一种煤岩软化活性压裂装置的制作方法

本实用新型属于矿山工程技术领域，尤其是涉及一种煤岩软化活性压裂装置。

背景技术：

我国煤矿主要采用井工开采，开采条件复杂，作业环境恶劣、致灾因子多，特别是高应力、低透气性和含硬夹矸(结核)煤岩的机械化开采、瓦斯抽采、冲击灾害及煤尘防治等难以取得成效。煤岩渗透率主要取决于介质的孔隙率、内部裂纹几何性质、裂隙分形维数、内部的应力-应变状态和孔隙压力等，这些被认为是影响煤岩渗透率的主要因素，其中前三个为直接因素，应力-应变状态和孔隙压力通过改变岩石内部孔隙和裂隙而影响渗透率。

水力压裂和爆破致裂技术是煤岩增透的有效途径，虽能整体卸压增透，一定程度的提高煤层的透气性和破碎率，但是其适用性差、工艺复杂、工作量大，更重要的是这些措施不能解决低渗煤岩的疏水性，不能增强低渗煤岩的渗透性和软化性。具体体现在：水力压裂技术通过加压泵把压裂液压入钻孔来压裂煤岩，此种方式由于泵的排量和其工艺特点的限制，其压力上升时间太长，加载速度慢，峰值压力低，所以只能形成一条垂直最小主应力方向的裂纹，此裂纹易于沿着原生软弱面扩展，不易生成垂直于层面的新裂纹，使裂纹不易相互沟通，故不能显著增加煤岩的透气性。即使高压水能够压裂煤体，随着裂隙体积的增加，压裂液的压力也不断降低，快速丧失压裂作用效力。另外压裂夜比例也难以控制，分布也不均匀，煤岩的亲水性等也会影响煤岩的透气性，其压裂设备复杂，成本费用也高，故不适应于提高瓦斯排放。爆破致裂技术是将煤矿需用安全炸药或高能炸药置于钻孔，用炮泥封堵实施爆破，此方式压力上升时间短，峰值压力高，可产生无数短缝，但由于其爆炸压力远高于围岩的屈服强度，导致钻孔壁严重破碎垮塌，形成残余压力区“应力笼”，从而降低了渗透率。其它水力挤压措施，包括：水力挤出，位于应力集中带以外的卸压带，适用于软煤，通过松动煤岩卸压增透，不能用水力压裂原理解释；水力割缝，通过高压水射流在煤岩中割缝卸压增透；高压注水，类似于水力压裂，但注水压力与注水量有限，不能开启大的裂缝或使裂缝有效延伸、贯通。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤岩软化活性压裂装置，其结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，通过将防尘水压裂液或超临界CO₂活性压裂液作为待压裂煤岩的压裂液，投入成本较低，且压裂效果好，压裂液气液两相循环转化能够持续增加压裂能量，实现良好的压裂效果，有效防止了煤岩中粘土矿物的膨胀，减少了压裂液对地层的伤害，进而提高待压裂煤岩的渗透性，并且施工过程易于控制。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：包括输送机构和与所述输送机构连通的压裂机构，所述输送机构包括管道以及依次设置在管道上的供应单元、动力单元和调节单元，所述压裂机构设置在管道的输出端；

所述供应单元包括第一反应器，所述第一反应器上设置有压裂剂进液管和防尘水进液管，所述调节单元包括单向阀和与单向阀连通的三通接头；

所述压裂机构包括与管道连通且伸入到待压裂煤岩压裂孔内的压裂管和设置在所述压裂管上的封孔器，所述封孔器包括设置在压裂孔内的第一封孔胶囊和第二封孔胶囊。

上述一种煤岩软化活性压裂装置，其特征是：还包括与第一反应器连通的第二反应器，所述第二反应器上设置有超临界液体CO₂进液管。

上述一种煤岩软化活性压裂装置，其特征是：所述动力单元为高压压裂泵，所述高压压裂泵的额定压力为80MPa～120MPa，所述高压压裂泵的流量为6m³/h～14m³/h。

上述一种煤岩软化活性压裂装置，其特征是：所述压裂管位于第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间的管路为所述压裂管的释放段，所述释放段上设置有多个释放孔，多个所述释放孔在所述释放段上呈螺旋线布设，所述释放段与压裂孔的内壁之间设置有空腔，注液管一端裸露在压裂孔外，注液管另一端穿过第一封孔胶囊伸入到所述空腔内。

