CN108757000B - 一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统及方法，定向水力压裂系统包括注水泵，注水泵上布置高压胶管与钻机相连通，钻机上安装水力压裂专用密封钻杆，该钻杆前段可与定向封孔器采用螺纹连接，螺纹连接处设置有密封圈。主要实施步骤为钻孔→割缝→封孔→压裂，首先在钻杆前端安装钻割一体刀具，钻孔完成后无需更换钻头进行水力割缝增透卸压，割缝完成后退钻安装定向封孔器推送到预定位置进行高效封孔，封孔完毕后进行高压注水压裂，以“高压渗透”为主，增大裂隙密度和范围，从而达到提高高地压低孔隙率煤层的注水效果，进而有效防治冲击地压、降低粉尘浓度、防治瓦斯以及防治火灾等灾害。

Description

一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿采掘工作面灾害防治领域，尤其涉及一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统及方法。

背景技术

国内外的实践证明，煤层注水是一种积极主动降低工作面煤层冲击倾向性及减少粉尘产生的有效方法。其主要通过向煤体预注高压水，利用压力水对弱面的压裂、冲刷以及楔入作用以及水对煤体的物理、化学作用，使煤岩体扩大原有裂隙、产生新裂隙，破坏煤岩体整体性，降低其强度，释放煤体压力，以有效预防冲击地压事故的发生。注入煤体的水，沿着煤的裂隙向被裂隙分割的煤块渗透并储存于裂隙和孔隙中，增加煤体水分，湿润煤体内原生煤尘，使其失去飞扬能力，减少采煤时产生浮游粉尘的能力。

长期以来人们对煤层注水的认识一直停留在定性认识阶段，而传统的注水方式对钻孔直接进行封孔后注水，此种注水方式单孔注水量较少，封孔工艺复杂，水分在煤层中的渗透效果较差，影响煤层注水效果。煤层孔隙率大小是表征注水难易程度的重要指标，煤层裂隙、孔隙的发育程度是影响煤层注水难易的首要因素，但是由于我国各矿井相继进入深部开采，煤岩原应力高、孔隙裂隙不发育、渗透率低、瓦斯含量高等突出问题制约着煤层注水技术的发展。我国较多矿区的煤层为高地压低孔隙率煤层，煤体节理裂隙不发育且较为坚硬，煤层注水困难，不能达到预期的灾害防治效果，并且随着我国煤矿开采深度的增加，注水困难的问题更加突出，严重制约了煤层注水技术在我国深部高地压煤层的应用，阻碍了其对冲击地压、高浓度粉尘危害的防治效果。因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统及方法，利用整个水力压裂系统，实现对井下煤层定向水力压裂。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统，其包括钻机，注水泵和钻机之间使用高压胶管相连接，钻机上布置有专用密封钻杆；钻杆前端可布置钻割一体刀具，其中，在钻割一体刀具的三翼钻头及扩孔钻头上设计孔径为6mm-8mm的三个出气出水孔，钻孔完毕后无需退钻便可直接进行水力割缝；钻杆上可布置定向封孔器，定向封孔器包括外壳，外壳内设置有一连通管，连通管的下直通口与一过渡管相连通，连通管的上直通口与一进水管相连通，上直通口与下直通口之间的连通管上设置有侧通进水口，侧通进水口上设置有侧通口，外壳上设置有封孔胶囊，封孔胶囊两侧分别设置有密封圈，封孔胶囊内的外壳上均匀布置有多个通孔，两个相临定向封孔器之间的过渡管通过水管连接器相连接；定向封孔器与钻杆布置在钻孔内，钻杆为水力压裂专用密封钻杆，布置有密封圈，高压水可经钻杆进入到定向封孔器内。

所述的基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统，其中，上述钻割一体刀具包括扩充钻头，扩充钻头前端设置有三翼钻头，三翼钻头上以及三翼钻头后方的扩充钻头上设置有出气出水口。

一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂方法，主要实施步骤为钻孔→割缝→封孔→压裂，其具体操作如下：

