流入安全阀头腔，进而流出双向安全阀，此时高压橡胶膨胀胶管膨胀同时实现封孔，利用压力表实时监测高压注水管内注水压力，直至压力表显示的高压注水管内注水压力稳定在预设压力值；
步骤三、封孔器保压封孔压裂煤岩层：从高压泵泵出的压裂液经高压注水管、高压橡胶膨胀胶管和全阀头不断注入煤岩层进行压裂，当意外停泵时，单向阀阻止高压橡胶膨胀胶管及高压注水管内的高压水回流，同时钻孔内的高压水经安全阀头和贯通孔推动挡球并压缩第二弹簧，使挡球离开贯通孔密封位置，向高压橡胶膨胀胶管回供高压液，保持高压橡胶膨胀胶管内高压水和钻孔中压力一致，实现封孔器保压封孔压裂煤岩层；
步骤四、停止压裂：当达到设计压裂要求时，停止向高压注水管中泵入高压水，单向阀阻止高压橡胶膨胀胶管及高压注水管内的高压水回流，同时钻孔内的高压水经安全阀头和贯通孔推动挡球压缩并第二弹簧，使挡球离开贯通孔密封位置，向高压橡胶膨胀胶管回供高压液，保持高压橡胶膨胀胶管内高压水和钻孔中压力一致；
步骤五、封孔器保压逐级降压卸压，过程如下：
步骤501、根据公式
Figure BDA0002437069520000031
计算调压阀的卸载压力Pt，其中，P为压力表显示实时压力值，k为安全系数，M为径长比且
Figure BDA0002437069520000032
D为钻孔直径，L为高压橡胶膨胀胶管膨胀后的长度，μ为高压橡胶膨胀胶管与钻孔壁的摩擦系数；
步骤502、调节调压阀的卸载压力达到Pt，打开截止阀，钻孔内高压水经安全阀头孔、第一安全阀芯段外部的缺口平面、第二安全阀芯段的外表面和第三安全阀芯段外部的缺口平面后挤压密封锥，密封锥在水压和第一弹簧共同作用下与高压橡胶膨胀胶管密闭口抵接，同时钻孔内高压水自动流入贯通孔反向挤压挡球，进而压缩第二弹簧使挡球离开贯通孔封口，此时钻孔内高压水经安全阀芯腔流出，经密封锥贯通孔进入高压回水管，经截止阀从调压阀流出而卸压，直至压力表显示实时压力值降至与当前调压阀的卸载压力一致则自动停止卸压；
步骤503、多次循环步骤501和步骤502，直至钻孔及高压橡胶膨胀胶管压力降为零，完成煤层压裂卸压；
步骤六、回收封孔器：将封孔器从钻孔内取出，将封孔器、高压注水管、单向阀、压力表、截止阀和调压阀拆卸复位，独立保存，实现封孔器的回收。
上述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：所述安全阀头外设置有与高压橡胶膨胀胶管螺纹配合的外螺纹；安全阀头内开设有安全阀头腔和与所述安全阀头腔连通的安全阀头孔，安全阀头孔的内径小于安全阀头腔的内径，第一弹簧设置在安全阀头腔内，所述安全阀芯挡盖为空心圆柱式挡盖，所述空心圆柱式挡盖的外径小于所述圆柱体的直径。
上述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：所述安全阀芯和密封锥加工制作为一体，所述安全阀芯和安全阀芯挡盖螺纹连接，密封锥贯通孔的内径小于第一弹簧的外径。
上述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：所述挡球设置在第二弹簧远离连接块的一端。
上述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：所述第一安全阀芯段、第二安全阀芯段和第三安全阀芯段加工制作为一体，第一安全阀芯段上过其重心和两侧切线段的中点的垂直切面与第三安全阀芯段上过其重心和两侧切线段的中点的垂直切面相垂直，所述圆柱体的外径等于第一弹簧的外径。
