CN215979337U - 一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及瓦斯开采领域，具体涉及一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，包括定向钻杆、水管、探管和压裂封孔器，定向钻杆上设有通道，水管连接在定向钻杆的一端上并和通道连通，探管和压裂封孔器均固定位于定向钻杆上。本方案解决了现有技术中煤层压裂效果不佳的问题。

Description

一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备

技术领域

本实用新型涉及瓦斯开采领域，具体涉及一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备。

背景技术

伴随煤炭开采过程中产生的大量瓦斯对于煤矿的安全生产构成了重大威胁。煤炭采前利用钻孔预抽煤层瓦斯是我国目前治理瓦斯问题的一项重要而有效的手段。随着井下定向钻进抽采技术及装备的研发进步，定向长钻孔预抽煤层瓦斯技术已得到广泛应用，其中针对碎软煤层，由于其成孔性较差，远距离顺层钻进难以实现，多采用在煤层顶底板岩层中实施定向长钻孔主孔钻进，然后通过主孔向煤层施工梳状穿层分支孔，实现对煤层瓦斯的大范围超前抽采。

近几年，为进一步提高碎软、低渗、高瓦斯突出的煤层瓦斯治理效果，对定向长钻孔实施水力压裂技术得到广泛应用研究，目前针对梳状穿层定向长钻孔水力压裂技术主要有以下技术：主孔、分支孔整体压裂技术，主要采取主孔、分支孔整体压裂，如图1所示，采用钢管制成的压裂管9插入到岩层12段的主孔10中，压裂封孔器7位于主孔10中，高压水体通过压裂管9流入到主孔10中，并从主孔10流入到分支孔11中。如此高压水体大部分作用于岩层12段，只有少量的高压水体作用于煤层13段，如此一来，整体水力压裂存在以下缺陷：1)由于岩层12段中发育有裂隙(尤其在构造复杂区域)，注水过程中随着压力的增加，水体会从岩层12段裂隙发生流失，造成梳状穿层定向长钻孔保压很困难，分支孔11内流体压力难以上升，以致煤层13压裂效果不佳；2)由于煤层13具有很强的非均质性，主孔10、分支孔11整体压裂过程中，高压水体首先作用于煤岩力学性质最薄弱处，煤层13薄弱处一旦发生破裂形成优势通道，高压水体很难再作用于煤层13非薄弱处，造成煤层13压裂效果不均匀，后期对瓦斯的抽采也不均匀。

鉴于上述技术存在的问题，后来有人提出了梳状穿层定向长钻孔分孔水力压裂技术，如图2所示，在分支孔11的端部的两侧设有压裂封孔器7，从压裂管9中流出的高压水体被压裂封孔器7堵塞而不会向主孔10的其他部位流动，高压水体只能够位于主孔10的某一部位和某一个分支孔11中。该技术主要解决了整体水力压裂效果不均匀的问题，一定程度上解决保压难的问题，但仍然存在高压水体部分作用于岩层12段的问题，这个问题对于顶底板岩石完整性较好的煤层而言，能量损失并不是很大，但对于顶底板岩石完整性不好的煤层以及处于构造复杂区域的煤层而言，势必还是会造成高压水的流失，造成梳状穿层定向长钻孔保压很困难，分支孔11内流体压力难以上升，以致煤层13压裂效果不佳的问题。

实用新型内容

本实用新型意在提供一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，以解决现有技术中煤层压裂效果不佳的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，包括定向钻杆、水管、探管和压裂封孔器，定向钻杆上设有通道，水管连接在定向钻杆的一端上并和通道连通，探管和压裂封孔器均固定位于定向钻杆上。

