一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法与流程

本发明涉及煤矿瓦斯抽采和煤层降尘技术领域，尤其是一种深部低渗透高瓦斯煤层的钻-割-封-压钻孔设备，以及利用该设备实现钻孔、割缝、封孔、压裂施工的方法。

背景技术：

目前，煤矿开采已由浅部开采转向深部开采，随着采深的增加，煤层所在的地应力也增大，导致煤层的渗透性极低，同样煤层瓦斯压力进一步增大，发生瓦斯灾害的可能性也随之增大。然而瓦斯也是一种清洁高效的能源，在低渗煤层进行有效的瓦斯抽采，以降低发生灾害的可能性并提高瓦斯的利用率，是当前深部煤矿科学开采不可避免的难题。据统计大部分的煤矿是瓦斯矿井，为保障矿井正常安全生产，通常预先对富含瓦斯煤层进行瓦斯抽放，即在煤层不同位置施工多个钻孔，对含瓦斯煤层进行水力割缝，再应用多种封孔器封堵钻孔，再次注入高压水对煤体进行压裂增透，使瓦斯从钻孔内自主散发出来或进行人工进行瓦斯抽放。但是，上述工艺存在的主要问题是：(1)单一钻孔的煤层增透效果差，排放瓦斯的效率很低；(2)人工进行煤层压裂增透的多个抽采瓦斯钻孔的工序复杂。由于受煤层低渗透率的束缚，瓦斯的抽放效率也很低。并且上述工艺需要施工多个钻孔、施工效率低、生产成本较高。虽然，目前的瓦斯抽采研究领域中也提出过一些的瓦斯抽放方法，比如高位钻孔瓦斯抽采、水压致裂煤层抽采瓦斯方法等。但这些工艺都需要预先进行施工钻工，退出原有钻杆后进行封堵钻孔和水力压裂，再进行瓦斯抽采，工艺存在重复性。

为了实现“钻-割-封-压”一体化工艺，并方便施工，需要提供深部低渗透高瓦斯煤层“钻-割-封-压”一体化钻孔施工装备及方法，不仅对低渗煤层进行预裂增渗，还能将“钻进-割缝-封堵-压裂”等四个工艺集中成一体，不需要反复钻进或钻退，提高了瓦斯抽采的安全性、施工效率。

技术实现要素：

为了实现钻孔、孔内割缝、封孔、水力压裂的单一设备施工和一体化施工，提高瓦斯抽采钻孔和煤层防尘的施工效率，保证瓦斯抽采安全，本发明提供了一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法，具体技术方案如下。

一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，包括水箱、高压水管、高压泵、溢流阀、钻头、钻杆、封孔胶囊和控制阀；具有钻孔控制系统、高压水动力系统、水压分级控制系统和压裂封堵控制系统；所述钻孔控制系统调整钻孔钻杆的钻进方向和钻杆供水水压，所述高压水动力系统提供压力在0-50mpa之间的高压水，所述水压分级控制系统调整钻进冲刷钻屑的水压小于5mpa，垂直于钻杆长度方向割缝用的水压为25-35mpa，封孔胶囊的封孔水压为35-40mpa，煤层水力压裂的卸压增透用水压为40-50mpa；所述压裂封堵控制系统对封孔和水力压裂施工进行控制。

优选的是，钻孔控制系统包括钻孔角度控制单元、钻进速度控制单元和钻孔角度修正控制单元，所述钻孔角度控制单元调整钻头钻杆的钻进方向，钻进速度控制单元调整钻机的转速和推进力，所述钻孔角度修正控制单元对钻孔的钻进方向进行实时修正。

还优选的是，钻头上设置有湿式钻杆出水口，沿钻杆的长度方向从钻头侧开始依次设置有割缝出水口、水力压裂出水口和封孔胶囊。

优选的是，高压水动力系统包括水箱、高压泵、溢流阀和高压水管，高压泵泵送来自水箱的水，高压泵通过高压水管输送高压水，高压水管的上游设置有溢流阀。

优选的是，水压分级控制系统的控制阀包括湿式钻杆水压控制阀、割缝水压控制阀、胶囊封孔水压控制阀和水力压裂控制阀，所述湿式钻杆水压控制阀水压小于5mpa时开启，割缝水压控制阀在水压为25-35mpa时开启，胶囊封孔水压控制阀在水压为35-40mpa时开启，水力压裂控制阀在水压为40-50mpa时开启。

优选的是，压裂封堵控制系统包括封孔胶囊和水力压裂出水口，所述封孔胶囊充水封堵钻孔后，水力压裂出水口出水压裂煤体。

一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔方法，利用上述的一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，步骤包括：

