CN114737938A - 煤层超声活化分段压裂装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及煤层瓦斯抽采技术领域，特别涉及一种超煤层超声活化分段压裂装置。煤层超声活化分段压裂装置，包括：管件，管件的一部分伸入煤层钻孔中管件伸入煤层钻孔中的一端串联有至少两个投球滑套；投球滑套具有第一过液通道、第二过液通道、超声波振动器和电源，投球滑套具有原始态和配合态；各投球滑套均配设有压裂球，压裂球进入配套的投球滑套后封堵第一过液通道；投球滑套配设有限位件，限位件将投球滑套限制在原始态，第一过液通道被封堵后，限位件失效，投球滑套由原始态切换为配合态；投球滑套处于原始态时，第一过液通道供压裂液流通，并供下游的投球滑套配套的压裂球穿过；投球滑套处于配合态时，第二过液通道供压裂液流通。

Description

煤层超声活化分段压裂装置

技术领域

本申请涉及煤层瓦斯抽采技术领域，特别涉及一种超煤层超声活化分段压裂装置。

背景技术

煤层瓦斯又称煤层气，是引起煤矿瓦斯灾害的致灾性气体，同时还是一种赋存在煤层中、与煤共伴生的清洁能源。随着开采深度的逐年增加，煤层瓦斯压力不断升高，地应力条件愈加复杂，煤层透气性不断降低，抽采过程中瓦斯解吸困难，严重影响了煤矿的正常接续生产和人员安全。为提升瓦斯抽采效果，需提高煤层透气性(增透)，对此一种基于定向长钻孔的煤矿井下分段压裂技术逐渐被采用，该技术通过在底板巷或者顶板巷设置钻场，在硬煤、顶底板中施工定向长钻孔，通过封隔器实现分段压裂。长钻孔分段压裂技术对煤层的硬度要求较高，软煤施工长钻孔会出现塌孔，抱钻等现象，无法实现分段压裂。针对软煤一般采取顶底板长钻孔分段压裂，使硬岩产生的裂缝延伸至煤层，从而为瓦斯移动提供通道。但在岩层中施工钻孔，钻孔的层位会直接影响压裂裂缝的延伸效果，可能导致裂缝无法延伸进煤层，从而降低压裂效果。

现有技术中心通过超声波协助增透技术保证压裂裂缝的延伸效果，其原理是利用超声波在水中的三大效应，即热效应、振动效应、空化作用，来实现压裂裂缝的进一步扩展和延伸，达到扩大压裂范围的效果。超声波协同致裂技术多采用以下方案：在压裂孔中用钻杆送入超声波换能器，通过电缆将超声波换能器与钻孔外的超声波发生装置接通，同时在压裂孔内送入注水管，并在孔口前部完成注浆封孔，开始压裂作业时，首先通过注水管注入压裂液，开始常规压裂，同时开启超声波发生装置并调整超声波震动频率，完成协同致裂。

然而分段压裂结合超声波协助增透技术时，由于分段压裂技术的限制，导致无法装入超声波换能器，也无法通过电缆为超声波换能器供电，只能在压裂套管中安装超声波振动器，导致提供的超声波功率较低，无法较好的达到增强压裂效果的目的。因此，针对上述现有技术的不足，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供煤层超声活化分段压裂装置，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：煤层超声活化分段压裂装置，所述煤层中设有若干煤层钻孔，煤层的超声活化煤层分段压裂装置包括：

管件，所述管件的一部分伸入所述煤层钻孔中；所述管件伸入所述煤层钻孔中的部分套设有第一封堵器；所述管件伸入所述煤层钻孔中的一端串联有至少两个投球滑套；相邻所述投球滑套的连接处套设有第二封堵器；最上游的所述投球滑套与所述管件的连接处套设有第二封堵器，所述第一封堵器和所述第二封堵器均用于封孔；

