一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法，装置包括用于按照比例进行配比混合气体的高温高压蒸气配比装置、三级升温增压系统、向失效的压裂钻孔或抽采钻孔中注气的二次压裂用管路、设置在压裂钢管上的压力和温度传感器、压力温度数据分析终端。方法为对失效钻孔清孔，用坑道钻机将护孔套管、压裂钢管及双路封孔器送入该钻孔；二次压裂前用双路封孔器进行封孔；对蒸气进行配比和三级升温增压后，将高温高压混合蒸气注入压裂钢管对煤层进行二次压裂与升温处理，根据压力和温度实时监测数据，精准确定二次压裂结束和排水气时间。本发明专利技术有效利用了大量存在的失效钻孔，从卸压增透和升温促进瓦斯解吸两个方面极大提高煤层瓦斯抽采效率。

A high temperature and high pressure steam secondary fracturing device and method for coal seam drilling

【技术实现步骤摘要】
一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法
本专利技术涉及一种煤层钻孔压裂装置及方法，具体涉及一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法。
技术介绍
我国高瓦斯矿井约占矿井总数的70％，煤与瓦斯突出矿井已达1192对，瓦斯引起的事故占煤矿总事故的27％。而瓦斯(煤层气)又是一种清洁能源。因此，无论从安全角度，还是能源角度，提高煤矿瓦斯的抽采率，加大煤矿瓦斯抽采工作力度迫在眉睫。针对传统的打钻孔抽采瓦斯工程量大、抽采效率低、成本高等特点，业内已出现多种措施以提高瓦斯抽采效率，其中水力压裂因其卸压范围大、工程实施简单、瓦斯抽采效率显著提高等优势而应用广泛。但采用水力压裂时，压裂钻孔常因为煤岩层赋存复杂多变，再加上钻孔施工质量得不到保障等原因，经常发生压裂失败的情况，达不到预期的压裂效果，此时该压裂钻孔常常就被废弃，失去使用价值。此外，井下还存在大量瓦斯浓度和流量都非常低的瓦斯抽采钻孔，这些钻孔已经失去抽采价值，目前往往被直接遗弃，不再使用。这些存在的废弃压裂和抽采钻孔还会干扰周边新钻孔的压裂，因为对废弃钻孔周围的新钻孔进行水力压裂时，产生的水压裂缝很容易就贯穿废弃的钻孔，达不到压裂效果。上述大量的失效压裂和瓦斯抽采钻孔如果被直接遗弃而不进行二次利用，不仅影响煤层瓦斯抽采和瓦斯灾害防治的效果，而且会造成大量钻孔被浪费掉，进一步增加新的钻孔工程量，产生经济浪费，且危险也不能完全消除。尤其对于采用常规抽采方法进行抽采后的煤层区域，由于以前抽采技术的落后，煤层中仍然存在大量的以吸附状态存在的瓦斯，旧钻孔抽采效率低下以至于难以利用，而新钻孔易于贯通旧钻孔，造成漏水漏气达不到压裂效果，目前尚未有有效的方法能够降低抽采后区域的瓦斯含量。此外，国内外大量研究表明煤层中90％左右的瓦斯都是以吸附状态存在的，高效瓦斯抽采必须先将吸附态瓦斯解吸成游离态瓦斯。地层压力和温度是影响煤层瓦斯吸附解吸的两个关键因素，降低压力和增加温度都会促进煤层瓦斯解吸。然而目前大多数水力压裂或其它水力化措施主要是通过降低煤层压力来促进瓦斯解吸，没有同时实现大范围的降低煤层压力和给煤层增温来促进瓦斯解吸。申请号为201811495290.6、名称为一种煤层钻孔注高压高温水蒸气强化煤层气抽采装置及方法公开了：利用注气喷口装置安装在钻孔中，然后向钻孔中注入高压高温水蒸气，从而提高单孔瓦斯抽采率。