A、钻杆前段安装钻割一体刀具，启动钻机进行打钻，钻进期间，通过三翼钻头及扩孔钻头上的出气出水孔起到排碴作用，水力切割钻孔钻进至预定位置后，开动注水泵并切换至高压水，钻机保持旋转状态，通过钻孔内的水力切割煤体形成水力割缝；在达到割缝要求后，停止旋转、停止高压水，将钻杆缓慢拔出；

B、拆卸钻割一体刀具并安装定向封孔器，钻杆与定向封孔器的螺纹连接密封好，开动钻机推送定向封孔器至预定位置，设定注水压力小于5MPa，注水泵提供的压力水经高压胶管运至钻机达到钻杆内进入定向封孔器，低压水由定向封孔器的进水管进入封孔胶囊内部，下直通口作进水口，上直通口作为出水口，侧通口向封孔胶囊内注水，外壳上有连接封孔胶囊的通孔；外壳外壁两端分别设有用于固定封孔胶囊的密封圈；当水流注满封孔胶囊时，封孔胶囊的直径大于94mm，能对钻孔进行有效的封堵，增大注水压力超过5MPa时，定向封孔器上的压力控制阀会打开，高压水进入钻孔内；

C、封孔完成后，进行水力压裂，缓慢增大注水压力至30MPa，观察压力表变化，持续高压注水时间10分钟左右，完成第一段压裂工作，关闭注水泵卸压后，定向封孔器恢复正常大小；

D、调节钻机将定向封孔器抽送到第二压裂段，重复步骤B和步骤C进行第二段压裂工作，以此类推，直至压裂工作完成。

本发明提供了一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统及方法，主要实施步骤为钻孔→割缝→封孔→压裂，首先在钻杆前端安装钻割一体刀具，钻孔完成后无需更换钻头进行水力割缝增透卸压，割缝完成后退钻安装定向封孔器推送到预定位置进行高效封孔，封孔完毕后进行高压注水压裂，以“高压渗透”为主，增大裂隙密度和范围，从而达到提高高地压低孔隙率煤层的注水效果，进而有效防治冲击地压、降低粉尘浓度、防治瓦斯以及防治火灾等灾害。可准确、快速地对煤层进行定向割缝和水力压裂，采用钻割一体化钻头，可对煤层进行快速钻孔，进而利用水力切割技术进行钻孔内水力割缝，此过程无需拆卸钻头连续完成，省时省力降低劳动强度，利用定向封孔器完成钻孔高压水的密封，定向封孔器可实现对钻孔割缝位置的定向压裂，此定向封孔器可重复利用，封孔效果可达30MPa以上；整个压裂系统布置简单易操作，安全性高可应用于不同的工作环境，实现对巷帮以及顶板的定向水力压裂；相比传统的煤层水力压裂技术，本技术省却了繁琐的现场工艺，更加方便、快捷，减少了封孔花费的时间，定向封孔器可重复回收利用，单次封孔成本低，封孔效果好。

附图说明

图1为本发明中定向封孔器的结构示意图；

图2为本发明中水压裂系统的结构示意图；

图3为本发明中钻割一体刀具的结构示意图；

其中，1—进水管；2—密封圈；3—封孔胶囊；4—侧通进水口；5—侧通口；6—水管连接器；7—上直通口；8—通孔；9—外壳；10—下直通口；11—注水泵；12—高压胶管；13—钻机；14—钻孔；15—钻杆；16—水力割缝；17—定向封孔器；18—实体煤；19—扩孔钻头；20—出气出水口；21—三翼钻头。

