專利名稱：井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置。
背景技術(shù)：
我國煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)。瓦斯抽采是我國目前進(jìn)行瓦斯治理的主要技術(shù)手段，但由于我國煤層透氣性系數(shù)普遍較低，沒有取得理想的抽采效果。當(dāng)前，井下鉆孔水力壓裂作用一種有效的煤層增透工藝取得了較大規(guī)模的應(yīng)用，但是，現(xiàn)行的井下鉆孔水力壓裂只對單個鉆孔進(jìn)行一次壓裂，高壓水很容易在鉆孔內(nèi)的薄弱段開啟裂縫并延伸，沒有能夠很好的使整個孔段較為均勻的開裂，從而降低了單孔的壓裂效率，提高了單孔壓裂成本，也沒有能夠使單孔生成更多的裂縫并延伸，影響了煤層透氣性系數(shù)的進(jìn)一步提高；另外，現(xiàn)行的水力壓裂鉆、壓是分開的，鉆進(jìn)完成后，退鉆，將帶有封隔器的鋼管塞入到孔內(nèi)再進(jìn)行壓裂，壓裂結(jié)束后，再將封隔器人力拔出。由于在鉆桿鉆進(jìn)、退鉆及壓裂的過程中，孔壁已發(fā)生了一定的變化，重新將封隔器塞入或拔出將耗費大量的人力，也難以重新連接鉆機拔鉆。有時，封隔器甚至拔不出來，導(dǎo)致壓裂鉆孔不能抽采，成為一個耗費了大量人力物力的“廢孔”。因此，有必要對鉆孔進(jìn)行分段壓裂，并實現(xiàn)鉆壓一體化。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種實現(xiàn)了鉆、壓一體化，能夠使鉆孔更長范圍內(nèi)的孔壁開啟并延伸裂縫，使煤層透氣性系數(shù)相比未分段壓裂得到更大的提高，使壓裂更加有針對性進(jìn)行的井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置，包括前后依次連接且相連通的鉆頭、第一封隔器、第一分段鉆桿、截流分水桿、第二封隔器、第二分段鉆桿、功能轉(zhuǎn)換桿；所述功能轉(zhuǎn)換桿為空心管狀，功能轉(zhuǎn)換桿通過管路連接高壓水泵，連接高壓水泵的管路連接于功能轉(zhuǎn)換桿外壁一側(cè)，并且功能轉(zhuǎn)換桿上還設(shè)有第一球閥，功能轉(zhuǎn)換桿后端連接鉆機，管路上連接第二球閥；所述截流分水桿也為空心管狀，截流分水桿內(nèi)從前至后依次設(shè)置管狀的彈簧底座、彈簧、管狀的彈簧活套，截流分水桿的桿壁上設(shè)置出水口，所述彈簧活套覆蓋出水口 ；所述鉆頭包括前側(cè)的葉片部分和葉片部分后側(cè)固設(shè)的扶正器，扶正器內(nèi)橫設(shè)小端朝向葉片部分的圓錐形空腔，葉片部分前端開設(shè)與圓錐形空腔小端連通的第一出水孔，扶正器外表面設(shè)有與圓錐形空腔連通的第二出水孔；包括一球和三球，一球的直徑大于所述圓錐形空腔小端最小截面處直徑小于圓錐形空腔大端處的直徑，一球的直徑均小于所述第一封隔器中心管、第一分段鉆桿、第二封隔器、 第二分段鉆桿、功能轉(zhuǎn)換桿的內(nèi)徑以及截流分水桿內(nèi)的彈簧底座、彈簧、彈簧活套的內(nèi)徑， 所述三球的直徑均小于所述第二封隔器、第二分段鉆桿、功能轉(zhuǎn)換桿的內(nèi)徑，三球的直徑大于彈簧活套的內(nèi)徑；當(dāng)一球卡設(shè)于圓錐形空腔時，所述第二出水孔位于一球后側(cè)。在第二分段鉆桿與功能轉(zhuǎn)換桿之間連通有孔口錨固器，孔口錨固器由內(nèi)外套設(shè)的兩空心管組成，內(nèi)外空心管之間螺紋連接，內(nèi)空心管的前端設(shè)置錐形開口，朝向錐形開口一側(cè)的外空心管外壁設(shè)置外螺紋；內(nèi)空心管的內(nèi)徑大于一球和三球的直徑。鉆頭扶正器、第一封隔器、第一分段鉆桿、截流分水桿、第二封隔器、第二分段鉆桿、孔口錨固器、功能轉(zhuǎn)換桿依次首尾螺紋連接。