封孔、水力壓裂及瓦斯抽採一體化施工裝置及其施工方法與流程

2023-05-17 02:14:16 1

本發明屬於煤礦安全生產技術領域，具體涉及一種封孔、水力壓裂及瓦斯抽採一體化施工裝置及其施工方法。

背景技術：

對於透氣性差的高瓦斯煤層，水力壓裂技術可增加煤層裂隙，一方面使得礦山壓力降低，促進瓦斯增加解析；另一方面改善煤層透氣性，增加瓦斯運移通道。目前水力壓裂技術已經應用於我國諸多煤礦的防突工程中。水力壓裂時要求封孔憋壓，瓦斯抽採時要求封孔嚴密後才能聯網抽採，而現有封孔技術顯得過於複雜、笨重，封孔效果有限，不適應水力壓衝能夠快速封孔、提高封孔效果、並繼續進行瓦斯抽採使用的要求。因此，尋找一種方便快捷、安全高效的封孔、水力壓裂、瓦斯抽採一體化的施工技術成為當務之急。

技術實現要素：

本發明為了解決現有技術中的不足之處，提供一種封孔快捷、封孔效果好、水力壓裂和瓦斯抽採能先後使用的封孔、水力壓裂及瓦斯抽採一體化施工裝置及其施工方法。

為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：封孔、水力壓裂及瓦斯抽採一體化施工裝置，包括第一囊袋、第二囊袋、注漿管、水力壓裂管、瓦斯抽採管和花管，假定鑽孔由孔口到孔底的軸向方向為由左向右的方向，第一囊袋設置在鑽孔內並位於孔口附近，第二囊袋設置在鑽孔內並位於孔底附近，注漿管、瓦斯抽採管均由左向右依次穿過第一囊袋和第二囊袋後伸入到孔底處，花管左端與瓦斯抽採管右端同軸向固定連接，注漿管、瓦斯抽採管的外圓均與第一囊袋和第二囊袋之間設置有構造相同的密封組件，水力壓裂管的外徑小於瓦斯抽採管的內徑，水力壓裂管同軸向設置在瓦斯抽採管和花管內部，水力壓裂管右端向右伸出花管右端，水力壓裂管上均勻設置有若干個與瓦斯抽採管內壁接觸的支撐件，注漿管上設置有第一管接頭、第二管接頭和第三管接頭，第一管接頭位於第一囊袋內，第一管接頭上設置有第一單向閥，第二管接頭位於第二囊袋內，第二管接頭上設置有第二單向閥，第三管接頭位於第一囊袋和第二囊袋之間，第三管接頭上設置有爆破閥。

注漿管與第一囊袋之間的密封組件包括均套在注漿管上的第一緊固螺母、第二緊固螺母、第一橡膠密封圈和第二橡膠密封圈，第一橡膠密封圈位於第一囊袋的袋壁的左側，第二橡膠密封圈位於第一囊袋的袋壁的右側，第一橡膠密封圈和第二橡膠密封圈的內圈均與注漿管外圓周密封接觸，第一緊固螺母和第二緊固螺母均螺紋連接在注漿管上，第一緊固螺母向右緊壓第一橡膠密封圈使第一橡膠密封圈右側面與第一囊袋的袋壁左側密封配合，第二緊固螺母向左緊壓第二橡膠密封圈使第二橡膠密封圈左側面與第一囊袋的袋壁右側密封配合。

支撐件包括為同心圓的內圓環和外圓環，內圓環固定套設在水力壓裂管外部，內圓環和外圓環之間沿圓周方向均勻設置有至少三根支杆，每根支杆均沿外圓環的徑向方向設置，外圓環的外圓周與瓦斯抽採管的內壁接觸。

注漿管在鑽孔內的部分由至少三根管體組成，相鄰兩根管體之間通過第四管接頭同軸向密封並固定連接。

封孔、水力壓裂及瓦斯抽採一體化施工裝置的施工方法，包括以下步驟，

（1）、實施水力壓裂及瓦斯抽採一體化的鑽孔作業；

（2）、將安裝連接好的封孔、水力壓裂及瓦斯抽採一體化施工裝置由鑽孔的孔口放入到鑽孔內；

（3）、將注漿泵與注漿管的左端連接，啟動注漿泵，注漿泵的進漿管通過連接pd複合材料漿料容器，pd複合材料漿料由注漿管通過第一管接頭和第一單向閥向第一囊袋中，同時pd複合材料漿料由注漿管通過第二管接頭和第二單向閥向第二囊袋中，第一囊袋和第二囊袋被pd複合材料漿撐開與鑽孔的內壁緊密壓接，直到達到爆破閥設定壓力後爆破閥打開，停止注入pd複合材料漿料；