上述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：步骤501中安全系数k的取值范围为2～3。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过将封孔器原有的单向安全阀改造成双向安全阀，满足常规的高压水注入钻孔的同时，通过关闭外部管路中的截止阀对意外停泵而停止注水的管路进行保压，在压裂后进行卸压时，压裂孔中高压水可通过双向安全阀流出，配合截止阀和调压阀实现保压卸压，实现封孔器原位保压卸压，便于推广使用。
2、本发明双向安全阀芯中，第一安全阀芯段和第三安全阀芯段的外部均切有缺口平面，且第一安全阀芯段外部的缺口平面和第三安全阀芯段外部的缺口平面通过第二安全阀芯段的外表面错位连通，当高压注水管向双向安全阀注水时，高压水挤压连接块，密封锥挤压第一弹簧与高压橡胶膨胀胶管封口分离，高压水经第一安全阀芯段外部的缺口平面、第二安全阀芯段的外表面和第三安全阀芯段外部的缺口平面流入安全阀头腔，进而流出双向安全阀，此时双向安全阀芯内的挡球被高压水挤压和第二弹簧弹力共同作用下，封堵安全阀芯挡盖的贯通孔；当卸压时，压裂钻孔中高压水经双向安全阀流出，高压水经第一安全阀芯段外部的缺口平面、第二安全阀芯段的外表面和第三安全阀芯段外部的缺口平面后挤压密封锥，密封锥与高压橡胶膨胀胶管封口抵接，同时高压水流入安全阀芯挡盖经贯通孔反向挤压挡球，进而压缩第二弹簧，此时高压水经安全阀芯腔流出密封锥的贯通孔，进而反向流出双向安全阀，调节高压橡胶膨胀胶管内和钻孔内压力平衡，通过设计中空结构的双向安全阀芯，同时配合使用截止阀和调压阀，实现封孔器原位保压卸压，保证高压橡胶膨胀胶管不易从压裂孔中弹出，避免胶管与压裂孔的高速摩擦，延长了封孔器使用寿命，并消除了安全隐患，另外，安全阀芯结构对称，避免安全阀芯在第一弹簧内倾倒偏移。
3、本发明方法步骤简单，通过钻孔并将封孔器伸入钻孔内，利用高压注水封孔并压裂煤层，根据实际钻孔选取高压橡胶膨胀胶管，当停止高压注水时，利用压力表获取钻孔内水压，根据高压注水管内注水压力开启调压阀卸压，通过阶段性多次调压的方式将钻孔内的高压逐级降低，保证操作安全，便于推广使用。
综上所述，本发明通过将单向安全阀改造成双向安全阀，并配合管路控制阀门，满足常规的高压水注入钻孔封孔并压裂煤岩层同时，可以进行封孔器保压卸压，利用压力表获取钻孔内水压，停止压裂时通过封孔器双向安全阀配合单向阀对停止注水的封孔器进行保压，通过调节外部管路截止阀和调压阀实现逐级卸压，且压裂孔中高压水可通过双向安全阀流出，实现封孔器原位保压卸压，保证高压橡胶膨胀胶管不易从钻孔中弹出，避免与压裂孔的高速摩擦，延长了封孔器使用寿命，并消除了安全隐患，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明封孔器、高压注水管、单向阀和调压阀的连接关系示意图。
图2为本发明双向安全阀的结构示意图。
图3为本发明双向安全阀芯的立体结构示意图。
图4为本发明第一安全阀芯段(第三安全阀芯段)的横截面示意图。
图5为本发明的方法流程框图。
附图标记说明:
1—高压橡胶膨胀胶管； 2—双向安全阀； 3—高压注水管；
4—单向阀； 5—高压回水管； 6—调压阀；
7—安全阀头； 7-1—安全阀头腔； 7-2—安全阀头孔；
8—第一弹簧； 9—安全阀芯； 9-1—第一安全阀芯段；
9-2—第二安全阀芯段； 9-3—第三安全阀芯段； 9-4—弓形柱；
10—密封锥； 11—贯通孔； 12—安全阀芯腔；
13—第二弹簧； 14—挡球； 20—密封锥贯通孔；
30—安全阀芯挡盖； 40—截止阀。
