本发明专利技术提供了一种深部低渗透高瓦斯煤层钻‑割‑封‑压钻孔设备及方法，涉及煤矿瓦斯抽采和降尘技术领域，包括钻孔控制系统、高压水动力系统、水压分级控制系统和压裂封堵控制系统，钻孔控制系统调整钻孔钻杆的钻进方向和钻杆供水水压，高压水动力系统为设备提供不同压力的高压水，水压分级控制系统保证钻进冲刷钻屑水压小于5MPa，垂直于钻杆长度方向割缝用水压为25‑35MPa，封孔胶囊的封孔水压为35‑40MPa，煤层进一步卸压增透的水压为40‑50MPa；压裂封堵控制系统完成封孔和水力压裂施工的控制；以及利用该设备施工钻孔、孔内割缝、封孔、水力压裂的方法，实现了单一设备的一体化施工，提高了瓦斯抽采钻孔和煤层防尘的施工效率。
A kind of drilling cutting sealing pressure drilling equipment and method for deep low permeability and high gas seam
【技术实现步骤摘要】
一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法
本专利技术涉及煤矿瓦斯抽采和煤层降尘
，尤其是一种深部低渗透高瓦斯煤层的钻-割-封-压钻孔设备，以及利用该设备实现钻孔、割缝、封孔、压裂施工的方法。
技术介绍
目前，煤矿开采已由浅部开采转向深部开采，随着采深的增加，煤层所在的地应力也增大，导致煤层的渗透性极低，同样煤层瓦斯压力进一步增大，发生瓦斯灾害的可能性也随之增大。然而瓦斯也是一种清洁高效的能源，在低渗煤层进行有效的瓦斯抽采，以降低发生灾害的可能性并提高瓦斯的利用率，是当前深部煤矿科学开采不可避免的难题。据统计大部分的煤矿是瓦斯矿井，为保障矿井正常安全生产，通常预先对富含瓦斯煤层进行瓦斯抽放，即在煤层不同位置施工多个钻孔，对含瓦斯煤层进行水力割缝，再应用多种封孔器封堵钻孔，再次注入高压水对煤体进行压裂增透，使瓦斯从钻孔内自主散发出来或进行人工进行瓦斯抽放。但是，上述工艺存在的主要问题是：(1)单一钻孔的煤层增透效果差，排放瓦斯的效率很低；(2)人工进行煤层压裂增透的多个抽采瓦斯钻孔的工序复杂。由于受煤层低渗透率的束缚，瓦斯的抽放效率也很低。并且上述工艺需要施工多个钻孔、施工效率低、生产成本较高。虽然，目前的瓦斯抽采研究领域中也提出过一些的瓦斯抽放方法，比如高位钻孔瓦斯抽采、水压致裂煤层抽采瓦斯方法等。但这些工艺都需要预先进行施工钻工，退出原有钻杆后进行封堵钻孔和水力压裂，再进行瓦斯抽采，工艺存在重复性。为了实现“钻-割-封-压”一体化工艺，并方便施工，需要提供深部低渗透高瓦斯煤层“钻-割-封-压”一体化钻孔施工装备及方法，不仅对低渗煤层进行预裂增渗，还能将“钻进-割缝-封堵-压裂”等四个工艺集中成一体，不需要反复钻进或钻退，提高了瓦斯抽采的安全性、施工效率。
技术实现思路
为了实现钻孔、孔内割缝、封孔、水力压裂的单一设备施工和一体化施工，提高瓦斯抽采钻孔和煤层防尘的施工效率，保证瓦斯抽采安全，本专利技术提供了一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法，具体技术方案如下。一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，包括水箱、高压水管、高压泵、溢流阀、钻头、钻杆、封孔胶囊和控制阀；具有钻孔控制系统、高压水动力系统、水压分级控制系统和压裂封堵控制系统；所述钻孔控制系统调整钻孔钻杆的钻进方向和钻杆供水水压，所述高压水动力系统提供压力在0-50MPa之间的高压水，所述水压分级控制系统调整钻进冲刷钻屑的水压小于5MPa，垂直于钻杆长度方向割缝用的水压为25-35MPa，封孔胶囊的封孔水压为35-40MPa，煤层水力压裂的卸压增透用水压为40-50MPa；所述压裂封堵控制系统对封孔和水力压裂施工进行控制。