所述投球滑套具有第一过液通道、第二过液通道、超声波振动器和电源，所述投球滑套具有原始态和配合态；

压裂泵，所述压裂泵的输出端与所述管件伸出所述煤层钻孔的端部连通；所述压裂泵的输入端连通压裂液容器；

压裂球，各所述投球滑套均配设有所述压裂球，所述压裂球在所述管件和所述投球滑套中移动，所述压裂球进入配套的所述投球滑套后封堵所述第一过液通道；

所述投球滑套配设有限位件，所述限位件将所述投球滑套限制在所述原始态，所述第一过液通道被封堵后，所述限位件失效，所述投球滑套由原始态切换为配合态；

所述投球滑套处于原始态时，所述第一过液通道供压裂液流通，并供下游的所述投球滑套配套的所述压裂球穿过；

所述投球滑套处于配合态时，所述第二过液通道供压裂液流通；并且，所述超声波振动器和所述电源电连接，所述超声波振动器响应以对煤层进行超声活化。

进一步的，从上游至下游的所述投球滑套配设的所述压裂球的径向尺寸依次减小。

进一步的，所述限位件为限位销钉；

所述投球滑套包括第一部分和第二部分，所述第二部分滑动设置在所述第一部分中，所述限位销钉设置在所述第一部分和所述第二部分之间；

所述第一过液通道的至少一部分位于所述第二部分上，所述第一过液通道被封堵时，所述管件中压裂液的压力通过所述第一部分和所述第二部分作用到所述限位销钉上，所述限位销钉被所述第一部分和所述第二部分剪断失效，所述第二部分在所述第一部分中沿轴向滑动使所述投球滑套由原始态切换为配合态。

进一步的，所述压裂球配设有投球器，所述投球器连通于所述管件位于所述煤层钻孔之外的部分上，所述投球器用于向管件中顺次投放径向尺寸依次增大的所述压裂球。

进一步的，所述第二过液通道的至少一部分由气体发生剂容纳腔形成，所述气体发生剂容纳腔中设有气体发生剂，所述气体发生剂与所述压裂液接触后产生气体。

进一步的，各投球滑套上设有三个超声波震动器，三个所述超声波振动器沿所述第二部分的周向均匀排布；

所述电源为环形电池；所述环形电池设置在所述第一部分上，用于在所述投球滑套处于配合态时对三个所述超声波震动器供电。

进一步的，所述第二过液通道和所述气体发生剂容纳腔的数量分别为三，三个所述气体发生剂容纳腔沿所述第二部分的周向均匀排布，所述气体发生剂容纳腔与所述超声波震动器在所述第二部分的轴向上错开布置；在所述第二部分的周向上，所述气体发生剂容纳腔位于相邻的两个所述超声波震动器中间。

进一步的，所述气体发生剂为过碳酸钠。

进一步的，所述第二过液通道的入口设置在所述第二部分的端面上，所述第一部分上设有补药通道，所述补药通道与第二过液通道的入口连通；

通过所述补药通道和所述第二过液通道位于气体发生剂容纳腔上游的部分，向所述气体发生剂容纳腔中补充所述气体发生剂；

所述投球滑套处于原始态时，所述第二过液通道的入口口沿压紧在所述第一部分上，且所述补药通道管壁，压裂液无法进入所述第二过液通道。

进一步的，所述第二过液通道的一部分由位于所述第一部分上的输水孔形成；

所述投球滑套处于原始态时，所述输水孔与所述气体发生剂容纳腔的出口错开；所述投球滑套处于配合态时，所述输水孔与所述气体发生剂容纳腔的出口连通。

与最接近的现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：

超声波具有无污染、能耗低、见效快等优点，其在高温、低压下可使压裂液发生空化现象，并通过提高油岩体渗透率、降低粘性、除垢以及解堵等作用，在煤层压裂方面取得了较好的效果；通过超声振动和热效应加速过碳酸钠与压裂液化学反应，生成碳酸钠溶液，氧气和水，产生的大量气泡随着压裂液在水压作用下通过输水孔进入煤层钻孔内，在超声空化作用下协同致裂；本发明的煤层超声活化分段压裂装置实现集超声波振动器和过碳酸钠储存于一体；一方面通过超声振动器的振动效应，利用水的不可压缩性，强化压裂效果；同时结合压裂液与过碳酸钠反应产生大量气泡，增强超声空化作用效果，增加超声波增透能力，促使压裂裂纹迅速产生和扩展，增大压裂范围，提高煤层透气性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1是煤层超声活化分段压裂装置的使用状态图；

