CN114961680A - 一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近煤层顶板定向射孔‑压裂一体化装置及其使用方法，属于煤矿井下水力压裂技术领域，依次包括通过中心管串联的前封隔器、前滚球轴承、偏心射孔器、后滚球轴承和后封隔器，偏心射孔器后部、后滚球轴承和后封隔器中穿设的中心管外套装有双液路连接管，前封隔器内的中心管上开设有若干中心管出液孔，后封隔器内的双液路连接管上开设有若干外管出液孔，偏心射孔器内开设有凸字形空腔，该空腔内设置有一体成型且贯穿中心管的导轨滑块和滑块限位挡板，偏心射孔器外壁上开设有与偏心射孔器内空腔相通的喷嘴，偏心射孔器上喷嘴开设在偏心射孔器厚壁侧，高压水沿射孔点导向往煤层开始注水压裂，从而实现定向射孔压裂一体化。

Description

一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置及其使用方法

技术领域

本发明属于煤矿井下水力压裂技术领域，涉及一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置及其使用方法。

背景技术

水力压裂是改造低透气性煤层的一项常用技术手段，其实质是将流体以大于地层滤失速率的排量和大于破裂压力的压力使煤岩破裂形成裂缝，从而增加煤层的渗透率，达到增产的目的。通过压裂液在原岩煤体中实现压裂造缝，形成瓦斯流动的通道，能够有效的增加煤层透气性，使煤体卸压，提高瓦斯抽放量。相对于其它水力化措施，增渗范围大，水力压裂除具有增渗作用以外，在防突、降尘、防自燃等方面均具有显著效果，并已经开始在我国大中型煤矿中广泛应用，并取得较好的效果。

碎软、低渗煤层的瓦斯治理一直是业界难题，由于在碎软煤层中钻进存在塌孔、堵孔、护孔难等问题，为了提高碎软、低渗煤层的透气性，在钻孔成型好的岩层中钻进，通过造缝把压裂液导向压入煤层成为一种新方法新工艺，而如何实现定向压裂成为解决问题的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决目前煤矿处理碎软、低渗煤层透气性时，选择在钻孔成型好的岩层中钻进，通过造缝把压裂液导向压入煤层，但无法实现定向压裂，导致难以实现对于采场矿压的有效控制，对矿厂安全生产造成隐患的问题，提供一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，依次包括通过中心管串联的前封隔器、前滚球轴承、偏心射孔器、后滚球轴承和后封隔器，偏心射孔器后部、后滚球轴承和后封隔器中穿设的中心管外套装有双液路连接管，前封隔器内的中心管上开设有若干中心管出液孔，后封隔器内的双液路连接管上开设有若干外管出液孔，偏心射孔器内开设有凸字形空腔，该空腔内设置有一体成型且贯穿中心管的导轨滑块和滑块限位挡板，偏心射孔器外壁上开设有与偏心射孔器内空腔相通的喷嘴，偏心射孔器上喷嘴开设在偏心射孔器厚壁侧。

本基础方案的有益效果在于：高压水从双液路连接管进入管柱系统，中心管将高压水导入前封隔器，高压水从中心管出液孔进入前封隔器膨胀坐封；高压水从外管出液孔进入后封隔器膨胀坐封。前滚球轴承和后滚球轴承可使偏心射孔器环向转动，在自重作用下使得厚壁端朝下，因此喷嘴始终指向煤层。高压水持续增压推动导轨滑块前移，使喷嘴打开，此处的导轨即为中心管，高压水从喷嘴往煤层方向射孔，通过调节注水压力，形成脉冲水射流。当射孔一段时间后，高压水充满前封隔器与后封隔器之间的腔体，高压水沿射孔点导向往煤层开始注水压裂，从而实现定向射孔压裂一体化。

