一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法与流程

本发明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。

背景技术：

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，创新性的发明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。本发明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”。本发明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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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、压裂钢管配套双路封孔器分别为与护孔套管、压裂钢管配合连接的管状结构，并可通过手压泵a、手压泵b对其加压的方式使外径膨胀方式进行封孔。

本发明采用的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂方法，包括如下步骤：

a、择失效的压裂钻孔或失效的抽采钻孔，确保该钻孔内无遗留管路后，使用坑道钻机对该钻孔进行扫孔和清孔；

b、将护孔套管首尾相接，并在护孔套管上安装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，采用坑道钻机夹持送入钻孔，护孔套管配套双路封孔器与钻孔外的手压泵a连接；

c、将外壁布置有压力传感器和温度传感器的压裂钢管首尾相接，并在压裂钢管上安装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，然后送入护孔套管中；压裂钢管配套双路封孔器与孔外的手压泵b连接；同步地，压裂钢管外壁靠近孔底和临近孔口的位置均布置压力传感器；

d、钻孔孔口最后一节压裂钢管依次与三级升温增压系统、高温高压蒸气配比装置连接，用于连接压裂钢管与三级升温增压系统的巷内连接钢管上设有压裂阀门，用于连接三级升温增压系统及高温高压蒸气配比装置的输出管上连通有循环水路，该循环水路上设有泄压阀门；

e、通过手压泵a及手压泵b对护孔套管配套双路封孔器、压裂钢管配套双路封孔器分别加压，以密封护孔套管与失效压裂钻孔的孔壁之间的环形空间、压裂钢管与护孔套管之间的环形空间，测试各组件的密闭性，若密封性不好，调节护孔套管配套双路封孔器、压裂钢管配套双路封孔器，使各组件具有良好的密闭性；

f、通过高温高压蒸气配比装置按照如下比例进行混合气体的配比：空气85％～90％、水蒸气8～15％、保护气1％～3％；然后将混合气体输入由首尾依次相连的三组升温增压装置形成的三级升温增压系统；

g、混合气体依次经过三组升温增压装置，使混合气体的输出温度以150℃、200℃、250℃递增，且以25mpa、35mpa、50mpa的压力递增；并最终形成压力大于45mpa，温度大于200℃且小于300℃的高温高压混合蒸气；确保各组件正常且泄压阀处于关闭状态后，打开高温高压蒸气配比装置输出管上的输出阀，高温高压混合蒸气通过压裂钢管注入煤层进行压裂；

h、向管内持续送入高温高压混合蒸气，待数据分析终端实时显示的两个压力传感器的监测值下降到设定的低压注热阀值后，停止或降低升温增压装置的增压功能，并继续向钻孔内输送压力小于上述设定的低压注热阀值的高温混合蒸气2～5小时，保证二次压裂范围内的煤层得到充分升温，之后后关闭各组件；

i、通过数据分析终端测得所有温度传感器监测的温度下降至30℃并稳定在30℃以下30分钟，在输出阀处于关闭状态下后打开压裂阀门、泄压阀门进行排水排气泄压，待排水排气流量接近0时关闭压裂阀门、泄压阀门；

j、排水排气结束后，依次对压裂钢管配套双路封孔器、护孔套管配套双路封孔器泄压，完全泄压后，取出护孔套管、压裂钢管、压裂钢管配套双路封孔器、护孔套管配套双路封孔器；然后将瓦斯抽采管送入钻孔，重新封孔抽采。

进一步的，所述压裂钢管配套双路封孔器安装在临近钻孔孔口8m左右的位置处，所述护孔套管配套双路封孔器安装在临近钻孔孔底10m左右的位置处。

优选的，所述保护气的组分和比例为：氮气20％、二氧化碳气体80％。

有益效果：本发明公开的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法，能够重新利用煤矿井下广泛存在的失败的煤层压裂钻孔和失去抽采价值的煤层抽采钻孔进行二次压裂利用，不仅极大的提高了钻孔利用效率，降低了钻孔工程量；而且能够有效避免压裂影响空白带和瓦斯抽采空白带，保证煤炭安全高效开采。且针对由于以前抽采技术的落后，形成的旧钻孔抽采效率低下或难以利用、而新钻孔易于贯通旧钻孔从而达不到压裂效果的煤层区域，本发明可以通过对旧钻孔进行二次压裂，从而提高上述煤层区域的的抽采率。