本方案的原理及优点是：本方案中采用定向钻杆上的通道能够对高压水进行输送，现有技术中只是使用定向钻杆进行钻孔，定向钻杆钻孔完毕后，再将压裂管(简单结构的钢管)输送到孔中，通过压裂管将高压水输入到孔中，压裂管不具有定向导向功能，只具有传输高压水的功能，虽然能够对分支孔进行压裂，但是压裂管在输送到孔中过程中，无法判断压裂管输送的位置，无法将压裂封孔器输送到分支孔中，压裂封孔器的封孔位置仍然位于主孔中，从而使得压裂效果不好。

而本方案中定向钻杆钻孔之后，直接在定向钻杆上设置探管，探管直接和定向钻杆上本身所带有的电线、电缆等线路连接，探管具有一定的探测功能，能够探测主孔和分支孔的相关参数，例如主孔和分支孔的长度、直径和位置等，从而使得定向钻杆具有定向导向功能，在输送定向钻杆过程中，能够知晓定向钻杆所处的位置，能够将压裂封孔器精准的输送到相应的分支孔中。另外，定向钻杆在钻孔过程中，也能够对钻的孔的相关参数等信息进行采集，便于后续定向钻杆重新插入到孔中时，能够较为精准的将压裂封孔器送入到分支孔中。由此，通过本方案，使得压裂封孔器的封孔位置直接作用于分支孔中煤层与岩层交界处，能够对分支孔中的煤孔段做出精准压裂，如此以来，本方案中的高压水能量全部直接作用于煤层，并不是即作用于岩层又作用于煤层，避免了能量的损失，即具有很好的保压效果，解决了现有技术中煤层压裂效果不佳的问题，有利于实现煤层瓦斯的高效抽采。

另外，值得强调的是，现有技术中常规做法是使用压裂管，压裂管为简单的钢管结构，压裂管上不带有任何的电缆、电线等，因此无法在压裂管上安装探管，若需要在压裂管上安装探管，还需要在压裂管上设置电缆、电线的铺设位置，并额外在压裂管上铺设相关电缆、电线，这样操作非常的复杂，因此现有技术中不会想到在压裂管上增设探管。而本方案中运用定向钻杆作为高压水的传输通道，定向钻杆上自带有电缆和电线，便于直接安装探管，操作简单方便。

另外，定向钻杆是由多根依次连接而成，在定向钻杆较长时，定向钻杆具有2-3度弯曲，从而保证了定向钻杆能够从主孔中插入到分支孔中。而压裂管由于没有弯曲弧度，故只能插入到主孔中，而无法从主孔中插入到分支孔中，这也是本方案选用定向钻杆的原因。

优选的，作为一种改进，还包括筛管，筛管的侧面上设有孔，筛管固定位于定向钻杆远离水管的一端上。筛管能够对定向钻杆的端部进行保护，从而避免定向钻杆的端部被堵塞。筛管的侧面上设有孔，这样当筛管的端部堵塞之后，水能够从筛管的侧面的孔中流出，保证了高压水的正常流动，从而避免了定向钻杆被堵塞。

优选的，作为一种改进，筛管远离定向筛管的一端弯折设置。由此，筛管的端部弯折设置，便于筛管从主孔中进入到分支孔中，筛管具有一定的导向作用，便于使定向钻杆进入到分支孔中。

优选的，作为一种改进，还包括上无磁和下无磁，上无磁和下无磁均固定位于定向钻杆上，探管位于上无磁和下无磁之间。探管的探测通过对地磁感应进行探测，上无磁和下无磁均为无磁材料制成，从而能够减少探管的周围具有磁性材料而影响探管的对地磁的感应，有利于提高探管检测的精确性。

优选的，作为一种改进，水管和定向钻杆转动连接。分支孔相对于主孔会左偏或者右偏，定向钻杆在主孔中移动过程中，需要对定向钻杆进行转动，从而对定向钻杆进行转动调节，以使定向钻杆能够顺利的插入到分支孔中。

