[發明專利]一種深部低滲透高瓦斯煤層鉆-割-封-壓鉆孔設備及方法

有效

• 申請號: 202010085632.8
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111088993B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 王剛;劉志遠;程衛民;秦相杰;范酒源;孫路路;劉震;倪冠華;于巖斌;劉義鑫;黃啟銘
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: E21F7/00
• 分類號: E21F7/00;E21B43/26;E21B7/02;E21B7/04;E21B15/04;E21B21/00;E21B33/127
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 張凱

本發明提供了一種深部低滲透高瓦斯煤層鉆?割?封?壓鉆孔設備及方法，涉及煤礦瓦斯抽采和降塵技術領域，包括鉆孔控制系統、高壓水動力系統、水壓分級控制系統和壓裂封堵控制系統，鉆孔控制系統調整鉆孔鉆桿的鉆進方向和鉆桿供水水壓，高壓水動力系統為設備提供不同壓力的高壓水，水壓分級控制系統保證鉆進沖刷鉆屑水壓小于5MPa，垂直于鉆桿長度方向割縫用水壓為25?35MPa，封孔膠囊的封孔水壓為35?40MPa，煤層進一步卸壓增透的水壓為40?50MPa；壓裂封堵控制系統完成封孔和水力壓裂施工的控制；以及利用該設備施工鉆孔、孔內割縫、封孔、水力壓裂的方法，實現了單一設備的一體化施工，提高了瓦斯抽采鉆孔和煤層防塵的施工效率。

技術領域

本發明涉及煤礦瓦斯抽采和煤層降塵技術領域，尤其是一種深部低滲透高瓦斯煤層的鉆-割-封-壓鉆孔設備，以及利用該設備實現鉆孔、割縫、封孔、壓裂施工的方法。

背景技術

目前，煤礦開采已由淺部開采轉向深部開采，隨著采深的增加，煤層所在的地應力也增大，導致煤層的滲透性極低，同樣煤層瓦斯壓力進一步增大，發生瓦斯災害的可能性也隨之增大。然而瓦斯也是一種清潔高效的能源，在低滲煤層進行有效的瓦斯抽采，以降低發生災害的可能性并提高瓦斯的利用率，是當前深部煤礦科學開采不可避免的難題。據統計大部分的煤礦是瓦斯礦井，為保障礦井正常安全生產，通常預先對富含瓦斯煤層進行瓦斯抽放，即在煤層不同位置施工多個鉆孔，對含瓦斯煤層進行水力割縫，再應用多種封孔器封堵鉆孔，再次注入高壓水對煤體進行壓裂增透，使瓦斯從鉆孔內自主散發出來或進行人工進行瓦斯抽放。但是，上述工藝存在的主要問題是：(1)單一鉆孔的煤層增透效果差，排放瓦斯的效率很低；(2)人工進行煤層壓裂增透的多個抽采瓦斯鉆孔的工序復雜。由于受煤層低滲透率的束縛，瓦斯的抽放效率也很低。并且上述工藝需要施工多個鉆孔、施工效率低、生產成本較高。雖然，目前的瓦斯抽采研究領域中也提出過一些的瓦斯抽放方法，比如高位鉆孔瓦斯抽采、水壓致裂煤層抽采瓦斯方法等。但這些工藝都需要預先進行施工鉆工，退出原有鉆桿后進行封堵鉆孔和水力壓裂，再進行瓦斯抽采，工藝存在重復性。

為了實現“鉆-割-封-壓”一體化工藝，并方便施工，需要提供深部低滲透高瓦斯煤層“鉆-割-封-壓”一體化鉆孔施工裝備及方法，不僅對低滲煤層進行預裂增滲，還能將“鉆進-割縫-封堵-壓裂”等四個工藝集中成一體，不需要反復鉆進或鉆退，提高了瓦斯抽采的安全性、施工效率。

發明內容

為了實現鉆孔、孔內割縫、封孔、水力壓裂的單一設備施工和一體化施工，提高瓦斯抽采鉆孔和煤層防塵的施工效率，保證瓦斯抽采安全，本發明提供了一種深部低滲透高瓦斯煤層鉆-割-封-壓鉆孔設備及方法，具體技術方案如下。

一種深部低滲透高瓦斯煤層鉆-割-封-壓鉆孔設備，包括水箱、高壓水管、高壓泵、溢流閥、鉆頭、鉆桿、封孔膠囊和控制閥；具有鉆孔控制系統、高壓水動力系統、水壓分級控制系統和壓裂封堵控制系統；所述鉆孔控制系統調整鉆孔鉆桿的鉆進方向和鉆桿供水水壓，所述高壓水動力系統提供壓力在0-50MPa之間的高壓水，所述水壓分級控制系統調整鉆進沖刷鉆屑的水壓小于5MPa，垂直于鉆桿長度方向割縫用的水壓為25-35MPa，封孔膠囊的封孔水壓為35-40MPa，煤層水力壓裂的卸壓增透用水壓為40-50MPa；所述壓裂封堵控制系統對封孔和水力壓裂施工進行控制。

優選的是，鉆孔控制系統包括鉆孔角度控制單元、鉆進速度控制單元和鉆孔角度修正控制單元，所述鉆孔角度控制單元調整鉆頭鉆桿的鉆進方向，鉆進速度控制單元調整鉆機的轉速和推進力，所述鉆孔角度修正控制單元對鉆孔的鉆進方向進行實時修正。

還優選的是，鉆頭上設置有濕式鉆桿出水口，沿鉆桿的長度方向從鉆頭側開始依次設置有割縫出水口、水力壓裂出水口和封孔膠囊。

優選的是，高壓水動力系統包括水箱、高壓泵、溢流閥和高壓水管，高壓泵泵送來自水箱的水，高壓泵通過高壓水管輸送高壓水，高壓水管的上游設置有溢流閥。