CN111636854B - 一种煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例一种煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置，涉及矿山煤岩体水力压裂卸压增透和切顶卸压技术领域。包括：第一柔性胶囊、第二柔性胶囊及同步阀，所述同步阀连接于所述第一柔性胶囊与第二柔性胶囊之间，所述第一柔性胶囊及第二柔性胶囊分别与同步阀的阀芯连通，所述第一柔性胶囊、远离所述同步阀的一端设有堵盖，所述第二柔性胶囊、远离所述同步阀的一端设有注液口，所述同步阀的阀体上、与所述阀芯对应的位置设有射流孔。本发明结构简单、使用方便，可实现胶囊膨胀流体压力与水力压裂流体压力的同步变化，密封效果较好。本发明适用于矿山煤岩体水力压裂卸压增透和切顶卸压技术应用中。

Description

一种煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置

技术领域

本发明涉及矿山煤岩体水力压裂卸压增透和切顶卸压技术领域，尤其涉及一种煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置。

背景技术

水力压裂技术在煤矿瓦斯抽采及动力现象防治中得到广泛应用，具有显著的经济效益和社会效益。如对煤层进行水力压裂，可以在煤层中形成人造裂隙，起到卸压增透的作用，提高煤层瓦斯抽采效果，并且降低了煤层开采时的粉尘浓度；如对煤层顶板岩层进行定向水力压裂，可以缩短顶板岩层的悬臂长度，降低工作面附近煤层矿山压力集中程度，有利于动力现象防治和巷道支护。

水力压裂是通过煤岩层中的钻孔实施的，为了进行水力压裂，必须采用密封装置对钻孔进行封孔。对于需要进行分段水力压裂的长钻孔而言，需要定点密封的封孔装置，在钻孔内的不同深度位置进行水力压裂。目前常用的定点密封装置是用一根管子将两个胶囊串联起来，通过向胶囊压注高压流体使其膨胀，在两个胶囊之间形成密封区段，实现定点水力压裂，而水力压裂使用的流体需要另外一根管子供应。

发明人在实现本发明创造的过程中发现：该种定点密封装置结构存在如下缺点：(1)胶囊膨胀流体和水力压裂流体通过不同的管子供应，结构相对复杂，使用不便；(2)由于胶囊膨胀流体和水力压裂流体通过不同的管子供应，两种流体的压力不能协同变化，当水力压裂流体压力较胶囊膨胀流体压力高时，胶囊密封效果差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置，结构简单、使用方便，可实现胶囊膨胀流体压力与水力压裂流体压力的同步变化，密封效果较好。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例提供一种煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置，包括：第一柔性胶囊、第二柔性胶囊及同步阀，所述同步阀包括阀体及设于所述阀体中的阀芯，所述同步阀连接于所述第一柔性胶囊与第二柔性胶囊之间，所述第一柔性胶囊及第二柔性胶囊分别与同步阀的阀芯连通，所述第一柔性胶囊、远离所述同步阀的一端设有堵盖，所述第二柔性胶囊、远离所述同步阀的一端设有注液口，所述同步阀的阀体上、与所述阀芯对应的位置设有射流孔。

可选地，所述同步阀为反向瓣膜式同步阀。

可选地，所述阀体包括阀座及阀壳，所述阀座第一端具有用于连接第二柔性胶囊的连接部，所述阀座第二端设有阶梯状腔体，所述阀座中心设有贯穿所述阀座第一端到第二端的第一流道36；

所述阀壳第一端具有凹向阀壳第二端的筒状腔体，所述筒状腔体中、毗邻第二端的腔段内轮廓与所述阀座靠近第二端的外轮廓结构相匹配，所述阀壳中心设有贯穿所述筒状腔体与阀壳第一端的第二流道，所述阀壳第一端具有用于连接第一柔性胶囊的连接部，所述筒状腔体底部设有位于第二流道上的锥孔；所述阀座第二端连接于所述阀壳的筒状腔体中；

所述阀芯包括直管段，在所述直管段第一端设有限位挡端，所述直管段与限位挡端中心设有轴向贯通的第三流道，所述直管段上套设有弹簧，所述阀芯设于所述阀座的阶梯状腔体与所述阀壳的筒状腔体形成的空腔中，所述阀芯的直管段第一端朝向所述阀壳的筒状腔体底部的锥孔设置，所述阀芯的直管段第二端朝向所述阀座的阶梯状腔体底部出口设置。

可选地，所述限位挡端末端为锥台结构，所述锥台结构的锥度与所述筒状腔体底部的锥孔锥度一致。

可选地，所述阶梯状腔体内壁上设有位于阀芯周围的密封结构。

可选地，所述第一流道36、第二流道及第三流道相互之间同轴设置。

可选地，所述第一流道36、第二流道及第三流道的直径为4～6mm。

可选地，所述射流孔设置于所述阀壳上。

本发明实施例一种煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置，包括：第一柔性胶囊、第二柔性胶囊及同步阀，由于在两个胶囊之间加有同步阀，在有高压流体从第二柔性胶囊一端的注液口流入时，所述同步阀可以实现两个胶囊的同步膨胀，膨胀压力随进入钻孔定点位置中的水力压裂流体压力的变化而变化，使岩体压裂钻孔密封效果较好。另外，由于在同步阀阀体上设置射流孔，用于向钻孔中注入压裂流体，无需另外设置一根管子，使胶囊膨胀流体和水力压裂流体采用同一根管子供应，结构更加简单，使用更加方便。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置一实施例结构示意图；