优选的，作为一种改进，筛管的弯折角度为2-3度。由此，筛管的弯折角度控制在此范围内比较合适。

优选的，作为一种改进，筛管远离定向钻杆的一端上设有用于连接钻头的连接部位。连接部位可以根据实际情况连接钻头，这样在筛管送入到孔的过程中，若遇孔小规模塌孔，可在筛管前端连接钻头实现钻进，以使得定向钻杆和筛管能够顺利的进入到主孔或者分支孔中。

优选的，作为一种改进，筛管水平部分长度1m，内径73mm，外径76mm，筛管弯折部分长度20cm。

附图说明

图1为现有技术中梳状穿层定向长钻孔主孔、分支孔整体水力压裂示意图。

图2为现有技术中梳状穿层定向长钻孔分孔水力压裂示意图。

图3为实施例中梳状穿层定向长钻孔分孔水力压裂示意图。

图4为定向钻杆、压裂封孔器、导向筛管等结构连接示意图。

图5为水管和定向钻杆转动连接的示意图。

图6为实施例2中筛管的左视图。

图7为实施例2中筛管和压力封孔器的正向剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：水管1、转动管2、定向钻杆3、上无磁4、探管5、下无磁6、压裂封孔器7、筛管8、压裂管9、主孔10、分支孔11、岩层12、煤层13、凸起14、第一连接部15、第二连接部16、轴承17、压力阀18、凸出部19、连接块20、水孔21、内管22、扇叶23、进水孔24、出水孔25。

实施例1

基本如附图3-5所示：一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，包括筛管8、定向钻杆3、水管1、探管5和压裂封孔器7。本实施例中的定向钻杆3为ZYWL-600ODS煤矿用双履带式全液压定向钻机上的通缆螺旋定向钻杆，整个定向钻杆3由多根依次卡接而成，这样定向钻杆3的长度较长，定向钻杆3具有2-3度的弯曲弧度。定向钻杆3上设有轴向的通道，水管1的端部转动连接在定向钻杆3的一端上并和通道连通，具体的转动方式为：结合图5所示，水管1的端部上通过螺钉固定有转动管2，转动管2的外侧壁上设有凸起14，定向钻杆3的内壁上设有环形槽，凸起14位于环形槽中，通过凸起14在环形槽中转动，从而实现了转动管2和定向钻杆3的端部转动连接，实现了水管1和定向钻杆3能够相对转动。探管5和压裂封孔器7均通过螺纹连接的方式固定位于定向钻杆3上，探管5上设有各种传感器，探管5和定向钻杆3上的电缆、电线等电连接在一起。压裂封孔器7为橡胶囊，通过向压裂封孔器7中通入水，使得压裂封孔器7在压力的作用下膨胀而能够将孔堵住。本实施例中的探管5位于压裂封孔器7的左侧。

筛管8通过螺纹连接的方式固定在定向钻杆3的右端上，筛管8的侧面上设有多个孔，筛管8的右端弯折设置，弯折的角度为2-3度。筛管8水平部分长度1m，内径73mm，外径76mm，筛管8弯折部分长度20cm。本实施例中的筛管8远离定向钻杆3的一端上设有用于连接钻头的连接部位，连接部位可以通过螺纹连接、卡接、螺栓连接的方式与钻头连接。连接部位可以根据实际情况连接钻头，这样在筛管8送入到主孔10或者分支孔11的过程中，若遇孔小规模塌孔，可在筛管8前端连接钻头实现钻进，以使得定向钻杆3和筛管8能够顺利的进入到主孔10或者分支孔11中。探管5的左右两侧分别设有上无磁4和下无磁6，上无磁4和下无磁6均通过螺钉固定位于定向钻杆3上。上无磁4和下无磁6均为没有磁性的材质制成。