上述一种煤岩软化活性压裂装置，其特征是：所述管道为钢丝缠绕胶管，所述钢丝缠绕胶管的直径为30mm～135mm，所述钢丝缠绕胶管的抗压强度均大于120MPa；

上述一种煤岩软化活性压裂装置，其特征是：所述三通接头的两个接头均与所述管道连通，三通接头的另外一个接头处设置有手动调压开关。

上述一种煤岩软化活性压裂装置，其特征是：所述管道上还设置有用于释放所述管道压力的释放器。

上述一种煤岩软化活性压裂装置，其特征是：还包括对所述动力单元的压力和流量进行监测的监测单元，所述监测单元包括控制器和为控制器供电的电源模块，所述控制器的输入端连接有压力监测模块和流量监测模块，所述控制器的输出端连接有显示模块，所述电源模块与所述控制器之间串接有通电控制开关。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的煤岩软化活性压裂装置结构简单且制作简便，投入成本较低。

2、所采用的煤岩软化活性压裂装置结构设计合理，包括输送机构和与所述输送机构连接的压裂机构，所述输送机构包括管道、依次设置在管道上的动力单元、调节单元以及连接在所述管道入口处的供应单元，所述压裂机构连接在所述管道的出口，连接简便。

3、所采用的压裂液为压裂剂与防尘水混合的防尘水压裂液，或者为防尘水压裂液和超临界液体CO₂混合的超临界CO₂活性压裂液，投入成本较低，且压裂效果好，压裂液气液两相循环转化能够持续增加压裂能量，实现良好的压裂效果。压裂液注入煤岩压裂孔，压裂过程中一部分受热膨胀汽化，使压裂压力继续增加，压裂裂隙得以不断延伸；随着压裂液汽化，吸热量的增加，部分压裂液转变为低粘度的水隔膜，进入煤岩裂隙起到支撑剂的作用，有效的防止压裂裂隙的闭合，且压裂液的三态循环转化促进压裂压力持续增加，使煤岩的压裂裂隙范围不断扩展，直至压裂液多数转化为气态，或游离态存在于煤岩裂隙或竞争吸附于煤岩；面活性剂溶解于水，并与水反应生成弱酸性的碳酸，该反应可以降低压裂液的pH值，有效防止了煤岩中粘土矿物的膨胀，减少了压裂液对地层的伤害，进而提高待压裂煤岩的渗透性；同时，煤岩软化活性压裂装置对煤岩进行压裂的施工工艺相对于水力压裂简单，同时对煤岩具有较好的降温效果，并促进煤岩CH₄分解吸收，有效防止安全事故的发生。

4、该装置不仅可用于高应力、低透气性和含硬夹矸(结核)煤岩的压裂，而且还可用于冲击灾害防治、瓦斯抽采等方面。

5、该装置设计合理且施工简便、使用效果好，具有以下几方面优点：第一、施工效率高：在封孔之前进行预压，使压裂孔内产生定向裂隙，有效地控制引导压裂孔中压裂液压裂方向，有利于煤岩的软化压裂，提高煤岩的渗透性；第二、成本低：压裂完成后，进行泄压，将煤岩软化活性压裂装置中的压裂液进行回收，同时煤岩软化活性压裂装置均可重复利用，节约成本，节约资源；第三、施工质量可控制，控制压裂液制备过程中的混合时间及流量，保证压裂液的质量；通过监测单元能够控制调整动力单元对压裂液施加的压力，同时通过对检测孔孔内是否渗入的压裂液或者采用便携式气体质量浓度检测仪判断压裂是否的终止；第四、施工安全性高，第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间的压裂管为压裂管的释放段，释放段上设置有多个释放孔，多个释放孔在释放段上呈螺旋线布设；第一封孔胶囊上套设有注液管，注液管的一端设置在压裂孔的孔口，另一端设置在第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间，对第一封孔胶囊与第二封孔胶囊之间的部分进行密封，采用双封孔胶囊(第一封孔胶囊和第二封孔胶囊之间)+封孔浆液的形式进行封孔，目的在于对压裂孔内的压裂液进行保压(使压裂孔内的压力可以持续升高)，防止压力升高时压裂液从压裂孔内溢出，对周围的作业人员造成伤害。

