[发明专利]一种煤矿井下压裂密封装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻孔密封装置及方法，尤其是一种适用于煤矿井下压裂的密封装置及方法。

背景技术

我国煤矿地质条件复杂，高瓦斯煤层占50～70%，而高瓦斯低透气性煤层又占其中的70%左右。高瓦斯低透气性煤层的开采往往伴随大量瓦斯涌出，特别是随着煤炭生产的高效集约化和开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯爆炸和瓦斯突出危险的威胁也越来越大，瓦斯灾害已成为制约高校集约化开采技术发展和安全生产的最重要因素。因此，如何解决高瓦斯煤层开采过程中的瓦斯涌出问题，对煤矿安全生产具有十分重要的意义。

为了进行矿井瓦斯防治，首先要解决的如何提高低透气性煤层的透气性的难题。为此，煤矿常采用井下煤层高水力压裂、深空松动爆破等技术对煤体进行泄压增透，这些技术都需要在煤层进行钻孔，通过注入高压水或者炸药爆炸产生的能量使得煤体产生裂隙，提高煤层透气性。其中一个技术难题就是钻孔高压密封问题，如对煤层实施高水力压裂，为了在煤体内部形成有效的裂隙网络，对于埋藏深度1000m的煤层，钻孔的密封能力需要承受30MPa以上的水压，否则钻孔出现漏水而影响压裂效果。为了保证水力压裂的质量和压裂成功率，开发高压钻孔密封设备成为当务之急。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、承压能力高、密封效果好的煤矿井下压裂密封装置。

技术方案：本发明的煤矿井下压裂密封装置，包括经聚氨酯封孔段固定于钻孔内的注水管、回浆管和注浆管，其中，注水管穿过前后聚氨酯封孔段，回浆管和注浆管进入由前后聚氨酯封孔段封堵与钻孔所形成的空间内，进入封堵空间的回浆管长于进入封堵空间的注浆管，所述注水管前部的管壁周围间隔设有多个安全阀，注水管的前端套装有伞式支撑装置，所述的伞式支撑装置包括伞形支撑架、支撑管、滑动箍、活塞杆、活塞，其中，伞形支撑架的外撑杆前部铰接在支撑管上，伞形支撑架的内撑杆铰接在滑动箍上，滑动箍经活塞杆连接可在支撑管内部向前移动的活塞，所述滑动箍与支撑管相配合的管段上对称开有可使滑动箍向前移动的导轨槽。

所述的滑动箍包括套装在支撑管上的外套管，外套管内设有固定活塞杆的内套管，内套管与外套两侧连有可在支撑管导轨槽内移动的连接块；所述的活塞杆两端分别与活塞和支撑管的内套管螺纹连接；所述的滑动箍与支撑管相配合的管段前部设有阻挡滑动箍后退的弹性支撑卡；所述的安全阀的压力设定为6MPa。

使用上所述装置的煤矿井下压裂密封方法，包括如下步骤：

（a）打钻，根据施工方案设计的钻孔方位进行打钻，向煤壁设定深度的钻孔；

（b）装置组装，在注水管的前端套装伞式支撑装置，将伞式支撑装置的伞形支撑架连接到支撑管上，通过活塞杆将滑动箍和活塞螺纹连接在一起，再将滑动箍通过导轨槽套装在支撑管上，此时，伞形支撑架处于收缩状态；

（c）送管，在前部装有安全阀的注水管的上绑扎聚氨酯封孔带，之后将注水管送入钻孔内，直至设定位置，再将注浆管和回浆管送入钻孔内，同时在注水管、注浆管和回浆管进入钻孔段绑扎聚氨酯封孔带，将钻孔孔口堵住；

（d）注浆，通过注浆泵将水泥浆液注入前后聚氨酯封孔段封堵的钻孔内，侍回浆管内流出浆液时，关闭回浆管上的阀门，继续注浆1～2min后关闭注浆泵，完成前后聚氨酯封孔段封堵钻孔内的封堵；

（e）注水，设定初始压力水为5MPa，通过注水泵将压力为5MPa的高压水通过注水管注入钻孔中，在5MPa高压水的作用下，支撑管内的活塞被往前推移，带动与活塞杆相连的滑动箍向前移动，铰接在滑动箍上的伞形支撑架撑开，穿刺到煤体中，随着高压水不断注入，高压水的压力不断挤压前后聚氨酯封孔段，从而使伞形支撑架刺入煤体越深；

（f）压裂，提高注水的压力，直至最后注水压力≥15MPa，当注水压力超过安全阀设定的6MPa压力时，安全阀被冲开，高压水从安全阀的入口喷出进入钻孔，对钻孔实施压裂作业。

有益效果：本发明提供的密封装置，起到一种机械密封的效果。当伞式密封装置送入钻孔时，装置呈收缩状，便于装置送入钻孔。在装置打开阶段，水压不足以使安全阀打开，而可以将活塞向左推，从而滑动箍向左移动，使装置在滑动箍的推动作用下张开。支撑管上有止回槽，可以避免高压水将管箍推开，进而避免伞形支撑架的收缩。当高压水注入钻孔的时候，高压水就会挤压封孔段，从而可以使伞形支撑架刺入煤体的就越深，提高了封孔段承压能力，进而可以提高注水的压力，提高压裂效果。