具体实施过程如下：首先利用千米定向钻进设备施工梳状穿层定向长钻孔；然后将千米定向钻具中的孔底马达拆下，并将探管5、压裂封孔器7和导向筛管8等结构如图4所示依次连接到定向钻杆3上。然后将定向钻杆3输入到主孔10中，通过探管5对主孔10和分支孔11内的参数信息进行检测，检测的信息通过定向钻杆3上的电缆、电线等反馈到显示仪器上，从而能够便于知道压裂封孔器7的位置，便于将压裂封孔器7定点送至到相应的分支孔11煤岩交接处，并封孔于煤层13段。利用高压水泵通过定向钻杆3、压裂封孔器7、导向筛管8将高压水送至煤层13的分支孔11内，压裂封孔器7膨胀对分支孔11进行封堵，高压水进入到煤层13的分支孔11内，实现分支孔11煤孔段水力压裂。

实施例2

结合图6和图7所示，本实施例中的压裂封孔器7的两端分别通过螺钉固定有第一连接部15和第二连接部16，第一连接部15和第二连接部16均为金属材质制成，第一连接部15上设有进水孔24，第一连接部15上的进水孔24和定向钻杆3的通道连接。第二连接部16上设有出水孔25，出水孔25上设有压力阀18。出水孔25上通过轴承17转动连接有内管22，筛管8通过螺钉固定在第二连接部16上。内管22和筛管8同轴设置，内管22的内部设有扇叶23，内管22的外侧设有多个凸出部19，内管22的侧壁上设有多个水孔21，水孔21使得内管22中的水能够流出。筛管8的内壁上焊接有压簧，压簧远离筛管8的一端上焊接有连接块20，连接块20上焊接有插针，插针与筛管8侧壁上的孔相对。连接块20和内管22外侧壁上的凸出部19间歇性相抵。

由此，通过本方案，从定向钻杆3中流出的水通过第一连接部15上的进水孔24进入到压裂封孔器7中，由于压力阀18的设置，在压裂封孔器7中的水压较小时，压力阀18不打开，压裂封孔器7中的水压不断变大，实现了压裂封孔器7的膨胀，从而将分支孔11堵住。当压裂封孔器7内的水压达到一定压力后，压力阀18自动打开，高压水体从第二连接部16的出水孔25中流出。从第二连接部16中流出的水流入到内管22中，水流对内管22中的扇叶23进行冲击，扇叶23发生转动，扇叶23上的凸出部19对连接块20间歇性相抵，凸出部19对连接块20进行相抵时，连接块20对压簧进行挤压，连接块20带动插针进入到筛管8的孔中，当凸出部19不对连接块20相抵时，连接块20在压簧的弹力作用下向远离筛管8的方向移动，带动插针从筛管8的孔中出来。由此，随着高压水体的流动，插针反复的插入到筛管8的孔中，从而能够避免筛管8侧壁的孔造成堵塞，保证了水能够从筛管8的侧壁上的孔中顺利流出。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，其特征在于：包括定向钻杆、水管、探管和压裂封孔器，所述定向钻杆上设有通道，所述水管连接在定向钻杆的一端上并和通道连通，所述探管和压裂封孔器均固定位于定向钻杆上。

2.根据权利要求1所述的一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，其特征在于：还包括筛管，筛管的侧面上设有孔，所述筛管固定位于定向钻杆远离水管的一端上。

3.根据权利要求2所述的一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，其特征在于：所述筛管远离定向筛管的一端弯折设置。

4.根据权利要求1所述的一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，其特征在于：还包括上无磁和下无磁，所述上无磁和下无磁均固定位于定向钻杆上，所述探管位于上无磁和下无磁之间。

5.根据权利要求1所述的一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，其特征在于：所述水管和定向钻杆转动连接。

6.根据权利要求3所述的一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，其特征在于：所述筛管的弯折角度为2-3度。

7.根据权利要求2所述的一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，其特征在于：所述筛管远离定向钻杆的一端上设有用于连接钻头的连接部位。

8.根据权利要求3所述的一种梳状穿层定向长钻孔精准水力压裂设备，其特征在于：筛管水平部分长度1m，内径73mm，外径76mm，筛管弯折部分长度20cm。

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