进一步，偏心射孔器呈锥形，偏心射孔器上喷嘴开设在远离锥形端的厚壁侧。有益效果：偏心射孔器环向转动过程中，在重力作用下使得厚壁端朝下，进而喷嘴始终指向煤层射孔。

进一步，偏心射孔器内导轨滑块和滑块限位挡板与偏心射孔器内空腔内径相适配，长度小于对应位置内腔长度，滑块限位挡板与偏心射孔器内空腔之间固定安装有若干弹簧。有益效果：导轨滑块中间有开孔，包裹着中心管，高压水沿双液路连接管的中心管壁与外壁之间的环形通道进入偏心射孔器内部，推动导轨滑块往前移动，压紧弹簧，使喷嘴暴露，高压水井喷嘴压出往煤层方向射孔。

进一步，导轨滑块外包覆有滑块耐磨活塞。有益效果：由于导轨滑块需要往复移动，滑块耐磨活塞能够增强导轨滑块的耐磨性，提高其使用寿命。

进一步，前封隔器前端为倒角引锥，前封隔器内腔为前封隔器腔体，前封隔器壁为前封隔器胶囊，后封隔器内腔为后封隔器腔体，后封隔器壁为后封隔器胶囊。有益效果：高压水从中心管出液孔进入前封隔器腔体使前封隔器胶囊膨胀坐封；高压水从外管出液孔进入后封隔器腔体使后封隔器胶囊膨胀坐封。

进一步，偏心射孔器两侧的前滚球轴承和后滚球轴承外径尺寸相同且同心。有益效果：外径尺寸相同且同心的前滚球轴承和后滚球轴承，便于偏心射孔器平稳环向转动，在自重作用下使得厚壁端朝下，因此喷嘴始终指向煤层射孔。

一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置的使用方法，包括以下步骤：

S1，设计顶板钻孔参数，根据钻孔直径确定射孔-压裂工具串的最大外径、选择射孔-压裂位置确定工具串下放的预定位置；

S2，将射孔-压裂工具串下放到预定位置，两封隔器之间的钻孔段即为射孔-压裂钻孔段，下放顺序为从内往外依次为前封隔器、中心管、前滚球轴承、偏心射孔器、后滚球轴承、双液路连接管和后封隔器；

S3，泵注系统将高压水从双液路连接管进入管柱系统，中心管将高压水导入前封隔器，高压水从中心管出液孔进入前封隔器腔体使前封隔器胶囊膨胀坐封，高压水从外管出液孔进入后封隔器腔体使后封隔器胶囊膨胀坐封；

S4，高压水持续增压推动导轨滑块前移，使偏心射孔器壁上喷嘴打开，高压水从喷嘴往煤层方向射孔，通过调节注水压力，形成脉冲水射流，其中偏心射孔器的喷嘴在厚壁侧，两侧滚球轴承使其环向转动，在自重作用下使得喷嘴始终朝下指向煤层；

S5，高压水充满两个封隔器之间的腔体后，沿射孔点导向往煤层开始注水压裂，实现定向射孔压裂一体化。

本发明的有益效果在于：

1：本发明所公开的近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，设置前封隔器壁为前封隔器胶囊的前封隔器，后封隔器壁为后封隔器胶囊的后封隔器，通过前封隔器内的中心管上开设的中心管出液孔和后封隔器内的双液路连接管上开设的外管出液孔，高压水从中心管出液孔进入前封隔器腔体使前封隔器的胶囊膨胀坐封，高压水从外管出液孔进入后封隔器的腔体使后封隔器胶囊膨胀坐封。

2：本发明所公开的近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，偏心射孔器上喷嘴开设在远离锥形端的厚壁侧，偏心射孔器两侧的前滚球轴承和后滚球轴承外径尺寸相同且同心，前滚球轴承和后滚球轴使偏心射孔器平稳环向转动，在自重作用下使得厚壁端朝下，因此喷嘴始终指向煤层射孔。

