CN115012893B - 一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置 - Google Patents

Abstract

一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，包括：超声波发生器、以及设置在超声波发生器前端的破碎装置；在超声波发生器的机身上设置有多个可伸缩钻杆、以及多个门仓，内部设有旋转驱动机构和伸缩驱动机构、以及多个第一超声波换能器；第一超声波换能器通过伸缩驱动机构安装在旋转驱动机构上。通过利用可伸缩钻杆钻入到周围的煤层内，可以将整个超声波发生器固定在煤层上，伸缩驱动机构可以驱动第一超声波换能器从超声波发生器中伸出并直接接触在煤层上，减少能量的损失；第一超声波换能器可以绕着超声波发生器的轴线进行旋转，可对任意方向进行增透。另外，通过设置破碎装置，在移动超声波发生器时如遇前方有煤块挡住去路，可进行直接破碎。

Description

一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置

技术领域

本发明涉及煤炭开采及煤层气开发技术领域；尤其涉及一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置。

背景技术

煤矿瓦斯(煤层气)作为煤炭的伴生物质，既是严重威胁煤矿安全的罪魁祸首之一，同时也是一种清洁高效的能源，如何将之安全有效地抽采出来，大量的研究人员和学者做了很多工作和研究。目前，对于促进瓦斯抽采常用的方法有水力压裂、水力割缝、树状压裂技术等，但这些方法都存在一定的局限性。且随着矿井向深部的延伸，地应力逐渐增大，各种方法所形成的割裂裂缝会在地应力的作用而慢慢闭合，阻断瓦斯抽采的通道。进一步削弱瓦斯抽采效果。

在进行水力压裂时用对煤岩具有强烈侵蚀作用的压裂液代替传统的清水，可有效地促进压裂裂缝的形成，但单独的水力压裂法对煤层所形成的裂缝仍会在地应力的作用下逐渐闭合，阻断瓦斯运移的通道。超声波作为一种具有较强能量和穿透性的机械波，其独特的机械作用，空化作用，化学效应和热效应等，既能有效激发新型压裂液与煤层的反应从而促进煤层裂缝的产生，又可加速瓦斯的解吸和运移，在矿井瓦斯抽采过程中迅速得到大量应用。超声波协同水力压裂技术，能兼顾二者的长处，有效促进煤层气的抽采，如在中国公开的专利号为“CN202111125683.X”的专利中，其对超声波辅助水力压裂增透煤层方面做了详细的描述，水力压裂协同超声波对煤层的增透取得了很好地效果。

但当前对超声波装置这方面的研究尚比较欠缺，在面对矿井中各种复杂的地质环境时，超声波发生器该如何有效的辅助水力压裂进行正常工作，以确保对煤层的持续激励是一个亟待解决的问题。且在现有的技术中，对超声波发生器的设定都停留在一个理想的阶段，缺少一个具有实际意义的装置来完成对煤层气的增产，而现今仅有的一些设备都无法满足在水力压裂下的各种复杂环境。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，旨在解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，包括：超声波发生器、以及设置在超声波发生器前端的破碎装置；在超声波发生器的机身上设置有多个可伸缩钻杆、以及多个门仓；在超声波发生器的机身内设置有旋转驱动机构和伸缩驱动机构、以及多个第一超声波换能器；所述第一超声波换能器通过伸缩驱动机构安装在所述旋转驱动机构上；所述旋转驱动机构用于驱动多个第一超声波换能器绕超声波发生器的轴线旋转；所述伸缩驱动机构用于驱动所述第一超声波换能器沿超声波发生器径向从门仓处伸出或收回。

优选的，第一超声波换能器在超声波发生器的机身内部为多层布置，每层的多个第一超声波换能器呈环形阵列分布。

优选的，所述第一超声波换能器为横纵一体式超声波换能器，用于对煤层发射横波和/或纵波。

优选的，在所述第一超声波换能器的前端设置有声透镜。

优选的，在所述破碎装置的中心位置处设置有第二超声波换能器。

优选的，所述旋转驱动机构上包括滚轴和第一马达；所述滚轴竖直安装在超声波发生器机身中心，其下端与第一马达驱动连接。

优选的，还包括控制器，所述控制器分别与可伸缩钻杆、旋转驱动机构、伸缩驱动机构、第一超声波换能器、破碎装置控制连接；在所述超声波发生器的机身内设置有超声波探头，该超声波探头与所述控制器连接。

