CN205955715U - 脉冲高压水力割缝‑压裂装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种脉冲高压水力割缝‑压裂装置，涉及煤矿瓦斯抽采领域。该装置包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统；高压水子系统和输水器的进水口通过注水管连接，输水器的出水口与水力割缝及压裂系统连通；脉冲高压水频率发生子系统包括电动机和球形阀，球形阀设置在注水管上，电动机与球形阀连接；中央控制台分别与高压水子系统和电动机连接。本实用新型解决了现有技术中有效抽放半径小、裂纹扩展无序的技术问题。

Description

脉冲高压水力割缝-压裂装置

技术领域

本实用新型涉及煤矿瓦斯抽采领域，尤其涉及一种脉冲高压水力割缝-压裂装置。

背景技术

近年来，我国煤矿随着开采年限的增加，每年以20-50m的速度向深部延伸，大量矿井已进入深部开采，由于地质构造与煤层赋存条件复杂，导致煤层瓦斯抽采效果差，无法消除煤层突出危险性，特别是单一低透气性煤层的瓦斯治理难题亟待解决。我国各大矿区单一低透气性煤层普遍存在，具有突出危险性的单一煤层占比约为35-49％，易导致煤与瓦斯突出事故的发生。现阶段，煤矿水力增透普遍采用单一恒定压力的水力割缝或压裂技术，包括供水系统和水力割缝及压裂系统，由供水系统给水力割缝及压裂系统供水实施水力割缝和压裂。所述水力割缝及压裂系统包括钻机，所述钻机的钻杆连接钻头，现有的钻机及钻头都是使用恒定压力水进行水力割缝及压裂。实际应用中割缝深度浅、有效抽放半径小、裂纹扩展无序、持续时间短，导致煤层增透效果较差、瓦斯抽采率较低，煤层开采过程中瓦斯频繁超限时有发生，严重威胁矿井的安全生产。

基于此，本实用新型提供了一种脉冲高压水力割缝-压裂装置以解决上述的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种脉冲高压水力割缝-压裂装置，以解决现有的恒定压力水力割缝或压裂技术有效抽放半径小、裂纹扩展无序、持续时间短，导致煤层增透效果较差、瓦斯抽采率较低的技术问题，可有效提高单一低透气性煤层卸压效果、透气性系数与持续时间，明显提升低透气性煤层的瓦斯抽采效率。

基于上述目的，本实用新型提供了一种脉冲高压水力割缝-压裂装置，包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；所述脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统；

所述高压水子系统用于提供高压水；所述水力割缝及压裂系统用于煤层的水力割缝及压裂；

所述高压水子系统和所述输水器的进水口通过注水管连接，所述输水器的出水口与所述水力割缝及压裂系统连通；

所述脉冲高压水频率发生子系统包括电动机和球形阀，所述球形阀设置在所述注水管上，所述电动机与所述球形阀连接；

所述中央控制台分别与所述高压水子系统和所述电动机连接，用于控制所述高压水子系统和所述电动机的转速。

可选的，脉冲高压水频率发生子系统还包括减速器和变频器；所述中央控制台与所述变频器连接；所述变频器与所述电动机连接，所述电动机与所述减速器连接，所述减速器与所述球形阀连接。

