本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采增产的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂系统及其方法。
背景技术：
瓦斯防治是煤矿安全生产工作的重中之重。我国《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》要求：应当进行瓦斯抽采的煤层必须先抽采瓦斯，抽采效果达到标准要求后方可安排采掘作业，即“先抽后采、抽采达标”。同时要求：煤矿瓦斯抽采应当“应抽尽抽、多措并举”。
煤矿瓦斯抽采主要有地面和井下两种方式。
在地面煤层气井中，水力压裂已经作为一种重要的增产措施得到普遍应用。其原理是利用地面高压泵组，将大排量压裂液通过钻孔注入地层并产生裂缝，随后注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，在地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，达到增产目的。
近些年，水力压裂增产技术已被引入到井下瓦斯抽采钻孔，但主要为清水压裂，没有裂缝支撑剂，压裂形成的裂缝在地层闭合压力作用下迅速收缩乃至完全闭合，增产效果不太理想。有研究人员开展了井下加砂压裂泵以及配套加砂压裂工艺的探索研究，但都属于压裂泵前端的常压加砂，砂经过泵腔后从泵出端进入泵后高压管道，这种加砂工艺对泵的磨损大。目前尚未有报道对泵后加砂工艺开展研究，主要原因是泵后高压作业存在安全隐患，而且在高压环境下难以保证加砂作业连续性，达不到裂缝延伸的要求。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂系统及其方法，以克服上述缺陷。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂系统及其方法，针对现有井下压裂装置和工艺存在的泵磨损、一次加砂量少、加砂间断时间长、高压作业存安全隐患等问题，采用泵出端加砂工艺，可避免对泵的磨损，无需对现有井下压裂泵进行改造。通过远程测控，保证加砂过程连续，同时规避高压作业安全隐患。
为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂系统，包含加砂系统、压裂泵送系统和远程测控系统，其特征在于：
所述压裂泵送系统包含压裂泵组和泵后高压管道，所述泵后高压管道的一端连接至压裂泵组的出口，另一端连接孔内压裂管路，所述泵后高压管道连接至加砂系统，所述加砂系统和压裂泵送系统均连接至远程测控系统以实现远程控制；
所述加砂系统包含至少两个储砂罐、装砂漏斗和输砂传送带，所述泵后高压管道连接至至少两个储砂罐，所述装砂漏斗位于所述输砂传送带的后端下方以接收传送过来的砂子，所述装砂漏斗的下端连接至储砂罐，以将砂子输入储砂罐。
其中：所述至少两个储砂罐包含第一储砂罐和第二储砂罐，所述第一储砂罐和第二储砂罐的结构相同，所述第一储砂罐包含高压储砂罐体，所述高压储砂罐罐体为上大下小的减缩状，所述高压储砂罐罐体内设有可调电驱出砂器，其顶部中间位置设有所述可调电驱出砂器的远控电机，在顶部周缘设有排气孔，且所述高压储砂罐罐体的上部侧壁设有连接至装砂漏斗的进砂口，中上部侧壁设有连接至进水平衡管的进水口，下部侧壁设有排渣口，底端设有连接至泵后高压管道的出砂口。