具体实施方式
如图1-图5所示，本发明的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，包括以下步骤：
步骤一、钻孔并将封孔器伸入钻孔内：在待预裂的煤岩层内指定位置进行钻孔，并将封孔器伸入钻孔内，高压注水管3连接在所述封孔器后侧快速接头上，并引出至煤岩层外，在高压注水管3位于煤岩层外的管段安装单向阀4和压力表，高压注水管3位于煤岩层外及单向阀4前侧的管段上设置高压回水管5，在高压回水管5上安装截止阀40和调压阀6，调压阀6安装在高压回水管5的末端，保持截止阀40处于关闭状态；
所述封孔器包括高压橡胶膨胀胶管1和设置在高压橡胶膨胀胶管1前端的双向安全阀2，双向安全阀2包括与高压橡胶膨胀胶管1配合的中空结构的安全阀头7、设置在安全阀头7内的第一弹簧8和伸入至第一弹簧8内且为中空结构的双向安全阀芯，所述双向安全阀芯包括安全阀芯9、设置在安全阀芯9一端且与第一弹簧8配合的中空结构的安全阀芯挡盖30和设置在安全阀芯9另一端且与高压橡胶膨胀胶管1内管抵接配合的中空结构的密封锥10，所述双向安全阀芯内开设有安全阀芯腔12，所述安全阀芯挡盖30内设置有与安全阀芯腔12连通的贯通孔11，密封锥10内开设有密封锥贯通孔20，安全阀芯腔12内设置有第二弹簧13和挡球14，挡球14的直径大于贯通孔11的内径，挡球14的直径大于密封锥贯通孔20的内径，安全阀芯9包括依次连接的第一安全阀芯段9-1、第二安全阀芯段9-2和第三安全阀芯段9-3，第一安全阀芯段9-1和第三安全阀芯段9-3的外形尺寸一致，第一安全阀芯段9-1和第三安全阀芯段9-3均通过一圆柱体对称的切去两侧弓形柱9-4加工制作而成，第二安全阀芯段9-2的外形为一长方体，所述长方体的长宽高均小于所述圆柱体的直径；
需要说明的是，通过将封孔器原有的单向安全阀改造成双向安全阀2，满足常规的高压水注入钻孔的同时，配合外部管路中的单向阀4和截止阀40对停止注水的管路进行保压，在压裂后进行卸压时，通过打开截止阀40配合调压阀6逐级卸压，压裂孔中高压水可通过双向安全阀2流出，实现封孔器原位卸压；通过设置中空结构的双向安全阀芯，双向安全阀芯外段采用圆柱形安全阀芯挡盖30，第一弹簧8套在圆柱形安全阀芯挡盖30上，利用第三安全阀芯段9-3阻挡第一弹簧8向双向安全阀芯自由滑动，双向安全阀芯中第一安全阀芯段9-1和第三安全阀芯段9-3的外部均切有缺口平面，且第一安全阀芯段9-1外部的缺口平面和第三安全阀芯段9-3外部的缺口平面通过第二安全阀芯段9-2的外表面错位连通，当高压注水管3向双向安全阀2注水时，高压水挤压密封锥10，密封锥10挤压第一弹簧8与高压橡胶膨胀胶管1的封口分离，高压水经第一安全阀芯段9-1外部的缺口平面、第二安全阀芯段9-2的外表面和第三安全阀芯段9-3外部的缺口平面流入安全阀头腔7-1，进而流出双向安全阀2进入压裂钻孔，此时双向安全阀芯内的挡球14被高压水挤压，在第二弹簧13弹力作用下回位，封堵安全阀芯挡盖30中空贯通孔11；当卸压时，压裂孔中高压水经双向安全阀2回流，高压水经经安全阀头孔7-2、高压水经安全阀头腔7-1，经第三安全阀芯段9-3的外表面、第二安全阀芯段9-2的外表面和第一安全阀芯段9-1外部的缺口平面后挤压密封锥10，密封锥10与高压橡胶膨胀胶管1封口抵接，同时高压水流入安全阀芯挡盖30中空贯通孔11，反向挤压挡球14，进而压缩第二弹簧13，此时高压水经安全阀芯腔12、密封锥贯通孔20流出，进而反向流出双向安全阀2，可靠稳定；通过设计中空结构的双向安全阀芯，同时配合截止阀40和调压阀6调节高压橡胶膨胀胶管1内压力与压裂孔内压力平衡，保证高压橡胶膨胀胶管1不易从压裂孔中弹出，实现封孔器原位卸压，避免与压裂钻孔壁的高速摩擦，延长了封孔器使用寿命，并消除了安全隐患。
