一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备及方法技术

一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备及方法，其设备包括首尾依次相连的钻头、压裂杆、防护杆、封孔杆、高压密封钻杆和履带钻机送杆器；其方法是在钻孔的同时将钻杆、压裂杆等送到指定位置，不需要取出钻杆，只需对履带钻机进行改进，在送杆器添加高压水孔，使高压水从高压水孔进入钻杆，到达压裂部位，压裂完成，进而只需用履带钻机将钻杆进行撤出，使压裂孔至另一压裂点，同时还能进行封孔作业。本发明专利技术能够将履带钻机与水力压裂融为一体形成矿井下水力压裂一体化新技术，可以提高矿井下水力压裂机械化水平和工作效率，降低工作人员数目，可完成长距离、大角度的钻孔压裂。

An integrated equipment and method for long distance drilling and fracturing in mines

The utility model relates to an integrated equipment and method for long-distance drilling and fracturing under a mine, which comprises a drill bit, a fracturing rod, a protective rod, a sealing rod, a high-pressure sealing drill rod and a crawler drill rod feeder connected sequentially between the head and the tail of the drill rod; the method is to send the drill rod and a fracturing rod to a designated position at the same time of drilling, without taking out the drill rod The crawler drill is improved by adding high pressure water hole in the pipe feeder, so that the high pressure water enters the drill pipe from the high pressure water hole, reaches the fracturing position, and the fracturing is completed. Then the drill pipe can be withdrawn by the crawler drill to make the fracturing hole reach another fracturing point, and the sealing operation can be carried out at the same time. The invention can integrate the crawler drill and hydraulic fracturing to form a new integrated technology of underground hydraulic fracturing, improve the mechanization level and work efficiency of underground hydraulic fracturing, reduce the number of staff, and complete long-distance and large-angle drilling and fracturing.

【技术实现步骤摘要】
一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备及方法
本专利技术涉及一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备及方法，属于采矿工程领域。
