一种煤矿井下压裂密封装置及方法
【专利摘要】一种煤矿井下压裂密封装置及方法，装置包括注水管、回浆管、前后聚氨酯封孔段、安全阀、伞式支撑装置总成、注浆管。伞式支撑装置总成由伞形支撑架、支撑管、滑动箍、活塞杆、活塞组成，其中支撑管上设置有导轨槽、安全阀，当伞式密封装置送入钻孔时，装置呈收缩状，便于装置送入钻孔。当注入初始压力为5MPa的高压水时，伞式支撑装置被打开，将活塞向前推，伞形支撑架撑开，穿刺到煤体中，高压水不断挤压封孔段，从而使伞形支撑架刺入煤体越深，当注水压力提高至≥15MPa时，压力水冲破安全阀，对钻孔实施压裂作业，大大提高了封孔段承压能力，同时提高了注水的压力，也提高压裂效果。其结构简单、易操作，承压能力高、密封效果好。
【专利说明】一种煤矿井下压裂密封装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钻孔密封装置及方法，尤其是一种适用于煤矿井下压裂的密封装置及方法。
【背景技术】
[0002]我国煤矿地质条件复杂，高瓦斯煤层占50?70%，而高瓦斯低透气性煤层又占其中的70%左右。高瓦斯低透气性煤层的开采往往伴随大量瓦斯涌出，特别是随着煤炭生产的高效集约化和开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯爆炸和瓦斯突出危险的威胁也越来越大，瓦斯灾害已成为制约高校集约化开采技术发展和安全生产的最重要因素。因此，如何解决高瓦斯煤层开采过程中的瓦斯涌出问题，对煤矿安全生产具有十分重要的意义。
[0003]为了进行矿井瓦斯防治，首先要解决的如何提高低透气性煤层的透气性的难题。为此，煤矿常采用井下煤层高水力压裂、深空松动爆破等技术对煤体进行泄压增透，这些技术都需要在煤层进行钻孔，通过注入高压水或者炸药爆炸产生的能量使得煤体产生裂隙，提高煤层透气性。其中一个技术难题就是钻孔高压密封问题，如对煤层实施高水力压裂，为了在煤体内部形成有效的裂隙网络，对于埋藏深度IOOOm的煤层，钻孔的密封能力需要承受30MPa以上的水压，否则钻孔出现漏水而影响压裂效果。为了保证水力压裂的质量和压裂成功率，开发高压钻孔密封设备成为当务之急。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的在于克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、承压能力高、密封效果好的煤矿井下压裂密封装置。
[0005]技术方案:本发明的煤矿井下压裂密封装置，包括经聚氨酯封孔段固定于钻孔内的注水管、回浆管和注浆管，其中，注水管穿过前后聚氨酯封孔段，回浆管和注浆管进入由前后聚氨酯封孔段封堵与钻孔所形成的空间内，进入封堵空间的回浆管长于进入封堵空间的注浆管，所述注水管前部的管壁周围间隔设有多个安全阀，注水管的前端套装有伞式支撑装置，所述的伞式支撑装置包括伞形支撑架、支撑管、滑动箍、活塞杆、活塞，其中，伞形支撑架的外撑杆前部铰接在支撑管上，伞形支撑架的内撑杆铰接在滑动箍上，滑动箍经活塞杆连接可在支撑管内部向前移动的活塞，所述滑动箍与支撑管相配合的管段上对称开有可使滑动箍向前移动的导轨槽。
[0006]所述的滑动箍包括套装在支撑管上的外套管，外套管内设有固定活塞杆的内套管，内套管与外套两侧连有可在支撑管导轨槽内移动的连接块；所述的活塞杆两端分别与活塞和支撑管的内套管螺纹连接；所述的滑动箍与支撑管相配合的管段前部设有阻挡滑动箍后退的弹性支撑卡；所述的安全阀的压力设定为6MPa。