其中：所述第一储砂罐的进水口连接的进水平衡连接管的下端通过第一三通连接至泵后高压管道，所述第一储砂罐的出砂口通过第二三通连接至泵后高压管道，所述第二储砂罐底端的出砂口通过第三三通连接至泵后高压管道，所述第二储砂罐的进水口连接另一进水平衡管，所述另一进水平衡管通过第四三通连接至泵后高压管道。
其中：所述第一三通位于第二三通的上游，所述第三三通位于第四三通的上游。
其中：所述排气口设有排气口电磁阀，所述进砂口设有进砂口电磁阀，所述出砂口设有出砂口电磁阀，所述排渣口设有排渣口电磁阀，所述进水口设有进水口电磁阀，所述输砂传送带、压裂泵组、远控电机、排气口电磁阀、进砂口电磁阀、出砂口电磁阀、排渣口电磁阀和进水口电磁阀均连接至远程测控系统，所述电磁阀和远程测控系统均采用防爆型。
其中：所述装砂漏斗的顶端设有供砂子进入的开口，下端分别设有至少两条输砂管以分别连接至储砂罐的进砂口。
其中：所述可调电驱出砂器包括长轴、搅拌叶片和椎体螺旋引砂装置，所述长轴的上端连接于远控电机的传动轴，且所述长轴伸入高压储砂罐罐体内并设有至少一搅拌叶片，所述长轴的下端连接至椎体螺旋引砂装置。
其中：所述椎体螺旋引砂装置的上部较粗且向下逐渐变细，整个椎体螺旋引砂装置的椎体上焊接有螺旋叶片或洗削有螺旋槽，以将输入的砂子和泵送的水通过出砂口引入泵后高压管道。
还公开了一种如上所述的煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂系统的方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：开启远程测控系统，将远控电机、各电磁阀处于关闭状态；
步骤二：开启第一储砂罐的排气口电磁阀和排渣口电磁阀，清空储砂罐体；关闭排渣口电磁阀，开启进砂口电磁阀，开启输砂传送带，将计量好的砂量装入第一储砂罐，关闭第一储砂罐的排气口电磁阀和进砂口电磁阀，关停输砂传送带，完成第一储砂罐的储砂；
步骤三：对第二储砂罐进行同样储砂操作，完成第二储砂罐的储砂；
步骤四：先开启第一储砂罐的进水口电磁阀，再开启出砂口电磁阀，随后启动远程电机，开始第一储砂罐加砂作业，当罐内剩余砂量小于0.05m3时，关闭第一储砂罐的出砂口电磁阀和进水口电磁阀，完成第一储砂罐的单次加砂；
步骤五：对第二储砂罐进行同样的加砂操作，完成第二储砂罐的单次加砂，在进行第二储砂罐的单次加砂的同时进行第一储砂罐的储砂操作；
步骤六：重复上述步骤二至五直至完成整个加砂操作。
通过上述结构可知，本发明的煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂系统及其方法具有如下效果：
(1)在泵出端的高压管道中，利用三通连接进水平衡管，进水平衡管连接储砂罐进水口，储砂罐出砂(水)口利用三通接回高压管道，在储砂罐和高压管道中形成进、出水回路，可保持储砂罐和高压管道中压力平衡，为高压加砂创造压力平衡条件。
(2)在高压管道中，按照上述方式接入2个(或n个)高压储砂罐。当第一储砂罐a的砂加完后，启用备用的第二储砂罐b，备用的第二储砂罐b加砂作业时第一储砂罐a同步储砂。两个加砂罐如此往复作业，保障了泵出端高压管道中加砂的连续性。
(3)高压储砂罐罐体上上部设置有进砂口、排气口，下部设置有排渣口、进水口、出砂口，每个进(出)口位置均安装有远控高压电磁阀，电磁阀的开关由远程测控系统控制。
(4)远控电驱出砂装置沿中轴线贯穿高压罐体。远控电驱出砂装置由远控电机、长轴、搅拌叶片、椎体螺旋引砂装置组成。电机传动轴与转动长轴相连，贯穿高压罐体位置高压密封处理。加砂作业时，电机驱动长轴转动传递扭矩，搅拌叶片转动松砂混砂，椎体螺旋转动引砂出罐。加砂速率通过电机转速来调节。
(5)进砂漏斗与高压储砂罐之间采用一进两出“裤衩型”连接方式连接，为传送带固定位置装砂提供方便条件。