进一步地，所述超声波探头为横波-纵波一体化超声波探头。

进一步地，在所述第一超声波换能器末端安装有应力传感器；该应力传感器与所述控制器连接。

优选的，所述可伸缩钻杆的为四个，上部的两个可伸缩钻杆分别沿斜上方倾斜；下部的两个可伸缩钻杆分别沿斜下方倾斜。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：

本发明所提供的超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，在使用时，通过利用可伸缩钻杆钻入到周围的煤层内，可以将整个超声波发生器固定在煤层上，伸缩驱动机构可以驱动第一超声波换能器从超声波发生器中伸出并直接接触在煤层上，减少能量的损失；且通过设置旋转驱动机构可以驱动第一超声波换能器绕着超声波发生器的轴线进行旋转，可对任意方向进行增透。另外，通过在超声波发生器的前端设置破碎装置，在移动超声波发生器时如遇前方有煤块挡住去路，可进行直接破碎。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为一种超声波协同水力压裂法增产煤层气装置的主视图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为控制器的结构示意图；

图5为超声波协同水力压裂法增产煤层气装置的使用原理示意图。

附图标号说明：1、超声波发生器；2、可伸缩钻杆；3、破碎装置；4、信号接收器；5、超声波探头；6、声透镜；7、伸缩驱动机构；8、应力传感器；9-1、第一超声波换能器；9-2、第二超声波换能器；10、门仓；11、滚轴；12-1、第一马达；12-2、第二马达；13、刀齿；14、控制器；15、开关；16、芯片；17、接地插孔；18、转向器；18-1、第一马达控制开关；18-2、第二马达控制开关；19、功率放大器；20、功率发生器；21、线槽；22、电源；23、信号线；24、电缆；25、信号线；26、声震通道；27、超声波；28、顶板；29、煤层；30、底板；31、压裂钻孔；32、压裂通道；33、压裂液输送管路；34、压力泵；35、储液箱。

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的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

结合图1、图2所示，一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，包括：超声波发生器1、以及设置在超声波发生器1前端的破碎装置3；

在超声波发生器1的机身上设置有多个可伸缩钻杆2、以及多个门仓10；

在超声波发生器1的机身内设置有旋转驱动机构和伸缩驱动机构7、以及多个第一超声波换能器9-1；所述伸缩驱动机构7可为螺杆驱动结构、蜗轮蜗杆驱动结构等。

所述第一超声波换能器9-1通过伸缩驱动机构7安装在所述旋转驱动机构上；所述旋转驱动机构用于驱动多个第一超声波换能器9-1绕超声波发生器1的轴线旋转；所述伸缩驱动机构7用于驱动所述第一超声波换能器9-1沿超声波发生器1径向从门仓10处伸出或收回。当第一超声波换能器9-1处于收回状态时，门仓10关闭，当第一超声波换能器9-1处于伸出状态时，门仓10打开，通过设置门仓10对第一超声波换能器9-1进行保护。

通过利用可伸缩钻杆2钻入到周围的煤层内，可以将整个超声波发生器1固定在煤层上，伸缩驱动机构7可以驱动第一超声波换能器9-1从超声波发生器1中伸出并直接接触在煤层上，减少能量的损失；且通过设置旋转驱动机构可以驱动第一超声波换能器9-1绕着超声波发生器1的轴线进行旋转，可对任意方向进行增透。另外，通过在超声波发生器1的前端设置破碎装置3，在移动超声波发生器1时如遇前方有煤块挡住去路，可进行直接破碎。

结合图5所示，该超声波协同水力压裂增产煤层气的装置还包括控制器14，所述控制器14分别与可伸缩钻杆2、旋转驱动机构、伸缩驱动机构7、第一超声波换能器9-1、破碎装置3控制连接；在所述超声波发生器1的机身内设置有超声波探头5，该超声波探头5与所述控制器14连接。