可选的，所述高压水子系统包括水箱，所述水箱的出水口通过输水管与注水泵连接；所述注水泵通过所述注水管与所述输水器连接；

所述注水管上还设置有压力传感器，所述压力传感器位于所述球形阀以及所述注水泵之间；

所述压力传感器和所述注水泵均与所述中央控制台相连接。

可选的，所述注水管上还设置有截止阀，所述截止阀与所述中央控制台相连接；所述截止阀位于所述压力传感器和所述注水泵之间；

所述注水管在所述截止阀和所述注水泵之间设置有回水支路，所述回水支路与所述水箱的回水口连通，所述回水支路上设置有溢流阀。

可选的，所述水力割缝及压裂系统包括钻机，所述钻机的钻杆连接压控钻头；

所述输水器的出水口与所述钻机的管路连通。

可选的，所述中央控制台以PLC控制系统为中心控制系统。

可选的，所述注水管采用钢鞭管。

可选的，所述输水管采用钢鞭管。

可选的，所述压控钻头的割缝喷嘴设置有2-3个。

可选的，所述割缝喷嘴直径为2.5mm。

基于上述装置，采用了一种新的脉冲高压水力割缝-压裂方法,所述脉冲高压水力割缝-压裂方法包括步骤1、施工割缝-压裂孔与抽放孔；

步骤2、通过所述脉冲高压水力割缝-压裂装置对所述割缝-压裂孔进行脉冲水力径向割缝；

步骤3、通过所述脉冲高压水力割缝-压裂装置对所述割缝-压裂孔进行脉冲水力压裂。

可选的，所述步骤1中，所述割缝-压裂孔与所述抽放孔的施工方法为，首先确定煤层中施工时的钻孔位置以及钻孔间距，然后施工两个抽放孔，两个抽放孔的间距为两倍钻孔间距，然后在两个所述抽放孔的中心施工割缝-压裂孔。

可选的，所述步骤2中，脉冲径向割缝施工方法包括：

步骤21，将孔口排渣装置通过封孔管路与所述割缝-压裂孔相连；

步骤22，保持所述球形阀处于关闭状态，所述中央控制台启动所述高压水子系统向所述注水管内供水；

步骤23，当所述注水管中的水压达到一定值时，所述中央控制台发出指令开启所述电动机，通过所述电动机控制所述球形阀的连续开闭，形成脉冲高压水；

步骤24，所述脉冲高压水通过所述输水器输送至水力割缝及压裂系统对所述割缝-压裂孔实施水力割缝，产生的废水、煤渣与瓦斯通过所述割缝-压裂孔以及所述封孔管路排入所述孔口排渣装置；

可选的，脉冲水力压裂施工方法为：脉冲径向割缝实施完毕后，退出所述水力割缝及压裂系统至设定位置、降低水压至设定值，并在压裂孔口装设封孔器，通过所述水力割缝及压裂系统对割缝-压裂孔实施脉冲水力压裂。

本实用新型提供的脉冲高压水力割缝-压裂装置，在现有的水力割缝或压裂的基础上，设定水流压力与变化频率，由现有的单一恒定压力的水流，变成了脉冲高压水，通过脉冲高压水进行水力割缝。本装置包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；所述脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统。首先由高压水子系统供水，注入注水管中，由中央控制台控制电动机，再由电动机控制球形阀。初始状态球形阀关闭，当注水管中水压达到一定值时，中央控制台发出指令启动电动机，以控制所述球形阀持续的规律性的开闭，从而形成脉冲高压水。然后由所述输水器供给所述水力割缝及压裂系统，实现脉冲水力割缝和压裂。

本实用新型提供的所述脉冲高压水力割缝-压裂装置，改变了现有的恒定压力水的水力割缝及压裂，改恒压水为脉冲水，使用脉冲水进行压裂和割缝，能够使煤体反复承受拉应力与压应力的作用，致使煤体发生拉伸破坏、拉剪破坏与压剪破坏。

其有益效果为：(1)在脉冲水力割缝的基础上进行脉冲水力压裂，可使钻孔有效抽放半径比采用单一水力割缝或压裂技术明显增加，能有效减少钻孔施工的工程量；

(2)脉冲高压水力割缝-压裂技术能使煤体充分卸压增透，可有效提升煤体透气性系数，且可明显增加高流量瓦斯抽放持续时间，可有效提升煤层的瓦斯抽采效率；

(3)脉冲高压水力割缝-压裂技术可有效控制脉冲水力压裂中裂纹扩展方向，可有效防止煤层顶、底板次生灾害事故发生。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中脉冲高压水力割缝-压裂装置示意图；