(6)传送带输砂采取间断方式，储砂作业时传送带开启，砂子经传送带、装砂漏斗、进砂口进入罐体，砂子装到设计位置后，传送带关停。传送带的启停由远程测控系统控制。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂系统的示意图。
附图标记：
a、第一储砂罐；b、第二储砂罐；c、压裂泵组；d、装砂漏斗；e、输砂传送带；f、远程测控系统；g、泵后高压管道；1、第一三通；2、第二三通；3、第三三通；4、第四三通；5、进水平衡管；6、高压储砂罐；7、排气口；8、进砂口；9、出砂口；10、排渣口；11、进水口；12、排气口电磁阀；13、进砂口电磁阀；14、出砂口电磁阀；15、排渣口电磁阀；16、进水口电磁阀；17、长轴；18、搅拌叶片；19、椎体螺旋引砂装置；20、远控电机；21、钻孔。
具体实施方式
参见图1，显示了本发明的煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂系统。
所述煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂系统可包含加砂系统、压裂泵送系统和远程测控系统，所述压裂泵送系统可包含压裂泵组c和泵后高压管道g，所述泵后高压管道g的一端连接至压裂泵组c的出口，另一端连接孔内压裂管路，所述泵后高压管道g连接至加砂系统，所述加砂系统和压裂泵送系统均连接至远程测控系统以实现远程控制。
其中，所述加砂系统可包含至少两个储砂罐、装砂漏斗d和输砂传送带e，所述泵后高压管道g连接至至少两个储砂罐，所述装砂漏斗d位于所述输砂传送带e的后端下方以接收传送过来的砂子，所述装砂漏斗d的下端连接至储砂罐，以将砂子输入储砂罐。
其中，所述至少两个储砂罐包含第一储砂罐a和第二储砂罐b，所述第一储砂罐a和第二储砂罐b的结构相同，以第一储砂罐a为例，所述第一储砂罐a包含高压储砂罐体6，所述高压储砂罐罐体6为上大下小的减缩状，其内部容量优选为0.8m3，所述高压储砂罐罐体6内设有可调电驱出砂器，其顶部中间位置设有所述可调电驱出砂器的远控电机20，在顶部周缘设有排气孔7，且所述高压储砂罐罐体6的上部侧壁设有连接至装砂漏斗d的进砂口8，中上部侧壁设有连接至进水平衡管5的进水口11，下部侧壁设有排渣口10，底端设有连接至泵后高压管道g的出砂口9，所述进水平衡连接管5的下端通过第一三通1连接至泵后高压管道g，所述出砂口9通过第二三通2连接至泵后高压管道g，所述排气口7设有排气口电磁阀12，所述进砂口8设有进砂口电磁阀13，所述出砂口9设有出砂口电磁阀14，所述排渣口10设有排渣口电磁阀15，所述进水口11设有进水口电磁阀16，其中，所述第二储砂罐b底端的出砂口9通过第三三通连接至泵后高压管道g，所述第二储砂罐b的进水口连接另一进水平衡管，所述另一进水平衡管通过第四三通连接至泵后高压管道。
所述输砂传送带e、压裂泵组c、远控电机20、排气口电磁阀12、进砂口电磁阀13、出砂口电磁阀14、排渣口电磁阀15和进水口电磁阀均连接至远程测控系统f。所述电磁阀和远程测控系统均采用防爆型。
可选的是，所述第一三通1位于第二三通2的上游，所述第三三通3位于第四三通4的上游。
可选的是，所述装砂漏斗d的顶端设有供砂子进入的开口，下端分别设有至少两条输砂管以分别连接至储砂罐的进砂口。
