CN112610198B - 一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置及方法，该装置包括壳体，壳体的轴向中心位置贯穿设置有进液管，壳体的外部设有致裂托盘，致裂托盘通过若干起裂部件与进液管连接；起裂部件在进液管轴向位置均匀布置，起裂部件包括外壳、进液口、活塞头、活塞杆、弹簧，外壳一端通过进液口与进液管连接，活塞头置于外壳内部且两端分别通过弹簧与壳体连接，活塞杆一端与活塞头固定连接，另一端与致裂托盘固定连接。本发明通过水力驱动煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置在钻孔内预裂煤体，能够实现起裂位置的定点定向控制，保证裂缝沿着目标方向起裂。
Description
技术领域
本发明涉及煤层压裂改造技术领域，具体涉及一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置及方法。
背景技术
随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，未来深部煤炭资源开采将成为常态。由于深部煤层普遍具有瓦斯含量高、压力大的特点，导致深部煤炭开采过程中瓦斯动力灾害更加严重，威胁矿井的安全生产。此外，瓦斯还是一种清洁高效能源和强温室气体。因此，实现瓦斯的高效开发对于保障采矿安全，实现资源利用以及环境保护都具有重要意义。
但是由于我国煤层透气性普遍较差，常规的瓦斯抽采技术效果差，难以实现资源的高效开发。为此，煤层水力压裂技术被广泛应用于低透气性煤层的储层改造过程中。但是传统的煤层水力压裂技术由于很难实现裂缝起裂和扩展过程的可控，常导致压裂效果差、瓦斯抽采不理想的问题。
因此，为了实现水力压裂裂缝扩展的可控，提高煤层改造效率和瓦斯抽采效果，急需寻求全新的煤层水力压裂技术和装备，以满足煤矿井下储层高效改造和瓦斯抽采的要求。
发明内容
为了解决传统的煤层水力压裂技术导致压裂效果差、瓦斯抽采不理想的问题，本发明提出一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置及方法。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，包括壳体，壳体的轴向中心位置贯穿设置有进液管，壳体的外部设有致裂托盘，致裂托盘通过若干起裂部件与进液管连接；起裂部件在进液管轴向位置均匀布置；起裂部件包括外壳、进液口、活塞头、活塞杆、弹簧，外壳一端通过进液口与进液管连接，活塞头置于外壳内部且活塞头两端分别通过弹簧与壳体连接，活塞杆一端与活塞头固定连接，另一端与致裂托盘固定连接。
优选地，致裂托盘包括分别位于壳体的上部、下部的上致裂托盘、下致裂托盘，进液管上部、下部分别设有4个起裂部件，进液管上部的活塞杆与上致裂托盘固定连接，进液管下部的活塞杆与下致裂托盘固定连接。
优选地，上致裂托盘、下致裂托盘结构相同且截面均为半圆弧形。
优选地，进液管出口端设有球阀。
优选地，壳体前端设有用于连接矿用钻头的连接螺纹。
优选地，致裂托盘的厚度为10-20mm。
本发明还提供一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂的方法，包括以下步骤：
S1：煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置后端与钻杆相连，前端连接螺纹与钻头相连，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置内通入低压水，球阀打开，开始在煤层内施工钻孔，直至钻孔施工完成；
S2：退钻至指定位置，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置内通入高压水，球阀关闭，进液管中的高压水通过进液口进入起裂部件内部，并通过活塞杆与活塞头将压力传导至致裂托盘，致裂托盘在指定位置和方向上预裂煤体；然后旋转煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，在另一个方向上再次预裂煤体，使得在钻孔壁上形成多条预裂裂缝；
S3：沿钻孔轴向退钻，在钻孔另一轴向位置重复S2步骤，继续预裂煤体，直到整个钻孔预裂施工完成；
S4：整个钻孔预裂施工完成后，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置通入中压水，球阀打开，通过煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置前端向钻孔内注入中压水，驱动预裂裂缝扩展，直到压裂施工完成。
优选地，步骤S2中预裂裂缝的数量为2-6条。
优选地，步骤S3中单次退钻的距离为2-5m。
优选地，低压水压力为1-3MPa，高压水压力25-35MPa，中压水压力10-20MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、通过水力驱动煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置在钻孔内预裂煤体能够实现起裂位置的定点定向控制，保证裂缝沿着目标方向起裂，克服了水力压裂裂缝起裂随机性大的难题，操作简单、成本低、安全性好、效率高。
2、采用水力驱动的方法在预裂裂缝的基础上进一步促进裂缝的扩展、贯通，在煤体内构建复杂裂缝网，增大单孔压裂的影响范围，提高煤层瓦斯抽采效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置结构示意图；
图2是本发明煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置左视图；
图3是本发明起裂部件结构示意图。
图中：1、壳体；2、进液管；3、致裂托盘；3-1、上致裂托盘；3-2、下致裂托盘；4、起裂部件；4-1、外壳；4-2、进液口；4-3、活塞头；4-4、活塞杆；4-5、弹簧；5、球阀；6、连接螺纹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图3所示，一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，包括壳体1，壳体1前端设有用于连接矿用钻头的连接螺纹6。壳体1的轴向中心位置贯穿设置有进液管2，进液管2出口端设有球阀5。当水压大于开闭临界压力时球阀5关闭，当水压小于开闭临界压力时球阀5开启，球阀5的开闭临界压力可根据煤层具体情况调整。壳体1的外部设有致裂托盘3，致裂托盘3的厚度为10-20mm。致裂托盘3包括分别位于壳体1的上部、下部的上致裂托盘3-1、下致裂托盘3-2，上致裂托盘3-1、下致裂托盘3-2结构相同且截面均为半圆弧形，上致裂托盘3-1、下致裂托盘3-2内部直径80-90mm。进液管2上部、下部分别设有4个起裂部件4，起裂部件4在进液管2轴向位置均匀布置。起裂部件4包括外壳4-1、进液口4-2、活塞头4-3、活塞杆4-4、弹簧4-5，外壳4-1一端通过进液口4-2与进液管2连接，活塞头4-3置于外壳4-1内部且活塞头4-3两端分别通过弹簧4-5与壳体1连接，弹簧4-5用于撤液过程中通过活塞头4-3、活塞杆4-4将致裂托盘3归位。进液口4-2至活塞头4-3之间的起裂部件4内部空间为压力室。活塞杆4-4一端与活塞头4-3固定连接，另一端与致裂托盘3固定连接。进液管2上部的活塞杆4-4与上致裂托盘3-1固定连接，进液管2下部的活塞杆4-4与下致裂托盘3-2固定连接。