综上所述，本实用新型结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，能简便、有效完成煤岩软化压裂的施工过程，并且施工过程易于控制。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的使用状态示意图。

图3为本实用新型实施例2的结构示意图。

图4为本实用新型实施例2的使用状态示意图。

图5为本实用新型中监测单元的电路原理框图。

附图标记说明:

1-1—第一反应器； 1-2—第二反应器； 2—压裂剂进液管；

3-1—防尘水进液管； 3-2—超临界液体CO₂进液管；

4—高压压裂泵； 5—管道； 6—压裂管；

7-1—第一封孔胶囊； 7-2—第二封孔胶囊； 8—注液管；

9—单向阀； 10—三通接头； 11—快速接头；

12—释放器； 13—压裂孔； 14—检测孔；

15—待压裂煤岩； 16—压力监测模块； 17—流量监测模块；

18—控制器； 19—电源模块； 20—通电控制开关；21—显示模块。

具体实施方式

本实用新型一种煤岩软化活性压裂装置通过实施例1和实施例2进行详细描述：

实施例1

如图1、图2所示的一种煤岩软化活性压裂装置，包括输送机构和与所述输送机构连通的压裂机构，所述输送机构包括管道5以及依次设置在管道5上的供应单元、动力单元和调节单元，所述压裂机构设置在管道5的输出端；

所述供应单元包括第一反应器1-1，所述第一反应器1-1上设置有压裂剂进液管2和防尘水进液管3-1，所述调节单元包括单向阀9和与单向阀9连通的三通接头10；

所述压裂机构包括与管道5连通且伸入到待压裂煤岩15压裂孔13内的压裂管6和设置在所述压裂管6上的封孔器，所述封孔器包括设置在压裂孔13内的第一封孔胶囊7-1和第二封孔胶囊7-2。

本实施例中，压裂剂与防尘水在第一反应器1-1中进行混合后，通过管道5进入动力单元，动力单元对压裂液进行加压后，压裂液通过管道5进入压裂管6，对待压裂煤岩15进行压裂，使煤岩软化，进而提高煤岩的渗透性。

本实施例中，压裂剂采用专利号为201010107229.7的发明专利申请《一种煤岩软化活性压裂剂》中所公开的煤岩软化活性压裂剂，所述防尘水为生活用水或采煤区处理过的废弃水。

煤岩软化活性压裂装置对煤岩进行压裂对于水力压裂，对煤岩具有较好的降温效果，并促进煤岩CH₄分解吸收等优势，有效的防止瓦斯爆炸，减少煤矿事故保护矿工人身安全。

实际使用时，所述动力单元设置在所述管道5的输入端。

实际使用时，第一反应器1-1(例如釜式反应器和喷射反应器)为用于实现液—液反应过程的装置。

实际使用时，压裂管6采用内径为50mm、壁厚5mm的无缝钢管。

实际使用时，管道5与压裂管6通过快速接头11连接。

所述运输机构和压裂机构均以移动槽车或移动罐车为操作平台，当需要对待压裂煤岩15进行压裂时，将煤岩软化活性压裂装置在移动槽车或移动罐车的操作平台上进行连接，连接完成后将移动槽车或移动罐车移动至待压裂煤岩15工作面对待压裂煤岩15进行压裂，施工方便且灵活性强。

本实施例中，以压裂剂和防尘水混合反应后的防尘水压裂液作为压裂待压裂煤岩15的媒质，采用移动槽车或移动罐车将防尘水压裂液运输至矿井下，应用高压压裂泵4将防尘水压裂液注入压裂孔13，且对压裂孔13中防尘水压裂液进行施压，在预压产生的定向压裂裂隙弱面内对压裂孔13的孔壁面产生内压作用，导致定向压裂裂隙弱面发生扩展、延伸、以至相互之间发生连接贯通，形成相互交织的贯通裂隙网络，实现对煤岩硬度系数大且含硬夹矸(结核)煤岩的安全压裂，增加煤岩的裂隙发育，达到提高煤岩渗透率、矿井增产和提高块煤产出率的目的。