图2为本实用新型实施例中孔口排渣装置主视图；

图3为本实用新型实施例中孔口排渣装置俯视图；

图4为本实用新型实施例中孔口排渣装置右视图；

图5本实用新型实施例中脉冲高压水力割缝-压裂钻孔布置示意图。

附图标记：

1-中央控制台； 2-输水器； 3-水箱；

4-输水管； 5-注水泵； 6-注水管；

7-电动机； 8-球形阀； 9-压力传感器；

10-截止阀； 11-溢流阀； 12-钻机；

13-压控钻头； 14-减速器； 15-变频器；

16-割缝-压裂孔； 17-抽放孔； 18-孔口排渣装置；

181-箱体； 182-进渣口； 183-出水口；

184-出渣口； 185-瓦斯排放口； 19-煤层。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例一

如图1所示，在本实施例中提供了一种脉冲高压水力割缝-压裂装置，所述脉冲高压水力割缝-压裂装置包括中央控制台1、输水器2、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；所述脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统；

所述高压水子系统用于提供高压水；所述水力割缝及压裂系统用于煤层的水力割缝及压裂；所述高压水子系统包括水箱3，所述水箱3的出水口通过输水管4与注水泵5连接；所述注水泵5通过所述注水管6与所述输水器2连接；

所述脉冲高压水频率发生子系统包括电动机7和球形阀8，所述球形阀8设置在所述注水管6上，所述电动机7与所述球形阀8连接；

所述注水管6上还设置有压力传感器9，所述压力传感器9位于所述球形阀8以及所述注水泵5之间；

所述压力传感器9和所述注水泵5均与所述中央控制台1相连接；所述注水管6上还设置有截止阀10，所述截止阀10与所述中央控制台1相连接；所述截止阀10位于所述压力传感器9和所述注水泵5之间；

所述注水管6在所述截止阀10和所述注水泵5之间设置有回水支路，所述回水支路与所述水箱3的回水口连通，所述回水支路上设置有溢流阀11；

所述水力割缝及压裂系统包括钻机12，所述钻机12的钻杆连接压控钻头13；

所述输水器2的出水口与所述钻机12的管路连通；

所述中央控制台1分别与所述高压水子系统和所述电动机7连接，用于控制所述高压水子系统和所述电动机7连接的开闭。

本实用新型提供的脉冲高压水力割缝-压裂装置，在现有的水力割缝或压裂的基础上，设定水流压力与变化频率，由现有的单一恒定压力的水流，变成了脉冲高压水，通过脉冲高压水进行水力割缝。有现有的单一恒定压力的水流，变成了脉冲水流，通过脉冲水力进行割缝。本装置包括中央控制台1、输水器2、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；所述脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统。首先，中央控制台1发出指令启动所述注水泵5，将水箱3中的水注入所述注水管6中。由中央控制台1控制电动机7，再由电动机7控制球形阀8，通过电动机输出轴的转动，带动球形阀8的阀门不停转动开闭。初始状态球形阀8关闭，当注水管6中水压达到一定值时(压力由压力传感器9探测，达到一定值回馈给中央控制台1)，中央控制台1发出指令启动电动机7，由电动机7控制所述球形阀8持续的规律性的开闭，从而形成脉冲高压水。脉充高压水通过输水器2输送至钻机12上的钻杆，将脉冲高压水输送至压控钻头13。压控钻头13是常用的多功能钻-割一体化钻头，能够实现钻孔与割缝一体化，当割缝完毕后，降低水压至设定值以更改压控钻头13的工作模式，实现压裂功能。脉冲高压水输送至压控钻头13后，由钻机12控制实施脉冲水力割缝。当割缝完毕，中央控制台1发出指令开启截止阀10；当回水支路中水压达到设定值时，溢流阀11自动开启，高压水回流至水箱3。脉冲水力割缝实施完毕后，退出钻杆和钻头至设定位置、降低水压至设定值，并在压裂孔口装设封孔器，并更改压控钻头13至压裂模式，重复上述产生脉冲水的步骤，输送脉冲水至压控钻头13，继续实施脉冲水力压裂。