[0007]使用上所述装置的煤矿井下压裂密封方法，包括如下步骤:
[0008](a)打钻，根据施工方案设计的钻孔方位进行打钻，向煤壁设定深度的钻孔；[0009](b)装置组装，在注水管的前端套装伞式支撑装置，将伞式支撑装置的伞形支撑架连接到支撑管上，通过活塞杆将滑动箍和活塞螺纹连接在一起，再将滑动箍通过导轨槽套装在支撑管上，此时，伞形支撑架处于收缩状态；
[0010]( c )送管，在前部装有安全阀的注水管的上绑扎聚氨酯封孔带，之后将注水管送入钻孔内，直至设定位置，再将注浆管和回浆管送入钻孔内，同时在注水管、注浆管和回浆管进入钻孔段绑扎聚氨酯封孔带，将钻孔孔口堵住；
[0011](d)注浆，通过注浆泵将水泥浆液注入前后聚氨酯封孔段封堵的钻孔内，侍回浆管内流出浆液时，关闭回浆管上的阀门，继续注浆1~2min后关闭注浆泵，完成前后聚氨酯封孔段封堵钻孔内的封堵；
[0012]Ce)注水，设定初始压力水为5MPa，通过注水泵将压力为5MPa的高压水通过注水管注入钻孔中，在5MPa高压水的作用下，支撑管内的活塞被往前推移，带动与活塞杆相连的滑动箍向前移动，铰接在滑动箍上的伞形支撑架撑开，穿刺到煤体中，随着高压水不断注入，高压水的压力不断挤压前后聚氨酯封孔段，从而使伞形支撑架刺入煤体越深；
[0013](f)压裂，提高注水的压力，直至最后注水压力≥15MPa，当注水压力超过安全阀设定的6MPa压力时，安全阀被冲开，高压水从安全阀的入口喷出进入钻孔，对钻孔实施压裂作业。
[0014]有益效果:本发明提供的密封装置，起到一种机械密封的效果。当伞式密封装置送入钻孔时，装置呈收缩状，便于装置送入钻孔。在装置打开阶段，水压不足以使安全阀打开，而可以将活塞向左推，从而滑动箍向左移动，使装置在滑动箍的推动作用下张开。支撑管上有止回槽，可以避免高压水将管箍推开，进而避免伞形支撑架的收缩。当高压水注入钻孔的时候，高压水就会挤压封孔段，从而可以使伞形支撑架刺入煤体的就越深，提高了封孔段承压能力，进而可以提高注水的压力，提高压裂效果。
[0015]优点:本发明提供的压裂密封装置结构简单，利用机械式密封提高了封孔段的承压能力，从本质上提高了装置的安全性，而无需增加封孔段的长度，从而减少了材料的使用量，降低了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的结构图。
[0017]图2是支撑管的结构图。
[0018]图中:1、注水管；2、煤体；3、回浆管；4、前后聚氨酯封孔段；5、安全阀；6、伞式支撑装置总成；6_1、伞形支撑架；6-2、支撑管；6-3、滑动箍；6-4、活塞杆；6_5、活塞；7、钻孔；8、注浆管。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述:
[0020] 如图1所示，本发明的煤矿井下压裂密封装置，主要由注水管1、回浆管3、前后聚氨酯封孔段4、安全阀5、伞式支撑装置6、注浆管8构成。注水管1、回浆管3和注浆管8经聚氨酯封孔段固定于钻孔7内，其中，注水管I穿过前后聚氨酯封孔段4，回浆管3和注浆管8进入由前后聚氨酯封孔段4封堵与钻孔所形成的空间内，进入封堵空间的回浆管3长，进入封堵空间的注浆管8短，所述注水管I前部的管壁周围间隔设有多个安全阀5，注水管I的前端套装有伞式支撑装置6，所述的伞式支撑装置6包括伞形支撑架6-1、支撑管6-2、滑动箍6-3、活塞杆6-4、活塞6-5，其中，伞形支撑架6-1的外撑杆前部铰接在支撑管6_2上，伞形支撑架6-1的内撑杆铰接在滑动箍6-3上，滑动箍6-3经活塞杆6-4连接可在支撑管6-2内部向前移动的活塞6-5，所述滑动箍6-3与支撑管6-2相配合的管段上对称开有可使滑动箍6-3向前移动的导轨槽。