本实施例中，所述动力单元为高压压裂泵4，所述高压压裂泵4的额定压力为80MPa～120MPa，所述高压压裂泵4的流量范围为6m³/h～14m³/h。

本实施例中，所述压裂管6位于第一封孔胶囊7-1和第二封孔胶囊7-2之间的管路为所述压裂管6的释放段，所述释放段上设置有多个释放孔，多个所述释放孔在所述释放段上呈螺旋线布设，所述释放段与压裂孔13的内壁之间设置有空腔，注液管8一端裸露在压裂孔13外，注液管8另一端穿过第一封孔胶囊7-1伸入到所述空腔内。

实际使用时，在对压裂孔13进行压裂前，对压裂孔13进行封孔，首先对第一封孔胶囊7-1与第二封孔胶囊7-2充气，然后对所述空腔进行密封，密封的方式有两种：释放孔和注液管8，采用释放孔进行注液时，密封浆液为防尘水压裂液，使用方便；采用注液管8进行注液时，密封浆液为具有密封性、亲水性良好的浆液，也可为防尘水压裂液。

实际使用时，所述第一封孔胶囊7-1和第二封孔胶囊7-2上均有自锁功能，当对第一封孔胶囊7-1与第二封孔胶囊7-2充气时，第一封孔胶囊7-1和第二封孔胶囊7-2内的气体压力均达到5MPa时，第一封孔胶囊7-1和第二封孔胶囊7-2的自锁功能开启，停止对第一封孔胶囊和第二封孔胶囊7-2进行充气。

注液管8的作用：一是对所述空腔进行密封；二是泄压时排出所述空腔内的密封浆液。

对压裂孔13进行封孔的目的：采用双封孔胶囊(第一封孔胶囊7-1和第二封孔胶囊7-2)+封孔浆液的形式进行封孔，目的在于对压裂孔13内的防尘水压裂液进行保压(使压裂孔13内的压力可以持续升高)，防止防尘水压裂液的压力升高时防尘水压裂液从孔内溢出，对周围的作业人员造成伤害。

同时，封孔器的封孔强度必须大于压裂过程中产生的最大反冲力，最大反冲力按下式计算：F_max＝0.25πD2P×10^-3，式中：F_max—最大反冲力，单位为kN；D—钻孔直径，单位为mm；P—高压压裂泵的额定压力，单位为MPa。

实际使用时，对待压裂煤岩15的压裂孔13可通过分段压裂和全段压裂两种压裂方式：

当分段压裂时，通过第一封孔胶囊7-1与第二封孔胶囊7-2之间的距离及第二封孔胶囊7-2与压裂孔13孔底之间的距离进行分段控制，根据实际压裂孔13的压裂需求，设置第一封孔胶囊7-1与第二封孔胶囊7-2后，对设置第一封孔胶囊7-1与第二封孔胶囊7-2后充气，密封所述释放段与压裂孔13的内壁之间设置的空腔，对第二封孔胶囊7-2到压裂孔13孔底之间的部分进行压裂，此时的压裂分段为：所述空腔、第二封孔胶囊7-2到压裂孔13孔底之间的部分，所述空腔既作为密封段又作为压裂段，实现了对待压裂煤岩15的压裂孔13的分段压裂；

当全段压裂时，将第一封孔胶囊7-1与第二封孔胶囊7-2设置在压裂孔13的孔口处，对所述空腔进行密封后，对第二封孔胶囊7-2到压裂孔13孔底之间的部分进行全段压裂，此时所述空腔仅作为密封段。

本实施例中，所述管道5为钢丝缠绕胶管，所述钢丝缠绕胶管的直径为30mm～135mm，所述钢丝缠绕胶管的抗压强度均大于120MPa。

所述三通接头10的两个接头均与所述管道5连接，另外一个接头处设置有手动调压开关。

实际使用时，所述管道5的直径为30mm～135mm的钢丝缠绕胶管，目的是增加管道5的强度，防止在压裂过程中由于防尘水压裂液的压力导致管道5的爆裂。

所述三通接头10的两个接头均与管道5连通，另外一个接头处设置有手动调压开关，在压裂过程中，手动调压开关处于关闭状态，防尘水压裂液通过管道5进入压裂管6对待压裂煤岩15进行压裂，压裂结束后，打开手动调压开关对管道5内的防尘水压裂液进行泄压后排出管道5的防尘水压裂液。