本发明还公开一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂的方法，包括以下步骤：
S1：将煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置后端与钻杆相连，前端连接螺纹6与钻头相连，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置内通入低压水，低压水压力为1-3MPa，球阀5打开，开始在煤层内施工钻孔，直至钻孔施工完成；
S2：退钻至指定位置，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置内通入高压水，高压水压力25-35MPa，球阀5关闭，进液管2中的高压水通过进液口4-2进入起裂部件4内部，使得压力室体积变化，并通过活塞杆4-4与活塞头4-3将压力传导至致裂托盘3，致裂托盘3在指定位置和方向上预裂煤体；然后旋转煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，在另一个方向上再次预裂煤体，使得在钻孔壁上形成2-6条预裂裂缝；
S3：沿钻孔轴向退钻，单次退钻的距离为2-5m，在钻孔另一轴向位置重复S2步骤，继续预裂煤体，直到整个钻孔预裂施工完成；
S4：整个钻孔预裂施工完成后，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置通入中压水，中压水压力10-20MPa，球阀5打开，通过煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置前端向钻孔内注入中压水，驱动预裂裂缝扩展，直到压裂施工完成。
本发明公开的一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置及方法，通过水力驱动在钻孔内预裂煤体能够实现起裂位置的定点定向控制，保证裂缝沿着目标方向起裂，克服了水力压裂裂缝起裂随机性大的难题，操作简单、成本低、安全性好、效率高。采用水力驱动的方法在预裂裂缝的基础上进一步促进裂缝的扩展、贯通，在煤体内构建复杂裂缝网，增大单孔压裂的影响范围，提高煤层瓦斯抽采效果。
Claims (8)
1.一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)的轴向中心位置贯穿设置有进液管(2)，所述壳体(1)的外部设有致裂托盘(3)，所述致裂托盘(3)通过若干起裂部件(4)与进液管(2)连接；所述起裂部件(4)在进液管(2)轴向位置均匀布置；
所述起裂部件(4)包括外壳(4-1)、进液口(4-2)、活塞头(4-3)、活塞杆(4-4)、弹簧(4-5)，所述外壳(4-1)一端通过进液口(4-2)与进液管(2)连接，所述活塞头(4-3)置于外壳(4-1)内部且活塞头(4-3)两端分别通过弹簧(4-5)与壳体(1)连接，所述活塞杆(4-4)一端与活塞头(4-3)固定连接，另一端与致裂托盘(3)固定连接；所述致裂托盘(3)包括分别位于壳体(1)上部、下部的上致裂托盘(3-1)、下致裂托盘(3-2)，所述进液管(2)上部、下部分别设有4个起裂部件(4)，进液管(2)上部的活塞杆(4-4)与上致裂托盘(3-1)固定连接，进液管(2)下部的活塞杆(4-4)与下致裂托盘(3-2)固定连接；所述上致裂托盘(3-1)、下致裂托盘(3-2)结构相同且截面均为半圆弧形。
2.根据权利要求1所述的煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，其特征在于：所述进液管(2)出口端设有球阀(5)。
3.根据权利要求1所述的煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，其特征在于：所述壳体(1)前端设有用于连接矿用钻头的连接螺纹(6)。
4.根据权利要求1所述的煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，其特征在于：所述致裂托盘(3)的厚度为10-20mm。
5.利用权利要求1至4任一项所述的煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置进行煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置后端与钻杆相连，前端连接螺纹(6)与矿用钻头相连，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置内通入低压水，球阀(5)打开，开始在煤层内施工钻孔，直至钻孔施工完成；
S2：退钻至指定位置，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置内通入高压水，球阀(5)关闭，进液管(2)中的高压水通过进液口(4-2)进入起裂部件(4)内部，并通过活塞杆(4-4)与活塞头(4-3)将压力传导至致裂托盘(3)，致裂托盘(3)在指定位置和方向上预裂煤体；然后旋转煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，在另一个方向上再次预裂煤体，使得在钻孔壁上形成多条预裂裂缝；
S3：沿钻孔轴向退钻，在钻孔另一轴向位置重复S2步骤，继续预裂煤体，直到整个钻孔预裂施工完成；
S4：整个钻孔预裂施工完成后，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置通入中压水，球阀(5)打开，通过煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置前端向钻孔内注入中压水，驱动预裂裂缝扩展，直到压裂施工完成。
6.根据权利要求5所述的煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂的方法，其特征在于：所述步骤S2中预裂裂缝的数量为2-6条。
7.根据权利要求5所述的煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂的方法，其特征在于：所述步骤S3中单次退钻的距离为2-5m。
8.根据权利要求5所述的煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂的方法，其特征在于：所述低压水压力为1-3MPa，所述高压水压力为25-35MPa，所述中压水压力为10-20MPa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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