CN114635742A - 一种碎软煤层水力压裂护孔系统及方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种碎软煤层水力压裂护孔系统及方法。该水力压裂护孔系统针对煤层地质构造复杂、透气性低的特点，钻孔变形量大，在地应力、瓦斯压力、构造应力等因素作用下孔壁易失稳形成塌孔等问题充分结合了水力压裂影响范围大等优点，并依托护孔装置能够保证成孔后的高效护孔，维持了钻孔的稳定性，同时该护孔支架采用记忆合金，充分有效利用了“双程记忆效应”，能够主动控制支架的展开和闭合。该护孔系统与方法可以有效提高复杂地质构造煤层的瓦斯抽采效率，为实现复杂地质构造煤层的高效、均匀增透提供坚实的理论与技术支撑。

Description

一种碎软煤层水力压裂护孔系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯防治领域，特别涉及一种碎软煤层水力压裂护孔系统及方法。

背景技术

随着我国煤矿开采逐渐向深部延伸，地质条件趋于复杂，煤与瓦斯突出灾害频发。水力压裂技术作为井下常用水力化瓦斯抽采及增透措施，目前广泛应用于全国各大矿区，水力压裂技术主要利用高压水将煤体原有形态破坏，当超过煤层的起裂压力时，产生的裂隙沿煤层节理发育并延伸，形成稳定的瓦斯运移通道，具有影响范围大、整体增渗效果好等特点。然而，煤层条件的复杂多变给煤层钻孔成孔及护孔带来了很大的困难，钻孔在地应力、瓦斯压力、构造应力等多因素作用下孔壁易失稳，从而出现钻孔坍塌、钻孔变形等一系列破坏形式，严重阻碍并影响了井下钻孔施工进程及瓦斯抽采效率，目前国内相应成套护孔设备较为匮乏，同时针对复杂地质条件下的护孔技术尚未成熟，以致煤层瓦斯抽采面临一系列技术瓶颈。

因此，针对碎软煤层特性，亟需开发一种碎软煤层水力压裂钻孔柔性护孔系统及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种碎软煤层水力压裂护孔系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种碎软煤层水力压裂护孔系统，包括钻机钻具系统、柔性护孔系统和水力压裂系统。

所述钻机钻具系统包括钻头、钻杆和钻机。所述钻头安装在钻杆的首端。所述钻头具有中心孔道。所述中心孔道与钻杆的内腔连通。所述钻机夹持钻杆的尾端。

所述柔性护孔系统包括前端固定装置、注水支撑管和柔性护孔支架。

所述注水支撑管的管壁上设置有注水孔。所述注水支撑管的首端连接固定有前端固定装置，尾端与液压泵联通。所述前端固定装置具有支撑钩爪。所述支撑钩爪采用压簧结构。所述注水支撑管布置在钻杆的内腔中。所述前端固定装置布置在钻头的中心孔道中。所述前端固定装置的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合。

所述柔性护孔支架采用记忆合金材料制得。在工作状态下柔性护孔支架呈现低电位相形状，即断电时记忆合金处于冷却状态伸长状态。低电位相形状时，柔性护孔支架为网套结构物。所述柔性护孔支架包括沿纵向依次排列的若干环状支撑管。每根环状支撑管包括若干单元波，单元波沿周向依次排列。相邻两根环状支撑管呈镜面对称分布。相邻两根环状支撑管相对的两个波峰之间固定连接。相邻两根环状支撑管的内腔连通。若干环状支撑管的内腔构成管网结构。在非工作状态下柔性护孔支架呈现高电位相形状，此时对记忆合金进行通电，记忆合金支架受到电流激励后处于加热状态，形状开始收缩。低电位相形状时，呈紧缩状态的柔性护孔支架套设在注水支撑管的管身上。所述注水孔与柔性护孔支架的管网内腔连通。

所述水力压裂系统包括乳化泵站、水箱、封孔装置和压裂管柱以及套管。所述水箱和乳化泵之间使用高压胶管进行连接。高压水生成后通过高压水管进入水量调节装置。所述高压水管上设置有流量计和压力表。所述压裂管柱前段连接高压管路转换接头。