本实施例中，所述管道5上还设置有用于释放所述管道5压力的释放器12。

实际使用时，所述释放器12设置在供应单元与所述动力单元之间的管道5上，释放器12的作用是当压裂完成后，打开释放器12使管道5中防尘水压裂液的压力进行释放，便于防尘水压裂液的回收。

本实施例中，所述压裂剂进液管2设置有控制所述压裂剂进液管2压力和流量的控制阀，所述防尘水进液管3-1设置有控制所述防尘水进液管3-1压力和流量的控制阀。

所述压裂剂进液管2、防尘水进液管3-1处设置控制压力和流量的控制阀目的是控制压裂剂和防尘水的压力和流量，以保证压裂剂和防尘水在第一反应器1-1中的含量和反应时间，最终得到所需质量浓度的防尘水压裂液。

实际使用时，供应单元与所述动力单元之间的管道5上同样设置有控制阀，能够根据实际施工时，在待压裂煤岩15压裂开始或终止时，控制压裂剂和防尘水的供给。

如图5所示的一种煤岩软化活性压裂装置，还包括对所述动力单元的压力和流量进行监测的监测单元，所述监测单元包括控制器18和为控制器18供电的电源模块19，所述控制器18的输入端连接有压力监测模块16和流量监测模块17，所述控制器18的输出端连接有显示模块21，所述电源模块19与所述控制器18之间串接有通电控制开关20。

在实际施工过程中，所述压力监测模块16能够对高压压裂泵4的压力和流量进行实时监测，在对所述高压压裂泵4进行试压和对压裂孔进行压裂时，保证高压压裂泵4内的试压压力大于或等于高压压裂泵4的额定压力；通过所述流量监测模块17监测所述高压压裂泵4内防尘水压裂液的流量，保证对压裂孔13进行压裂时防尘水压裂液的供给。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是：如图3、图4所示的一种煤岩软化活性压裂装置，所采用的煤岩软化活性压裂装置中，所述供应单元与第一反应器1-1连通的第二反应器1-2，所述第一反应器1-1上设置有压裂剂进液管2和防尘水进液管3-1，所述第二反应器1-2上设置有超临界液体CO₂进液管3-2。

实际使用时，第一反应器1-1(例如釜式反应器或喷射反应器)和第二反应器1-2(例如釜式反应器或喷射反应器)均为用于实现液—液反应过程的装置。

本实施例中，所述压裂剂进液管2设置有控制所述压裂剂进液管2压力和流量的控制阀，所述防尘水进液管3-1设置有控制所述防尘水进液管3-1压力和流量的控制阀，所述超临界液体CO₂进液管3-2设置有控制所述超临界液体CO₂进液管3-2压力和流量的控制阀。

所述压裂剂进液管2、防尘水进液管3-1处设置控制压力和流量的控制阀目的是控制压裂剂和防尘水的压力和流量，以保证压裂剂和防尘水在第一反应器1-1中的含量和反应时间，最终得到所需质量浓度的防尘水压裂液，所述超临界液体CO₂进液管3-2设置有控制所述超临界液体CO₂进液管3-2压力和流量的控制阀，目的是控制超临界液体CO₂的压力和流量，以保证防尘水压裂剂和超临界液体CO₂在第二反应器1-2中的含量和反应时间，最终得到所需质量浓度的超临界CO₂活性压裂液。

本实施例中，压裂剂与防尘水在第一反应器1-1中进行均匀混合后，得到防尘水压裂液，然后将得到的防尘水压裂液和超临界液体CO₂在第二反应器1-2中进行均匀混合后，得到超临界CO₂活性压裂液，超临界CO₂活性压裂液通过管道5进入动力单元，动力单元对压裂液进行加压后，压裂液通过管道5进入压裂管6，对待压裂煤岩15进行压裂，使煤岩软化，进而提高煤岩的渗透性。

超临界CO₂活性压裂液在待压裂煤岩15中扩散能力强，渗透能力强，容易产生大量的微裂隙网络，能够提高渗透性和CH₄驱气能力，降低超临界CO₂活性压裂液的敏感度，减少了超临界CO₂活性压裂液的所需量，降低了超临界液体CO₂的需求量，防止了煤岩压裂导致的温室气体的二次排放污染，同时，能够预防冲击灾害，降低煤尘、防止瓦斯和煤岩自燃发火等。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。