[发明专利]一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置及方法

说明书

本发明公开了一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置及方法，该装置包括壳体，壳体的轴向中心位置贯穿设置有进液管，壳体的外部设有致裂托盘，致裂托盘通过若干起裂部件与进液管连接；起裂部件在进液管轴向位置均匀布置，起裂部件包括外壳、进液口、活塞头、活塞杆、弹簧，外壳一端通过进液口与进液管连接，活塞头置于外壳内部且两端分别通过弹簧与壳体连接，活塞杆一端与活塞头固定连接，另一端与致裂托盘固定连接。本发明通过水力驱动煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置在钻孔内预裂煤体，能够实现起裂位置的定点定向控制，保证裂缝沿着目标方向起裂。

技术领域

本发明涉及煤层压裂改造技术领域，具体涉及一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置及方法。

背景技术

随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，未来深部煤炭资源开采将成为常态。由于深部煤层普遍具有瓦斯含量高、压力大的特点，导致深部煤炭开采过程中瓦斯动力灾害更加严重，威胁矿井的安全生产。此外，瓦斯还是一种清洁高效能源和强温室气体。因此，实现瓦斯的高效开发对于保障采矿安全，实现资源利用以及环境保护都具有重要意义。

但是由于我国煤层透气性普遍较差，常规的瓦斯抽采技术效果差，难以实现资源的高效开发。为此，煤层水力压裂技术被广泛应用于低透气性煤层的储层改造过程中。但是传统的煤层水力压裂技术由于很难实现裂缝起裂和扩展过程的可控，常导致压裂效果差、瓦斯抽采不理想的问题。

因此，为了实现水力压裂裂缝扩展的可控，提高煤层改造效率和瓦斯抽采效果，急需寻求全新的煤层水力压裂技术和装备，以满足煤矿井下储层高效改造和瓦斯抽采的要求。

发明内容

为了解决传统的煤层水力压裂技术导致压裂效果差、瓦斯抽采不理想的问题，本发明提出一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置及方法。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，包括壳体，壳体的轴向中心位置贯穿设置有进液管，壳体的外部设有致裂托盘，致裂托盘通过若干起裂部件与进液管连接；起裂部件在进液管轴向位置均匀布置；起裂部件包括外壳、进液口、活塞头、活塞杆、弹簧，外壳一端通过进液口与进液管连接，活塞头置于外壳内部且活塞头两端分别通过弹簧与壳体连接，活塞杆一端与活塞头固定连接，另一端与致裂托盘固定连接。

优选地，致裂托盘包括分别位于壳体的上部、下部的上致裂托盘、下致裂托盘，进液管上部、下部分别设有4个起裂部件，进液管上部的活塞杆与上致裂托盘固定连接，进液管下部的活塞杆与下致裂托盘固定连接。

优选地，上致裂托盘、下致裂托盘结构相同且截面均为半圆弧形。

优选地，进液管出口端设有球阀。

优选地，壳体前端设有用于连接矿用钻头的连接螺纹。

优选地，致裂托盘的厚度为10-20mm。

本发明还提供一种煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂的方法，包括以下步骤：

S1：煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置后端与钻杆相连，前端连接螺纹与钻头相连，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置内通入低压水，球阀打开，开始在煤层内施工钻孔，直至钻孔施工完成；

S2：退钻至指定位置，向煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置内通入高压水，球阀关闭，进液管中的高压水通过进液口进入起裂部件内部，并通过活塞杆与活塞头将压力传导至致裂托盘，致裂托盘在指定位置和方向上预裂煤体；然后旋转煤层机械起裂与水力驱动协同靶向压裂装置，在另一个方向上再次预裂煤体，使得在钻孔壁上形成多条预裂裂缝；

S3：沿钻孔轴向退钻，在钻孔另一轴向位置重复S2步骤，继续预裂煤体，直到整个钻孔预裂施工完成；