但该专利所公开的方法或装置，不适用于钻孔孔口或浅部位置破碎的已抽采过的钻孔，不能针对压裂失败的钻孔或失去瓦斯抽采价值的钻孔进行二次压裂；该专利注入的水蒸气压力远远达不到压裂的量级，无法在煤层中产生大范围的压裂缝网，对煤层作用范围远小于压裂影响范围。该专利需向煤层注入大量水蒸气，而煤矿井下短时间制造大量高温高压水蒸气存在一定的困难；而且该专利仅仅采用单一组分的水蒸气，没有从解决不同工程和实施难题的角度出发，对蒸气组分进行合理配比；同时该专利压裂水蒸气的温度和压力一次成型，无法根据不同需求产生不同温度和压力的高温高压混合蒸气。该专利需要向煤层施工新钻孔，由于其方法对煤层作用范围较小且无法利用已有的大量存在的失效或废弃钻孔，因而需要向多次施工钻孔，增加了该方法的成本。上述原因使该专利的应用范围和实际作用效果都受到了极大的限制。本专利针对完全不同的工程难题和实际需求，从完全不同的角度出发，创新性的专利技术了针对煤层压裂失败或抽采失效的钻孔高温高压混合蒸气二次压裂装备和工艺方法。本专利技术既避免了已有废弃钻孔资源的浪费，还从煤层压裂卸压和增温两个方面促进瓦斯解吸效应，进而提高瓦斯抽采效率，实现“一举三得”。本专利技术对防治煤层瓦斯灾害、提高煤矿安全高效生产和瓦斯清洁能源高效开发都具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法，能够使经过一次抽采后废弃的钻孔再次得到有效利用，对煤层进行二次压裂，以便于对抽采过一次的煤层区域进行二次抽采，提高瓦斯的抽采率。为实现上述目的，本专利技术采用的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置，包括高温高压蒸气配比装置、三级升温增压系统以及二次压裂用管路及监测组件；所述高温高压蒸气配比装置包括用于存储空气的空气储气罐，用于存储保护气体的保护气储气罐，用于将水转化为高温带压水蒸气的高温高压蒸汽锅炉，用于对空气、保护气体、高温带压水蒸气保温及配比的A罐，用于承接A罐并混合保温的B罐；A罐与B罐之间连通；B罐上设有用于输出混合气体的输出管，该输出管上设有控制启闭的输出阀；所述A罐及所述B罐内均设有罐内加温装置、罐内压力传感器、罐内温度传感器；所述A罐内设置有气室A与空气储气罐连通、气室B与保护气储气罐连通、气室C与高温高压蒸汽锅炉连通，三个气室与分别与空气储气罐、保护气储气罐、高温高压蒸汽锅炉之间设有送气阀以控制连通与断开；气室A、气室B、气室C体积之比为α：β：γ，其中α取值为85～90，β取值为1～3，γ取值为8～15；用于对混合气体升温增压的所述三级升温增压系统有进气口、出气口，进气口与所述输出管连接，输出管连通有用于泄压的循环水路，该循环水路上设有泄压阀门；所述二次压裂用管路包括多节首尾活动连接的护孔套管、多节活动连接的压裂钢管、巷内连接钢管；与护孔套管配合装有用于密封护孔套管与钻孔孔壁之间的环形空间的护孔套管配套双路封孔器，该护孔套管配套双路封孔器与布置于钻孔外的手压泵A连接；护孔套管上布置有用于气体流通的压裂孔，且压裂孔位于护孔套管配套双路封孔器至钻孔孔底的区间内；所述压裂钢管位于所述护孔套管内，与压裂钢管配合装有用于密封压裂钢管与护孔套管之间的环形空间的的压裂钢管配套双路封孔器，压裂钢管配套双路封孔器与布置于钻孔外的手压泵B连接，压裂钢管配套双路封孔器至位于钻孔孔底区间的压裂钢管上也布置有用于气体流通的压裂孔；压裂钢管上也布置有用于气体流通的压裂孔，且压裂孔位于压裂钢管配套双路封孔器至钻孔孔底的区间内；压裂钢管与所述三级升温增压系统的出气口通过所述巷内连接钢管连接，并设有压裂阀门控制连接的开启与关闭；所述监测组件包括布置在钻孔孔口至孔底的区间内、靠近孔底和临近孔口的位置的压裂钢管外壁的压力传感器，以5～10m为间距布置在压裂钢管外壁的温度传感器，用于数据采集及处理的数据分析终端；压力传感器和温度传感器均连接至钻孔外的的数据分析终端。