技术介绍
目前，水力压裂技术已经发展许多年，在地面应用已经成熟，但是矿井下由于施工环境限制，水力压裂技术机械化程度较低，很多工作还需要人力来完成，且受人力限制，一些大角度远距离的压裂工作还不能够完成。再者，已知技术中的矿井下水力压裂技术需要先钻孔，再撤出钻杆，之后再通过专用安装杆将封孔器送入指定位置，最后才可以进行压裂。在这项技术中，要撤杆再安装封孔器，这个过程一进一出，不仅增加了工序，也增加了工人的劳动强度。特别是，在安装高压密封钻杆时依然采用人力，工作时间长，效率低，工程进度缓慢，并且由于施工空间的限制，施工人数不能过多，在一些长距离、大角度的钻杆安装时，人力是不可行的，急需要一套合理的设备和解决方法。矿井下履带钻机钻进速度快，用时短，效率高，在矿井下进行钻孔钻进工作已经大量应用，并且其作业空间小，可以自动送杆，机械化程度高，需要的工作人员较少，履带钻机在水力压裂钻孔过程中应用较多。履带钻机在钻完孔之后需要对钻杆进行撤出，而水力压裂技术需要在钻杆撤出之后，利用专用安装杆将封孔器送入指定工作地点，这样一出一进，用时较多，工作效率低。目前，将履带钻机与水力压裂融为一体的矿井下水力压裂一体化技术尚未出现，并且该技术需要考虑钻杆旋转导致的封孔器磨损和普通钻杆通过高压水的密封性等难题，这项技术还需要进行对普通钻杆进行改进，以确保其在通过高压水时的密封性。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术提供一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备及方法，能够提高矿井下水力压裂机械化水平和工作效率，降低工作人员数目，可完成长距离、大角度的钻孔压裂。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备，包括首尾依次相连的钻头、压裂杆、防护杆、封孔杆、高压密封钻杆和履带钻机送杆器；所述的压裂杆为中空，并在其内部中间位置安装有控压压裂装置，控压压裂装置由阻尘控压部件、控压钢球和控压弹簧组成，控压钢球安装在阻尘控压部件内，控压弹簧的一端连接在阻尘控压部件的端部，控压弹簧另一端连接在压裂杆内部的隔断上，在阻尘控压部件下方的压裂杆上设有垂直于轴线方向且与外部连通的致裂通道，阻尘控压部件上还设有低压水槽口，低压水槽口通过静水分流通道连通到隔断另一侧的压力杆内部；所述压裂杆通过靠近静水分流通道的一端与钻头连接；所述的防护杆包括具有内腔的杆体和安装在内腔中的防护件，其中，防护件包括圆筒状的防护板，防护板一端的内部通过连接板相连，并在中间形成半封闭式的静水通道；内腔的中间段是由防护板运动空间、连接板运动空间、推动球运动空间连通构成，内腔的一端是扩展空间叠加防护板运动空间，扩展空间的直径大于推动球运动空间，另一端是扩展空间与连接板运动空间、防护板运动空间的叠加；在靠近扩展空间一端的中间段上还设有阻挡防护板内壁和阻挡连接板壁，二者之间的距离与具有连接板的防护板的长度一致；所述防护杆通过靠近具有连接板运动空间的一端与压裂杆连接；所述的封孔杆是中空的杆件，其外部设有封孔胶囊；所述的履带钻机送杆器包括管体和位于管体一端、与管体内部连通的高压注水管，在高压注水管与管体之间设有卸压阀，还在管体另一端的内部设置有防护阀；所述履带钻机送杆器通过靠近高压注水管的一端与高压密封钻杆相连。一种采用矿井下长距离钻孔压裂一体化设备进行的钻孔压裂方法，操作步骤如下：1)安装及钻孔：①将钻头、压裂杆、防护杆、封孔杆和高压密封钻杆依次连接并密封，防护杆在安装时内部的防护件移动到阻挡防护板内壁和阻挡连接板壁的位置使其处于防护模式，最后将高压密封钻杆的尾部与履带钻机送杆器连接；②在钻进过程中防护阀处于打开状态，卸压阀关闭，对钻杆通入静压水，水经过高压密封钻杆、封孔杆、防护杆的静水通道、压裂杆静水分流通道组成的杆路系统到达钻头处对钻头进行降温；2)压裂：①首先，关闭防护阀和卸压阀；②然后关闭防护杆的防护模式：放入推动球，先通入低压水，低压水携带者推动球进入杆路系统，当推动球到达静水通道的封闭端外侧时，推动着防护件的连接板携带者防护板向防护杆内部移动，直到到达防护板存储空间最底部，低压水通