连续旋转阀脉动水力压裂装置及方法与流程

本发明涉及脉动水力压裂装置及方法，特别是一种适用于对煤岩体进行压裂的连续旋转阀脉动水力压裂的装置及方法，属煤矿开采技术领域。

背景技术：

近年来，水力压裂技术在煤矿得到了广泛重视。主要因于该方法可使煤岩体内原生裂隙扩大、延伸，或形成新的孔洞、裂隙，促使岩体产生位移，实现煤层内的卸压、增渗，从而可用于瓦斯抽放、应力分布控制和煤岩体注水弱化等技术领域。

水力压裂通常分为普通水力压裂和脉动水力压裂。普通水力压裂主要利用高压力、大流量的注水泵将压裂液压入到目标煤岩层，需要较高压力，并存在着裂缝闭合导流能力下降、裂隙发展无序，压裂可控性差等问题。为此，脉动水力压裂成为新的探索方向。脉动水力压裂过程中，煤体承受周期变化的应力，在该条件下裂隙面出现周期性的扩张—闭合运动，更容易发生疲劳破坏，有利于煤层裂隙的延伸和扩展，可以在相对较小的压力下实现对煤岩层的大范围卸压增透。

脉动水力压裂技术关键之一是脉动力压的产生，目前有两种实现装置：一是设计直接产生动压水的动压泵，如2BZ—40/12型脉冲式煤层注水泵；另一是高压脉动水锤装置。两种装置均证明了脉动水力压裂是有效的。

由于脉动水力压裂技术尚处于初期发展阶段，除要加强相关理论研究，提高技术参数的科学性外，探索新的技术途径，也是该技术发展的重要内容。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、可控性好的连续旋转阀脉动水力压裂装置及方法。

技术方案：本发明的连续旋转阀脉动水力压裂装置，包括水箱、经注水管路一与水箱连接的水泵，水泵的出口设有通向煤岩体的注水管路二，注水管路二上设有连续旋转球阀，连续旋转阀经联轴器连接有液压马达，液压马达的入口端连接与注水管路二相连通的液压马达进水管路，液压马达的出口端连接与水箱相通的液压马达回水管路；所述水箱内的水经注水管路一给入水泵，水经过水泵增压后，流经续旋转阀和注水管路二注入煤岩体。

连续旋转阀包括由阀座和阀盖扣合为一体的阀体，阀座和阀盖扣合处设有将其固定在一起的螺栓和螺母，所述的阀座内设有阀芯和与阀芯相连的固定轴，固定轴上对称设有滚动轴承，固定轴的上部伸出阀座，下部设有泄压孔，阀盖内开有阀进水口和出水口。

连续旋转阀的阀出水口直径大于阀进水口的直径。

上述连续旋转阀脉动水力压裂装置及方法，包括如下步骤：

a.在煤岩体所在的巷道内设置水箱、注水管路一、水泵、通向煤岩体内的注水管路二，在注水管路二上安装连续旋转阀，并在连续旋转阀上安装液压马达；

b.工作时，水箱内的水给入水泵，水经过水泵增压后流向连续旋转阀，液压马达利用注水泵产生的高压水作为工作介质，驱动连续旋转阀的阀芯作连续转动，使连续旋转阀门周期性的开启和闭合，流出的周期性高压水经注水管路二注入煤岩体，在煤岩体内形成周期性水锤效应，从而在煤岩体中产生脉动水压力，实现动压水力压裂；

c.当连续旋转阀旋转到关闭状态时，泄水孔转到出水口或进水口一侧，泄水孔位于阀进水端一侧时，泄水孔的孔口被阀体封闭，泄水孔位于出水口一侧时，与注水管路二导通，注水管路二内高压水能通过泄水孔流出，返回供水箱，煤岩体内水压下降，从而增大旋转阀开启时煤岩体水压的增幅，使压力的振幅加大。