具体实施方式

本发明提供了一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统，如图2所示的，其包括钻机13，钻机13上布置有中空的专用密封钻杆15，钻杆15前端布置有钻割一体刀具，而且钻杆15上还可布置有定向封孔器17，定向封孔器17随钻杆15布置在钻孔14内，高压胶管12与一注水泵11相连通，进而提供相应的压力水。上述钻割一体刀具包括扩充钻头19，扩充钻头19前端设置有三翼钻头21，三翼钻头21上以及三翼钻头21后方的扩充钻头19上设置有出气出水口20。并且上述定向封孔器如图1所示，包括外壳9，外壳9内设置有一连通管，连通管的下直通口10与一过渡管相连通，连通管的上直通口7与一进水管1相连通，上直通口7与下直通口10之间的连通管上设置有侧通进水口4，侧通进水口4上设置有侧通口5，外壳9上设置有封孔胶囊3，封孔胶囊3两侧分别设置有密封圈2，封孔胶囊3内的外壳9上均匀布置有多个通孔8；两个相临定向封孔器之间的过渡管通过水管连接器6相连接。

本发明还提供了一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂方法，主要实施步骤为钻孔→割缝→封孔→压裂，其具体操作如下：

步骤A：钻杆15前段安装钻割一体刀具，启动钻机进行打钻，钻进期间，通过三翼钻头及扩孔钻头上的出气出水孔20起到排碴作用，水力切割钻孔钻进至预定位置后，开动注水泵11并切换至高压水，钻机13保持旋转状态，通过钻孔内的水力切割煤体形成水力割缝16；在达到割缝要求后，停止旋转、停止高压水，将钻杆15缓慢拔出；

步骤B：注水泵11提供的压力水经高压胶管12运至钻机13达到钻杆15内，钻杆15与定向封孔器17的螺纹连接密封好，低压水由钻杆15进入定向封孔器17的进水管1流入封孔胶囊3内部，下直通口10作进水口，上直通口7作为出水口，侧通口6向封孔胶囊3内注水，外壳9上有连接封孔胶囊3的通孔；外壳9外壁两端分别设有用于固定封孔胶囊3的密封圈2；当水流注满封孔胶囊3时，封孔胶囊3的直径大于94mm，能对钻孔14进行有效的封堵，增大注水压力超过5MPa时，定向封孔器17上的压力控制阀会打开，高压水进入钻孔14内；

步骤C：完成步骤B后，进行水力压裂，缓慢增大注水压力至30MPa，观察压力表变化，注水时间持续10分钟左右，完成第一段压裂工作，关闭注水泵11卸压后，定向封孔器17恢复正常大小；

步骤D：调节钻机13将定向封孔器17抽送到第二压裂段，重复步骤B和步骤C进行第二段压裂工作，以此类推，直至压裂工作完成。

为了更进一步的描述本发明，以下列举更详尽的实施例进行说明，将以某矿204撤面道巷帮煤层水力压裂进行描述。

步骤1，钻孔与割缝

在钻具前方加装一特制的三翼钻头21，钻头上设计孔径6mm-8mm的三个出气出水孔20。同时，扩孔钻头19上部布置三个出气出水孔20。钻进期间，通过三翼钻头21及扩孔钻头19上的出气出水孔20起到排碴作用。待达到预定位置后，切换为高压水，进行钻孔内的水力切割。

安装好钻机13与钻具后，水力切割钻孔钻进至预定位置后，开动注水泵并进行相应的切换，钻机13保持旋转状态，进行水力切割。在达到割缝要求后，停止旋转、停止高压水，将钻杆缓慢拔出。根据现场施工，钻孔14的直径为94mm，孔深为40m，水力割缝16的半径为0.5m。

步骤2，基于钻机动力定向封孔器封孔

在传统封孔工艺的基础上，采用定向封孔器，其用于长钻孔多段压裂定向封孔，能够实现钻孔中段的带压封孔，从而封堵钻孔中段大裂缝，提高封孔效果。带压封孔装备结构主要由注水泵、高压胶管、钻机、钻杆、定向封孔器组成。