实际使用中，所述高压注水管3上安装单向阀4的目的是避免停泵时高压水倒流，导致封孔压力骤降，安全阀芯腔12的内径大于贯通孔11的内径的目的是使安全阀芯腔12和贯通孔11交界位置处形成阻挡台阶，挡球14的直径大于贯通孔11的内径的目的是限定第二弹簧13和挡球14的位置，贯通孔11与挡球14接触处采用锥形倒角以利于挡球14顶入进行密封，第三安全阀芯段9-3所在圆柱直径大于安全阀芯挡盖30直径形成挡台，挡住第一弹簧8，安全阀芯挡盖30直径略小于第一弹簧8内径，第一弹簧8套在安全阀芯挡盖30的圆柱体上，安全阀芯挡盖30与安全阀芯9采用螺纹连接，便于安装挡球14和第二弹簧13。
实际加工制作中，第一安全阀芯段9-1和第三安全阀芯段9-3均通过一圆柱体对称的切去两侧弓形柱9-4加工制作而成，第一安全阀芯段9-1对应的圆柱体对称的切去其两侧弓形柱9-4后，第三安全阀芯段9-3对应的圆柱体错位且对称的切去其两侧弓形柱9-4，且对第一安全阀芯段9-1对应的圆柱体的切割和对第三安全阀芯段9-3对应的圆柱体的切割存在交叉，交叉位置形成第二安全阀芯段9-2，操作简单。
步骤二、钻孔注水并注水封孔：通过高压注水管3向钻孔中的高压橡胶膨胀胶管1持续注入高压水，双向安全阀芯内的挡球14被高压水挤压，挡球14同时在第二弹簧13弹力作用下复位，封堵贯通孔11，高压水挤压高压橡胶膨胀胶管1侧壁，使高压橡胶膨胀胶管1膨胀挤压钻孔，随着高压水压力升高，高压水自动挤压密封锥10，密封锥10、安全阀芯9和安全阀芯挡盖30共同运动挤压第一弹簧8与高压橡胶膨胀胶管1密闭口分离，高压水经第一安全阀芯段9-1外部的缺口平面、第二安全阀芯段9-2的外表面和第三安全阀芯段9-3外部的缺口平面流入安全阀头腔7-1，进而流出双向安全阀2，此时高压橡胶膨胀胶管1膨胀同时实现封孔，利用压力表实时监测高压注水管3内注水压力，直至压力表显示的高压注水管3内注水压力稳定在预设压力值；
步骤三、封孔器保压封孔压裂煤岩层：从高压泵泵出的压裂液经高压注水管3、高压橡胶膨胀胶管1和全阀头7不断注入煤岩层进行压裂，当意外停泵时，单向阀4阻止高压橡胶膨胀胶管1及高压注水管3内的高压水回流，同时钻孔内的高压水经安全阀头7和贯通孔11推动挡球14并压缩第二弹簧13，使挡球14离开贯通孔11密封位置，向高压橡胶膨胀胶管1回供高压液，保持高压橡胶膨胀胶管1内高压水和钻孔中压力一致，实现封孔器保压封孔压裂煤岩层；
步骤四、停止压裂：当达到设计压裂要求时，停止向高压注水管3中泵入高压水，单向阀4阻止高压橡胶膨胀胶管1及高压注水管3内的高压水回流，同时钻孔内的高压水经安全阀头7和贯通孔11推动挡球14压缩并第二弹簧13，使挡球14离开贯通孔11密封位置，向高压橡胶膨胀胶管1回供高压液，保持高压橡胶膨胀胶管1内高压水和钻孔中压力一致；
步骤五、封孔器保压逐级降压卸压，过程如下：
步骤501、根据公式
Figure BDA0002437069520000101
计算调压阀6的卸载压力Pt，其中，P为压力表显示实时压力值，k为安全系数，M为径长比且
Figure BDA0002437069520000102
D为钻孔直径，L为高压橡胶膨胀胶管1膨胀后的长度，μ为高压橡胶膨胀胶管1与钻孔壁的摩擦系数；
本实施例中，步骤501中安全系数k的取值范围为2～3。
需要说明的是，安全系数k的取值与煤岩层的软硬程度有关，当煤岩层较硬时，安全系数选取较小值；当煤岩层较软时，安全系数选取较大值。