工作时，钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位。推动注水支撑管，前端固定装置从钻头的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。退出钻具系统。注浆封孔。关闭外部电位开关，停止通电，柔性护孔支架进入冷却状态进而展开。液压泵向注水支撑管内注入水，水经注水支撑管进入柔性护孔支架。柔性护孔支架充压膨胀扩张，从而对钻孔进行支撑。进行水力压裂。进行瓦斯抽采。抽采完成后，柔性护孔支架卸压。触发外部电位开关，柔性护孔支架受到电流激励后处于加热状态进而弹性回缩。电激励作为施加的外部动力源，可以辅助注水支撑管使得柔性护孔支架顺利展开完成护孔工作。

进一步，所述注水支撑管由若干段支撑管拼接制得。相邻两段支撑管之间通过注水支撑管连接段连接。每段支撑管上对应设置有柔性护孔支架。

进一步，所述注水支撑管的外壁上设置有绝缘层，能够防止与柔性护孔支架接触时发生短路。

本发明还公开一种根据上述系统的碎软煤层水力压裂护孔方法，包括以下步骤：

1)安装系统和地面管线，并检查。

2)施工压裂钻孔。钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位。推动注水支撑管。前端固定装置从钻头的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。

3)退出钻具系统。液压泵向注水支撑管内注入高压水。所述柔性护孔支架充压膨胀扩张，对钻孔进行支撑。

4)输送压裂管道：将压裂管道输送至钻孔预定位置，同时将压裂管柱前段连接高压管路转换接头至水力压裂泵组。

5)注浆封孔。所述注水支撑管前段接入套管。套管外侧至压裂管柱外侧周围区域注入水泥浆进行永久封隔，压裂管柱与套管相连的内部区域注入膨胀材料进行暂时封隔。

6)开始压裂。启动水力压裂泵组，打开水箱使高压水通过高压管路到达压裂通道，开始水力压裂。所述压裂管柱包括水力喷射器、扶正器、筛管和引鞋。

7)压裂结束后关闭孔口安全阀门，观察压力表的变化。

8)当乳化泵压力急剧上升或水箱内水位不再下降时，立即停止压力关闭水泵，关闭卸压阀对压裂孔进行接管抽采瓦斯，及时记录瓦斯抽放浓度和纯量。

9)将压裂管道退出压裂钻孔

10)抽采达标后，及时回收柔性护孔系统。

11)在压裂管柱与套管相连的内部区域及钻孔孔口位置注入膨胀材料进行永久封隔。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.能够保证成孔后的高效护孔，维持了钻孔的稳定性，相比较于传统筛管的被动护孔，柔性护孔支架自适应的工作方式可使护孔范围更大、维持钻孔稳定的环形结构，减少护孔所需的支撑力；

B.护孔装置在利用后可以重复回收，大大减少了护孔所需成本；

C.可以有效提高复杂地质构造煤层的瓦斯抽采效率，为实现复杂地质构造煤层的高效、均匀增透提供坚实的理论与技术支撑。

附图说明

图1为碎软煤层水力压裂护孔系统结构示意图；

图2为柔性护孔系统工作示意图；

图3为柔性单元完全展开示意图。

图4为柔性单元展开过程示意图。

图中：钻机1、钻杆3、注水支撑管连接段4、支架固定装置5、钻头6、乳化泵7、注水支撑管8、柔性护孔支架9、水箱11。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例提供一种碎软煤层水力压裂护孔系统，包括钻机钻具系统、柔性护孔系统和水力压裂系统。

所述钻机钻具系统包括钻头6、钻杆3和钻机1。所述钻头6安装在钻杆3的首端。所述钻头6具有中心孔道。所述中心孔道与钻杆3的内腔连通。所述钻机1夹持钻杆3的尾端。

所述柔性护孔系统包括前端固定装置5、注水支撑管8和柔性护孔支架9。

所述注水支撑管8的管壁上设置有注水孔。所述注水支撑管8的首端连接固定有前端固定装置5，尾端与液压泵联通。所述前端固定装置5具有支撑钩爪。所述支撑钩爪采用压簧结构。所述注水支撑管8布置在钻杆3的内腔中。所述前端固定装置5布置在钻头6的中心孔道中。所述前端固定装置5的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合。