所述的活塞杆6-4两端分别与活塞6-5和支撑管6-2的内套管螺纹连接；所述的滑动箍6-3与支撑管6-2相配合的管段前部设有阻挡滑动箍6-3后退的弹性支撑卡，弹性支撑卡与伞撑卡类似，由弹簧和埋在支撑管6-2管壁内的卡块构成，当滑动箍6-3前移至弹性支撑卡前方时，弹性支撑卡弹出，挡住滑动箍6-3。所述的安全阀5的压力设定为6MPa。 [0021]如图2所示，所述的滑动箍6-3包括套装在支撑管6-2上的外套管，外套管内设有固定活塞杆6-4的内套管，内套管与外套两侧连有可在支撑管6-2导轨槽内移动的连接块。
[0022]本发明的煤矿井下压裂密封方法，具体步骤如下:
[0023](a)打钻，根据施工方案设计的钻孔方位进行打钻，以平行孔为例，垂直于煤壁打一指定深度的钻孔；
[0024](b)装置组装，在注水管I的前端套装伞式支撑装置6，将伞式支撑装置6的伞形支撑架6-1连接到支撑管6-2上，通过活塞杆6-4将滑动箍6-3和活塞6_5螺纹连接在一起，再将滑动箍6-3通过导轨槽套装在支撑管6-2上，此时，伞形支撑架6-1处于收缩状态；
[0025](c)送管，在前部装有安全阀5的注水管I的上绑扎聚氨酯封孔带，之后将注水管I送入钻孔7内，直至设定位置，再将注浆管8和回浆管3送入钻孔内，同时在注水管1、注浆管8和回浆管3进入钻孔段绑扎聚氨酯封孔带，将钻孔孔口堵住；所述回浆管3位于注水管I的上方，注浆管8位于注水管I的下方，回浆管3入口深入封堵钻孔的孔底，注浆管8入口进入封堵钻孔即可，回浆管3相对于注浆管8长，回浆管3相对于注浆管8短；
[0026](d)注浆，通过注浆泵将水泥浆液注入前后聚氨酯封孔段4封堵的钻孔内，侍回浆管3内流出浆液时，关闭回浆管3上的阀门，继续注浆I~2min后关闭注浆泵，完成前后聚氨酯封孔段4封堵钻孔内的封堵；
[0027]Ce)注水，设定初始压力水为5MPa，通过注水泵将压力为5MPa的高压水通过注水管I注入钻孔中，由于此时的压力水低于安全阀5设定的6MPa压力，安全阀5不会被打开，在5MPa高压水的作用下，支撑管6-2内的活塞6_5被往前推移，带动与活塞杆6_4相连的滑动箍6-3向前移动，铰接在滑动箍6-3上的伞形支撑架6-1撑开，穿刺到煤体中，随着高压水不断注入，高压水的压力不断挤压前后聚氨酯封孔段4，从而使伞形支撑架6-1刺入煤体越深，滑动箍6-3与支撑管6-2相配合的管段前部设置的弹性支撑卡弹出，阻挡滑动箍6-3的后退，提高了封孔段承压能力，进而可以提高注水的压力，提高压裂效果；
[0028](f)对钻孔进行水力压裂，提高注水的压力，直至最后注水压力≥15MPa，当注水压力超过安全阀5设定的6MPa压力时,安全阀5被打开,高压水从安全阀5的入口喷出进入钻孔，对钻孔实施压裂作业。
【权利要求】
1.一种煤矿井下压裂密封装置，包括经聚氨酯封孔段固定于钻孔内的注水管(I)、回浆管(3)和注浆管(8)，其中，注水管(I)穿过前后聚氨酯封孔段(4)，回浆管(3)和注浆管(8)进入由前后聚氨酯封孔段(4)封堵与钻孔所形成的空间内，进入封堵空间的回浆管(3)长，进入封堵空间的注浆管(8)短，其特征在于:所述注水管(I)前部的管壁周围间隔设有多个安全阀(5 )，注水管(I)的前端套装有伞式支撑装置(6 )，所述的伞式支撑装置(6 )包括伞形支撑架(6-1)、支撑管(6-2)、滑动箍(6-3)、活塞杆(6-4)、活塞(6-5)，其中，伞形支撑架(6-1)的外撑杆前部铰接在支撑管(6-2)上，伞形支撑架(6-1)的内撑杆铰接在滑动箍(6-3 )上，滑动箍(6-3 )经活塞杆(6-4 )连接可在支撑管(6-2 )内部向前移动的活塞(6_5 )，所述滑动箍(6-3)与支撑管(6-2)相配合的管段上对称开有可使滑动箍(6-3)向前移动的导轨槽。