采用按照一定比例混合的高温高压混合蒸气(空气、水蒸气、保护气)进行二次压裂，使煤层钻孔二次压裂注入的高温高压混合蒸气压力能达到45mpa，温度介于200～300℃之间。从而克服了单纯采用水蒸气，压力难以达到40mpa以上的压裂所需压力的同时，制备水蒸汽锅炉温度过高，在煤矿井下环境易于引起火灾的问题。高温高压混合蒸气既能够压裂煤层，在煤层中产生裂缝网络，起到卸压增透作用；同时高温高压混合蒸气进入压裂裂缝网络，能够使压裂范围内的煤层升温，从而极大促进煤层中吸附瓦斯的解吸附速度；此外煤体受热后也会产生一定程度的热膨胀裂缝，进一步提高煤层瓦斯的流动性，提高瓦斯抽采的效率。而空气、水蒸气和保护气(氮气和二氧化碳混合气体)来源广泛、容易获得、成本低廉；通过设置合理的混合蒸气温度范围，并加入水蒸气和保护气能够确保二次压裂范围内的煤层不被注入的气体氧化发火。

钻孔中的压裂钢管上，靠近孔底和临近孔口的位置均布置压力传感器，压力传感器能够实时监测孔底和孔口处的蒸气压力，数据分析终端能够实时显示孔底和孔口的蒸气压力曲线。根据蒸气压力变化能够灵活调整或停止三级升温增压系统，从而有效避免盲目压裂和长时间无效压裂。通过数据分析终端实时显示的钻孔径向温度云图，能够掌握钻孔范围内的蒸气温度，既能帮助判断压裂程度和评价压裂范围，又能正确把握二次压裂结束后的排气排水时间，防止高温水气烫伤作业人员。

压裂前为护孔套管配套双路封孔器、压裂钢管配套双路封孔器注压，两个双封孔器打开膨胀后对护孔套管和钻孔间、护孔套管和压裂钢管间的2个环形空间进行密封，从而无需对护孔套管和钻孔间的环形空间进行工艺复杂繁琐的注水泥密封；压裂工程结束后，还可以对两个配套双路封孔器进行卸压后取出护孔套管、压裂钢管以及配套的双路封孔器，实现了压裂管路的可回收，极大的减低了压裂经济成本和时间成本。

三级升温增压系统可实现对高温高压蒸气的三级可调整升温和增压，使产生的高温高压混合蒸气满足施工要求，同时实现高温高压蒸气的温度和压力按照需要实时进行调整。同时保证蒸气在管路中保持温度和压力，也避免蒸气压力和温度短时间大幅升高而给巷道内的作业人员和装置带来危险。

而与背景技术中提及的对比文件相比，本发明公开了一种煤矿井下煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法，主要利用首次压裂失败或者已经失去瓦斯抽采价值的煤层钻孔进行高温高压蒸气二次压裂。本发明有效利用了煤矿井下大量存在的废弃钻孔，避免了钻孔的大量浪费，极大降低新的钻孔工程量。同时本发明采用高温高压蒸气进行钻孔二次压裂，不仅能够在煤层中形成压裂缝网结构，从而有效降低抽采区域的地层压力；而且本发明采用的高温蒸气还能够在裂缝网络范围内对煤层增温，从而促进吸附态瓦斯解吸成游离态瓦斯，进一步提高瓦斯抽采效率。综上，本发明既避免了已有钻孔资源的浪费，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”。本发明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抽采开发都具有重要意义。