有益效果：本发明依据液压管道中阀门的突然开启与关闭会使管道中流体流速和冲量发生变化，引起压力的剧增或剧减，从而诱发水锤的原理，给出一种实现脉动水力压裂的技术方法，是对脉动水力压裂技术的丰富和发展。经实验与实践证明，脉动水力压裂可在较小的泵压条件下获得更好技术效果。通过变静水压力为脉动水压力，提供新的脉动水力压裂技术方案。首先建立煤岩体的静水压裂系统，主要包括静压泵和通向煤岩体钻孔内的管路系统。在此基础上，在水泵输出的管路系统中增加一个连续旋转阀门，连续旋转阀门的阀芯能连续旋转，使注水管路发生周期性开启与闭合。阀门的开启与闭合自然引起水锤效应，产生动压，从而增加煤岩体的压裂效果。为增加连续旋转阀门产生的动压效果，对阀芯进行改进。在阀芯做一泄压孔，当阀门处于关闭状态时，开孔能与煤岩体一侧管路联通，可使部分水能返流回水箱，造成煤岩体钻孔内水压的下降。当阀芯旋转至开启状态时，水泵对管路的补压，使煤岩体内水压增大，从而在阀芯的连续旋转中产生稳定的脉动压力。煤岩体的脉动水力压裂是煤矿瓦斯治理和矿压控制技术的新手段，其关键在于脉动水压的生成。探索和研制高效可靠的脉动水力压裂设备，是该技术发展的核心内容。该水力压裂系统结构简单，实现方便，可操作性强，使用此方法可以提供压力峰值更高的脉动水，解决了注水泵等设备难以承受更高动压的问题，可以更好地用于水力压裂或煤层注水工程。

附图说明

图1是本发明的连续旋转阀脉动水力压裂装置结构示意图；

图2是本发明的连续旋转阀门结构示意图。

图中：1-水箱，2-注水管路一，3-水泵，4-注水管路二，5-泄压管路，6-连续旋转阀，7煤岩体，8-液压马达回水管路，9-液压马进水管路，10-液压马达，11-联轴器，12-固定轴，13-填料，14-阀芯，15-阀体，16-阀进水口，17-螺栓，18-螺母，19-滚动轴承，20－泄压孔，21-密封圈，22－阀出水口。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明：

如图1的示，本发明的连续旋转阀脉动水力压裂装置，主要由水箱1、注水管路、水泵3、泄压管路5、连续旋转球阀6液压马达8等组成。水箱1经注水管路一2连接水泵3，水泵3的出口设有通向煤岩体的注水管路二4，注水管路二4上设有连续旋转阀6，连续旋转阀6经联轴器11连接有液压马达10，液压马达10的入口端连接与注水管路二相连通的液压马达进水管路9，液压马达10的出口端连接与水箱1相通的液压马达回水管路8；所述水箱1内的水经注水管路一2给入水泵3，水经过水泵3增压后，流经续旋转阀6和注水管路二4注入煤岩体7。

如图2所示，所述的连续旋转阀6包括由阀座和阀盖扣合为一体的阀体15，阀座和阀盖扣合处设有将其固定在一起的螺栓17和螺母18，所述的阀座内设有阀芯14和与阀芯14相连的固定轴12，固定轴12上对称设有滚动轴承19，固定轴12的上部伸出阀座，下部设有泄压孔20，卸压孔20孔口转向进水口时，由阀体15封闭，转向出水口时，则与注水管路二4连通，所述阀盖内开有阀进水口16，所述阀座内开有与阀进水口16相通的阀出水口22。所述的连续旋转阀6的阀出水口22直径大于阀进水口16的直径。

本发明的连续旋转阀脉动水力压裂方法，具体步骤如下：

a.在煤岩体7所在的巷道内设置水箱1、注水管路一2、水泵3、通向煤岩体7内的注水管路二4，在注水管路二4上安装连续旋转阀6，并在连续旋转阀6上安装液压马达10；

b.水箱1经过管路2给水泵3供水，水经过水泵3增压后流向连续旋转阀6，液压马达10采用注水泵3产生的高压水作为工作介质，驱动连续旋转阀6的阀芯14作连续转动使连续旋转阀门6周期性的开启和闭合，在管路4中产生周期性水锤效应，从而在煤岩体7中产生脉动水压力，实现动压水力压裂；

c.当连续旋转阀6旋转到关闭状态时，泄水孔20转到出水口22或进水口16一侧，泄水孔20位于阀进水端16一侧时，泄水孔20的孔口被阀体15封闭，泄水孔20位于出水口22一侧时，泄水孔20与注水管路二4导通，注水管路二内高压水能通过泄水孔流出，返回供水箱，煤岩体内水压下降，从而增大旋转阀开启时煤岩体水压的增幅，使压力的振幅加大。