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下压裂密封装置，其特征是:所述的滑动箍(6-3)包括套装在支撑管(6-2)上的外套管，外套管内设有固定活塞杆(6-4)的内套管，内套管与外套两侧连有可在支撑管(6-2 )导轨槽内移动的连接块。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下压裂密封装置，其特征是:所述的活塞杆(6-4)两端分别与活塞(6-5)和支撑管(6-2)的内套管螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下压裂密封装置，其特征是:所述的滑动箍(6-3)与支撑管(6-2)相配合的管段前部设有阻挡滑动箍(6-3)后退的弹性支撑卡。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下压裂密封装置，其特征是:所述的安全阀(5)的压力设定为6MPa。
6.使用权利要求1所述装置的煤矿井下压裂密封方法，其特征在于，包括如下步骤: Ca)打钻，根据施工方案设计的钻孔方位进行打钻，向煤壁设定深度的钻孔； (b )装置组装，在注水管(I)的前端套装伞式支撑装置(6 )，将伞式支撑装置(6 )的伞形支撑架(6-1)连接到支撑管(6-2)上，通过活塞杆(6-4)将滑动箍(6-3)和活塞(6-5)螺纹连接在一起，再将滑动箍(6-3 )通过导轨槽套装在支撑管(6-2 )上，此时，伞形支撑架(6-1)处于收缩状态； (c)送管，在前部装有安全阀(5)的注水管(I)的上绑扎聚氨酯封孔带，之后将注水管(I)送入钻孔(7 )内，直至设定位置，再将注浆管(8 )和回浆管(3 )送入钻孔内，同时在注水管(I)、注浆管(8 )和回浆管(3 )进入钻孔段绑扎聚氨酯封孔带，将钻孔孔口堵住； (d)注浆，通过注浆泵将水泥浆液注入前后聚氨酯封孔段(4)封堵的钻孔内，侍回浆管(3)内流出浆液时，关闭回浆管(3)上的阀门，继续注浆I?2min后关闭注浆泵，完成前后聚氨酯封孔段(4)封堵钻孔内的封堵； (e)注水，设定初始压力水为5MPa，通过注水泵将压力为5MPa的高压水通过注水管(I)注入钻孔中，在5MPa高压水的作用下，支撑管(6-2)内的活塞(6_5)被往前推移，带动与活塞杆(6-4)相连的滑动箍(6-3)向前移动，铰接在滑动箍(6-3)上的伞形支撑架(6-1)撑开，穿刺到煤体中，随着高压水不断注入，高压水的压力不断挤压前后聚氨酯封孔段(4)，从而使伞形支撑架(6-1)刺入煤体越深； (f)压裂，提高注水的压力，直至最后注水压力>15MPa，当注水压力超过安全阀(5)设定的6MPa压力时，安全阀(5)被冲开，高压水从安全阀(5)的入口喷出进入钻孔，对钻孔实施压裂作业。
【文档编号】E21B33/10GK103742115SQ201310700190
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】林柏泉, 刘谦, 朱传杰, 江丙友, 于俊洋, 洪溢都, 孙豫敏 申请人:中国矿业大学