步骤a.确定需要进行瓦斯抽采的煤层，深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备安设在工作面前方；

步骤b.检查钻孔控制系统、高压水动力系统工作情况，检查湿式钻杆水压控制阀、割缝水压控制阀、胶囊封孔水压控制阀和水力压裂控制阀的开闭；

步骤c.施工钻孔，钻头钻杆沿钻进方向钻孔，钻孔控制系统实时修正钻孔角度，钻进过程中，湿式钻杆水压控制阀打开，钻头上的湿式钻杆出水口提供小于5mpa的水冲刷钻孔；

步骤d.割缝施工，钻杆和钻头留置在钻孔中，湿式钻杆水压控制阀关闭，割缝水压控制阀打开，割缝出水口提供水压为25-35mpa的高压水割缝；

步骤e.水力压裂施工,钻杆和钻头留置在钻孔中，湿式钻杆水压控制阀关闭，割缝水压控制阀关闭，胶囊封孔水压控制阀打开，封孔胶囊充35-40mpa的高压水完成封孔；封孔后，水力压裂控制阀打开，40-50mpa的高压水从水力压裂出水口对煤体进行水力压裂。

进一步优选的是，施工钻孔、割缝施工和水力压裂施工过程中高压水动力系统调整水压并提供相应压力的高压水。

进一步优选的是，割缝出水口与钻头之间的距离为1-2m；割缝出水口与封孔胶囊之间的距离通过连接钻杆调整，钻头侧的割缝出水口距离封孔胶囊5-15m；水力压裂出水口设置在封孔胶囊和割缝出水口之间。

进一步优选的是，钻杆上设置1-3个割缝出水口和割缝水压控制阀，在同一钻孔内施工1-3道割缝。

本发明的有益效果是，在深部低渗透高瓦斯煤层实现了钻孔、割缝、封孔和压裂施工设备一体化，利用钻孔控制系统钻孔的钻进角度、速度、钻进距离；利用高压水动力系统为施工提供不同压力的高压水，水压分级控制系统控制不同压力的高压水在不同位置进行施工，压裂封堵控制系统连同钻杆共同封闭钻孔，各个控制系统相互配合对低渗透煤层进行预裂、增渗，方便瓦斯的高效抽采，并且煤体进一步的润湿减尘。另外该设备的钻杆结构设置合理，不需要反复的退出钻进，并且简化了钻-割-封-压的施工工艺，保证了瓦斯的高效抽采，并且提升了安全性能；该施工方法大大简化了施工流程，同钻孔施工更加灵活方便。

附图说明

图1是深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备结构示意图；

图2是钻头和钻杆部分结构示意图；

图3是控制阀的结构示意图；

图4是水压分级控制系统简化示意图；

图中：1-水箱；2-高压水管；3-高压泵；4-钻孔控制系统；5-溢流阀；6-钻杆和钻头；7-封孔胶囊；8-封孔胶囊进水口；9-水力压裂出水口；10-割缝出水口；11-湿式钻杆出水口；12-胶囊封孔水压控制阀；13-水力压裂控制阀；14-割缝水压控制阀；15-湿式钻杆水压控制阀；16-导水孔；17-控制阀出水孔部位；18-控制阀阻水板；19-控制阀水压感应板。

具体实施方式

结合图1至图4所示，本发明提供的一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法具体实施方式如下。

实施例1

一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，包括水箱、高压水管、高压泵、溢流阀、钻头、钻杆、封孔胶囊和控制阀，高压泵通过水管和水箱相连，高压泵加压后高压水管将水送至水压分级控制系统，钻头设置在钻杆端部，封孔胶囊套设在钻杆上。该设备具有钻孔控制系统、高压水动力系统、水压分级控制系统和压裂封堵控制系统，钻孔控制系统设置在设备前端，高压水动力系统调整水压，水压分级控制系统根据水压大小分别控制施工钻孔、割缝、封孔和压裂，压裂封堵控制系统设置在钻杆上，封堵钻孔后对煤体进行压裂。该设备的具体结构如图1所示，整体为可行走式结构，水箱设置在后方高压水管，高压水管连通钻杆，高压泵的出水管上还连接有溢流阀，其中钻头钻杆的具体结构如图2所示，控制阀的结构情况如图3所示。