附图说明

图1为煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法示意图。

图2为煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂钻孔内施工示意图。

图3为高温高压蒸气配比装置示意图。

图4为二次压裂用管路及其监测组件示意图。

图5二次压裂施工中数据分析终端蒸气压力曲线显示图。

图中：1-煤层；2-底板巷道；3-失效压裂钻孔；4-护孔套管；5-压裂钢管；6-失效抽采钻孔；7-压裂钢管配套双路封孔器；8-护孔套管配套双路封孔器；9-温度传感器；10-压力传感器；11-压裂孔；12-电缆；13-数据分析终端；14-巷内连接钢管；15-压裂阀门；16-三级升温增压系统；17-增压泵；18-升温装置；19-泄压阀门；20-高温高压蒸气配比装置；21-循环水箱；22-循环水路；23-压风机；24-空气储气罐；25-加压泵；26-保护气储气罐；27-高温高压蒸汽锅炉；28-送气阀；29-调节旋钮；30-挡板；31-罐内加温装置；32-底座；33-a罐；34-b罐；35-气室；36-导气管；37-连接钢管；38-风扇；39-罐内压力传感器；40-罐内温度传感器；41-输出阀；42-输出管；43-孔底压力曲线；44-孔口压力曲线；45-低压注热阀值；46-手压泵a；47-手压泵b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1～4所示，本发明提出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20、三级升温增压系统16以及二次压裂用管路及监测组件；

高温高压蒸气配比装置20包括用于存储空气的空气储气罐24，可以利用压风机23对该空气储气罐24进行压风供气；用于存储保护气体的保护气储气罐26，用于将水转化为高温带压水蒸气的高温高压蒸汽锅炉27，用于对空气、保护气体、高温带压水蒸气保温及配比的a罐33，用于承接a罐33并混合保温的b罐34；a罐33与b罐34之间连通，且a罐33与b罐34均固定在底座32上；b罐34上设有用于输出混合气体的输出管42，该输出管42上设有控制启闭的输出阀41；a罐33及b罐34内均设有罐内加温装置31、罐内压力传感器39、罐内温度传感器40；

如图3所示，a罐33内设置三个气室35，即气室a与空气储气罐24连通、气室b与保护气储气罐26连通、气室c与高温高压蒸汽锅炉27连通，三个气室35与分别与空气储气罐24、保护气储气罐26、高温高压蒸汽锅炉27之间设有送气阀28以控制连通与断开；空气储气罐24连通与气室a的连接管路上还可以设置加压泵25，通过加压泵25对气室a供气。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；用于保证混合气体的配比。

作为其中三个气室35的设计方案，a罐33布置有可通过旋钮控制其位置的两个钢制挡板30，挡板30将a罐33分为气室a、气室b、气室c三个气室，通过调节旋钮29，来移动钢制挡板30的位置，来改变气室a、气室b、气室c之间的体积之比，从而来选择最优的混合气体之比。

而作为a罐33与b罐34之间连通方式的进一步改进，如图3所示，气室a、气室b、气室c均通过导气管36接入连接钢管37，然后经由连接钢管37接通所述b罐34；且连接钢管37内设置有用于加速气体混合的轴流式的风扇38。该风扇38可以采用电动的方式，也可以由流动的空气带动其自转的方式进行旋转，从而加速不同气体的混合。

a罐33、b罐34，及罐内的罐内加温装置31、罐内压力传感器39、罐内温度传感器40皆可承载压力在15～20mpa、温度在200～300℃的高温高压蒸气，罐内加温装置31可使罐内混合蒸气温度保持在120～150℃。

如图1所示，用于对混合气体升温增压的三级升温增压系统16有进气口、出气口，进气口与输出管42连接，输出管42连通有用于泄压的循环水路22，该循环水路22上设有泄压阀门19；作为优选的方案，三级升温增压系统16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18、位于其连接管路后的增压泵17。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。通过升温装置18和增压泵17，使混合气体的输出温度以150℃、200℃、250℃递增，且以25mpa、35mpa、50mpa的压力递增；并最终形成压力大于45mpa，温度大于200℃且小于300℃的高温高压蒸气。

