一种基于大功率电脉冲的煤层动态压裂方法及压裂器

本发明涉及煤层气开采的压裂器领域，具体是一种基于大功率电脉冲的煤层动态压裂方法及压裂器。

背景技术：

煤层气俗称瓦斯气，以游离自由态、吸附态、溶解态三种状态储存在煤层中，主要以吸附态吸附在煤的微孔缝隙表面上。开采煤层气之前，通常需要采用压裂的方法在煤体上形成裂缝，从而使吸附态的煤层气脱离煤体，方可开采煤层气。压裂技术广泛应用于井下石油、天然气、煤层气、页岩气等开采、以及煤矿井下煤层瓦斯抽采的预裂增透工艺中。

传统的压裂技术根据能量源不同主要分为：爆炸压裂技术、水力压裂技术。实践表明，现有压裂技术由于自身原理所限，普遍存在问题。爆炸压裂技术升压很快，很容易形成裂缝，压裂效率高。但升压不易控制，经常破坏地质结构，造成矿井塌方，所以爆炸压裂技术安全性差，成功率低，适用范围十分有限，仅适用于裸眼井。水力压裂技术安全性高，不易造成矿井塌方，且压裂规模大。但其弊端也很明显：首先，水力压裂升压时间过长，压裂效果不尽人意。其次，水力压裂会在裂缝壁面形成应力集中区，降低了裂缝附近的煤层气渗透率。另外，水力压裂技术需要大量专用设备，施工过程中要消耗大量含有有毒有害成分的压裂液、压裂砂等对材料，不仅会耗费大量资金，还会对地下水产生污染。因此，水力压裂技术的适用范围同样有限，仅适用于产量较高的井。

因此，有必要发明一种效果良好，适用范围广泛，安全性高，且对环境无污染的压裂技术。

技术实现要素：

本发明针对传统压裂技术效果不尽如人意、适用范围有限、安全性差、对环境的破坏性不可忽视等问题，提供了一种基于大功率电脉冲的煤层动态压裂方法及压裂器。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于大功率电脉冲的煤层动态压裂方法，即通过电导爆管两端的电极产生超高电压，利用超高电压击穿填充有电导爆液的电导爆管，释放热能，汽化位于钻孔内的超临界态的二氧化碳形成高速高压气体，作用在煤层上产生裂缝，实现电能转化为热能的过程。

本发明还提供了一种基于大功率电脉冲的煤层动态压裂器，包括呈圆柱状空心橡胶囊的头部封堵器和尾部封堵器，设于头部封堵器和尾部封堵器之间的钢筋架体和电导爆管，

所述头部封堵器的尾部一端固设有第一连接头；

所述尾部封堵器的头部一端固设有第二连接头，尾部封堵器内沿轴向方向穿设有总进料通道管，总进料通道管的尾部一端伸出尾部封堵器、头部一端伸出第二连接头，且尾部封堵器的内腔被总进料通道管分隔形成环状空腔，靠近头部封堵器的总进料通道管一端与电导爆管的一端之间连通设有带有阀门的注药管，靠近头部封堵器的总进料通道管一端管壁设有与外界相连通的带有阀门的注co2头，所述第一连接头与第二连接头之间连接固定有带有阀门的送水管，所述送水管将头部封堵器的内腔和尾部封堵器的环状内腔相连通，所述尾部封堵器上开设有带有阀门的注水头，所述注水头与尾部封堵器的环状空腔相连通；

所述电导爆管包括两端分别安装有环形电极的绝缘耐压胶管，靠近头部封堵器的绝缘耐压胶管一端为封闭结构，靠近尾部封堵器的绝缘耐压胶管一端与注药管相连通；

所述钢筋架体连接于第一连接头与第二连接头之间，且钢筋架体围设于电导爆管和送水管外。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述钢筋架体包括若干内钢筋箍，共同焊接于所有内钢筋箍外的若干钢筋棍，与内钢筋箍相对应的设于钢筋棍外的外钢筋箍。