结合图2及图3所示，第一超声波换能器9-1在超声波发生器1的机身内部为多层布置，每层的多个第一超声波换能器9-1呈环形阵列分布，具体地，第一超声波换能器9-1在在超声波发生器1的机身内分为上下两层，每次设置有五个第一超声波换能器9-1且呈环形阵列均布。多个第一超声波换能器9-1呈两层结构分布，在纵向方向上增大了与煤层接触的第一超声波换能器9-1数量，增加对煤层纵向激励的长度，同时每层的多个第一超声波换能器9-1呈环形阵列分布，在圆周方向上对煤层形成激励。

在本实施例中，所述第一超声波换能器9-1为横纵一体式超声波换能器，用于对煤层发射横波和/或纵波。通过横、纵波不同的性质扩大对煤层的增透效果。

进一步地，结合图2所示，在所述第一超声波换能器9-1的前端设置有声透镜6。通过调节声透镜6的角度，可实现对声波传播距离的增强。

结合图2所示，在本实施例中，所述破碎装置包括第二马达12-2和刀齿13，第二马达12-2与刀齿13传动连接，第二马达12-2与控制器14控制连接，在所述破碎装置3的中心位置处设置有第二超声波换能器9-2，在破碎煤块时可以增强破碎效果。

结合图2所示，所述旋转驱动机构上包括滚轴11和第一马达12-1；所述滚轴11竖直安装在超声波发生器1机身中心，其下端与第一马达12-1驱动连接。

结合图2所示，在本实施例中，在所述第一超声波换能器9-1的末端安装有应力传感器8。应力传感器8与控制器14相连，用于反馈第一超声波换能器9-1与煤层之间的作用力，当煤层反作用力达到应力传感器8的预设值时，伸缩驱动机构7停止作动，避免压坏第一超声波换能器9-1。

在本实施例中，所述超声波探头5为横波-纵波一体化超声波探头。可同时进行纵波、横波检测、自动化程度高、检测效率高；而且同时集纵波探头、横波探头为一体，降低了整个超声波协同水力压裂增产煤层气的装置制造成本。

结合图2所示，在本实施例中，所述可伸缩钻杆2的为四个，上部的两个可伸缩钻杆2分别沿斜上方倾斜；下部的两个可伸缩钻杆2分别沿斜下方倾斜。在进行破碎煤块时可伸缩钻杆2钻入周围煤层内，固定破碎装置。具体地，上部的两个可伸缩钻杆2分别沿斜上方钻入到煤层中，破碎时在受到向上的反作用力是，上部的两个可伸缩钻杆2沿垂直方向的支撑力可以很好地抵消所受到的反作用力。下部的两个可伸缩钻杆2沿垂直方向的支撑力，可以很好地抵消超声波发生器1的重力。上部和下部的可伸缩钻杆2采用倾斜布置结构，从受力情况分析，可以起到很好地支撑作用。

结合图4及图5所示，在本实施例中，所述控制器14可采用佛山市普立森超声波技术有限公司出品的PLS-QXDY-3000控制器，该控制器14设置有功率放大器19、功率发生器20、芯片16、信号接收器4、开关15、电源22、电缆24、信号线23等，所述功率放大器19装在所述功率发生器20上，所述芯片16通过和上位机构成闭环控制系统，实现对超声波发生器1的频率调节，所述开关15为控制器14的启动开关，所述电源22为控制器14及超声波发生器1、破碎装置3提供电力来源，电缆24用于输送电力。信号线23用于连接超声波探头5与控制器14中的信号接收器4。控制器14上的第一马达控制开关18-1与所述第一马达12-1控制连接；第二马达控制开关18-2与第二马达12-2控制连接。

结合图5所示，本发明的使用方法如下：

通过压裂井技术钻好水力压裂通道32和超声波声震通道26，然后从地面将超声波协同水力压裂增产煤层气的装置送入预定打钻的位置，之后开始进行水力压裂；水力压裂的压裂液置于储液箱35中，由压力泵34压入压裂液输送管路33，由压裂液输送管路33送入煤层29及压裂钻孔31中进行水力压裂作用，之后再通过控制器14启动超声波发生器1，利用超声波的机械作用，空化作用，热效应以及化学效应等增强水力压裂的作用，同时也促进煤矿瓦斯(煤层气)解吸；具体地，整个装置接通电源22，启动开关15，电力通过电源22由电缆24传输井下设备，第一超声波换能器9-1根据现场需要将电能转化为相应的超声波声能27，启动第一马达控制开关18-1，调整好第一超声波换能器9-1的方位，打开门仓10，通过伸缩驱动机构7的将第一超声波换能器9-1伸出，直至接触煤层，调整好超声波发生器1的参数，启动超声波发生器1，整个设备开始工作，工作时超声波探头5将井下声能转化为电能，反馈给地面的控制器14，形成闭环控制，便于动态调节。