优选的是，钻孔控制系统包括钻孔角度控制单元、钻进速度控制单元和钻孔角度修正控制单元，所述钻孔角度控制单元调整钻头钻杆的钻进方向，钻进速度控制单元调整钻机的转速和推进力，所述钻孔角度修正控制单元对钻孔的钻进方向进行实时修正。还优选的是，钻头上设置有湿式钻杆出水口，沿钻杆的长度方向从钻头侧开始依次设置有割缝出水口、水力压裂出水口和封孔胶囊。优选的是，高压水动力系统包括水箱、高压泵、溢流阀和高压水管，高压泵泵送来自水箱的水，高压泵通过高压水管输送高压水，高压水管的上游设置有溢流阀。优选的是，水压分级控制系统的控制阀包括湿式钻杆水压控制阀、割缝水压控制阀、胶囊封孔水压控制阀和水力压裂控制阀，所述湿式钻杆水压控制阀水压小于5MPa时开启，割缝水压控制阀在水压为25-35MPa时开启，胶囊封孔水压控制阀在水压为35-40MPa时开启，水力压裂控制阀在水压为40-50MPa时开启。优选的是，压裂封堵控制系统包括封孔胶囊和水力压裂出水口，所述封孔胶囊充水封堵钻孔后，水力压裂出水口出水压裂煤体。一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔方法，利用上述的一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，步骤包括：步骤A.确定需要进行瓦斯抽采的煤层，深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备安设在工作面前方；步骤B.检查钻孔控制系统、高压水动力系统工作情况，检查湿式钻杆水压控制阀、割缝水压控制阀、胶囊封孔水压控制阀和水力压裂控制阀的开闭；步骤C.施工钻孔，钻头钻杆沿钻进方向钻孔，钻孔控制系统实时修正钻孔角度，钻进过程中，湿式钻杆水压控制阀打开，钻头上的湿式钻杆出水口提供小于5MPa的水冲刷钻孔；步骤D.割缝施工，钻杆和钻头留置在钻孔中，湿式钻杆水压控制阀关闭，割缝水压控制阀打开，割缝出水口提供水压为25-35MPa的高压水割缝；步骤E.水力压裂施工,钻杆和钻头留置在钻孔中，湿式钻杆水压控制阀关闭，割缝水压控制阀关闭，胶囊封孔水压控制阀打开，封孔胶囊充35-40MPa的高压水完成封孔；封孔后，水力压裂控制阀打开，40-50MPa的高压水从水力压裂出水口对煤体进行水力压裂。进一步优选的是，施工钻孔、割缝施工和水力压裂施工过程中高压水动力系统调整水压并提供相应压力的高压水。进一步优选的是，割缝出水口与钻头之间的距离为1-2m；割缝出水口与封孔胶囊之间的距离通过连接钻杆调整，钻头侧的割缝出水口距离封孔胶囊5-15m；水力压裂出水口设置在封孔胶囊和割缝出水口之间。进一步优选的是，钻杆上设置1-3个割缝出水口和割缝水压控制阀，在同一钻孔内施工1-3道割缝。本专利技术的有益效果是，在深部低渗透高瓦斯煤层实现了钻孔、割缝、封孔和压裂施工设备一体化，利用钻孔控制系统钻孔的钻进角度、速度、钻进距离；利用高压水动力系统为施工提供不同压力的高压水，水压分级控制系统控制不同压力的高压水在不同位置进行施工，压裂封堵控制系统连同钻杆共同封闭钻孔，各个控制系统相互配合对低渗透煤层进行预裂、增渗，方便瓦斯的高效抽采，并且煤体进一步的润湿减尘。另外该设备的钻杆结构设置合理，不需要反复的退出钻进，并且简化了钻-割-封-压的施工工艺，保证了瓦斯的高效抽采，并且提升了安全性能；该施工方法大大简化了施工流程，同钻孔施工更加灵活方便。附图说明图1是深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备结构示意图；图2是钻头和钻杆部分结构示意图；图3是控制阀的结构示意图；图4是水压分级控制系统简化示意图；图中：1-水箱；2-高压水管；3-高压泵；4-钻孔控制系统；5-溢流阀；6-钻杆和钻头；7-封孔胶囊；8-封孔胶囊进水口；9-水力压裂出水口；10-割缝出水口；11-湿式钻杆出水口；12-胶囊封孔水压控制阀；13-水力压裂控制阀；14-割缝水压控制阀；15-湿式钻杆水压控制阀；16-导水孔；17-控制阀出水孔部位；18-控制阀阻水板；19-控制阀水压感应板。