作为本发明技术方案的进一步改进，每个内钢筋箍与相对应的外钢筋箍之间焊接连接有若干连接筋。

作为本发明技术方案的进一步改进，每个钢筋棍两端分别设有内拉环，与内拉环相对应的第一连接头和第二连接头上均设有与内拉环相套接的外拉环。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述第一连接头和第二连接头呈盖体结构，且第一连接头和第二连接头分别与头部封堵器的尾部一端、尾部封堵器的头部一端固定套接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述第一连接头和第二连接头的盖部呈正八边形。

本发明所述基于大功率电脉冲的煤层动态压裂方法及压裂器，与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）本发明在接通电导爆管两端的环形电极后，电爆-汽化-压裂过程便迅速发生，升压时间短，压裂效果好。

（2）本发明利用高功率电脉冲击穿电导爆管，释放热能汽化co2形成高速高压气体，作用在煤层上压裂煤层。相比爆炸压裂技术直接利用高能材料的爆炸压裂煤层来说更加安全。

（3）本发明施工结束后，产生的物质不会渗透到地下污染地下水。相比水力压裂环保性更好。

（4）本发明操作简单，只需牵引头，便可将压裂器送入指定位置，然后开始注料、压裂的操作。提高了压裂作业的施工效率。降低了压裂的成本，提高了经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述基于大功率电脉冲的煤层动态压裂器的结构示意图。

图2为所述钢筋架体与第一连接头和第二连接头的连接示意图。

图3为所述钢筋架体的结构示意图。

图4为所述头部封堵器和尾部封堵器的连接示意图。

图5为所述电导爆管的结构示意图。

图6为所述基于大功率电脉冲的煤层动态压裂器的使用状态图。

图中：1-头部封堵器，101-第一连接头，2-尾部封堵器，201-总进料通道管，202-注药管，203-注co2头，204-第二连接头，205-送水管，206-注水头，3-钢筋架体，301-内钢筋箍，302-外钢筋箍，303-钢筋棍，304-连接筋，305-内拉环，4-电导爆管，401-环形电极，402-绝缘耐压胶管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种基于大功率电脉冲的煤层动态压裂方法，即通过电导爆管4两端的电极产生超高电压，利用超高电压击穿填充有电导爆液的电导爆管4，释放热能，汽化位于钻孔内的超临界态的二氧化碳形成高速高压气体，作用在煤层上产生裂缝，实现电能转化为热能的过程。

在本实施例中，所述电导爆管4两端的电极可以采用环形电极401。当然，为了在电导爆管4两端施加电压，还可采用其他形状的电极。

另外，在本实施例中，所述超高电压并非固定电压，超高电压的电压值与电导爆液和电导爆管4相关，只要能够将击穿填充有电导爆液的电导爆管4的超高电压均可采用。

本发明进一步提供了一种基于大功率电脉冲的煤层动态压裂器的具体实施方式，即包括呈圆柱状空心橡胶囊的头部封堵器1和尾部封堵器2，设于头部封堵器1和尾部封堵器2之间的钢筋架体3和电导爆管4，

所述头部封堵器1的尾部一端固设有第一连接头101；

所述尾部封堵器2的头部一端固设有第二连接头204，尾部封堵器2内沿轴向方向穿设有总进料通道管201，总进料通道管201的尾部一端伸出尾部封堵器2、头部一端伸出第二连接头204，且尾部封堵器2的内腔被总进料通道管201分隔形成环状空腔，靠近头部封堵器1的总进料通道管201一端与电导爆管4的一端之间连通设有带有阀门的注药管202，靠近头部封堵器1的总进料通道管201一端管壁设有与外界相连通的带有阀门的注co2头203，所述第一连接头101与第二连接头204之间连接固定有带有阀门的送水管205，所述送水管205将头部封堵器1的内腔和尾部封堵器2的环状内腔相连通，所述尾部封堵器2上开设有带有阀门的注水头206，所述注水头206与尾部封堵器2的环状空腔相连通；