图2A是图1中同步阀，即A处的一实施例放大结构示意图；

图2B是图1中同步阀，即A处的另一实施例放大结构示意图；

图3是图2A或2B中阀壳的一实施例结构示意图；

图4是图2A或2B中阀座的一实施例结构示意图；

图5是图2A或2B中阀芯的一实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，为了更加清楚说明本发明创造，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1至图5所示，本发明实施例提供的煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置，适用于矿山煤岩体水力压裂卸压增透和切顶卸压技术应用中，例如利用水力压裂技术进行煤层瓦斯抽采工程中；其密封效果较好，有利于保证水力压裂流体的泄压增透效果，从而提高瓦斯抽采效果。

如图1、图2A及图2B所示，所述水力压裂平衡密封装置包括：第一柔性胶囊1、第二柔性胶囊2及同步阀3；在一些实施例中，所述同步阀3为反向瓣膜式同步阀。

其中，所述同步阀3包括阀体30及设于所述阀体30中的阀芯31，所述同步阀3连接于所述第一柔性胶囊1与第二柔性胶囊2之间，所述第一柔性胶囊1 及第二柔性胶囊2分别与同步阀3的阀芯31连通，所述第一柔性胶囊1、远离所述同步阀3的一端设有堵盖4，所述第二柔性胶囊2、远离所述同步阀3的一端设有注液口5，所述同步阀3的阀体30上、与所述阀芯31对应的位置设有射流孔7。

可以理解的是，同步阀3惯常用于液压控制系统中，其作用是在液压同步系统中控制两个油缸或液压马达使其保持同速运动。

而本发明实施例提供的煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置，通过创造性地在两个胶囊之间连接同步阀3，在有高压流体从第二柔性胶囊2一端的注液口流入时，所述同步阀3可以实现两个胶囊的同步膨胀，膨胀压力随进入钻孔定点位置中的水力压裂流体压力的变化而变化，使岩体压裂钻孔密封效果较好。

显然，本申请中，同步阀3的用法不同于惯常用法，通过将其应用于水力压裂增透场景中，提供了一种不同结构的水力压裂平衡密封装置，可以实现胶囊膨胀流体压力与水力压裂流体压力的同步变化，增强水力压裂钻孔密封效果。

另外，由于在同步阀3阀体30上设置射流孔7，用于向钻孔中注入压裂流体，无需另外再设置一根管子，使胶囊膨胀流体和水力压裂流体采用同一根管子供应，结构更加简单，使用更加方便。

再者，现有技术中，密封装置的主体结构通常为刚性管子，当水力压裂流体压力较高时，刚性管子容易变形，密封装置回收困难。

而本实施例提供的水力压裂平衡密封装置，其主体结构为第一柔性胶囊1 与第二柔性胶囊2组成的柔性封隔器，当流体压力解除后，回收简单方便，可以重复利用。

参看图2至图4所示，所述阀体30包括阀座32及阀壳33，所述阀座32第一端具有用于连接第二柔性胶囊2的连接部34，所述阀座32第二端设有阶梯状腔体35，所述阀座32中心设有贯穿所述阀座32第一端到第二端的第一流道36。

所述阀壳33第一端具有凹向阀壳33第二端的筒状腔体37，所述筒状腔体 37中、毗邻第二端的腔段内轮廓与所述阀座32靠近第二端的外轮廓结构相匹配，所述阀壳33中心设有贯穿所述筒状腔体37与阀壳33第一端的第二流道38，所述阀壳33第一端具有用于连接第一柔性胶囊1的连接部39，所述筒状腔体37 底部设有位于第二流道38上的锥孔40；所述阀座32第二端连接于所述阀壳33 的筒状腔体37中。

所述阀芯31包括直管段311，在所述直管段311第一端设有限位挡端312，所述直管段311与限位挡端312中心设有轴向贯通的第三流道313，所述直管段 311上套设有复位弹簧314，所述阀芯31设于所述阀座32的阶梯状腔体35与所述阀壳33的筒状腔体37形成的空腔中，所述阀芯31的直管段311第一端朝向所述阀壳33的筒状腔体37底部的锥孔40设置，在阀芯31未打开时，所述阀芯31的限位挡端312将所述锥孔封堵，进入阀座32的流体分布于第一流道 36、第二流道38及第三流道313中，当阀芯31打开时，阀芯31的限位挡端312 在流体压力的推动下向阀座32方向移动，限位挡端312与所述锥孔40分开，流体从锥孔40流入阀座32与阀壳33形成的空腔中，以形成用于水力压裂的流体，进一步可以通过射流孔7进入钻孔6周围的煤岩中；所述阀芯31的直管段 311第二端朝向所述阀座32的阶梯状腔体35底部出口设置。