步骤502、调节调压阀6的卸载压力达到Pt，打开截止阀40，钻孔内高压水经安全阀头孔7-2、第一安全阀芯段9-1外部的缺口平面、第二安全阀芯段9-2的外表面和第三安全阀芯段9-3外部的缺口平面后挤压密封锥10，密封锥10在水压和第一弹簧8共同作用下与高压橡胶膨胀胶管1密闭口抵接，同时钻孔内高压水自动流入贯通孔11反向挤压挡球14，进而压缩第二弹簧13使挡球14离开贯通孔11封口，此时钻孔内高压水经安全阀芯腔12流出，经密封锥贯通孔20进入高压回水管5，经截止阀40从调压阀6流出而卸压，直至压力表显示实时压力值降至与当前调压阀6的卸载压力一致则自动停止卸压；
步骤503、多次循环步骤501和步骤502，直至钻孔及高压橡胶膨胀胶管1压力降为零，完成煤层压裂卸压；
实际使用时，通过钻孔并将封孔器伸入钻孔内，利用高压注水封孔并压裂煤层，压力表显示的高压注水管内注水压力，停泵时，封孔器保压封孔，根据实际钻孔选取高压橡胶膨胀胶管，利用压力表获取钻孔内水压，通过阶段性多次调压的方式将钻孔内的高压逐段卸压，保证操作安全。
步骤六、回收封孔器：将封孔器从钻孔内取出，将封孔器、高压注水管3、单向阀4、压力表、截止阀40和调压阀6拆卸复位，独立保存，实现封孔器的回收。
本实施例中，所述安全阀头7外设置有与高压橡胶膨胀胶管1螺纹配合的外螺纹；安全阀头7内开设有安全阀头腔7-1和与所述安全阀头腔7-1连通的安全阀头孔7-2，安全阀头孔7-2的内径小于安全阀头腔7-1的内径，第一弹簧8设置在安全阀头腔7-1内，所述安全阀芯挡盖30为空心圆柱式挡盖，所述空心圆柱式挡盖的外径小于所述圆柱体的直径。
需要说明的是，安全阀头孔7-2的内径小于安全阀头腔7-1的内径的目的是限定第一弹簧8的伸缩范围，阻挡第一弹簧8，避免第一弹簧8冲出安全阀头7。
本实施例中，所述安全阀芯9和密封锥10加工制作为一体，所述安全阀芯9和安全阀芯挡盖30螺纹连接，密封锥贯通孔20的内径小于第一弹簧8的外径。
需要说明的是，所述第三安全阀芯段9-3所在圆柱直径大于第一弹簧8的内径的目的是利用第一弹簧8阻挡安全阀芯9和密封锥10，保证密封锥10与高压橡胶膨胀胶管1的配合。
本实施例中，所述挡球14设置在第二弹簧13远离连接块10的一端。
本实施例中，所述第一安全阀芯段9-1、第二安全阀芯段9-2和第三安全阀芯段9-3加工制作为一体，第一安全阀芯段9-1上过其重心和两侧切线段的中点的垂直切面与第三安全阀芯段9-3上过其重心和两侧切线段的中点的垂直切面相垂直，所述圆柱体的外径等于第一弹簧8的外径。
需要说明的是，第一安全阀芯段9-1上过其重心和两侧切线段的中点的垂直切面与第三安全阀芯段9-3上过其重心和两侧切线段的中点的垂直切面相垂直的目的是保证安全阀芯9结构对称，避免安全阀芯9在第一弹簧8内倾倒偏移，所述安全阀芯9圆柱体的外径略小于安全阀头腔7-1内径的目的是避免圆柱体在安全阀头腔7-1内晃动，造成安全阀芯9安装不稳，进而影响封孔器封孔效果、形成安全隐患。
本发明使用时，通过将单向安全阀改造成双向安全阀，满足常规的高压水注入钻孔的同时，根据实际钻孔选取高压橡胶膨胀胶管，利用压力表获取钻孔内水压，通过外部管路中的单向阀和截止阀对停止注水的管路进行保压，同时通过保压调节外部管路与钻孔内压力差，在停泵卸压时，保证高压橡胶膨胀胶管不易从压裂孔中弹出，且压裂孔中高压水可通过双向安全阀流出，实现封孔器原位卸压，避免与压裂孔的高速摩擦，延长了封孔器使用寿命，并消除了安全隐患。