过连接板之间的空间流出，同时，使防护板从封孔胶囊上撤出，露出封孔胶囊；③接着通过高压注水管注入高压水，高压水到达封孔胶囊，高压水通过封孔胶囊进水口注入到封孔胶囊，将封孔胶囊撑起，当压力达到指定值时，进行保压状态，当压力稳定之后进行压裂；④再继续通过高压注水管注入高压水，高压水通过高压密封钻杆、防护杆、封孔杆到达压裂杆，当水压达到一定值时，控压钢球、防尘控压部件向控压弹簧传递力，使弹簧压缩，高压水从八个方向向外流出，压裂煤壁或岩壁，完成压裂；3)多次多点压裂：上一个压裂点完成之后，停止注入高压水，打开泄压阀进行泄压，当从泄压阀流出的水量较小时，完成对封孔胶囊的卸压，之后，通过履带钻井进行自动撤杆，当撤出到达下一压裂点时，重复压裂部分的③和④，依此类推，通过履带钻机进行回撤多点压裂；4)撤杆：当最后一个压裂点完成之后，通过履带钻机将所有的杆撤出，进行下一个钻孔的施工。相比现有技术，本专利技术的一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备及方法，首先，将钻头、压裂杆、防护杆、封孔杆、高压密封钻杆和履带钻机送杆器有效结合为一体，通过履带钻机进行自动化地作业，分别实现钻孔、防护、压裂、封孔的工序，减少了撤钻杆和送高压密封钻杆的工序，提高了机械化水平和安全性，提高了工作效率，降低了工作人员数目，使操作步骤更加简化，可完成长距离、大角度的钻孔压裂；同时，由于采用防护杆、封孔杆和压裂杆相结合，减少了钻屑对封孔结构的磨损，增加了其使用寿命。其次，钻头、压裂杆、防护杆、封孔杆、高压密封钻杆共同构成的集成化“钻杆”，克服了矿井下水力压裂一体化技术所遇到的钻杆旋转导致的封孔器磨损和普通钻杆通过高压水的密封性问题，是真正实现将履带钻机与水力压裂融为一体的新技术。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术一个实施例的结构透视图，其中只有螺纹连接头为剖面表达。图2是本专利技术一个实施例中钻头的结构透视图，其中只有螺纹连接头为剖面表达。图3是本专利技术一个实施例中履带钻机送杆器的结构透视图。图4是本专利技术一个实施例中防护杆的结构透视图，其中只有螺纹连接头为剖面表达。图5是图4中Ⅰ-Ⅰ处的剖面图。图6是图4中Ⅱ-Ⅱ处的剖面图。图7是图4中Ⅲ-Ⅲ处的剖面图。图8是图4中Ⅳ-Ⅳ处的剖面图。图9图10分别是图4中两个端部的局部放大图。图11是防护杆在防护模式下的结构透视图，其中只有螺纹连接头为剖面表达。图12是图4中防护杆在防护模式下的连接方式结构示意图。图13是图4中防护杆在致裂模式下的连接方式结构示意图。图14是本专利技术一个实施例中封孔杆的结构透视图，其中只有螺纹连接头为剖面表达。图15是本专利技术一个实施例中压裂杆的结构透视图，其中只有螺纹连接头为剖面表达。图16是图15中Ⅰ-Ⅰ处的剖面图。图中，01、履带钻机送杆器，02、高压密封钻杆，03、封孔杆，04、防护杆，05、压裂杆，06、钻头，1、防护杆外壁，2、防护杆内壁，3-1、防护板，3-2、连接板，4、静水通道，5、防护板存储内壁，6、推动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备，其特征是：包括首尾依次相连的钻头(06)、压裂杆(05)、防护杆(04)、封孔杆(03)、高压密封钻杆(02)和履带钻机送杆器(01)；所述的压裂杆(05)为中空，并在其内部中间位置安装有控压压裂装置，控压压裂装置由阻尘控压部件(17)、控压钢球(19)和控压弹簧(18)组成，控压钢球(19)安装在阻尘控压部件(17)内，控压弹簧(18)的一端连接在阻尘控压部件(17)的端部，控压弹簧(18)另一端连接在压裂杆(05)内部的隔断上，在阻尘控压部件(17)下方的压裂杆(05)上设有垂直于轴线方向且与外部连通的致裂通道(21)，阻尘控压部件(17)上还设有低压水槽口，低压水槽口通过静水分流通道(20)连通到隔断另一侧的压力杆内部；所述压裂杆(05)通过靠近静水分流通道(20)的一端与钻头(06)连接；所述的防护杆(04)包括具有内腔的杆体和安装在内腔中的防护件，其中，防护件包括圆筒状的防护板(3‑1)，防护板(3‑1)一端的内部通过连接板(3‑2)相连，并在中