参见图3，所述柔性护孔支架9为网套结构物。所述柔性护孔支架9包括沿纵向依次排列的环状支撑管。每根环状支撑管包括单元波，单元波沿周向依次排列。相邻两根环状支撑管呈镜面对称分布。相邻两根环状支撑管相对的两个波峰之间固定连接。相邻两根环状支撑管的内腔通过单向阀连通，环状支撑管的内腔构成管网结构。在非工作状态下，呈紧缩状态的柔性护孔支架9套设在注水支撑管8的管身上。所述注水孔与柔性护孔支架9的管网内腔连通。所述注水支撑管8由多段支撑管拼接制得。相邻两段支撑管之间通过注水支撑管连接段4连接。每段支撑管上对应设置有柔性护孔支架9。

所述水力压裂系统包括乳化泵站7、水箱11、封孔装置和压裂管柱。所述水箱11和乳化泵7之间使用高压胶管进行连接。高压水生成后通过高压水管进入水量调节装置。所述高压水管上设置有流量计和压力表。所述压裂管柱前段连接高压管路转换接头。

工作时，钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位。推动注水支撑管8，前端固定装置5从钻头6的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。退出钻具系统。注浆封孔。关闭外部电位开关，停止通电，柔性护孔支架9进入冷却状态进而展开。液压泵向注水支撑管8内注入水，水经注水支撑管8进入柔性护孔支架9。柔性护孔支架9充压膨胀扩张，从而对钻孔进行支撑。进行水力压裂。进行瓦斯抽采。抽采完成后，柔性护孔支架9卸压。触发外部电位开关，柔性护孔支架9受到电流激励后处于加热状态进而弹性回缩。电激励作为施加的外部动力源，可以辅助注水支撑管8使得柔性护孔支架9顺利展开完成护孔工作。

实施例2：

本实施例主要结构同实施例1，其中，所述注水支撑管8的外壁上设置有绝缘层，能够防止与柔性护孔支架9接触时发生短路。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例1，其中，参见图4，电流激励模式为：首先孔底开始断电，开启注水支撑管，单个支架受到电位影响而依次展开至孔口。

实施例4：

参见图2，本实施例提供一种根据实施例1所述的系统的碎软煤层水力压裂护孔方法，包括以下步骤：

1)安装系统和地面管线，并检查。

2)施工压裂钻孔。钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位。推动注水支撑管6。前端固定装置5从钻头4的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。

3)退出钻具系统。液压泵向注水支撑管8内注入高压水。所述柔性护孔支架9充压膨胀扩张，对钻孔进行支撑。

4)输送压裂管道：将压裂管道输送至钻孔预定位置，同时将压裂管柱前段连接高压管路转换接头至水力压裂泵组。

5)注浆封孔。所述注水支撑管8前段接入套管。套管外侧至压裂管柱外侧周围区域注入水泥浆进行封隔，压裂管柱与套管相连的内部区域注入膨胀材料进行封隔。

6)开始压裂。启动水力压裂泵组，打开水箱使高压水通过高压管路到达压裂通道，开始水力压裂。所述压裂管柱包括水力喷射器、扶正器、筛管和引鞋。

7)压裂结束后关闭孔口安全阀门，观察压力表的变化。

9)将压裂管道退出压裂钻孔

10)抽采达标后，及时回收柔性护孔系统。

11)在压裂管柱与套管相连的内部区域及钻孔孔口位置注入膨胀材料进行永久封隔。

Claims (4)

1.一种碎软煤层水力压裂护孔系统，其特征在于：包括钻机钻具系统、柔性护孔系统和水力压裂系统；

所述钻机钻具系统包括钻头(6)、钻杆(3)和钻机(1)；所述钻头(6)安装在钻杆(3)的首端；所述钻头(6)具有中心孔道；所述中心孔道与钻杆(3)的内腔连通；所述钻机(1)夹持钻杆(3)的尾端；

