【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤岩层压裂，具体涉及一种气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置及方法。
技术介绍
1、压裂技术在煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出、煤层瓦斯卸压增透、坚硬煤岩层软化控制、硬岩巷道掘进等方面得到了广泛应用。与油气及地热地面钻井水力压裂相比，煤矿井下受限作业环境、经济成本及作业时间等多方面因素限制，煤矿井下钻孔压裂流体注入量、压力等压裂规模相对较小，压裂技术与装备相对小型化和简单化。中国专利申请cn101446187a公开了一种双封隔器水力喷射压裂工艺，通过喷砂射孔、坐封、水力喷射压裂、放压除砂、上层压裂实现水力喷射压裂，减少射孔弹射孔的作业工序，减少分层压裂的井下作业工具，降低卡钻的作业风险；然而，随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，向深部转移成为煤炭开采必然趋势，深部开采条件下，地应力、瓦斯压力、构造应力、采动应力更大，水力压裂、气体压裂等传统的单一压裂技术在深部复杂煤岩层环境下面临越来越大的难题，在高地应力环境中压裂裂缝起裂难度很大，而盲目增大流体压力又会对管路、封孔、压裂安全造成负面影响，同时也会大大增加压裂成本。
2、传统的炸药爆破在三向高地应力环境下，其爆破致裂范围小，也不适用于需要产生单条长裂缝的顶板切顶、冲击地压区域治理等场景，且煤矿井下炸药爆破管控严、限制多、安全性差，作业流程复杂，《煤矿安全规程》明确规定严禁在工作面采动区等位置进行炸药爆破预裂。二氧化碳相变致裂能较好解决高地应力条件下煤岩层裂缝起裂难题，但是该技术主要适用一次性致裂管进行瞬间相变致裂，通常致裂范围很小，且相变致裂后不能继续进行高压流体注入
3、因此，迫切需要专利技术一种新的煤岩层冲击起裂与压裂裂缝扩展一体化技术装置及方法，解决煤岩层快速高效起裂及压裂裂缝持续扩展难题，同时采用专利技术的可重复使用封孔装置及方法，实现钻孔分段起裂与压裂，保障井下钻孔压裂时间连续和空间全覆盖，进一步促进压裂技术发展。
技术实现思路
1、为了快速高效地完成分段起裂与压裂，解决煤岩层快速高效起裂及压裂裂缝持续扩展难题，本专利技术提出一种气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置及方法，不仅将起裂与压裂结合起来，稳定高效地实现了煤岩层增透卸压，提高了钻孔的压裂效率，还能有效地降低胶囊封隔器的磨损率，延长封隔器的使用寿命。
2、为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置，包括：钻机、控制系统、排水卸压管路、电磁阀、高压注液泵站、高压气动力装置、分段压裂装置，钻机通过高压管路连接分段压裂装置，高压管路上靠近钻机的一端依次设有第一三通、第二三通；
4、排水卸压管路通过第一三通与高压管路连接，排水卸压管路上设有卸压开关，卸压开关和第一三通之间设有排水卸压管路压力表；
5、电磁阀a端通过第二三通与高压管路连接；
6、高压注液泵站通过高压流体管路与电磁阀p端连接；高压流体管路上设有注液开关、高压流体管路压力表；
7、高压气动力装置通过高压气体管路与电磁阀r端连接；高压气体管路上依次设有高压气罐、第一气动力开关、第二气动力开关；
8、钻机和第一三通之间的高压管路上设有挡销；
9、控制系统分别与高压注液泵站、高压气动力装置、电磁阀、注液开关、第一气动力开关、第二气动力开关连接。
10、优选地，分段压裂装置包括两个套设在高压管路上的胶囊封隔器，两个胶囊封隔器之间的高压管路上设有高压钢管单向阀，胶囊封隔器内部的高压管路上设有封隔器单向阀，胶囊封隔器包括套设在高压管路上的双层膨胀胶囊以及设于双层膨胀胶囊两端用于固定双层膨胀胶囊的紧固装置。
11、优选地，紧固装置包括内嵌螺孔的固定件、紧固圈、防滑胶垫和紧固螺钉；固定件包括凸起固定件、凹陷固定件，双层膨胀胶囊两端紧压在凸起固定件、凹陷固定件之间固定，凹陷固定件与高压管路之间设有防滑胶垫，固定件远离封隔器单向阀一端的凸起固定件、凹陷固定件通过紧固螺钉固定连接，固定件靠近封隔器单向阀一端的凸起固定件外侧套设紧固圈。
12、优选地，第二三通和分段压裂装置之间的高压管路上设有扶正器。
13、本专利技术还提供一种气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置的起裂与分段压裂方法，包括如下步骤：
14、s1：布置钻孔：通过钻机在煤岩层中钻出具有预设长度的钻孔，钻孔用清水冲洗，保证孔壁光滑；
15、s2：设备安装：通过钻机下入分段压裂装置和依次连接的多节高压管路，高压管路尾端通过钻机固定；
