[发明专利]一种井下钻孔定向压裂装置及方法

说明书

本发明公开了一种井下钻孔定向压裂装置及方法；装置包括多节首尾相连的套管、压裂管，套管上安装有定向压裂控制装置，该定向压裂控制装置包括设置在套管上角度可调的螺孔、与该螺孔配合的单向破坏型锥形螺丝；套管通过可控行程的螺纹连接组件或法兰连接组件连接，且套管上设有周向上与定向压裂控制装置位置对应的对准刻线，确保了对准刻线与定向压力装置始终对齐。方法主要为在巷道中钻孔后，将套管送入钻孔，并对套管和钻孔之间的环形空间进行注浆密封，在套管中送入装有前后两个封隔器的压裂管，带压流体自压裂管进入套管后，压力达到定向压裂控制装置的最大承受压力，冲出套管压裂煤岩体。本发明压裂方向可控，且能够实现多种定向扩展形式。

技术领域

本发明涉及一种井下钻孔定向压裂装置及方法，属于矿井岩层压力技术领域。

背景技术

我国煤层地质赋存条件复杂多变，因瓦斯或以瓦斯为诱导因素而发生的煤岩动力灾害事故，使我国煤炭安全绿色开采面临严重挑战。为了解决该问题，国内外专家提出了对矿井含瓦斯煤层及其顶底板进行卸压增透抽采。

针对高瓦斯矿井煤层卸压抽采，业内已有多种水力化措施，包括：水力冲孔、水力割缝、水力造穴和水力压裂等。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。但是目前煤矿井下水力压裂方式多为“粗犷”式的压裂，现场施工方式多为“打钻-送管-封孔-压裂”的全孔段、无方向压裂形式，因此在水力压裂裂纹扩展方向、空间走向很难做到定向控制，裂纹无法发育至指定的区域，可能造成需要压裂的区域水压裂缝扩展不到，而不需要压裂的区域水压裂缝发育，从而导致煤岩层水力压裂效果差，不能对瓦斯动力灾害进行有效防治；并且压裂钻孔工程量大，压裂经济效益差，压裂后瓦斯抽采效率提高不明显。

发明人为了解决上述问题，于2018年提出了申请号为CN201810485584.4的发明专利，公开了一种煤矿井下煤层长钻孔分段压裂增透与抽采瓦斯方法，主要原理为将刚性套管置入钻孔，刚性套管上设有单向阀，与煤矿用压裂泵站连接的刚性刚性压裂管送入刚性套管内，注入高压流体，高压流体进入刚性套管与刚性压裂管之间的空间内，达到单向阀的开启压力后，冲出刚性套管，从而对煤层进行压裂。但在实际操作中，仍然存在以下问题：由于钻孔较长，可达百米甚至千米，多节刚性压裂管连接后，首节上的压力阀方向容易出现偏差，而刚性压裂管送入刚性套管内，不可调节，且压力阀位置也无法观察，致使定压压裂的方向不可控；不仅如此，单向阀安装占据较大空间，难以在狭小的钻孔中改变方向，因此只能实现长钻孔分段压裂，不能根据岩层的原岩应力及瓦斯分布实现线形定向扩展、扇形定向扩展、十字形定向扩展等定向压裂，从而使的压力效果达不到理想状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下钻孔定向压裂装置及方法，能够实现煤岩体水力压裂裂缝的扇形定向扩展、线形定向扩展、十字形定向扩展等多种定向扩展形式，使水压裂缝向特定区域定向发展。

为实现上述目的，本发明采用的一种井下钻孔定向压裂装置，包括多节首尾相连的套管、多首尾相连的压裂管，首段套管首端封闭，首段压裂管的首端封闭、尾端与煤矿用压裂泵站连接，其中与待压裂区位置对应的套管上设有定向压裂控制装置，其中一段压裂管上设有出水孔，压裂管上的出水孔前后位置套装有封隔器；

所述套管单根长度为1～3m，每两个套管之间通过定向连接组件连接，套管每隔6～8根加设套管扶正器；所述定向连接组件为可控行程的螺纹连接组件或法兰连接组件；

所述可控行程的螺纹连接组件包括分别设置在两节套管连接端的内装配螺纹段、外装配螺纹段，内装配螺纹段及外装配螺纹段的螺纹装配长度、螺纹收尾、退刀槽长度误差小于0.3mm，螺距累计误差小于0.2mm，螺纹进刀角度误差范围控制在±1度；

所述法兰连接组件包括分别设置在两节套管连接端的两个法兰，法兰上的螺栓孔为围绕法兰中心旋转的环形腰型孔，法兰之间设有密封垫片，法兰连接组件还包括与环形腰型孔配合的锁死插片；