在本发明的一些实施例中，所述射流孔7设置于所述阀壳33上。

参看图1及图2所示，在开始打压时，带压流体从右侧的第二柔性胶囊2 的注液口5，经由第一流道36、第二流道38及第三流道313进入左边的第一柔性胶囊1中。待进入装置各部件形成的空间内的流体压力达到足以使第一柔性胶囊1与第二柔性胶囊2涨紧时，流体压力推动阀芯31沿图2所示的箭头方向移动，阀芯31的限位挡端312与阀壳33的锥孔40分开，高压流体从阀芯31 与阀壳33之间该处的缝隙通过，进入所述空腔中，并进一步可以从阀壳33上的射流孔7流入钻孔6周围的煤岩中，这样就可以通过一根管子既保持两个柔性胶囊的涨紧，又可以给两个柔性胶囊之间的空腔中加压，并用带压液体的压力在钻孔定点位置附近的煤岩中产生裂隙，达到破坏煤岩的目的。

其中，带压流体具体可以是高压流体，一般指的是压力P为：10Mpa≤P＜ 100Mpa。

参看图5所示，具体地，所述限位挡端312末端为锥台结构，所述锥台结构的锥度与所述筒状腔体37底部的锥孔40锥度一致。这样可以保证阀芯31在未打开时封闭性较好，保证同步阀3工作的可靠性。

为了使流入同步阀3阀座32的流体压力快速达到阀芯31的开启压力，保证同步阀3工作的可靠性，需要将阀芯31与阀座32阶梯状腔体35之间对应的位置进行密封，作为一可选实施例，所述阶梯状腔体35内壁上设有位于阀芯31 周围的密封结构8。具体地，所述密封结构8可以是套设于所述阀芯31上的密封圈，所述密封圈的外周与所述阶梯状腔体35内壁紧密接触。

参看图2所示，所述第一流道36、第二流道38及第三流道313相互之间同轴设置。

其中，所述第一流道36、第二流道38及第三流道313的直径为4～6mm；优选为5mm。

本发明实施例提供的煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置，除具有前述实施例例中描述的有益效果之外，由于同步阀的作用，两个柔性胶囊内的流体膨胀压力基本相等，膨胀后胶囊对钻孔壁的挤压力基本相等，孔壁对胶囊的摩擦力基本相等，两个胶囊之间的钻孔密封区段中的水力压裂流体对两个柔性胶囊形成的封隔器的挤压力基本相等，该密封装置基本处于受力平衡状态，有利于密封装置的工作稳定性及可靠性，降低了高压流体将密封装置抛出的危险。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。另外，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种煤岩层钻孔定点水力压裂平衡密封装置，其特征在于，包括：第一柔性胶囊、第二柔性胶囊及同步阀，所述同步阀包括阀体及设于所述阀体中的阀芯，所述同步阀连接于所述第一柔性胶囊与第二柔性胶囊之间，所述第一柔性胶囊及第二柔性胶囊分别与同步阀的阀芯连通，所述第一柔性胶囊、远离所述同步阀的一端设有堵盖，所述第二柔性胶囊、远离所述同步阀的一端设有注液口，所述同步阀的阀体上、与所述阀芯对应的位置设有射流孔；

所述阀体包括阀座及阀壳，所述阀座第一端具有用于连接第二柔性胶囊的连接部，所述阀座第二端设有阶梯状腔体，所述阀座中心设有贯穿所述阀座第一端到第二端的第一流道；

所述阀壳第一端具有凹向阀壳第二端的筒状腔体，所述筒状腔体中、毗邻第二端的腔段内轮廓与所述阀座靠近第二端的外轮廓结构相匹配，所述阀壳中心设有贯穿所述筒状腔体与阀壳第一端的第二流道，所述阀壳第一端具有用于连接第一柔性胶囊的连接部，所述筒状腔体底部设有位于第二流道上的锥孔；所述阀座第二端连接于所述阀壳的筒状腔体中；

所述阀芯包括直管段，在所述直管段第一端设有限位挡端，所述直管段与限位挡端中心设有轴向贯通的第三流道，所述直管段上套设有弹簧，所述阀芯设于所述阀座的阶梯状腔体与所述阀壳的筒状腔体形成的空腔中，所述阀芯的直管段第一端朝向所述阀壳的筒状腔体底部的锥孔设置，所述阀芯的直管段第二端朝向所述阀座的阶梯状腔体底部出口设置。

2.根据权利要求1所述密封装置，其特征在于，所述同步阀为反向瓣膜式同步阀。

3.根据权利要求1所述密封装置，其特征在于，所述限位挡端末端为锥台结构，所述锥台结构锥度与所述筒状腔体底部的锥孔锥度一致。

4.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述阶梯状腔体的内壁上设有位于阀芯周围的密封结构。

5.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述第一流道、第二流道及第三流道相互之间同轴设置。

6.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述第一流道、第二流道及第三流道的直径为4～6mm。

7.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述射流孔设置于所述阀壳上。

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