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、钻孔并将封孔器伸入钻孔内：在待预裂的煤岩层内指定位置进行钻孔，并将封孔器伸入钻孔内，高压注水管(3)连接在所述封孔器后侧快速接头上，并引出至煤岩层外，在高压注水管(3)位于煤岩层外的管段安装单向阀(4)和压力表，高压注水管(3)位于煤岩层外及单向阀(4)前侧的管段上设置高压回水管(5)，在高压回水管(5)上安装截止阀(40)和调压阀(6)，调压阀(6)安装在高压回水管(5)的末端，保持截止阀(40)处于关闭状态；
所述封孔器包括高压橡胶膨胀胶管(1)和设置在高压橡胶膨胀胶管(1)前端的双向安全阀(2)，双向安全阀(2)包括与高压橡胶膨胀胶管(1)配合的中空结构的安全阀头(7)、设置在安全阀头(7)内的第一弹簧(8)和伸入至第一弹簧(8)内且为中空结构的双向安全阀芯，所述双向安全阀芯包括安全阀芯(9)、设置在安全阀芯(9)一端且与第一弹簧(8)配合的中空结构的安全阀芯挡盖(30)和设置在安全阀芯(9)另一端且与高压橡胶膨胀胶管(1)内管抵接配合的中空结构的密封锥(10)，所述双向安全阀芯内开设有安全阀芯腔(12)，所述安全阀芯挡盖(30)内设置有与安全阀芯腔(12)连通的贯通孔(11)，密封锥(10)内开设有密封锥贯通孔(20)，安全阀芯腔(12)内设置有第二弹簧(13)和挡球(14)，挡球(14)的直径大于贯通孔(11)的内径，挡球(14)的直径大于密封锥贯通孔(20)的内径，安全阀芯(9)包括依次连接的第一安全阀芯段(9-1)、第二安全阀芯段(9-2)和第三安全阀芯段(9-3)，第一安全阀芯段(9-1)和第三安全阀芯段(9-3)的外形尺寸一致，第一安全阀芯段(9-1)和第三安全阀芯段(9-3)均通过一圆柱体对称的切去两侧弓形柱(9-4)加工制作而成，第二安全阀芯段(9-2)的外形为一长方体，所述长方体的长宽高均小于所述圆柱体的直径；
步骤二、钻孔注水并注水封孔：通过高压注水管(3)向钻孔中的高压橡胶膨胀胶管(1)持续注入高压水，双向安全阀芯内的挡球(14)被高压水挤压，挡球(14)同时在第二弹簧(13)弹力作用下复位，封堵贯通孔(11)，高压水挤压高压橡胶膨胀胶管(1)侧壁，使高压橡胶膨胀胶管(1)膨胀挤压钻孔，随着高压水压力升高，高压水自动挤压密封锥(10)，密封锥(10)、安全阀芯(9)和安全阀芯挡盖(30)共同运动挤压第一弹簧(8)与高压橡胶膨胀胶管(1)密闭口分离，高压水经第一安全阀芯段(9-1)外部的缺口平面、第二安全阀芯段(9-2)的外表面和第三安全阀芯段(9-3)外部的缺口平面流入安全阀头腔(7-1)，进而流出双向安全阀(2)，此时高压橡胶膨胀胶管(1)膨胀同时实现封孔，利用压力表实时监测高压注水管(3)内注水压力，直至压力表显示的高压注水管(3)内注水压力稳定在预设压力值；
步骤三、封孔器保压封孔压裂煤岩层：从高压泵泵出的压裂液经高压注水管(3)、高压橡胶膨胀胶管(1)和全阀头(7)不断注入煤岩层进行压裂，当意外停泵时，单向阀(4)阻止高压橡胶膨胀胶管(1)及高压注水管(3)内的高压水回流，同时钻孔内的高压水经安全阀头(7)和贯通孔(11)推动挡球(14)并压缩第二弹簧(13)，使挡球(14)离开贯通孔(11)密封位置，向高压橡胶膨胀胶管(1)回供高压液，保持高压橡胶膨胀胶管(1)内高压水和钻孔中压力一致，实现封孔器保压封孔压裂煤岩层；
步骤四、停止压裂：当达到设计压裂要求时，停止向高压注水管(3)中泵入高压水，单向阀(4)阻止高压橡胶膨胀胶管(1)及高压注水管(3)内的高压水回流，同时钻孔内的高压水经安全阀头(7)和贯通孔(11)推动挡球(14)压缩并第二弹簧(13)，使挡球(14)离开贯通孔(11)密封位置，向高压橡胶膨胀胶管(1)回供高压液，保持高压橡胶膨胀胶管(1)内高压水和钻孔中压力一致；