本实用新型提供的所述脉冲高压水力割缝-压裂装置，改变了现有的恒定压力水的水力割缝及压裂，改恒压水为脉冲水，使用脉冲水进行压裂和割缝，能够使煤体反复承受拉应力与压应力的作用，致使煤体发生拉伸破坏、拉剪破坏与压剪破坏。

其有益效果为：(1)在脉冲水力割缝的基础上进行脉冲水力压裂，可使钻孔有效抽放半径比采用单一水力割缝或压裂技术明显增加，能有效减少钻孔施工的工程量；

(2)脉冲高压水力割缝-压裂技术能使煤体充分卸压增透，增加高流量瓦斯抽放持续时间，可有效提升煤层的瓦斯抽采效率；

(3)脉冲高压水力割缝-压裂技术可有效控制脉冲水力压裂中裂纹扩展方向，不仅可增加钻孔有效抽放半径，而且可防止顶、底板次生灾害事故发生。

如图1，本实施例的可选方案中，脉冲高压水频率发生子系统还包括减速器14和变频器15；所述中央控制台1与所述变频器15连接；所述变频器15与所述电动机7连接，所述电动机7与所述减速器14连接，所述减速器与所述球形阀8连接。

所述电动机7通过数据传输线与变频器15相连，通过中央控制台1进行控制，控制电动机7启动，通过变频器15调节电动机7转速，经过减速器降低输出转速，从而自动调节球形阀8的开启与关闭频率，可在注水管6中产生脉冲高压水并自动调节高压水的脉冲频率。变频器15和减速器的设置实现了脉冲频率的调节，便于控制。

本实施例的可选方案中，所述中央控制台1以PLC控制系统为中心控制系统。

PLC为逻辑控制器，所述中央控制台1以PLC控制系统为中心进行设计，主要实现以下功能：

(1)控制注水泵5的启动与关闭；

(2)控制截止阀10的启动与关闭；

(3)显示压力传感器9的水压大小；

(4)控制脉冲高压水频率发生子系统，以设定频率开启与关闭。

本实施例的可选方案中，所述输水管4和所述注水管6采用钢鞭管。

球形阀适宜于在管路上使用控制液体流动的开闭，技术成熟便于使用。

本实施例的可选方案中，所述压控钻头13的割缝喷嘴2-3个，呈180°或120°分布，割缝喷嘴直径2.5mm。

实施例二

本实施例提供的所述脉冲高压水力割缝-压裂方法，不同于现有的恒定压力水的恒定水力割缝-压裂方法，是在实施例一提供的所述脉冲高压水力割缝-压裂装置的基础上实现的脉冲高压水力割缝-压裂方法。

具体而言，如图1-5，所述脉冲高压水力割缝-压裂方法包括：

步骤1、施工割缝-压裂孔16与抽放孔17；

首先确定煤层19中施工时的钻孔位置以及钻孔间距d，然后施工钻出两个抽放孔17，两个抽放孔17的间距为两倍钻孔间距及2d，然后在两个所述抽放孔17的中心钻出割缝-压裂孔16。

步骤2、通过所述脉冲高压水力割缝-压裂装置对所述割缝-压裂孔16进行脉冲水力径向割缝，压控钻头13的割缝喷嘴2-3个，呈180°或120°分布，割缝喷嘴直径2.5mm；

(1)将孔口排渣装置18通过封孔管路与所述割缝-压裂孔16相连；

(2)当施工完割缝-压裂孔16以后，保持所述球形阀8处于关闭状态，所述中央控制台1启动所述高压水子系统向所述注水管6内供水。也就是所述中央控制台1发出指令启动注水泵5，将水箱3中的水注入注水管6中；