3：本发明所公开的近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，导轨滑块外包覆有滑块耐磨活塞，增强导轨滑块的耐磨性；滑块限位挡板与偏心射孔器内空腔之间固定安装有若干弹簧，射孔压裂结束后，封隔器泄压解封，偏心射孔器内的弹簧从压缩状态恢复原始状态。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置射孔器触发前结构示意图；

图2为本发明近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置双液路连接管剖面示意图；

图3为本发明近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置射孔器触发后结构示意图；

图4为本发明近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置顶板钻孔射孔-压裂及裂纹扩展示意图。

附图标记：引锥1、中心管出液孔2、前封隔器腔体3、前封隔器4、前封隔器胶囊5、中心管6、前滚球轴承7、偏心射孔器8、滑块耐磨活塞9、导轨滑块10、滑块限位挡板11、弹簧12、喷嘴13、后滚球轴承14、双液路连接管15、后封隔器16、外管出液孔17、后封隔器腔

体18、后封隔器胶囊19、内管压裂液流向腔20、外管环形腔体压裂液流向腔21。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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1～4所示的一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，依次包括通过中心管6串联的前封隔器4、前滚球轴承7、偏心射孔器8、后滚球轴承14和后封隔器16，前封隔器4前端为倒角引锥1，前封隔器4内腔为前封隔器4腔体3，前封隔器4壁为前封隔器4胶囊，后封隔器16内腔为后封隔器16腔体，后封隔器16壁为后封隔器16胶囊，偏心射孔器8后部、后滚球轴承14和后封隔器16中穿设的中心管6外套装有双液路连接管15，前封隔器4内的中心管6上开设有三个中心管出液孔2，后封隔器16内的双液路连接管15上开设有三个外管出液孔17，高压水流沿中心管6形成的水流通道构成内管压裂液流向腔20，高压水从中心管出液孔2进入前封隔器腔体3使前封隔器胶囊5膨胀坐封，高压水从外管出液孔17进入后封隔器腔体18使后封隔器胶囊19膨胀坐封。

呈锥形的偏心射孔器8内开设有凸字形空腔，该空腔内设置有一体成型且贯穿中心管6的导轨滑块10和滑块限位挡板11，在偏心射孔器8外壁且远离锥形端的厚壁侧上开设有与偏心射孔器8内空腔相通的喷嘴13，偏心射孔器8环向转动过程中，在重力作用下使得厚壁端朝下，进而喷嘴13始终指向煤层射孔。

偏心射孔器8两侧的前滚球轴承7和后滚球轴承14外径尺寸相同且同心，外径尺寸相同且同心的前滚球轴承7和后滚球轴承14，便于偏心射孔器8平稳环向转动。

偏心射孔器8内导轨滑块10和滑块限位挡板11与偏心射孔器8内空腔内径相适配，长度小于对应位置内腔长度，滑块限位挡板11与偏心射孔器8内空腔之间固定安装有两个弹簧12，导轨滑块10中间有开孔，包裹着中心管6，高压水沿双液路连接管15的中心管壁与外壁之间的环形通道形成外管环形腔体压裂液流向腔21进入偏心射孔器8内部，推动导轨滑块10往前移动，压紧弹簧12，使喷嘴13暴露，高压水井喷嘴压出往煤层方向射孔。

导轨滑块10外包覆有滑块耐磨活塞9，滑块耐磨活塞9能够增强导轨滑块10的耐磨性，提高其使用寿命。

该近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置使用时，包括以下步骤：

S1，设计顶板钻孔参数，根据钻孔直径确定射孔-压裂工具串的最大外径、选择射孔-压裂位置确定工具串下放的预定位置；

S2，将射孔-压裂工具串下放到预定位置，两封隔器之间的钻孔段即为射孔-压裂钻孔段，下放顺序为从内往外依次为前封隔器4、中心管6、前滚球轴承7、偏心射孔器8、后滚球轴承14、双液路连接管15和后封隔器16；

