[发明专利]自锚固、自封式、高压注水压裂的一体化装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自锚固、自封式、高压注水和压裂的一体化装置及控制方法，属于瓦斯抽采技术领域。

背景技术

随着煤矿开采深度的增加，很多煤矿都面临着高瓦斯低透气性煤层瓦斯难以预抽的问题，该问题严重制约煤矿的安全生产，目前煤矿井下解决矿井开采过程中的瓦斯涌出和突出最主要的手段之一就是高压注水或水力压裂。然而，在煤矿井下进行高压注水或水力压裂的过程中，我国目前的封孔方式主要采用水泥砂浆永久式封孔和胶囊式自封封孔器封孔。水泥砂浆封孔虽然具有一定的强度，但由于水泥在凝固后有收缩的趋势，因此在钻孔壁出就会产生裂隙导致漏气，尤其对于小倾角钻孔，水泥的收缩必然在钻孔上壁产生大裂纹，另外封孔费用较高。胶囊式自封封孔器封孔有时封孔器的摩擦阻力小，有时会出现封孔器滑动，甚至滑出钻孔引发事故。

通过上述论述，现有井下封孔方式中，水泥砂浆封孔成本较高，有时封孔质量会出现问题；胶囊式自封水利压裂和高压注水技术中，封孔、压裂和注水的方法均存在着不同的缺陷，没有封孔装置的锚固。如何克服上述的问题，提高钻孔的抽采效果，延长钻孔的使用时间，是当前需要解决的问题。

发明内容

本发明目的是为了克服现有的瓦斯钻孔抽采煤层透气性差、抽采量小的缺点，钻孔的锚固、封孔、压裂方法均存在的时间长等问题。本发明的自锚固、自封式、高压注水压裂的一体化装置及控制方法，解决了钻孔抽采过程中实施锚固、密封、压裂时存在的工艺过程多、耗费时间长和密封效果差、回收困难的问题，实现了水力压裂、封孔、锚固一体化，便于回收，使用方便，结构新颖，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种自锚固、自封式、高压注水压裂的一体化装置，包括锚固单元、封孔单元和压裂单元，

所述锚固单元安装在钻杆上，用于高压注水或压裂时将钻杆锚固在钻孔壁内；

所述封孔单元设置锚固单元的前侧，用于对钻孔封孔，封孔单元内的高压胶管受到高压水的作用膨胀实现封孔；

所述压裂单元设置封孔单元的前侧，用于高压水注入后对钻孔处的煤层实施压裂。

前述的自锚固、自封式、高压注水压裂的一体化装置，所述锚固单元，包括接钻杆端子、液压缸锥阀、支撑棘爪、棘爪复位弹簧，所述接钻杆端子的后端部套接固定在钻杆上，所述液压缸锥阀设置在接钻杆端子前端部的内壁，所述支撑棘爪设置在支撑棘爪的外壁、接钻杆端子内壁之间，所述棘爪复位弹簧设置在支撑棘爪、接钻杆端子内壁之间，所述支撑棘爪的活动端可延伸出接钻杆端子，所述接钻杆端子的前端部与封孔单元相联通。

前述的自锚固、自封式、高压注水压裂的一体化装置，所述封孔单元，包括高压胶管、堵水钢球、钢球复位弹簧，所述高压胶管的后端部与接钻杆端子的前端部与相联通，所述堵水钢球设置在高压胶管的前端部，所述堵水钢球通过钢球复位弹簧与压裂单元相连接。

前述的自锚固、自封式、高压注水压裂的一体化装置，所述压裂单元，包括压力调节螺栓和压裂注水端口，所述压力调节螺栓用于抵住钢球复位弹簧，所述压裂注水端口设置在钢球复位弹簧的外侧，在堵水钢球在高压水的控制下，移动到压裂注水端口的前侧时，压裂单元通过压裂注水端口注水，对钻孔处的煤层实施压裂。

前述的自锚固、自封式、高压注水压裂的一体化装置，所述液压缸锥阀用于连接高压进水，高压水通过液压缸锥阀进入到高压胶管内。

前述的自锚固、自封式、高压注水压裂的一体化装置，所述支撑棘爪的活动端可延伸出接钻杆端子，液压缸锥阀在高压水的作用下推动支撑棘爪的活动端沿钻杆的径向方向向外伸出且卡在钻孔壁上，实现锚固。

一种自锚固、自封式、高压注水压裂的一体化装置的控制方法，包括以下步骤，

步骤（A），高压水通过液压缸锥阀进入锚固单元内，液压缸锥阀在高压水的作用下推动其外侧的支撑棘爪的活动端沿钻杆的径向方向向外伸出并卡在钻孔壁上，且高压水的压力越大液压缸锥阀产生的向外推力越大，支撑棘爪实现锚固钻杆的作用；

步骤（B），高压水经过锚固单元后进入封孔单元，高压水进入高压胶管，使其膨胀对钻孔进行封孔，通过调节压裂单元的压力调节螺栓，保证高压胶管内的封孔压力大于高压水压力2-8Mpa，保证对钻孔的有效封堵；

步骤（C），高压水继续提供压力，大于钢球复位弹簧对堵水钢球提供的弹力时，堵水钢球移动到压裂注水端口的前侧时，使压裂注水端口向外注水，压裂单元通过压裂注水端口注水，对钻孔处的煤层实施压裂，提供压力在30-40Mpa之间，并对煤层进行高压注水或压裂；