包括二球，二球的直徑大于一球的直徑，均小于所述第一封隔器中心管、第一分段鉆桿、第二封隔器、第二分段鉆桿、功能轉(zhuǎn)換桿的內(nèi)徑以及截流分水桿內(nèi)的彈簧底座、彈簧、 彈簧活套的內(nèi)徑；二球的直徑小于內(nèi)空心管的內(nèi)徑。各部件的作用如下(1)鉆機，提供鉆桿鉆進(jìn)的動力，同時在壓裂實施過程中，同錨固裝置同起阻擋鉆桿竄出鉆孔的作用；(2)鉆桿，鉆進(jìn)器具，與鉆機和封隔器連接，壓裂過程中，高壓水通過鉆桿進(jìn)入孔內(nèi)；(3)封隔器，2只，實施鉆孔分段水力壓裂的主要設(shè)備，起到封孔注水的作用， 同時，可以調(diào)節(jié)2只封隔器之間鉆桿的長度確定分段壓裂長度；(4)鉆頭，鉆桿鉆進(jìn)的前端， 同時，在鉆頭之內(nèi)設(shè)置不同層位的孔眼，在鉆進(jìn)的過程中，孔眼起到排水、通風(fēng)的作用，在實施壓裂前，投入小球密封鉆頭前端孔眼，只留有其余孔眼，使鉆桿內(nèi)外壓差升高，有利于封隔器膨脹密封；(5)截流分水桿，設(shè)置在兩封隔器之間的一根帶有小孔的鉆桿，在壓裂兩封隔器之間的煤體時期形成內(nèi)外壓差及出水作用；(6)投球，共計3個，直徑大小不同，在壓裂的不同階段，通過投入不同直徑的投球，起到封堵不同階段出水孔的作用。(7)功能轉(zhuǎn)換桿， 在施工鉆孔后，可開啟第一球閥使其連接水管或者風(fēng)管，在鉆桿內(nèi)排渣，同時并關(guān)閉第二球閥，使鉆桿內(nèi)用水或風(fēng)能夠通過并達(dá)到鉆頭。當(dāng)鉆進(jìn)較為困難時，可開啟第二球閥，繼續(xù)鉆進(jìn)時關(guān)閉球閥2。壓裂時，關(guān)閉球閥1、開啟球閥2并接高壓管路進(jìn)行壓裂。(8)孔口錨固器， 利用膨脹螺栓的原理起錨固作用。若鉆孔開口孔壁較為完整并致密，如巖石鉆孔，此時，可不使用錨固器，若孔壁較為破碎、松軟則使用錨固器，加大孔內(nèi)管路與孔壁的摩擦力，使在壓裂過程中孔內(nèi)裝置不致被高壓水頂出孔外。在常態(tài)下錐形開口縮緊包覆于外空心管內(nèi)， 外空心管的外螺紋可螺紋連接于鉆桿內(nèi)，然后轉(zhuǎn)動內(nèi)空心管，將錐形開口露出并展開，加大鉆桿內(nèi)壁與錐形開口的摩擦力，起到固定鉆桿的作用。本實用新型的有益效果為( 1)在鉆孔內(nèi)實施分段壓裂，與未分段壓裂相比較，能夠使鉆孔更長范圍內(nèi)的孔壁開啟并延伸裂縫；使煤層透氣性系數(shù)相比未分段壓裂得到更大的提高；(2)實現(xiàn)了鉆、壓一體化，現(xiàn)行的水力壓裂工藝鉆孔和壓裂時分開一次進(jìn)行的，耗時時間長，并且人工不容易下封隔器及拔出封隔器，鉆壓一體化工藝時間減半，同時，在鉆機的作用下可以較容易的使孔內(nèi)裝置前進(jìn)或后退；(3)針對孔壁是否破碎、松軟，研制了孔口錨固裝置，使壓裂更加有針對性的進(jìn)行；(4)截流分水桿的研制較好的實現(xiàn)了封堵與排水的作用，出水口的大小小于桿內(nèi)徑，使出水口內(nèi)外形成了壓差，有利于封隔器1和封隔器2的膨脹；(5)井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂工藝及裝置操作簡單，實用性強，能夠顯著增大煤層透氣性系數(shù)，有利于瓦斯的抽采。本實用新型在不改變原有地應(yīng)力狀態(tài)下，通過高壓水力對煤體或巖體進(jìn)行分段均勻壓裂，使得煤儲層裂縫能夠均勻的進(jìn)一步擴張、延伸、相互聯(lián)通，達(dá)到增透提高抽采效率的目的，增強煤層透氣性、減少采、掘工作面瓦斯涌出量，顯著提升單孔抽采能力和抽采效果。提高抽放效率、縮短抽放時間、加大抽放半徑、減少鉆進(jìn)工程量、最大限度消除瓦斯災(zāi)害。實施井下鉆孔分段壓裂鉆壓一體化工藝能夠?qū)⒚簩拥耐笟庑韵禂?shù)提高20倍以上。為煤礦安全高效回采、掘進(jìn)提供了寶貴時間及安全保障。