具体实施方式结合图1至图4所示，本专利技术提供的一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法具体实施方式如下。实施例1一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，包括水箱、高压水管、高压泵、溢流阀、钻头、钻杆、封本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，包括水箱、高压水管、高压泵、溢流阀、钻头、钻杆、封孔胶囊和控制阀；其特征在于，具有钻孔控制系统、高压水动力系统、水压分级控制系统和压裂封堵控制系统；/n所述钻孔控制系统调整钻孔钻杆的钻进方向和钻杆供水水压，所述高压水动力系统提供压力在0-50MPa之间的高压水，所述水压分级控制系统调整钻进冲刷钻屑的水压小于5MPa，垂直于钻杆长度方向割缝用的水压为25-35MPa，封孔胶囊的封孔水压为35-40MPa，煤层水力压裂的卸压增透用水压为40-50MPa；所述压裂封堵控制系统对封孔和水力压裂施工进行控制。/n
【技术特征摘要】
1.一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，包括水箱、高压水管、高压泵、溢流阀、钻头、钻杆、封孔胶囊和控制阀；其特征在于，具有钻孔控制系统、高压水动力系统、水压分级控制系统和压裂封堵控制系统；
所述钻孔控制系统调整钻孔钻杆的钻进方向和钻杆供水水压，所述高压水动力系统提供压力在0-50MPa之间的高压水，所述水压分级控制系统调整钻进冲刷钻屑的水压小于5MPa，垂直于钻杆长度方向割缝用的水压为25-35MPa，封孔胶囊的封孔水压为35-40MPa，煤层水力压裂的卸压增透用水压为40-50MPa；所述压裂封堵控制系统对封孔和水力压裂施工进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，其特征在于，所述钻孔控制系统包括钻孔角度控制单元、钻进速度控制单元和钻孔角度修正控制单元，所述钻孔角度控制单元调整钻头钻杆的钻进方向，钻进速度控制单元调整钻机的转速和推进力，所述钻孔角度修正控制单元对钻孔的钻进方向进行实时修正。
3.根据权利要求2所述的一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，其特征在于，所述钻头上设置有湿式钻杆出水口，沿钻杆的长度方向从钻头侧开始依次设置有割缝出水口、水力压裂出水口和封孔胶囊。
4.根据权利要求1所述的一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，其特征在于，所述高压水动力系统包括水箱、高压泵、溢流阀和高压水管，高压泵泵送来自水箱的水，高压泵通过高压水管输送高压水，高压水管的上游设置有溢流阀。
5.根据权利要求1所述的一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，其特征在于，所述水压分级控制系统的控制阀包括湿式钻杆水压控制阀、割缝水压控制阀、胶囊封孔水压控制阀和水力压裂控制阀，所述湿式钻杆水压控制阀水压小于5MPa时开启，割缝水压控制阀在水压为25-35MPa时开启，胶囊封孔水压控制阀在水压为35-40MPa时开启，水力压裂控制阀在水压为40-50MPa时开启。
6.根据权利要求1所述的一种深部低渗透高...
【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，刘志远，程卫民，秦相杰，范酒源，孙路路，刘震，倪冠华，于岩斌，刘义鑫，黄启铭，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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