16、s3：进行起裂压裂前的密封性检测：电磁阀处于断电状态，卸压开关和挡销处于闭合状态，电磁阀a端和p端相通，打开控制系统中的总开关a、高压注液泵站开关b、注液开关f；经触发时间t1后，高压注液泵站开始工作，流体通过高压流体管路、电磁阀逐渐充满高压管路内部；当高压流体管路压力表读数达到密封性检测压力p1时，关闭控制系统中的高压注液泵站开关b和注液开关f，经静置时间t2后，若t2时间段内高压流体管路压力表读数p1下降不超过△p，表明管路系统密封性良好；若t2时间段内高压流体管路压力表读数p1下降超过△p，则需要对管路系统进行检修，检修后再次对管路密封性进行检测，直到达到要求；
17、s4：封隔器初始坐封：打开控制系统中的高压注液泵站开关b和注液开关f，经触发时间t1后，高压注液泵站开始工作，流体通过高压流体管路、电磁阀持续向高压管路中注入流体；当高压流体管路压力表读数达到封隔器单向阀开启压力pf1后，封隔器单向阀被打开，胶囊封隔器内部逐渐充入流体并不断膨胀，并逐渐与孔壁紧密贴合形成环形封闭空间，实现初始坐封；
18、s5：气动力冲击流体起裂：关闭控制系统中高压注液泵站开关b、注液开关f，打开控制系统的高压气动力装置开关c、电磁阀开关e；经触发时间t1后，电磁阀处于接通状态，电磁阀a端和r端相通，高压气动力装置开启，高压气动力装置形成的高压气体进入高压气罐；打开控制系统中的气动力开关d，经触发时间t1后，高压气体管路上的第一气动力开关、第二气动力开关同时开启，高压气罐中存储的高压本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置，包括：钻机(2)、控制系统(3)、排水卸压管路(4-3)、电磁阀(10)、高压注液泵站(5)、高压气动力装置(6)、分段压裂装置(7)，其特征在于：钻机(2)通过高压管路(4)连接分段压裂装置(7)，高压管路(4)上靠近钻机(2)的一端依次设有第一三通(15-1)、第二三通(15-2)；
2.根据权利要求1所述的气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置，其特征在于，分段压裂装置(7)包括两个套设在高压管路(4)上的胶囊封隔器，两个胶囊封隔器之间的高压管路(4)上设有高压钢管单向阀(7-1)，胶囊封隔器内部的高压管路(4)上设有封隔器单向阀(7-7)，胶囊封隔器包括套设在高压管路(4)上的双层膨胀胶囊(7-6)以及设于双层膨胀胶囊(7-6)两端用于固定双层膨胀胶囊(7-6)的紧固装置。
3.根据权利要求2所述的气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置，其特征在于，紧固装置包括内嵌螺孔的固定件(7-4)、紧固圈(7-5)、防滑胶垫(7-2)和紧固螺钉(7-3)；固定件(7-4)包括凸起固定件(7-4-1)、凹陷固定件
4.根据权利要求1所述的气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置，其特征在于，第二三通(15-2)和分段压裂装置(7)之间的高压管路(4)上设有扶正器(18)。
5.权利要求1-4任一所述的装置的起裂与分段压裂方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的起裂与分段压裂方法，其特征在于，各个压力的大小关系为Pf2>Pf1>P1，T1为10～15s，T2为30min，T3为1.5h。
...【技术特征摘要】
1.一种气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置，包括：钻机(2)、控制系统(3)、排水卸压管路(4-3)、电磁阀(10)、高压注液泵站(5)、高压气动力装置(6)、分段压裂装置(7)，其特征在于：钻机(2)通过高压管路(4)连接分段压裂装置(7)，高压管路(4)上靠近钻机(2)的一端依次设有第一三通(15-1)、第二三通(15-2)；
2.根据权利要求1所述的气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置，其特征在于，分段压裂装置(7)包括两个套设在高压管路(4)上的胶囊封隔器，两个胶囊封隔器之间的高压管路(4)上设有高压钢管单向阀(7-1)，胶囊封隔器内部的高压管路(4)上设有封隔器单向阀(7-7)，胶囊封隔器包括套设在高压管路(4)上的双层膨胀胶囊(7-6)以及设于双层膨胀胶囊(7-6)两端用于固定双层膨胀胶囊(7-6)的紧固装置。
3.根据权利要求2所述的气动力冲击流体起裂与分段压裂一体化装置，其特征在于，紧固装置包括内嵌螺孔的固定件(7-4)、紧固圈(7-5)、防滑胶垫(7-2)和紧固...
【专利技术属性】
技术研发人员：李楠，李炎，黄晓凯，王恩元，胡少斌，王笑然，邱锦诚，孙丽红，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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