（4）、將注漿泵的進漿管與pd複合材料漿料容器分開，馬上連接水泥砂漿容器，注漿泵將水泥砂漿通過注漿管和打開的爆破閥注入到第一囊袋與第二囊袋之間封孔段的鑽孔內進行封孔作業，水泥砂漿被壓入到鑽孔內壁周圍的巖體裂隙內，達到設定壓力後並保持一段時間後停止注入水泥砂漿；

（5）、封孔完成後，水力壓裂管左端連接高壓水泵，高壓水泵抽水通過水力壓裂管對鑽孔底部周圍煤體實施縫網改造作業；

（6）、水力壓裂作業完成後，瓦斯抽採管聯網進行瓦斯抽採作業，或者將水力壓裂管從瓦斯抽採管抽出後再將瓦斯抽採管聯網進行瓦斯抽採作業。

採用上述技術方案，本發明中的支撐件起到確保瓦斯抽採管與水力壓裂管之間保持同軸度，支撐件採用同心圓的內圓環和外圓環以及徑向設置支杆，這樣可使儘量不減少瓦斯抽採管通道的截面積。支撐件與水力壓裂管固定連接，這樣可以在水力壓裂作業完成後將水力壓裂管抽出以提高瓦斯抽採的效率，當然也可以不抽出。花管位於瓦斯抽採管右端（最末端），花管的管壁上均勻布置圓孔，以便於在負壓作用下抽取鑽孔內的瓦斯。瓦斯抽採管、水力壓裂管、注漿管皆穿過第一囊袋和第二囊袋的內部，其中瓦斯抽採管和注漿管外圓均設置有與第一囊袋和第二囊袋的袋壁密封連接的密封組件，密封組件採用第一橡膠密封圈和第二橡膠密封圈的內圈與瓦斯抽採管、注漿管的外壁密封連接，並通過第一緊固螺母和第二緊固螺母壓緊第一橡膠密封圈和第二橡膠密封圈，使第一橡膠密封圈和第二橡膠密封圈的側面與囊袋的袋壁密封配合。這種密封結構便於安裝，密封效果好。

水力壓裂管同軸向置於瓦斯抽採管內，優點為：（1）節省安裝空間，便於安裝第一囊袋和第二囊袋；（2）水力壓裂與瓦斯抽採互不影響，實現鑽孔後水力壓裂作業和瓦斯抽採作業兩用，降低了鑽孔作業的數量，降低施工成本。

綜上所述，為降低噸煤瓦斯治理成本，提高鑽孔利用率，本發明提出的穿層壓裂-瓦斯抽採一體化鑽孔封孔的施工裝置和施工方法，即在水力壓裂工序後繼續將此孔應用於瓦斯抽採；並提出新的穿層壓裂-瓦斯抽採一體化鑽孔封孔工藝，保證鑽孔良好的多用性，少鑽孔從而降低施工成本。

附圖說明

圖1是本發明的施工裝置的結構示意圖；

圖2是圖1中水力壓裂管、支撐件和瓦斯抽採管的立體結構示意圖；

圖3是注漿管與第一囊袋之間的密封組件的結構示意圖；

圖4是本發明的施工方法的流程圖。

具體實施方式

如圖1、圖2和圖3所示，本發明的封孔、水力壓裂及瓦斯抽採一體化施工裝置，包括第一囊袋1、第二囊袋2、注漿管3、水力壓裂管4、瓦斯抽採管5和花管6，假定鑽孔7由孔口到孔底的軸向方向為由左向右的方向，第一囊袋1設置在鑽孔7內並位於孔口附近，第二囊袋2設置在鑽孔7內並位於孔底附近，注漿管3、瓦斯抽採管5均由左向右依次穿過第一囊袋1和第二囊袋2後伸入到孔底處，花管6左端與瓦斯抽採管5右端同軸向固定連接，注漿管3、瓦斯抽採管5的外圓均與第一囊袋1和第二囊袋2之間設置有構造相同的密封組件8，水力壓裂管4的外徑小於瓦斯抽採管5的內徑，水力壓裂管4同軸向設置在瓦斯抽採管5和花管6內部，水力壓裂管4右端向右伸出花管6右端，水力壓裂管4上均勻設置有若干個與瓦斯抽採管5內壁接觸的支撐件9，注漿管3上設置有第一管接頭10、第二管接頭11和第三管接頭12，第一管接頭10位於第一囊袋1內，第一管接頭10上設置有第一單向閥13，第二管接頭11位於第二囊袋2內，第二管接頭11上設置有第二單向閥14，第三管接頭12位於第一囊袋1和第二囊袋2之間，第三管接頭12上設置有爆破閥15。