钻孔控制系统调整钻孔钻杆的钻进方向和钻杆供水水压，高压水动力系统提供压力在0-50mpa之间的高压水，并且可以根据实际施工需求进行调整水压大小。其中水压分级控制系统调整钻进冲刷钻屑的水压小于5mpa，垂直于钻杆长度方向割缝用的水压为25-35mpa，封孔胶囊的封孔水压为35-40mpa，煤层水力压裂的卸压增透用水压为40-50mpa；压裂封堵控制系统对封孔和水力压裂施工进行控制，分别控制封孔胶囊充水封堵钻孔，以及水力压裂出水口出水压裂煤体。

其中，钻孔控制系统包括钻孔角度控制单元、钻进速度控制单元和钻孔角度修正控制单元，钻孔角度控制单元调整钻头钻杆的钻进方向，钻进速度控制单元调整钻机的转速和推进力，钻孔角度修正控制单元对钻孔的钻进方向进行实时修正；具体可以通过可调钻机和可调钻机支架实现。另外钻头上还设置有湿式钻杆出水口，沿钻杆的长度方向从钻头侧开始依次设置有割缝出水口、水力压裂出水口和封孔胶囊，其中割缝出水口可以设置1个以上进行多次割缝。钻杆整体上可以由多个钻杆连接而成，图2中的钻杆仅示出了湿式钻杆水压控制阀、割缝水压控制阀、胶囊封孔水压控制阀和水力压裂控制阀，及出水口的布置，实际中可以通过增减钻杆的连接数量来增加或调整各个出口之间的距离。

高压水动力系统供给冲刷钻孔残渣、切割煤层缝槽、填充封孔器等工序的水源，其包括水箱、高压泵、溢流阀和高压水管，高压泵泵送来自水箱的水，水箱内的水需保持纯净无杂质，高压泵通过高压水管输送高压水，高压水管的上游设置有溢流阀，防止水压过高造成管路或控制阀门的损坏。

水压分级控制系统的控制阀包括湿式钻杆水压控制阀、割缝水压控制阀、胶囊封孔水压控制阀和水力压裂控制阀，湿式钻杆水压控制阀水压小于5mpa时开启，割缝水压控制阀在水压为25-35mpa时开启，胶囊封孔水压控制阀在水压为35-40mpa时开启，水力压裂控制阀在水压为40-50mpa时开启，从而实现对不同水压的分级控制，合理的利用水压实现特定的施工工序。如图3所示各个控制阀的结构包括导水孔、控制阀出水孔部位、控制阀阻水板、控制阀水压感应板，控制阀阻水板上设置有控制阀出水孔，控制阀水压感应板设置在控制阀阻水板的端部，控制阀水压感应板的中部还设置有导水孔。

压裂封堵控制系统包括封孔胶囊和水力压裂出水口，封孔胶囊由镶嵌在钻杆上的耐磨抗高压胶囊构成，封孔胶囊充水封堵钻孔后，水力压裂出水口出水压裂煤体，进一步的扩展裂隙方便瓦斯高效抽采，煤体进一步的润湿减尘。

一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔方法，利用上述的一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，在深部低渗透高瓦斯煤层施工，施工步骤包括：

步骤a.确定需要进行瓦斯抽采的煤层，深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备安设在工作面前方。

步骤b.检查钻孔控制系统、高压水动力系统工作情况，检查湿式钻杆水压控制阀、割缝水压控制阀、胶囊封孔水压控制阀和水力压裂控制阀的开闭，可以通水观察钻杆出水情况。

步骤c.施工钻孔，钻头钻杆沿钻进方向钻孔，钻孔控制系统实时修正钻孔角度，钻进过程中，湿式钻杆水压控制阀打开，钻头上的湿式钻杆出水口提供小于5mpa的水冲刷钻孔。

步骤d.割缝施工，钻杆和钻头留置在钻孔中，湿式钻杆水压控制阀关闭，割缝水压控制阀打开，割缝出水口提供水压为25-35mpa的高压水割缝。

步骤e.水力压裂施工,钻杆和钻头留置在钻孔中，湿式钻杆水压控制阀关闭，割缝水压控制阀关闭，胶囊封孔水压控制阀打开，封孔胶囊充35-40mpa的高压水完成封孔；封孔后，水力压裂控制阀打开，40-50mpa的高压水从水力压裂出水口对煤体进行水力压裂。

其中施工钻孔、割缝施工和水力压裂施工过程中高压水动力系统调整水压并提供相应压力的高压水。割缝出水口与钻头之间的距离为1-2m；割缝出水口与封孔胶囊之间的距离通过连接钻杆调整，钻头侧的割缝出水口距离封孔胶囊5-15m；水力压裂出水口设置在封孔胶囊和割缝出水口之间。钻杆上设置1-3个割缝出水口和割缝水压控制阀，可以在同一钻孔内施工1-3道割缝。

