一種水力壓、沖、抽一體化封孔裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤層鉆孔的封孔技術(shù)，尤其涉及一種煤礦井下水力壓、沖、抽一體化封孔裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]瓦斯災(zāi)害位列我國煤礦瓦斯、水、火、頂板、煤塵等五大災(zāi)害之首，是當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)的最主要的威脅，瓦斯災(zāi)害事故一旦發(fā)生往往給企業(yè)造成大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如何有效的防止瓦斯災(zāi)害已經(jīng)成為煤礦從業(yè)人員亟需解決的重要問題。
[0003]隨著高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透技術(shù)研究的深入開展，如水力壓裂、水力沖孔、水力壓沖等水力化措施逐步得到應(yīng)用。水力壓裂以高壓水為介質(zhì)，以大于濾失速率的注入速率將高壓大排量液體注入煤層，煤層內(nèi)部產(chǎn)生的張應(yīng)力使最先達(dá)到破裂壓力的薄弱地方開始破損，煤層內(nèi)部產(chǎn)生并發(fā)育裂隙，為瓦斯解吸、運(yùn)移提供“高速通道”，具有擾動范圍大、適用于硬煤煤層增透的特點(diǎn)；而水力沖孔通過高壓水對煤體的切割、破碎作用，沖出煤渣，使鉆孔周圍煤體形成空腔，鉆孔周圍煤體向鉆孔方向發(fā)生大幅度的移動，造成煤體的膨脹變形和頂、底板間的相向位移，使鉆孔影響范圍內(nèi)地應(yīng)力降低，卸壓徹底，裂隙增加，煤層透氣性提高。水力壓沖則將水力壓裂技術(shù)及水力沖孔技術(shù)有效結(jié)合，充分利用了水力壓裂技術(shù)可開啟、擴(kuò)展、延伸煤層裂隙，水力沖孔可以出煤卸壓的優(yōu)點(diǎn)，兩者各取所長，相得益彰，形成更加均勻的抽采“縫網(wǎng)”，共同提高了抽采效率。試驗(yàn)應(yīng)用表明，水力壓沖具有增大煤層透氣性，降低地應(yīng)力及卸壓范圍大的特點(diǎn)，對于有效治理瓦斯災(zāi)害，防治瓦斯安全事故有著顯著成效，尤其對于單一、低滲、高瓦斯煤層的開采，水力壓沖正在越來越廣泛的應(yīng)用到瓦斯防治工作中去。
[0004]水力壓沖增透抽采瓦斯涉及水力壓裂、水力沖孔、聯(lián)網(wǎng)抽采等眾多步驟，尤其是對于分段水力壓裂，實(shí)施過程中鉆孔要求多次臨時(shí)封孔，而封孔質(zhì)量事關(guān)瓦斯災(zāi)害防治工作成敗。目前，現(xiàn)有封孔技術(shù)主要有兩種:漿液式封孔和封隔器封孔。漿液式封孔又分為水泥砂漿封孔和高分子聚氨酯發(fā)泡材料封孔兩種，水泥砂漿抗壓強(qiáng)度高，但其封孔時(shí)間長，水泥固化后有開裂、收縮等現(xiàn)象，當(dāng)鉆孔受地應(yīng)力影響發(fā)生變形時(shí)，易出現(xiàn)漏氣；聚氨酯類有機(jī)發(fā)泡材料具有發(fā)泡倍數(shù)高、質(zhì)量輕、封孔迅速等優(yōu)點(diǎn)，但其抗壓強(qiáng)度低，封孔速度不易控制，另外，該類材料存在遇水膨脹倍率過大，長時(shí)間放置易收縮、與鉆孔離壁等問題。此外，漿液式封孔多適用于永久性封孔，不適合需要多次封孔的分段壓裂，而且分段水力壓裂完成后進(jìn)行水力沖孔時(shí)，為了出渣需要重新擴(kuò)孔，工序繁瑣。封隔器封孔工藝簡單、可回收重復(fù)利用，但封隔器封孔對鉆孔質(zhì)量要求較高，尤其當(dāng)煤質(zhì)較軟、受采動影響鉆孔周邊發(fā)生應(yīng)力集中時(shí)，易出現(xiàn)鉆孔壁不平整的現(xiàn)象，封隔器與孔壁間容易留有間隙，密封不嚴(yán)，影響封孔效果，并且由于施工技術(shù)限制，鉆孔軌跡容易發(fā)生跑偏，封隔器難以按照要求準(zhǔn)確下入預(yù)設(shè)地點(diǎn)。