注漿管3與第一囊袋1之間的密封組件8包括均套在注漿管3上的第一緊固螺母16、第二緊固螺母17、第一橡膠密封圈18和第二橡膠密封圈19，第一橡膠密封圈18位於第一囊袋1的袋壁的左側，第二橡膠密封圈19位於第一囊袋1的袋壁的右側，第一橡膠密封圈18和第二橡膠密封圈19的內圈均與注漿管3外圓周密封接觸，第一緊固螺母16和第二緊固螺母17均螺紋連接在注漿管3上，第一緊固螺母16向右緊壓第一橡膠密封圈18使第一橡膠密封圈18右側面與第一囊袋1的袋壁左側密封配合，第二緊固螺母17向左緊壓第二橡膠密封圈19使第二橡膠密封圈19左側面與第一囊袋1的袋壁右側密封配合。

支撐件9包括為同心圓的內圓環20和外圓環21，內圓環20固定套設在水力壓裂管4外部，內圓環20和外圓環21之間沿圓周方向均勻設置有至少三根支杆22，每根支杆22均沿外圓環21的徑向方向設置，外圓環21的外圓周與瓦斯抽採管5的內壁接觸。

注漿管3在鑽孔7內的部分由至少三根管體組成，相鄰兩根管體之間通過第四管接頭23同軸向密封並固定連接。

如圖4所示，封孔、水力壓裂及瓦斯抽採一體化施工裝置的施工方法，包括以下步驟，

（1）、實施水力壓裂及瓦斯抽採一體化的鑽孔7作業；

（2）、將安裝連接好的封孔、水力壓裂及瓦斯抽採一體化施工裝置由鑽孔7的孔口放入到鑽孔7內；

（3）、將注漿泵與注漿管3的左端連接，啟動注漿泵，注漿泵的進漿管通過連接pd複合材料漿料容器，pd複合材料漿料由注漿管3通過第一管接頭10和第一單向閥13向第一囊袋1中，同時pd複合材料漿料由注漿管3通過第二管接頭11和第二單向閥14向第二囊袋2中，第一囊袋1和第二囊袋2被pd複合材料漿撐開與鑽孔7的內壁緊密壓接，直到達到爆破閥15設定壓力後爆破閥15打開，停止注入pd複合材料漿料；

（4）、將注漿泵的進漿管與pd複合材料漿料容器分開，馬上連接水泥砂漿容器，注漿泵將水泥砂漿通過注漿管3和打開的爆破閥15注入到第一囊袋1與第二囊袋2之間封孔段的鑽孔7內進行封孔作業，水泥砂漿被壓入到鑽孔7內壁周圍的巖體裂隙內，達到設定壓力後並保持一段時間後停止注入水泥砂漿；

（5）、封孔完成後，水力壓裂管4左端連接高壓水泵，高壓水泵抽水通過水力壓裂管4對鑽孔7底部周圍煤體實施縫網改造作業；

（6）、水力壓裂作業完成後，瓦斯抽採管5聯網進行瓦斯抽採作業，或者將水力壓裂管4從瓦斯抽採管5抽出後再將瓦斯抽採管5聯網進行瓦斯抽採作業。

本發明中的支撐件9起到確保瓦斯抽採管5與水力壓裂管4之間保持同軸度，支撐件9採用同心圓的內圓環20和外圓環21以及徑向設置支杆22，這樣可使儘量不減少瓦斯抽採管5通道的截面積。支撐件9與水力壓裂管4固定連接，這樣可以在水力壓裂作業完成後將水力壓裂管4抽出以提高瓦斯抽採的效率，當然也可以不抽出。花管6位於瓦斯抽採管5右端（最末端），花管6的管壁上均勻布置圓孔，以便於在負壓作用下抽取鑽孔7內的瓦斯。瓦斯抽採管5、水力壓裂管4、注漿管3皆穿過第一囊袋1和第二囊袋2的內部，其中瓦斯抽採管5和注漿管3外圓均設置有與第一囊袋1和第二囊袋2的袋壁密封連接的密封組件8，密封組件8採用第一橡膠密封圈18和第二橡膠密封圈19的內圈與瓦斯抽採管5、注漿管3的外壁密封連接，並通過第一緊固螺母16和第二緊固螺母17壓緊第一橡膠密封圈18和第二橡膠密封圈19，使第一橡膠密封圈18和第二橡膠密封圈19的側面與囊袋的袋壁密封配合。這種密封結構便於安裝，密封效果好。

水力壓裂管4同軸向置於瓦斯抽採管5內，優點為：（1）節省安裝空間，便於安裝第一囊袋1和第二囊袋2；（2）水力壓裂與瓦斯抽採互不影響，實現鑽孔7後水力壓裂作業和瓦斯抽採作業兩用，降低了鑽孔7作業的數量，降低施工成本。

本實施例並非對本發明的形狀、材料、結構等作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。