即混合气体首先通过进气口进入第一组升温增压装置，先由升温装置18升温至150℃，再由增压泵17增压至25mpa；然后进入第二组升温增压装置，先由升温装置18升温至200℃，再由增压泵17增压至35mpa；最后进入第三组升温增压装置，先由升温装置18升温至250℃，再由增压泵17增压至50mpa；并最终形成压力大于45mpa，温度大于200℃且小于300℃的高温高压蒸气。

循环水路22的另一端可以连接至循环水箱21，泄压产生的水气通过循环水路22进入循环水箱21，并冷却形成水，循环水箱21可以与高温高压蒸汽锅炉27供水，从而实现压裂水的循环利用。

二次压裂用管路包括多节首尾活动连接的护孔套管4、多节活动连接的压裂钢管5、巷内连接钢管14；与护孔套管4配合装有用于密封护孔套管4与钻孔孔壁之间的环形空间的护孔套管配套双路封孔器8，该护孔套管配套双路封孔器8与布置于钻孔外的手压泵a46连接；护孔套管配套双路封孔器8至位于钻孔孔底区间的护孔套管4上布置有用于气体流通的压裂孔11，即护孔套管4上布置有用于气体流通的压裂孔11，且压裂孔11位于护孔套管配套双路封孔器8至钻孔孔底的区间内；压裂钢管5位于护孔套管4内，与压裂钢管5配合装有用于密封压裂钢管5与护孔套管4之间的环形空间的的压裂钢管配套双路封孔器7，压裂钢管配套双路封孔器7与布置于钻孔外的手压泵b47连接，压裂钢管配套双路封孔器7至位于钻孔孔底区间的压裂钢管5上也布置有用于气体流通的压裂孔11，即压裂钢管5上也布置有用于气体流通的压裂孔11，且压裂孔11位于压裂钢管配套双路封孔器7至钻孔孔底的区间内；压裂钢管5与三级升温增压系统16的出气口通过巷内连接钢管14连接，并设有压裂阀门15控制连接的开启与关闭；手压泵a46和手压泵b47可以布置在底板巷道2中；

本发明所使用的护孔套管4、压裂钢管5、压裂钢管配套双路封孔器7、护孔套管配套双路封孔器8均可使用坑道钻机夹持送入钻孔和护孔套管4中，能够有效降低工人作业强度，提高作业效率。

如图4，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5外壁的压力传感器10，以5～10m为间距布置在压裂钢管5外壁的温度传感器9，布置于底板巷道2内的用于数据采集及处理的数据分析终端13；压力传感器10和温度传感器9均连接至钻孔外的的数据分析终端13。

需要说明的是，巷内连接钢管14与压裂钢管5均可以承受压力大于50mpa，温度大于300℃的高温高压蒸气，以确保整个压裂过程中，系统安全及可靠。各个传感器之间，传感器与数据分析终端13之间，均采用耐高温的电缆12相互连接，并确保数据分析终端13可以接收到每个传感器的信号。

优选的，为了防止人员烫伤，高温高压蒸气配比装置20、三级升温增压系统16、巷内连接钢管14的外表面均设有隔热层。

为了提高工作效率，优选的，护孔套管配套双路封孔器8、压裂钢管配套双路封孔器7分别为与护孔套管4、压裂钢管5配合连接的管状结构，并可通过手压泵a46、手压泵b47对其加压的方式使外径膨胀方式进行封孔。