圖1是本實用新型井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是功能轉(zhuǎn)換桿的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是孔口錨固器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4的左視圖；圖6是截流分水桿的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是截流分水桿的工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是第一次壓裂時的使用狀態(tài)圖；圖9是第二次壓裂時的使用狀態(tài)圖；圖10是第二次壓裂后退鉆時的使用狀態(tài)圖。
具體實施方式
實施例1 由圖1-圖7所示的一種井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置，包括前后依次連接且相連通的鉆頭1、第一封隔器3、第一分段鉆桿4、截流分水桿5、第二封隔器6、第二分段鉆桿 7、功能轉(zhuǎn)換桿9，在第二分段鉆桿7與功能轉(zhuǎn)換桿9之間連通有孔口錨固器8，所述功能轉(zhuǎn)換桿9為空心管狀，功能轉(zhuǎn)換桿9通過管路11連接高壓水泵12，高壓水泵12與注水的水箱連接(水箱圖中未示出)，連接高壓水泵12的管路11連接于功能轉(zhuǎn)換桿9外壁一側(cè)，管路 11與功能轉(zhuǎn)換桿9連接處后側(cè)的管路11上設(shè)置第二球閥10，并且該管路11與功能轉(zhuǎn)換桿 9連接處的后側(cè)功能轉(zhuǎn)換桿9上設(shè)有第一球閥14，功能轉(zhuǎn)換桿9的后端15連接鉆機13?？卓阱^固器由內(nèi)外套設(shè)的兩空心管組成，內(nèi)、外空心管17’ 18之間螺紋連接，內(nèi)空心管17的前端設(shè)置鋼材料制成的錐形開口 16，朝向錐形開口一側(cè)的外空心管18外壁設(shè)置外螺紋，在常態(tài)下錐形開口 16縮緊包覆于外空心管18內(nèi)，外空心管18的外螺紋17A可螺紋連接于第二分段鉆桿7內(nèi)，然后轉(zhuǎn)動內(nèi)空心管2，將錐形開口 16露出并展開，加大第二分段鉆桿7內(nèi)壁與錐形開口 16的摩擦力，起到固定第二分段鉆桿7的作用。所述截流分水桿5也為空心管狀，截流分水桿5內(nèi)從前至后依次設(shè)置管狀的彈簧底座25、彈簧沈、管狀的彈簧活套27，截流分水桿5的桿壁上設(shè)置出水口觀，所述彈簧活套27覆蓋出水口觀；所述鉆頭1包括前側(cè)的葉片部分19和葉片部分19后側(cè)固設(shè)的扶正器2，扶正器2內(nèi)橫設(shè)小端朝向葉片部分19 的圓錐形空腔23，葉片部分19前端開設(shè)與圓錐形空腔23小端連通的第一出水孔20，扶正器2外表面設(shè)有與圓錐形空腔23連通的第二出水孔21 ；包括均為圓球狀的一球?qū)?、二?2 和三球四，一球M的直徑大于所述圓錐形空腔23小端最小截面處直徑小于圓錐形空腔23 大端處的直徑，一球M的直徑均小于所述第一封隔器3中心管、第一分段鉆桿4、第二封隔器6、第二分段鉆桿7、功能轉(zhuǎn)換桿9的內(nèi)徑以及截流分水桿5內(nèi)的彈簧底座25、彈簧沈、彈簧活套27的內(nèi)徑。二球22的直徑大于一球M的直徑，均小于所述第一封隔器3中心管、 第一分段鉆桿4、第二封隔器6、第二分段鉆桿7、功能轉(zhuǎn)換桿9的內(nèi)徑以及截流分水桿5內(nèi)的彈簧底座25、彈簧沈、彈簧活套27的內(nèi)徑。所述三球四的直徑均小于所述第二封隔器 6、第二分段鉆桿7、功能轉(zhuǎn)換桿9的內(nèi)徑，三球四的直徑大于彈簧活套27的內(nèi)徑，內(nèi)空心管 17的內(nèi)徑均大于一球M、二球22和三球四的直徑；當(dāng)一球M卡設(shè)于圓錐形空腔23時，所述第二出水孔21位于一球M后側(cè)。