进一步的，所述三级升温增压系统包括首尾依次相连的三组升温增压装置，每组升温增压装置包括位于其连接管路前的升温装置、位于其连接管路后的增压泵。优选的，位于前后两组升温增压装置之间的一组升温增压装置位于前后两组升温增压装置的中点位置。进一步的，所述气室A、气室B、气室C均通过导气管接入连接钢管，然后经由连接钢管接通所述B罐；且所述连接钢管内设置有用于加速气体混合的轴流式的风扇。优选的，所述高温高压蒸气配比装置、三级升温增压系统、巷内连接钢管外表面均设有隔热层。进一步的，所述A罐布置有可通过旋钮控制的两个钢制挡板，挡板将A罐分为所述气室A、所述气室B、所述气室C三个气室。优选的，护孔套管配套双路封孔器、压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置，包括高温高压蒸气配比装置、三级升温增压系统以及二次压裂用管路及监测组件；/n所述高温高压蒸气配比装置包括用于存储空气的空气储气罐，用于存储保护气体的保护气储气罐，用于将水转化为高温带压水蒸气的高温高压蒸汽锅炉，用于对空气、保护气体、高温带压水蒸气保温及配比的A罐，用于承接A罐并混合保温的B罐；A罐与B罐之间连通；B罐上设有用于输出混合气体的输出管，该输出管上设有控制启闭的输出阀；所述A罐及所述B罐内均设有罐内加温装置、罐内压力传感器、罐内温度传感器；/n所述A罐内设置有气室A与空气储气罐连通、气室B与保护气储气罐连通、气室C与高温高压蒸汽锅炉连通，三个气室与分别与空气储气罐、保护气储气罐、高温高压蒸汽锅炉之间设有送气阀以控制连通与断开；气室A、气室B、气室C体积之比为α：β：γ，其中α取值为85～90，β取值为1～3，γ取值为8～15；/n用于对混合气体升温增压的所述三级升温增压系统有进气口、出气口，进气口与所述输出管连接，输出管连通有用于泄压的循环水路，该循环水路上设有泄压阀门；/n所述二次压裂用管路包括多节首尾活动连接的护孔套管、多节活动连接的压裂钢管、巷内连接钢管；与护孔套管配合装有用于密封护孔套管与钻孔孔壁之间的环形空间的护孔套管配套双路封孔器，该护孔套管配套双路封孔器与布置于钻孔外的手压泵A连接；护孔套管上布置有用于气体流通的压裂孔，且压裂孔位于护孔套管配套双路封孔器至钻孔孔底的区间内；所述压裂钢管位于所述护孔套管内，与压裂钢管配合装有用于密封压裂钢管与护孔套管之间的环形空间的的压裂钢管配套双路封孔器，压裂钢管配套双路封孔器与布置于钻孔外的手压泵B连接，压裂钢管配套双路封孔器至位于钻孔孔底区间的压裂钢管上也布置有用于气体流通的压裂孔；压裂钢管上也布置有用于气体流通的压裂孔，且压裂孔位于压裂钢管配套双路封孔器至钻孔孔底的区间内；压裂钢管与所述三级升温增压系统的出气口通过所述巷内连接钢管连接，并设有压裂阀门控制连接的开启与关闭；/n所述监测组件包括布置在钻孔孔口至孔底的区间内、靠近孔底和临近孔口的位置的压裂钢管外壁的压力传感器，以5～10m为间距布置在压裂钢管外壁的温度传感器，用于数据采集及处理的数据分析终端；压力传感器和温度传感器均连接至钻孔外的的数据分析终端。/n...