图2是图1中投球滑套和压裂球的爆炸图；

图3是图2中前端头的结构示意图；

图4是图2中内部滑套的结构示意图；

图5是图2中滑套外壳的结构示意图。

附图标记说明：

1、压裂液容器；2、压裂泵；3、注水管；4、压裂管；5、第一封堵器；6、第二封堵器；7、投球滑套；71、前端头；711、补药通道；72、内部滑套；721、第一过液通道；722、超声波振动器；723、气体发生剂容纳腔；724、第二过液通道；725、限位孔；73、滑套外壳；731、环形电池；732、电池充电孔；733、限位销钉；734、输水孔；74、尾端头；8、压裂球。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，煤层超声活化分段压裂装置包括管件、第一封堵器5、第二封堵器6、压裂泵2、压裂液容器1、限位件、电源、投球滑套7；各投球滑套7均配设有压裂球8。

管件包括注水管3和压裂管4，压裂管4伸入煤层钻孔中，注水管3位于煤层钻孔外并连通压裂管4和压裂泵2的输出端，压裂泵2的输入端连通压裂液容器1，压裂管4、注水管3和压裂泵2之间螺纹连接。压裂管4对应煤层钻孔深度5米处套设有第一封堵器5；压裂管4深入煤层钻孔中的一端串联有至少两个投球滑套7，投球滑套7的具体数量可以根据煤层情况和实际压裂要求进行选择，本实施例中投球滑套7的数量为四。相邻投球滑套7的连接处设有第二封堵器6，最上游的投球滑套7与压裂管4之间也设置有第二封堵器6。

如图2至图5所示，投球滑套7包括第一部分和第二部分，第二部分沿轴向滑动设置在第一部分中；具体的，投球滑套7包括前端头71、内部滑套72、滑套外壳73、尾端头74；内部滑套72形成第一部分，前端头71螺纹连接于滑套外壳73前部，尾端头74螺纹连接于滑套外壳73尾部，前端头71、滑套外壳73、尾端头74共同形成第二部分。投球滑套7具有第一过液通道721、第二过液通道724，其中第一过液通道721的一部分位于第二部分。根据第一部分和第二部分的相对位置关系，将投球滑套7分为原始态和配合态。限位件为限位销钉733，限位销钉733设置在滑套外壳73上，并与内部滑套72上配设的限位孔725插接，以限制内部滑套72沿轴向的滑动，从而将投球滑套7限制在原始态。

电源为环形电池731，环形电池731设置在滑套外壳73上，环形电池731具有三个超声充电底座，超声充电底座上有正负极接头。滑套外壳73上还设有电池充电孔732，在环形电池731需要充电时，通过电池充电孔732对环形电池731充电。

各投球滑套7上设有三个超声波振动器722，三个超声波振动器722沿第二部分的周向均匀排布；具体的，内部滑套72上设有三个沿径向延伸的振动器安装腔，振动器安装腔沿径向向外贯通内部滑套72，超声波振动器722与振动器安装腔的腔壁过盈配合。

各超声波振动器722的正负极接入端分别对应超声充电底座上的正负极接头，超声波振动器722配设有接电弹簧，接电弹簧设置在超声波振动器722的正负极接入端和超声充电底座之间。

从下游到上游的各投球滑套7的第一过液通道721的直径依次递增，各压裂球8的直径略大于对应的投球滑套7的第一过液通道721的直径，即从下游至上游的投球滑套7配设的压裂球8的径向尺寸依次增大。压裂球8配设有投球器(图中未示出)，投球器连通在注水管3上，投球器用于向管件中顺次投放径向尺寸依次增大的压裂球8，从最下游投球滑套7至最上游投球滑套7配设的压裂球8依次为：一级压裂球、二级压裂球、三级压裂球和四级压裂球。

第二过液通道724的一部分由气体发生剂容纳腔723形成，气体发生剂容纳腔723中设有气体发生剂，气体发生剂为过碳酸钠。过碳酸钠与压裂液的反应式为：

第二过液通道724的一部分由位于滑套外壳73上的输水孔734形成，输水孔734为通孔，连通滑套外壳73内外。前端头71设有补药通道711，补药通道711与第二过液通道724的入口连通，通过补药通道711和部分第二过液通道724向气体发生剂容纳中补充气体发生剂，补充气体发生剂时补药通道711打开，其余时间补药通道711通过螺栓封闭。

第二过液通道724的数量为三，气体发生剂容纳腔723的数量也为三，三个气体发生剂容纳腔723沿内部滑套72的周向均匀排布，气体发生剂容纳腔723与超声波振动器722在内部滑套72的轴向上错开布置；在内部滑套72的周向上，气体发生剂容纳腔723位于相邻的两个超声波振动器722中间。