随着水力压裂和超声波作用的持续进行，为了更全面的增强超声波的作用效果，需要对超声波发生器1进行移动；因为超声波的机械振动作用对煤岩的破损机理，可能会对声震通道26产生一定的破坏，造成声震通道26的堵塞，以致无法对超声波发生器1进行移动，若此时再用钻机来疏通通道将会耗费大量的时间，而此时就可以用超声波破碎装置3对通道进行疏通处理。超声波破碎装置3装于超声波发生器1前端，第二超声波换能器9-2装于破碎装置3中部，破碎时启动第二超声波换能器9-2，增强破碎装置对煤岩的破碎效果，刀齿13通过第二马达12-2驱动，在进行破碎作业时先启动四个可伸缩钻杆2，启动后钻杆钻入周围的煤壁，起到固定整个设备的作用，然后再启动破碎装置3，从而对前方堵塞的煤块进行全方位地破碎，煤块破碎后钻机停止工作，四个钻杆反向转动，从煤壁中退出，整个破碎工作完成。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，其特征在于，包括：超声波发生器（1）、以及设置在超声波发生器（1）前端的破碎装置（3）；

在超声波发生器（1）的机身上设置有多个可伸缩钻杆（2）、以及多个门仓（10）；在超声波发生器（1）的机身内设置有旋转驱动机构和伸缩驱动机构（7）、以及多个第一超声波换能器（9-1）；

所述第一超声波换能器（9-1）通过伸缩驱动机构（7）安装在所述旋转驱动机构上；所述旋转驱动机构用于驱动多个第一超声波换能器（9-1）绕超声波发生器（1）的轴线旋转；所述伸缩驱动机构（7）用于驱动所述第一超声波换能器（9-1）沿超声波发生器（1）径向从门仓（10）处伸出或收回；

伸缩驱动机构（7）可以驱动第一超声波换能器（9-1）从超声波发生器（1）中伸出并直接接触在煤层上，减少能量的损失；

在所述第一超声波换能器（9-1）的前端设置有声透镜（6）；

所述可伸缩钻杆（2）的为四个，上部的两个可伸缩钻杆（2）分别沿斜上方倾斜；下部的两个可伸缩钻杆（2）分别沿斜下方倾斜；

还包括控制器（14），所述控制器（14）分别与可伸缩钻杆（2）、旋转驱动机构、伸缩驱动机构（7）、第一超声波换能器（9-1）、破碎装置（3）控制连接；

在所述第一超声波换能器（9-1）末端安装有应力传感器（8）；该应力传感器（8）与所述控制器（14）连接；

应力传感器（8）用于反馈第一超声波换能器（9-1）与煤层之间的作用力，当煤层反作用力达到应力传感器（8）的预设值时，伸缩驱动机构（7）停止作动，避免压坏第一超声波换能器（9-1）。

2.如权利要求1所述的一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，其特征在于，第一超声波换能器（9-1）在超声波发生器（1）的机身内部为多层布置，每层的多个第一超声波换能器（9-1）呈环形阵列分布。

3.如权利要求1所述的一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，其特征在于，所述第一超声波换能器（9-1）为横纵一体式超声波换能器，用于对煤层发射横波和/或纵波。

4.如权利要求1所述的一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，其特征在于，在所述破碎装置（3）的中心位置处设置有第二超声波换能器（9-2）。

5.如权利要求1所述的一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，其特征在于，所述旋转驱动机构上包括滚轴（11）和第一马达（12-1）；所述滚轴（11）竖直安装在超声波发生器（1）机身中心，其下端与第一马达（12-1）驱动连接。

6.如权利要求1所述的一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，其特征在于，在所述超声波发生器（1）的机身内设置有超声波探头（5），该超声波探头（5）与所述控制器（14）连接。

7.如权利要求6所述的一种超声波协同水力压裂增产煤层气的装置，其特征在于，所述超声波探头（5）为横波-纵波一体化超声波探头。