【技术特征摘要】
1.一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置，包括高温高压蒸气配比装置、三级升温增压系统以及二次压裂用管路及监测组件；
所述高温高压蒸气配比装置包括用于存储空气的空气储气罐，用于存储保护气体的保护气储气罐，用于将水转化为高温带压水蒸气的高温高压蒸汽锅炉，用于对空气、保护气体、高温带压水蒸气保温及配比的A罐，用于承接A罐并混合保温的B罐；A罐与B罐之间连通；B罐上设有用于输出混合气体的输出管，该输出管上设有控制启闭的输出阀；所述A罐及所述B罐内均设有罐内加温装置、罐内压力传感器、罐内温度传感器；
所述A罐内设置有气室A与空气储气罐连通、气室B与保护气储气罐连通、气室C与高温高压蒸汽锅炉连通，三个气室与分别与空气储气罐、保护气储气罐、高温高压蒸汽锅炉之间设有送气阀以控制连通与断开；气室A、气室B、气室C体积之比为α：β：γ，其中α取值为85～90，β取值为1～3，γ取值为8～15；
用于对混合气体升温增压的所述三级升温增压系统有进气口、出气口，进气口与所述输出管连接，输出管连通有用于泄压的循环水路，该循环水路上设有泄压阀门；
所述二次压裂用管路包括多节首尾活动连接的护孔套管、多节活动连接的压裂钢管、巷内连接钢管；与护孔套管配合装有用于密封护孔套管与钻孔孔壁之间的环形空间的护孔套管配套双路封孔器，该护孔套管配套双路封孔器与布置于钻孔外的手压泵A连接；护孔套管上布置有用于气体流通的压裂孔，且压裂孔位于护孔套管配套双路封孔器至钻孔孔底的区间内；所述压裂钢管位于所述护孔套管内，与压裂钢管配合装有用于密封压裂钢管与护孔套管之间的环形空间的的压裂钢管配套双路封孔器，压裂钢管配套双路封孔器与布置于钻孔外的手压泵B连接，压裂钢管配套双路封孔器至位于钻孔孔底区间的压裂钢管上也布置有用于气体流通的压裂孔；压裂钢管上也布置有用于气体流通的压裂孔，且压裂孔位于压裂钢管配套双路封孔器至钻孔孔底的区间内；压裂钢管与所述三级升温增压系统的出气口通过所述巷内连接钢管连接，并设有压裂阀门控制连接的开启与关闭；
所述监测组件包括布置在钻孔孔口至孔底的区间内、靠近孔底和临近孔口的位置的压裂钢管外壁的压力传感器，以5～10m为间距布置在压裂钢管外壁的温度传感器，用于数据采集及处理的数据分析终端；压力传感器和温度传感器均连接至钻孔外的的数据分析终端。


2.根据权利要求1所述的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置，其特征在于：所述三级升温增压系统包括首尾依次相连的三组升温增压装置，每组升温增压装置包括位于其连接管路前的升温装置、位于其连接管路后的增压泵。


3.根据权利要求2所述的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置，其特征在于：位于前后两组升温增压装置之间的一组升温增压装置位于前后两组升温增压装置的中点位置。


4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置，其特征在于：所述气室A、气室B、气室C均通过导气管接入连接钢管，然后经由连接钢管接通所述B罐；且所述连接钢管内设置有用于加速气体混合的轴流式的风扇。


5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置，其特征在于：所述高温高压蒸气配比装置、三级升温增压系统、巷内连接钢管外表面均设有隔热层。


6.根据权利要求1至3任意一项所述的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置，其特征在于：所述A罐布置有可通过旋钮控制的两个钢制挡板，挡板将A罐分为所述气室A、所述气室B、所述气室C三个气室。


7.根据权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：李楠，孙炜辰，王笑然，陈栋，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32