投球滑套7处于原始态时，第一过液通道721供压裂液流通，并供下游的投球滑套7配套的压裂球8穿过。压裂球8采用塑胶材质，并能够在管件和投球滑套7中移动，压裂球8进入配套的投球滑套7后封堵第一过液通道721，第一过液通道721被封堵后，限位销钉733被剪断失效，投球滑套7由原始态切换为配合态；具体的，第一过液通道721被封堵时，管件中压裂液的压力通过第一部分和第二部分作用到限位销钉733上，限位销钉733被第一部分和第二部分剪断失效，第二部分在第一部分中沿轴向运动使投球滑套7由原始态切换为配合态。

投球滑套7处于原始态时，第二过液通道724不贯通，无法供压裂液流通；具体的，第二过液通道724的入口设置在第二部分的端面上，补药通道711被螺钉封堵，且第二过液通道724的入口口沿压紧在前端头71上，即第二过液通道724的入口被封堵；输水孔734与气体发生剂容纳腔723的出口错开；即第二过液通道724的出口被封堵；第二过液通道724的入口和出口均被封堵，无法供压裂液流通，且避免了过碳酸钠与压裂液接触导致失效。投球滑套7处于配合态时，第二过液通道724贯通供压裂液流通；具体的，投球滑套7滑动切换为配合态后，前端头71与内部滑套72分离，解除对第二过液通道724的入口口沿的封堵，输水孔734与气体发生剂容纳腔723的出口连通；第二过液通道724的入口和出口均打开，第二过液通道724供压裂液流通。

在配合态时，超声充电底座通过接电弹簧对三个超声波振动器722供电，超声波振动器722响应以对煤层进行超声活化，并加速压裂液与气体发生剂的反应。气体发生剂与压裂液接触后产生气体，气体随压裂液穿过气体发生剂容纳腔723和输水孔734流动至投球滑套7外。

本发明的煤层超声活化分段压裂装置的具体实施例的使用方法：

(a)煤矿井下由巷道向煤层施工定向的煤层钻孔；

(b)通过补药通道711和部分第二过液通道724，向气体发生剂容纳腔723中添加过碳酸钠颗粒，补充完毕后通过螺栓封堵补药通道711；通过电池充电孔732对环形电池731充电，直至环形电池731充电完成；

(c)根据钻孔压裂方案及施工现场条件连接压裂液容器1、压裂泵2、注水管3、压裂管4、第一封堵器5、第二封堵器6和投球滑套7；

(d)投球滑套7和压裂管4送入煤层钻孔中，开启第一封堵器5，在孔口注入水泥砂浆，待水泥砂浆凝固后完成封孔，然后通过压裂泵2向注水管3注水，使压裂管4中的水压上升至第二封堵器6完成座封；

(e)向注水管3投入一级压裂球，一级压裂球进入最下游的投球滑套7并封堵第一过液通道721，继续注水至最下游的投球滑套7的限位销钉733被剪断，内部滑套72上设置的超声波振动器722随着内部滑套72的移动与环形电池731的充电底座对齐，超声波振动器722底部的接电弹簧与充电底座的正负极接入端接通，开始超声波振动；同时气体发生剂容纳腔723与滑套外壳73的输水孔734对齐，前端头71解除对第二过液通道724入口口沿的封堵，压裂液进入气体发生剂容纳腔723，通过超声振动和热效应加速化学反应，生成碳酸钠溶液，氧气和水，产生的大量气泡随着压裂液在水压作用下通过输水孔734进入煤层钻孔内，在超声空化作用下协同致裂；

(f)保持水压，对第一段煤层进行压裂和超声活化增透，待水压发生突降，即表明第一段压裂完成；

(g)向注水管3投入2、3、4级压裂球，重复(e)～(f)步骤，球的大小逐级递增，直至完成后续压裂施工。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.煤层超声活化分段压裂装置，所述煤层中设有若干煤层钻孔，其特征在于，煤层超声活化分段压裂装置包括：

管件，所述管件的一部分伸入所述煤层钻孔中；所述管件伸入所述煤层钻孔中的部分套设有第一封堵器；所述管件伸入所述煤层钻孔中的一端串联有至少两个投球滑套；相邻所述投球滑套的连接处套设有第二封堵器；最上游的所述投球滑套与所述管件的连接处套设有第二封堵器，所述第一封堵器和所述第二封堵器均用于封孔；