间形成半封闭式的静水通道(4)；内腔的中间段是由防护板运动空间(13)、连接板运动空间(14)、推动球运动空间(8)连通构成，内腔的一端是扩展空间(29)叠加防护板运动空间(13)，扩展空间(29)的直径大于推动球运动空间(8)，另一端是扩展空间(29)与连接板运动空间(14)、防护板运动空间(13)的叠加；在靠近扩展空间(29)一端的中间段上还设有阻挡防护板内壁(9)和阻挡连接板壁(10)，二者之间的距离与具有连接板(3‑2)的防护板(3‑1)的长度一致；所述防护杆(04)通过靠近具有连接板运动空间(14)的一端与压裂杆(05)连接；所述的封孔杆(03)是中空的杆件，其外部设有封孔胶囊(15)；所述的履带钻机送杆器(01)包括管体和位于管体一端、与管体内部连通的高压注水管(26)，在高压注水管(26)与管体之间设有卸压阀(24)，还在管体另一端的内部设置有防护阀(23)；所述履带钻机送杆器(01)通过靠近高压注水管(26)的一端与高压密封钻杆(02)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备，其特征是：包括首尾依次相连的钻头(06)、压裂杆(05)、防护杆(04)、封孔杆(03)、高压密封钻杆(02)和履带钻机送杆器(01)；所述的压裂杆(05)为中空，并在其内部中间位置安装有控压压裂装置，控压压裂装置由阻尘控压部件(17)、控压钢球(19)和控压弹簧(18)组成，控压钢球(19)安装在阻尘控压部件(17)内，控压弹簧(18)的一端连接在阻尘控压部件(17)的端部，控压弹簧(18)另一端连接在压裂杆(05)内部的隔断上，在阻尘控压部件(17)下方的压裂杆(05)上设有垂直于轴线方向且与外部连通的致裂通道(21)，阻尘控压部件(17)上还设有低压水槽口，低压水槽口通过静水分流通道(20)连通到隔断另一侧的压力杆内部；所述压裂杆(05)通过靠近静水分流通道(20)的一端与钻头(06)连接；所述的防护杆(04)包括具有内腔的杆体和安装在内腔中的防护件，其中，防护件包括圆筒状的防护板(3-1)，防护板(3-1)一端的内部通过连接板(3-2)相连，并在中间形成半封闭式的静水通道(4)；内腔的中间段是由防护板运动空间(13)、连接板运动空间(14)、推动球运动空间(8)连通构成，内腔的一端是扩展空间(29)叠加防护板运动空间(13)，扩展空间(29)的直径大于推动球运动空间(8)，另一端是扩展空间(29)与连接板运动空间(14)、防护板运动空间(13)的叠加；在靠近扩展空间(29)一端的中间段上还设有阻挡防护板内壁(9)和阻挡连接板壁(10)，二者之间的距离与具有连接板(3-2)的防护板(3-1)的长度一致；所述防护杆(04)通过靠近具有连接板运动空间(14)的一端与压裂杆(05)连接；所述的封孔杆(03)是中空的杆件，其外部设有封孔胶囊(15)；所述的履带钻机送杆器(01)包括管体和位于管体一端、与管体内部连通的高压注水管(26)，在高压注水管(26)与管体之间设有卸压阀(24)，还在管体另一端的内部设置有防护阀(23)；所述履带钻机送杆器(01)通过靠近高压注水管(26)的一端与高压密封钻杆(02)相连。2.根据权利要求1所述的一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备，其特征是：所述钻头(06)、防护杆(04)、压裂杆(05)、封孔杆(03)、高压密封钻杆(02)和履带钻机送杆器(01)彼此之间通过螺杆和内螺纹的方式连接再加密封圈，在钻头(06)和履带钻机送杆器(01)的端部设置螺纹连接头或杆内连接螺纹，在防护杆(04)、压裂杆(05)、封孔杆(03)、高压密封钻杆(02)的两端相对应地分别设置螺纹连接头和杆内连接螺纹。3.根据权利要求1所述的一种矿井下长距离钻孔压裂一体化设备，其特征是：所述防护杆(04)的内腔的中间段的推动球运动空间(8)分别与两端的扩展空间(29)之间通过过度斜坡...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄炳香，李浩泽，陈树亮，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32