其中，所述可调电驱出砂器可包括长轴17、搅拌叶片18和椎体螺旋引砂装置19，所述长轴17的上端连接于远控电机20的传动轴，且所述长轴17伸入高压储砂罐罐体6内并设有至少一搅拌叶片，所述长轴17的下端连接至椎体螺旋引砂装置19，所述椎体螺旋引砂装置19的上部较粗且向下逐渐变细，整个椎体螺旋引砂装置19的椎体上焊接有螺旋叶片，或洗削有螺旋槽，以将输入的砂子和泵送的水通过出砂口引入泵后高压管道。
其中，所述长轴17和高压储砂罐体6之间设有高压密封结构。
其中，所述搅拌叶片18安装在长轴17的中部。
如图1所示，本发明的系统在完成钻进施工的井下瓦斯抽采钻孔21，并安装好必要的孔内压裂管路和孔口装置后，从孔口往外依次连接压裂高压管g和压裂泵组c。
其中，所述远程测控系统f对远控电机20进行电机开关及转速调节，对输砂传送带进行启停，并对各储砂罐的单罐加砂计时、罐内剩余砂量计算、累计加砂量计算、各个电磁阀进行开关控制等。
本发明还涉及一种煤矿井下水力压裂远程连续泵后高压加砂方法，其通过上述系统实现，具体方法包含如下步骤：
步骤一：开启远程测控系统，将远控电机、各电磁阀处于关闭状态。
步骤二：开启第一储砂罐a的排气口电磁阀和排渣口电磁阀，清空储砂罐体；关闭排渣口电磁阀，开启进砂口电磁阀，开启输砂传送带，将事先计量好的(优选为0.5m3)砂量装入第一储砂罐a，关闭第一储砂罐a的排气口电磁阀和进砂口电磁阀，关停输砂传送带。此时，完成第一储砂罐a的储砂。
步骤三：对第二储砂罐b进行同样储砂操作，完成第二储砂罐b的储砂。
步骤四：先开启第一储砂罐a的进水口电磁阀，再开启出砂口电磁阀，随后启动远程电机，开始加砂作业；远程测控系统通过远程电机的转速(对应加砂速率)和单罐加砂时间计算加砂量和罐内剩余砂量，当罐内剩余砂量小于0.05m3时，关闭第一储砂罐a的出砂口电磁阀和进水口电磁阀。此时完成第一储砂罐a的单次加砂。
步骤五：对第二储砂罐b进行同样的加砂操作，完成第二储砂罐b的单次加砂，在进行第二储砂罐b的单次加砂的同时进行第一储砂罐a的储砂操作(即步骤二)。
步骤六：重复上述步骤二至五直至完成整个加砂操作。
由此可见，本发明无需改造现有压裂泵，通过对远控电机和多组高压远控电磁阀的开启和关闭，实现传送带间断输砂、储砂罐常压装砂、搅拌叶片混砂、椎体螺旋出砂、泵出端高压管道中连续自动加砂的目的。其优点在于：
(1)在泵出端的高压管道中，利用三通连接进水平衡管，进水平衡管连接储砂罐进水口，储砂罐出砂(水)口利用三通接回高压管道，在储砂罐和高压管道中形成进、出水回路，可保持储砂罐和高压管道中压力平衡，为高压加砂创造压力平衡条件。
(2)在高压管道中，按照上述方式接入2个(或n个)高压储砂罐。当第一储砂罐a的砂加完后，启用备用的第二储砂罐b，备用的第二储砂罐b加砂作业时第一储砂罐a同步储砂。两个加砂罐如此往复作业，保障了泵出端高压管道中加砂的连续性。
(3)高压储砂罐罐体上上部设置有进砂口、排气口，下部设置有排渣口、进水口、出砂口，每个进(出)口位置均安装有远控高压电磁阀，电磁阀的开关由远程测控系统控制。
(4)远控电驱出砂装置沿中轴线贯穿高压罐体。远控电驱出砂装置由远控电机、长轴、搅拌叶片、椎体螺旋引砂装置组成。电机传动轴与转动长轴相连，贯穿高压罐体位置高压密封处理。加砂作业时，电机驱动长轴转动传递扭矩，搅拌叶片转动松砂混砂，椎体螺旋转动引砂出罐。加砂速率通过电机转速来调节。
(5)进砂漏斗与高压储砂罐之间采用一进两出“裤衩型”连接方式连接，为传送带固定位置装砂提供方便条件。
(6)传送带输砂采取间断方式，储砂作业时传送带开启，砂子经传送带、装砂漏斗、进砂口进入罐体，砂子装到设计位置后，传送带关停。传送带的启停由远程测控系统控制。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。