[0005]水力壓裂時(shí)要求封孔憋壓，而沖孔時(shí)要求開孔出渣，抽采時(shí)要求封孔嚴(yán)密后才能聯(lián)網(wǎng)抽采，而現(xiàn)有封孔技術(shù)顯得過于復(fù)雜、笨重，封孔效果有限，不適應(yīng)水力壓沖能夠快速封孔、解封的要求。因此，尋找一種方便快捷、安全高效的水力壓裂、沖孔、抽采一體化的封孔技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種實(shí)現(xiàn)快速、安全、經(jīng)濟(jì)、高效封孔的一種水力壓、沖、抽一體化封孔裝置及方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種水力壓、沖、抽一體化封孔裝置，包括套管，套管外端設(shè)有與套管同中心線的內(nèi)法蘭，內(nèi)法蘭螺栓連接有外法蘭，外法蘭中心開設(shè)有圓孔，外法蘭外表面焊接有同中心線且呈圓錐形狀的卡套，卡套的軸向剖面的外輪廓線為梯形，卡套的母線與外法蘭的中心線夾角為3° —5°，卡套沿軸向方向設(shè)有通槽，卡套外部螺紋連接有三個(gè)螺母，卡套內(nèi)部沿軸向方向開設(shè)有通孔，通孔與圓孔內(nèi)徑相等，卡套內(nèi)表面沿通孔軸向設(shè)有密封橡膠筒。
[0008]所述套管長8 — 10m。
[0009]所述內(nèi)法蘭與外法蘭之間設(shè)有密封橡膠墊，密封橡膠墊中心內(nèi)外通透。
[0010]所述三個(gè)螺母的外徑由內(nèi)向外依次增大。
[0011]所述三個(gè)螺母在卡套與外法蘭焊接前預(yù)先擰到卡套上。
[0012]一種水力壓、沖、抽一體化封孔方法，包括以下步驟:
(1)將帶有內(nèi)法蘭的套管下入到壓裂鉆孔內(nèi)；
(2)用注漿栗向套管外壁與鉆孔內(nèi)壁之間的空隙注入水泥漿，形成圓筒形的封堵塞；
(3)將水力壓裂管由外向內(nèi)依次穿過卡套中心的通孔和外法蘭中心的圓孔后，下入鉆孔內(nèi)；
(4 )將密封橡膠墊放置在內(nèi)法蘭和外法蘭之間，使用螺栓將內(nèi)法蘭和外法蘭固定連接，使內(nèi)法蘭和外法蘭之間密封連接，旋轉(zhuǎn)卡套外螺紋連接的三個(gè)螺母，螺母緊固卡套，卡套上的通槽間隙縮小，使密封橡膠筒和水力壓裂管之間密封連接；
(5)開啟水力壓裂栗，高壓水通過水力壓裂管進(jìn)入到目的層進(jìn)行水力壓裂作業(yè)；
(6)拆卸內(nèi)法蘭和外法蘭之間的連接螺栓，擰松三個(gè)螺母，將水力壓裂管外撤一個(gè)壓裂段長度，重復(fù)步驟(4)、(5)，直至完成整個(gè)鉆孔的壓裂作業(yè)；
(7)拆卸內(nèi)法蘭和外法蘭之間的連接螺栓，擰松三個(gè)螺母，抽出水力壓裂管，取下外法蘭和卡套，然后將帶有噴頭的高壓密封鉆桿下入鉆孔內(nèi)；
(8)開啟與高壓密封鉆桿連接的高壓水栗，高壓水通過高壓密封鉆桿對鉆孔實(shí)施水力沖孔；
(9)拆卸內(nèi)法蘭和外法蘭之間的連接螺栓，擰松三個(gè)螺母，抽出高壓密封鉆桿，將抽采管由外向內(nèi)依次穿過卡套中心的通孔和外法蘭中心的圓孔后，下入鉆孔內(nèi)，重復(fù)步驟(4);
(10)開啟與抽采管連接的瓦斯抽采栗，聯(lián)網(wǎng)后對鉆孔內(nèi)的瓦斯進(jìn)行負(fù)壓抽采作業(yè)。
[0013]所述圓孔的內(nèi)徑比水力壓裂管、高壓密封鉆桿和抽采管的外徑大3 — 5mm。
[0014]采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果:
在鉆孔內(nèi)下入套管，套管與鉆孔間環(huán)空注入的水泥漿液可充分滲透入鉆孔周邊裂隙中，有效封堵鉆孔口裂隙帶周圍煤體內(nèi)的漏氣通道。后期注漿材料凝固膨脹，形成封堵塞，使套管有力地錨固在鉆孔上。當(dāng)水力壓裂時(shí)，加壓后的水力壓裂管在反作用力的作用下有躥出鉆孔的傾向，此時(shí)，套管通過內(nèi)法蘭給外法蘭提供一個(gè)拉力，通過三個(gè)螺母施加給卡套與水力壓裂管之間的摩擦力可以防止水力壓裂管躥出鉆孔。其次，固結(jié)的注漿材料(封堵塞)可對鉆孔壁形成較大的支護(hù)力，有效預(yù)防注漿段收縮變形形成新的漏氣通道，起到減小鉆孔漏氣量的作用。
[0015]綜上所述，與現(xiàn)有封孔技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，裝拆方便，便于更換受損的部件，避免了以往分段水力壓裂時(shí)每壓裂一段都需要進(jìn)行臨時(shí)封孔，而壓裂下一段時(shí)又需要破壞之前的封孔段、擴(kuò)孔以便重新封孔的繁瑣，極大地節(jié)省了時(shí)間，提高了工作效率。本發(fā)明可以回收后重復(fù)利用，節(jié)約了封孔材料，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，可操作性強(qiáng)，市場前景好，易于推廣應(yīng)用。