鉆頭1的扶正器2、第一封隔器3、第一分段鉆桿4、截流分水桿5、第二封隔器6、第二分段鉆桿7、孔口錨固器8、功能轉(zhuǎn)換桿9首尾依次為螺紋連接。所述第一分段鉆桿4和第二分段鉆桿7每一分段均由多節(jié)鉆桿組成。由圖8-圖10所示的井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂抽采瓦斯工藝，是在實施例1 的基礎(chǔ)上實施的，步驟如下先選取壓裂地點；再確定鉆孔參數(shù)施工鉆孔，鉆孔參數(shù)包括孔長、開孔高度、孔徑、傾角、方位角；然后設(shè)計水力壓裂，包括分段壓裂數(shù)目及每段壓裂長度、 壓裂時間、每段壓裂注入水量、注入壓力；將實施例1所述的井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置裝配好，通過開啟鉆機13，鉆進(jìn)煤層鉆孔內(nèi)，然后停鉆，由第二球閥10處投入一球24， 關(guān)閉第一球閥14，開啟第二球閥10，開啟高壓水泵12，用高壓水將一球M從第二球閥10處投入并卡在鉆頭1圓錐形空腔23的小端，此時封堵圓錐形空腔23的第一出水孔20并露出圓錐形空腔23的第二出水孔21，由于第一封隔器3孔內(nèi)壓力與鉆頭1小孔出水壓力形成壓差，使第一封隔器3膨脹并封堵第一封隔器3前端煤體，這時關(guān)閉第一球閥14，開啟第二球閥10并接通高壓水泵12通過釋放高壓水進(jìn)行第一次壓裂；第一次壓裂完成后，關(guān)閉第二球閥14，開啟第一球閥10，開動鉆機13退鉆，退鉆長度大于第一壓裂段長度廣2m，停止退鉆后；開始進(jìn)行第二次壓裂，從功能轉(zhuǎn)換桿9的第二球閥10處投入二球22，利用高壓水泵12產(chǎn)生高壓水將二球22噴射入鉆頭1圓錐形空腔23內(nèi)的一球M后側(cè)并封堵圓錐形空腔23的第二出水孔21，二球22的直徑大于一球M的直徑，均小于所述第一封隔器3中心管、第一分段鉆桿4、第二封隔器6、第二分段鉆桿7、功能轉(zhuǎn)換桿9的內(nèi)徑以及截流分水桿5 內(nèi)的彈簧底座25、彈簧沈、彈簧活套27的內(nèi)徑，同時，從功能轉(zhuǎn)換桿9的第二球閥10處投入三球四，利用高壓水將三球四噴射至截流分水桿5處，截流分水桿5的彈簧活套27在三球四的作用下向前壓縮彈簧沈，使截流分水桿5的出水口外露，高壓水由截流分水桿5 出水口流出，同時，第一封隔器3，第二封隔器6均為膨脹狀態(tài)，封堵第一封隔，3與第二封隔器6之前的煤層，然后進(jìn)行第二次壓裂；第二次壓裂完成后，退鉆，退出長度大于第二階段壓裂長度；開始進(jìn)行第三次壓裂，開啟高壓水泵12，井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置內(nèi)通入高壓水進(jìn)行第三孔段的壓裂；然后循環(huán)退鉆壓裂，直至壓裂完成整個鉆孔至孔口段 20m以內(nèi)；最后完全退出鉆桿，用封孔材料進(jìn)行封孔。壓裂時，均關(guān)閉第一球閥14、開啟第二球閥10。需要投放一球M或者二球22或者三球四時，可先將第二球閥10朝向功能轉(zhuǎn)換桿9的一面從管路11上卸下，卸掉的那段管路11開口處放置一球M或者二球22或者三球29，然后在與第二球閥10連接。在常態(tài)下錐形開口 16縮緊包覆于外空心管18內(nèi)，組裝第二分段鉆桿7與孔口錨固器8時，外空心管18的外螺紋17A可螺紋連接于第二分段鉆桿 7內(nèi)，然后轉(zhuǎn)動內(nèi)空心管2，將錐形開口 16露出并展開，加大第二分段鉆桿7內(nèi)壁與錐形開口 16的摩擦力，起到固定第二分段鉆桿7的作用。退鉆時，應(yīng)關(guān)閉高壓水泵12。在施工鉆孔后，可開啟第一球閥14使其連接水管或者風(fēng)管，在鉆桿內(nèi)排渣，同時關(guān)閉第二球閥10，使第一分段鉆桿內(nèi)用水或風(fēng)能夠通過并達(dá)到鉆頭1。