(3)当注水管6中的水压达到一定值时(压力由压力传感器9探测，达到一定值回馈给中央控制台1)，中央控制台1发出指令开启所述电动机7，通过变频器15调节电动机7转速，经过减速器降低输出转速，从而自动调节球形阀8的开启与关闭频率，可在注水管6中产生脉冲高压水并自动调节高压水的脉冲频率；

(4)将压控钻头置于割缝模式，所述脉冲高压水通过所述输水器2输送送至水力割缝及压裂系统，也就是最终输送至压控钻头13后，由钻机12控制实施脉冲水力割缝；产生的废水、煤渣与瓦斯通过所述割缝-压裂孔16以及所述封孔管路排入孔口排渣装置18；脉动水力割缝以一定的步距从钻孔末端逐步移至钻孔始端。所述孔口排渣装置18采用现有的孔口排渣装置18，包括箱体181，箱体上设置有进渣口182、出水口183、出渣口184和瓦斯排放口185。所述孔口排渣装置18的进渣口通过封孔管路与割缝-压裂孔16相连，通过瓦斯排放口与矿井的瓦斯抽放管路相连。

步骤3、通过所述脉冲高压水力割缝-压裂装置对所述割缝-压裂孔16进行脉冲水力压裂。

脉冲水力割缝实施完毕后，央控制台发出指令开启截止阀10；当回水支路中水压达到设定值时，溢流阀11自动开启，高压水回流至水箱3。退出钻杆和钻头至设定位置、降低水压至设定值，并更改压控钻头13至压裂模式，并在压裂孔口装设封孔器，重复上述产生脉冲水及输送水的步骤，输送脉冲水至压控钻头13，继续实施脉冲水力压裂。

完成脉冲水力割缝-压裂增透技术全部工艺流程后，将割缝-压裂孔16与两个抽放孔17并入矿井瓦斯抽放管路并考察瓦斯抽放效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；所述脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统；

所述高压水子系统用于提供高压水；所述水力割缝及压裂系统用于煤层的水力割缝及压裂；

所述高压水子系统和所述输水器的进水口通过注水管连接，所述输水器的出水口与所述水力割缝及压裂系统连通；

所述脉冲高压水频率发生子系统包括电动机和球形阀，所述球形阀设置在所述注水管上，所述电动机与所述球形阀连接；

所述中央控制台分别与所述高压水子系统和所述电动机连接，用于控制所述高压水子系统和所述电动机的转速。

2.根据权利要求1所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，脉冲高压水频率发生子系统还包括减速器和变频器；所述中央控制台与所述变频器连接；所述变频器与所述电动机连接，所述电动机与所述减速器连接，所述减速器与所述球形阀连接。

3.根据权利要求2所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述高压水子系统包括水箱，所述水箱的出水口通过输水管与注水泵连接；所述注水泵通过所述注水管与所述输水器连接；

所述注水管上还设置有压力传感器，所述压力传感器位于所述球形阀以及所述注水泵之间；

所述压力传感器和所述注水泵均与所述中央控制台相连接。

4.根据权利要求3所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述注水管上还设置有截止阀，所述截止阀与所述中央控制台相连接；所述截止阀位于所述压力传感器和所述注水泵之间；

所述注水管在所述截止阀和所述注水泵之间设置有回水支路，所述回水支路与所述水箱的回水口连通，所述回水支路上设置有溢流阀。

5.根据权利要求3所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述水力割缝及压裂系统包括钻机，所述钻机的钻杆连接压控钻头；

所述输水器的出水口与所述钻机的管路连通。

6.根据权利要求4所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述中央控制台以PLC控制系统为中心控制系统。

7.根据权利要求3所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述注水管采用钢鞭管。

8.根据权利要求3所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述输水管采用钢鞭管。

9.根据权利要求5所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述压控钻头的割缝喷嘴设置有2-3个。

10.根据权利要求9所述的脉冲高压水力割缝-压裂装置，其特征在于，所述割缝喷嘴直径为2.5mm。