所述电导爆管4包括两端分别安装有环形电极401的绝缘耐压胶管402，靠近头部封堵器1的绝缘耐压胶管402一端为封闭结构，靠近尾部封堵器2的绝缘耐压胶管402一端与注药管202相连通；

所述钢筋架体3连接于第一连接头101与第二连接头204之间，且钢筋架体3围设于电导爆管4和送水管205外。

下面提供了本发明所述压裂器的使用方法：

s1、准备过程：关闭压裂器所有阀门，注水头206连接软管，总进料通道管201连接进料管。电导爆管4两端的环形电极401安装导线，再接入电缆，引出电缆，接到防爆电源上，通过开关控制电导爆管4的环形电极401。利用牵引装置，将压裂器送至钻孔指定作业位置。

s2、注药过程：保持注药管202的阀门的开启，注co2头203的关闭。进料管连接外部药瓶，外部药瓶通过加药泵将电导爆液注入电导爆管4中。注满后关闭注药管202的阀门。

s3、密封过程：保持注水头206与送水管205的阀门的开启状态，注水头206外端连接供给站。供给站水箱经水泵加压，将水注入尾部封堵器2的环状内腔中，再通过送水管205注入头部封堵器1内，使两个封堵器膨胀，与钻孔壁接触。两个封堵器注满水，两个封堵器与钻孔壁紧密配合，关闭注水头206与送水管205的阀门。此时两个膨胀后的封堵器之间的钻孔相当于密闭空间，可将后续过程中注入的气液混合态co2密封住。

s4、注co2过程：保持注药管202的阀门的关闭与注co2头203的开启状态。进料管连接co2气瓶。气瓶内的co2通过加压泵，将压裂升至8mpa，使co2保持气液混合态。之后通过注co2头203，将气液混合态的co2注入两个封堵器密封好的钻孔空间中。之后关闭注co2头203。

s5、电导爆-压裂过程：打开电爆开关，接通电导爆管4两端的环形电极401，电导爆管4两端的环形电极401产生超高电压，击穿电导爆管4形成通路，释放大量的热能。管外气液混合态的co2吸收电导爆产生的热能瞬间汽化，形成高速高压气体，作用在煤层上，使其上产生数条裂缝，达到压裂效果。

在本发明中，由于环形电极401位于钢筋架体3内，因此所连接的导线不受钻孔的影响。具体实施时，所述环形电极401上的导线可预埋至尾部封堵器2的橡胶层内，进而接入电缆。

具体的，为了避免钻孔对注水头206的影响，所述注水头206可设置于尾部封堵器2的尾部端面。

如图3所示，本实施例进一步提供了钢筋架体3的一种具体实施方式，所述钢筋架体3包括若干内钢筋箍301，共同焊接于所有内钢筋箍301外的若干钢筋棍303，与内钢筋箍301相对应的设于钢筋棍303外的外钢筋箍302。该结构的钢筋架体3可以避免钻孔环境对电导爆管4等器件的影响，起到保护压裂器部件的作用。

具体的，所有钢筋棍303等距排布于内钢筋箍301和外钢筋箍302之间。

为了进一步提升上述钢筋架体3的结构强度，每个内钢筋箍301与相对应的外钢筋箍302之间焊接连接有若干连接筋304。

本发明进一步提供了钢筋架体3与第一连接头101和第二连接头204之间的连接方式，即每个钢筋棍303两端分别设有内拉环305，与内拉环305相对应的第一连接头101和第二连接头204上均设有与内拉环305相套接的外拉环。

具体实施时，与外拉环相对应的第一连接头101和第二连接头204上分别开设有螺纹盲孔，所述外拉环上具有螺杆，螺杆与螺纹盲孔螺纹配合，使得外拉环固定于第一连接头101和第二连接头204上。

具体的，本实施例还提供了第一连接头101和第二连接头204的实施方式，即所述第一连接头101和第二连接头204呈盖体结构，且第一连接头101和第二连接头204分别与头部封堵器1的尾部一端、尾部封堵器2的头部一端固定套接。

如图2所示，所述第一连接头101和第二连接头204的盖部呈正八边形。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。