所述柔性护孔系统包括前端固定装置(5)、注水支撑管(8)和柔性护孔支架(9)；

所述注水支撑管(8)的管壁上设置有注水孔；所述注水支撑管(8)的首端连接固定有前端固定装置(5)，尾端与液压泵联通；所述前端固定装置(5)具有支撑钩爪；所述支撑钩爪采用压簧结构；所述注水支撑管(8)布置在钻杆(3)的内腔中；所述前端固定装置(5)布置在钻头(6)的中心孔道中；所述前端固定装置(5)的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合；

所述柔性护孔支架(9)采用记忆合金材料制得；在工作状态下柔性护孔支架(9)呈现低电位相形状；低电位相形状时，柔性护孔支架(9)为网套结构物；所述柔性护孔支架(9)包括沿纵向依次排列的若干环状支撑管；每根环状支撑管包括若干单元波，单元波沿周向依次排列；相邻两根环状支撑管呈镜面对称分布；相邻两根环状支撑管相对的两个波峰之间固定连接；相邻两根环状支撑管的内腔连通；若干环状支撑管的内腔构成管网结构；在非工作状态下柔性护孔支架(9)呈现高电位相形状；低电位相形状时，呈紧缩状态的柔性护孔支架(9)套设在注水支撑管(8)的管身上；所述注水孔与柔性护孔支架(9)的管网内腔连通；

所述水力压裂系统包括乳化泵站(7)、水箱(11)、封孔装置和压裂管柱以及套管；所述水箱(11)和乳化泵(7)之间使用高压胶管进行连接；高压水生成后通过高压水管进入水量调节装置；所述高压水管上设置有流量计和压力表；所述压裂管柱前段连接高压管路转换接头；

工作时，钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位；推动注水支撑管(8)，前端固定装置(5)从钻头(6)的中心孔道伸出；支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中；退出钻具系统；注浆封孔；关闭外部电位开关，停止通电，柔性护孔支架(9)进入冷却状态进而展开；液压泵向注水支撑管(8)内注入水，水经注水支撑管(8)进入柔性护孔支架(9)；柔性护孔支架(9)充压膨胀扩张，从而对钻孔进行支撑；进行水力压裂；进行瓦斯抽采；抽采完成后，柔性护孔支架(9)卸压；触发外部电位开关，柔性护孔支架(9)受到电流激励后处于加热状态进而弹性回缩。

2.根据权利要求1所述的一种碎软煤层水力压裂护孔系统，其特征在于：所述注水支撑管(8)由若干段支撑管拼接制得；相邻两段支撑管之间通过注水支撑管连接段(4)连接；每段支撑管上对应设置有柔性护孔支架(9)。

3.根据权利要求1所述的一种碎软煤层水力压裂护孔系统，其特征在于：所述注水支撑管(8)的外壁上设置有绝缘层。

4.一种根据权利要求1所述的系统的碎软煤层水力压裂护孔方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)安装系统和地面管线，并检查；

2)施工压裂钻孔；钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位；推动注水支撑管(6)；前端固定装置(5)从钻头(4)的中心孔道伸出；支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中；

3)退出钻具系统；液压泵向注水支撑管(8)内注入高压水；所述柔性护孔支架(9)充压膨胀扩张，对钻孔进行支撑；

4)输送压裂管道：将压裂管道输送至钻孔预定位置，同时将压裂管柱前段连接高压管路转换接头至水力压裂泵组；

5)注浆封孔；所述注水支撑管(8)前段接入套管；套管外侧至压裂管柱外侧周围区域注入水泥浆进行永久封隔，压裂管柱与套管相连的内部区域注入膨胀材料进行暂时封隔；

6)开始压裂；启动水力压裂泵组，打开水箱使高压水通过高压管路到达压裂通道，开始水力压裂；所述压裂管柱包括水力喷射器、扶正器、筛管和引鞋；

7)压裂结束后关闭孔口安全阀门，观察压力表的变化；

8)当乳化泵压力急剧上升或水箱内水位不再下降时，立即停止压力关闭水泵，关闭卸压阀对压裂孔进行接管抽采瓦斯，及时记录瓦斯抽放浓度和纯量；

9)将压裂管道退出压裂钻孔

10)抽采达标后，及时回收柔性护孔系统；

11)在压裂管柱与套管相连的内部区域及钻孔孔口位置注入膨胀材料进行永久封隔。

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