深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备的钻杆结构设置合理，不需要反复的退出钻进，并且简化了钻进、割缝、封孔、水力压裂的施工工艺，保证了瓦斯的高效抽采，并且提升了安全性能；该施工方法大大简化了施工流程，同时钻孔施工也更加灵活方便。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，通过实际应用说明该设备及方法的有益效果。

其中某矿北采区+500水平43#煤层东翼及上分层含瓦斯煤层的钻孔注水增透现场施工的工艺和多矿井的煤层注水实际情况，优化选取水压分级控制系统调整钻进冲刷钻屑的水压小于5mpa，垂直于钻杆长度方向割缝用的水压为25-35mpa，封孔胶囊的封孔水压为35-40mpa，煤层水力压裂的卸压增透用水压为40-50mpa。将该参数应用于实际的矿井施工中，验证了该参数选择的合理性和有效性。

一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔方法，应用于某矿北采区+500水平43#煤层东翼及上分层，使用一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，具体施工步骤包括：

步骤a.确定需要进行瓦斯抽采的煤层，为某矿北采区+500水平43#煤层东翼及上分层含瓦斯煤层，该煤层为含瓦斯煤层，深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备安设在工作面的前方。

步骤b.检查钻孔控制系统、高压水动力系统工作情况，具体是检查钻孔角度控制单元、钻进速度控制单元和钻孔角度修正控制单元是否正常工作。检查湿式钻杆水压控制阀、割缝水压控制阀、胶囊封孔水压控制阀和水力压裂控制阀的开闭，可以通过通水观察各个出口和阀门的工作情况。施工钻孔、割缝施工和水力压裂施工过程中高压水动力系统调整水压并提供相应压力的高压水。

步骤c.施工钻孔，钻头钻杆沿钻进方向钻孔，钻孔控制系统实时修正钻孔角度，钻进过程中，湿式钻杆水压控制阀打开，钻头上的湿式钻杆出水口提供小于5mpa的水冲刷钻孔，将钻孔产生是碎屑排出。

步骤d.割缝施工，钻杆和钻头留置在钻孔中，湿式钻杆水压控制阀关闭，割缝水压控制阀打开，割缝出水口提供水压为25-35mpa的高压水割缝；通过每隔5m左右接入带有割缝水压控制阀和割缝出水口的钻杆，进行同一钻孔多个割缝的施工；割缝的深度根据实际的施工需要进行调整。

步骤e.需要水力压裂施工的位置,钻杆和钻头留置在钻孔中，湿式钻杆水压控制阀关闭，割缝水压控制阀关闭，胶囊封孔水压控制阀打开，封孔胶囊充35-40mpa的高压水完成封孔；封孔后，水力压裂控制阀打开，40-50mpa的高压水从水力压裂出水口对煤体进行水力压裂，进行水力压裂施工以前检查封孔是否严密。

割缝出水口与钻头之间的距离为1-2m，钻头钻杆钻入钻孔后，确定钻杆的钻入深度，在合适的位置割缝施工。割缝出水口与封孔胶囊之间的距离通过连接钻杆调整，钻头侧的割缝出水口距离封孔胶囊5-15m，当需要1条割缝时距离可以为5m，2条割缝时距离可以为10m，3条割缝时距离可以为15m。水力压裂出水口设置在封孔胶囊和割缝出水口之间，需要水力压裂施工时，钻头钻杆钻入后，先通过封孔胶囊封堵钻孔，再调整水压进行水力压裂。钻杆上通过设置1-3个割缝出水口和割缝水压控制阀，可以在同一钻孔内施工1-3道割缝。另外，当水压超过50mpa时，安装在外部的溢流阀便会自动打开，进行卸压并整个工序停止。

各个控制阀的连接示意如图4所示，高压泵和溢流阀连接，通过高压水管高压水送至钻杆内，钻杆上依次设置封孔胶囊支路、水力压裂支路、割缝支路，水通过钻杆直通钻头，钻头出水施工湿式钻孔；各支路上分别设置胶囊封孔水压控制阀、水力压裂控制阀和割缝水压控制阀；另外各个阀门的设置可以分别省去，从而完成单一的钻孔、割缝、封孔和压裂施工。为保证“钻-割-封-压”四个工序中各个水压的互不干扰，即保证步骤四中各个水力压力控制阀的正常工作，表1详细列出其工作压力区间。

表1

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。