所述投球滑套具有第一过液通道、第二过液通道、超声波振动器和电源，所述投球滑套具有原始态和配合态；

压裂泵，所述压裂泵的输出端与所述管件伸出所述煤层钻孔的端部连通；所述压裂泵的输入端连通压裂液容器；

压裂球，各所述投球滑套均配设有所述压裂球，所述压裂球在所述管件和所述投球滑套中移动，所述压裂球进入配套的所述投球滑套后封堵所述第一过液通道；

所述投球滑套配设有限位件，所述限位件将所述投球滑套限制在所述原始态，所述第一过液通道被封堵后，所述限位件失效，所述投球滑套由原始态切换为配合态；

所述投球滑套处于原始态时，所述第一过液通道供压裂液流通，并供下游的所述投球滑套配套的所述压裂球穿过；

所述投球滑套处于配合态时，所述第二过液通道供压裂液流通；并且，所述超声波振动器和所述电源电连接，所述超声波振动器响应以对煤层进行超声活化。

2.根据权利要求1所述的煤层超声活化分段压裂装置，其特征在于，从上游至下游的所述投球滑套配设的所述压裂球的径向尺寸依次减小。

3.根据权利要求2所述的煤层超声活化分段压裂装置，其特征在于，所述限位件为限位销钉；

所述投球滑套包括第一部分和第二部分，所述第二部分滑动设置在所述第一部分中，所述限位销钉设置在所述第一部分和所述第二部分之间；

所述第一过液通道的至少一部分位于所述第二部分上，所述第一过液通道被封堵时，所述管件中压裂液的压力通过所述第一部分和所述第二部分作用到所述限位销钉上，所述限位销钉被所述第一部分和所述第二部分剪断失效，所述第二部分在所述第一部分中沿轴向滑动使所述投球滑套由原始态切换为配合态。

4.根据权利要求2所述的煤层超声活化分段压裂装置，其特征在于，所述压裂球配设有投球器，所述投球器连通于所述管件位于所述煤层钻孔之外的部分上，所述投球器用于向管件中顺次投放径向尺寸依次增大的所述压裂球。

5.根据权利要求3所述的煤层超声活化分段压裂装置，其特征在于，所述第二过液通道的至少一部分由气体发生剂容纳腔形成，所述气体发生剂容纳腔中设有气体发生剂，所述气体发生剂与所述压裂液接触后产生气体。

6.根据权利要求5所述的煤层超声活化分段压裂装置，其特征在于，各投球滑套上设有三个超声波震动器，三个所述超声波振动器沿所述第二部分的周向均匀排布；

所述电源为环形电池；所述环形电池设置在所述第一部分上，用于在所述投球滑套处于配合态时对三个所述超声波震动器供电。

7.根据权利要求6所述的煤层超声活化分段压裂装置，其特征在于，所述第二过液通道和所述气体发生剂容纳腔的数量分别为三，三个所述气体发生剂容纳腔沿所述第二部分的周向均匀排布，所述气体发生剂容纳腔与所述超声波震动器在所述第二部分的轴向上错开布置；在所述第二部分的周向上，所述气体发生剂容纳腔位于相邻的两个所述超声波震动器中间。

8.根据权利要求5所述的煤层超声活化分段压裂装置，其特征在于，所述气体发生剂为过碳酸钠。

9.根据权利要求3所述的煤层超声活化分段压裂装置，其特征在于，所述第二过液通道的入口设置在所述第二部分的端面上，所述第一部分上设有补药通道，所述补药通道与第二过液通道的入口连通；

通过所述补药通道和所述第二过液通道位于气体发生剂容纳腔上游的部分，向所述气体发生剂容纳腔中补充所述气体发生剂；

所述投球滑套处于原始态时，所述第二过液通道的入口口沿压紧在所述第一部分上，且所述补药通道管壁，压裂液无法进入所述第二过液通道。

10.根据权利要求9所述的煤层超声活化分段压裂装置，其特征在于，所述第二过液通道的一部分由位于所述第一部分上的输水孔形成；

所述投球滑套处于原始态时，所述输水孔与所述气体发生剂容纳腔的出口错开；所述投球滑套处于配合态时，所述输水孔与所述气体发生剂容纳腔的出口连通。

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