權(quán)利要求1.一種井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置，其特征在于包括前后依次連接且相連通的鉆頭、第一封隔器、第一分段鉆桿、截流分水桿、第二封隔器、第二分段鉆桿、功能轉(zhuǎn)換桿；所述功能轉(zhuǎn)換桿為空心管狀，功能轉(zhuǎn)換桿通過管路連接高壓水泵，連接高壓水泵的管路連接于功能轉(zhuǎn)換桿外壁一側(cè)，并且功能轉(zhuǎn)換桿上還設(shè)有第一球閥，功能轉(zhuǎn)換桿后端連接鉆機，管路上連接第二球閥；所述截流分水桿也為空心管狀，截流分水桿內(nèi)從前至后依次設(shè)置管狀的彈簧底座、彈簧、管狀的彈簧活套，截流分水桿的桿壁上設(shè)置出水口，所述彈簧活套覆蓋出水口 ；所述鉆頭包括前側(cè)的葉片部分和葉片部分后側(cè)固設(shè)的扶正器，扶正器內(nèi)橫設(shè)小端朝向葉片部分的圓錐形空腔，葉片部分前端開設(shè)與圓錐形空腔小端連通的第一出水孔，扶正器外表面設(shè)有與圓錐形空腔連通的第二出水孔；包括一球和三球，一球的直徑大于所述圓錐形空腔小端最小截面處直徑小于圓錐形空腔大端處的直徑，一球的直徑均小于所述第一封隔器中心管、第一分段鉆桿、第二封隔器、第二分段鉆桿、功能轉(zhuǎn)換桿的內(nèi)徑以及截流分水桿內(nèi)的彈簧底座、彈簧、彈簧活套的內(nèi)徑，所述三球的直徑均小于所述第二封隔器、第二分段鉆桿、功能轉(zhuǎn)換桿的內(nèi)徑，三球的直徑大于彈簧活套的內(nèi)徑；當(dāng)一球卡設(shè)于圓錐形空腔時，所述第二出水孔位于一球后側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置，其特征在于在第二分段鉆桿與功能轉(zhuǎn)換桿之間連通有孔口錨固器，孔口錨固器由內(nèi)外套設(shè)的兩空心管組成，內(nèi)外空心管之間螺紋連接，內(nèi)空心管的前端設(shè)置錐形開口，朝向錐形開口一側(cè)的外空心管外壁設(shè)置外螺紋；內(nèi)空心管的內(nèi)徑大于一球和三球的直徑。
3.如權(quán)利要求2所述的井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置，其特征在于鉆頭扶正器、 第一封隔器、第一分段鉆桿、截流分水桿、第二封隔器、第二分段鉆桿、孔口錨固器、功能轉(zhuǎn)換桿依次首尾螺紋連接。
4.如權(quán)利要求3所述的井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置，其特征在于包括二球，二球的直徑大于一球的直徑，均小于所述第一封隔器中心管、第一分段鉆桿、第二封隔器、第二分段鉆桿、功能轉(zhuǎn)換桿的內(nèi)徑以及截流分水桿內(nèi)的彈簧底座、彈簧、彈簧活套的內(nèi)徑；二球的直徑小于內(nèi)空心管的內(nèi)徑。
專利摘要本實用新型公開了一種井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置，包括前后依次連接且相連通的鉆頭、第一封隔器、第一分段鉆桿、截流分水桿、第二封隔器、第二分段鉆桿、功能轉(zhuǎn)換桿；還包括一球、二球、三球。本實用新型是一種實現(xiàn)了鉆、壓一體化，能夠使鉆孔更長范圍內(nèi)的孔壁開啟并延伸裂縫，使煤層透氣性系數(shù)相比未分段壓裂得到更大的提高，使壓裂更加有針對性進(jìn)行的井下鉆孔鉆壓一體化分段壓裂裝置及抽采瓦斯工藝。
文檔編號E21B17/00GK201953367SQ201020690228
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者倪小明, 劉曉, 宋金星, 張麗梅, 蘇現(xiàn)波, 郭紅玉 申請人:河南理工大學(xué)