步骤五、封孔器保压逐级降压卸压，过程如下：
步骤501、根据公式
Figure FDA0002437069510000031
计算调压阀(6)的卸载压力Pt，其中，P为压力表显示实时压力值，k为安全系数，M为径长比且
Figure FDA0002437069510000032
D为钻孔直径，L为高压橡胶膨胀胶管(1)膨胀后的长度，μ为高压橡胶膨胀胶管(1)与钻孔壁的摩擦系数；
步骤502、调节调压阀(6)的卸载压力达到Pt，打开截止阀(40)，钻孔内高压水经安全阀头孔(7-2)、第一安全阀芯段(9-1)外部的缺口平面、第二安全阀芯段(9-2)的外表面和第三安全阀芯段(9-3)外部的缺口平面后挤压密封锥(10)，密封锥(10)在水压和第一弹簧(8)共同作用下与高压橡胶膨胀胶管(1)密闭口抵接，同时钻孔内高压水自动流入贯通孔(11)反向挤压挡球(14)，进而压缩第二弹簧(13)使挡球(14)离开贯通孔(11)封口，此时钻孔内高压水经安全阀芯腔(12)流出，经密封锥贯通孔(20)进入高压回水管(5)，经截止阀(40)从调压阀(6)流出而卸压，直至压力表显示实时压力值降至与当前调压阀(6)的卸载压力一致则自动停止卸压；
步骤503、多次循环步骤501和步骤502，直至钻孔及高压橡胶膨胀胶管(1)压力降为零，完成煤层压裂卸压；
步骤六、回收封孔器：将封孔器从钻孔内取出，将封孔器、高压注水管(3)、单向阀(4)、压力表、截止阀(40)和调压阀(6)拆卸复位，独立保存，实现封孔器的回收。
2.按照权利要求1所述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：所述安全阀头(7)外设置有与高压橡胶膨胀胶管(1)螺纹配合的外螺纹；安全阀头(7)内开设有安全阀头腔(7-1)和与所述安全阀头腔(7-1)连通的安全阀头孔(7-2)，安全阀头孔(7-2)的内径小于安全阀头腔(7-1)的内径，第一弹簧(8)设置在安全阀头腔(7-1)内，所述安全阀芯挡盖(30)为空心圆柱式挡盖，所述空心圆柱式挡盖的外径小于所述圆柱体的直径。
3.按照权利要求1所述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：所述安全阀芯(9)和密封锥(10)加工制作为一体，所述安全阀芯(9)和安全阀芯挡盖(30)螺纹连接，密封锥贯通孔(20)的内径小于第一弹簧(8)的外径。
4.按照权利要求1所述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：所述挡球(14)设置在第二弹簧(13)远离连接块(10)的一端。
5.按照权利要求1所述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：所述第一安全阀芯段(9-1)、第二安全阀芯段(9-2)和第三安全阀芯段(9-3)加工制作为一体，第一安全阀芯段(9-1)上过其重心和两侧切线段的中点的垂直切面与第三安全阀芯段(9-3)上过其重心和两侧切线段的中点的垂直切面相垂直，所述圆柱体的外径等于第一弹簧(8)的外径。
6.按照权利要求1所述的一种煤岩层高压封孔卸压保护方法，其特征在于：步骤501中安全系数k的取值范围为2～3。
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