注水泵11提供的压力水经高压胶管12运至钻机13达到钻杆15内，钻杆15与定向封孔器17的螺纹连接密封好，低压水由钻杆15进入定向封孔器17的进水管1流入封孔胶囊3内部，外壳9对封孔胶囊3起进行支撑保护作用，防止封孔胶囊3因组装及深入钻孔时发生变形损坏。下直通口10作进水口，上直通口7作为出水口，侧通口6向封孔胶囊3内注水，外壳9上有连接封孔胶囊3的通孔；外壳9外壁两端分别设有用于固定封孔胶囊3的密封圈2；当水流注满封孔胶囊3时，封孔胶囊3的直径大于94mm，能对钻孔14进行有效的封堵，增大注水压力超过5MPa时，定向封孔器17上的压力控制阀会打开，高压水进入钻孔14内；

步骤3，高压水力压裂

完成步骤2后，进行水力压裂，缓慢增大注水压力至30MPa，持续注水时间10分钟左右，完成第一段压裂工作，关闭注水泵11卸压后，定向封孔器17恢复常大小；

步骤4，循环作业

调节钻机13将定向封孔器17抽送到第二压裂段，重复步骤2和步骤3进行第二段压裂工作，以此类推，直至压裂工作完成。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (2)

1.一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂方法，包括基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂系统，其包括钻机，注水泵和钻机之间使用高压胶管相连接，钻机上布置有专用密封钻杆；钻杆前端可布置钻割一体刀具，在钻割一体刀具的三翼钻头及扩孔钻头上设计孔径为6mm-8mm的三个出气出水孔，钻孔完毕后无需退钻便可直接进行水力割缝；钻杆上布置有多个定向封孔器，定向封孔器包括外壳，外壳内设置有一连通管，连通管的下直通口与一过渡管相连通，连通管的上直通口与一进水管相连通，上直通口与下直通口之间的连通管上设置有侧通进水口，侧通进水口上设置有侧通口，外壳上设置有封孔胶囊，封孔胶囊两侧分别设置有密封圈，封孔胶囊内的外壳上均匀布置有多个通孔，两个相临定向封孔器之间的过渡管通过水管连接器相连接；定向封孔器与钻杆布置在钻孔内，钻杆为水力压裂专用密封钻杆，布置有密封圈，高压水可经钻杆进入到定向封孔器内，其特征在于，该方法的施步骤为钻孔→割缝→封孔→压裂，其具体操作如下：

A、钻杆前段安装钻割一体刀具，启动钻机进行打钻，钻进期间，通过三翼钻头及扩孔钻头上的出气出水孔进行排碴，水力切割钻孔钻进至预定位置后，开动注水泵并切换至高压水，钻机保持旋转状态，通过钻孔内的水力切割煤体形成水力割缝；在达到割缝要求后，停止旋转、停止高压水，将钻杆缓慢拔出；

B、拆卸钻割一体刀具并安装定向封孔器，钻杆与定向封孔器的螺纹连接密封好，开动钻机推送定向封孔器至预定位置，设定注水压力小于5MPa，注水泵提供的压力水经高压胶管运至钻机达到钻杆内进入定向封孔器，低压水由定向封孔器的进水管进入封孔胶囊内部，下直通口作进水口，上直通口作为出水口，侧通口向封孔胶囊内注水，外壳上有连接封孔胶囊的通孔；外壳外壁两端分别设有用于固定封孔胶囊的密封圈；当水流注满封孔胶囊时，封孔胶囊的直径大于94mm，能对钻孔进行有效的封堵，增大注水压力超过5MPa时，定向封孔器上的压力控制阀会打开，高压水进入钻孔内；

C、封孔完成后，进行水力压裂，缓慢增大注水压力至30MPa，观察压力表变化，持续高压注水时间10分钟，完成第一段压裂工作，关闭注水泵卸压后，定向封孔器恢复正常大小；

D、调节钻机将定向封孔器抽送到第二压裂段，重复步骤B和步骤C进行第二段压裂工作，以此类推，直至压裂工作完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于钻机动力的井下快速割缝定向水力压裂方法，其特征在于，上述钻割一体刀具包括扩充钻头，扩充钻头前端设置有三翼钻头，三翼钻头上以及三翼钻头后方的扩充钻头上设置有出气出水口。