S3，泵注系统将高压水从双液路连接管15进入管柱系统，中心管6将高压水导入前封隔器4，高压水从中心管出液孔2进入前封隔器腔体3使前封隔器胶囊5膨胀坐封，高压水从外管出液孔17进入后封隔器腔体18使后封隔器胶囊19膨胀坐封；

S4，高压水持续增压推动导轨滑块10前移，使偏心射孔器8壁上喷嘴13打开，高压水从喷嘴13往煤层方向射孔，通过调节注水压力，形成脉冲水射流，其中偏心射孔器8的喷嘴13在厚壁侧，两侧滚球轴承使其环向转动，在自重作用下使得喷嘴13始终朝下指向煤层；

S5，高压水充满两个封隔器之间的腔体后，沿射孔点导向往煤层开始注水压裂，实现定向射孔压裂一体化。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，其特征在于，依次包括通过中心管串联的前封隔器、前滚球轴承、偏心射孔器、后滚球轴承和后封隔器，所述偏心射孔器后部、后滚球轴承和后封隔器中穿设的中心管外套装有双液路连接管，所述前封隔器内的中心管上开设有若干中心管出液孔，所述后封隔器内的双液路连接管上开设有若干外管出液孔，所述偏心射孔器内开设有凸字形空腔，所述该空腔内设置有一体成型且贯穿中心管的导轨滑块和滑块限位挡板，所述偏心射孔器外壁上开设有与偏心射孔器内空腔相通的喷嘴，所述偏心射孔器上喷嘴开设在偏心射孔器厚壁侧。

2.如权利要求1所述的近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，其特征在于，所述偏心射孔器呈锥形，偏心射孔器上喷嘴开设在远离锥形端的厚壁侧。

3.如权利要求1所述的一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，其特征在于，所述偏心射孔器内导轨滑块和滑块限位挡板与偏心射孔器内空腔内径相适配，长度小于对应位置内腔长度，滑块限位挡板与偏心射孔器内空腔之间固定安装有若干弹簧。

4.如权利要求3所述的近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，其特征在于，所述导轨滑块外包覆有滑块耐磨活塞。

5.如权利要求1所述的近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，其特征在于，所述前封隔器前端为倒角引锥，前封隔器内腔为前封隔器腔体，前封隔器壁为前封隔器胶囊，后封隔器内腔为后封隔器腔体，后封隔器壁为后封隔器胶囊。

6.如权利要求1所述的近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置，其特征在于，所述偏心射孔器两侧的前滚球轴承和后滚球轴承外径尺寸相同且同心。

7.一种近煤层顶板定向射孔-压裂一体化装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，设计顶板钻孔参数，根据钻孔直径确定射孔-压裂工具串的最大外径、选择射孔-压裂位置确定工具串下放的预定位置；

S2，将射孔-压裂工具串下放到预定位置，两封隔器之间的钻孔段即为射孔-压裂钻孔段，下放顺序为从内往外依次为前封隔器、中心管、前滚球轴承、偏心射孔器、后滚球轴承、双液路连接管和后封隔器；

S3，泵注系统将高压水从双液路连接管进入管柱系统，中心管将高压水导入前封隔器，高压水从中心管出液孔进入前封隔器腔体使前封隔器胶囊膨胀坐封，高压水从外管出液孔进入后封隔器腔体使后封隔器胶囊膨胀坐封；

S4，高压水持续增压推动导轨滑块前移，使偏心射孔器壁上喷嘴打开，高压水从喷嘴往煤层方向射孔，通过调节注水压力，形成脉冲水射流，其中偏心射孔器的喷嘴在厚壁侧，两侧滚球轴承使其环向转动，在自重作用下使得喷嘴始终朝下指向煤层；

S5，高压水充满两个封隔器之间的腔体后，沿射孔点导向往煤层开始注水压裂，实现定向射孔压裂一体化。

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