本发明采用的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂方法，本方法可以利用上述装置实现，也可以脱离上述装置，通过本方法中的步骤，来实现。本方法具体包括如下步骤：

a、如图1及图2所示，在煤层1中选择压裂失败的失效压裂钻孔3或失去继续抽采瓦斯价值的失效抽采钻孔6作为二次压裂施工孔，本实施例中以失效压裂钻孔3为例进行说明。相邻的压裂钻孔或抽采钻孔暂停工作，避免影响二次压裂的施工效果。确保该失效压裂钻孔3内无遗留管路后，使用坑道钻机对该钻孔进行扫孔和清孔；采用坑道钻机夹持送入钻孔，能够有效降低工人作业强度，提高作业效率。

b、如图1及图2，将护孔套管4首尾相接，并在护孔套管4上安装用于密封护孔套管4与钻孔孔壁之间的环形空间的护孔套管配套双路封孔器8，采用坑道钻机夹持送入钻孔，护孔套管配套双路封孔器8与钻孔外的手压泵a46连接；

c、将外壁布置有压力传感器10和温度传感器9的压裂钢管5首尾相接，并在压裂钢管5上安装用于密封压裂钢管5与护孔套管4之间的环形空间的的压裂钢管配套双路封孔器7，然后送入护孔套管4中；压裂钢管配套双路封孔器7与孔外的手压泵b47连接；同步地，压裂钢管5的外壁靠近孔底和临近孔口的位置均布置压力传感器10；

压裂钢管配套双路封孔器7安装在临近钻孔孔口8m左右的位置处，护孔套管配套双路封孔器8安装在临近钻孔孔底10m左右的位置处。

d、钻孔孔口最后一节压裂钢管5依次与三级升温增压系统16、高温高压蒸气配比装置20连接，用于连接压裂钢管5与三级升温增压系统16的巷内连接钢管14上设有压裂阀门15，用于连接三级升温增压系统16及高温高压蒸气配比装置20的输出管42上连通有循环水路22，该循环水路22上设有泄压阀门19；

e、通过手压泵a46及手压泵b47对护孔套管配套双路封孔器8、压裂钢管配套双路封孔器7分别加压，以密封护孔套管4与失效压裂钻孔3的孔壁之间的环形空间、压裂钢管5与护孔套管4之间的环形空间，测试各组件的密闭性，若密封性不好，调节护孔套管配套双路封孔器8、压裂钢管配套双路封孔器7，使各组件具有良好的密闭性；护孔套管配套双路封孔器8、压裂钢管配套双路封孔器7的设置，避免了护孔套管4和钻孔间的环形空间进行工艺复杂繁琐的注水泥密封，极大的减低了压裂经济成本和时间成本。

f、通过高温高压蒸气配比装置20按照如下比例进行混合气体的配比：空气85％～90％、水蒸气8～15％、保护气1％～3％；本次施工以空气：水蒸气：保护气＝85:12:3的比例配置混合气体；采用上述比例配置混合气体，可以使煤层钻孔二次压裂注入的高温高压蒸气压力能达到45mpa，同时，温度介于200～300℃之间；

高温高压蒸气配比装置20包括有高温高压蒸汽锅炉27，该锅炉产出温度为200℃，压力为12mpa的水蒸气，打开罐内加温装置31为a罐33、b罐34预热。开启压风机23，持续向空气储气罐24中输送带压空气；同时开启高温高压蒸汽锅炉27产出温度为200℃，压力为12mpa的水蒸气；观察罐内温度传感器40，待温度达到120℃后打开空气储气罐24、保护气储气罐26、高温高压蒸汽锅炉27后的送气阀28，并打开加压泵25向a罐33中注入混合气体；混合气体经导气管36进入连接钢管37中，并且通过风扇38充分混合后进入b罐34中，待罐内压力传感器39的读数达到12mpa且确保泄压阀门19关闭，然后打开输出阀41使混合气体进入输出管42中；

然后通过输出管42将混合气体输入由首尾依次相连的三组升温增压装置形成的三级升温增压系统16。

g、混合气体依次经过三组升温增压装置，使混合气体的输出温度以150℃、200℃、250℃递增，且以25mpa、35mpa、50mpa的压力递增；并最终形成压力大于45mpa，温度大于200℃且小于300℃的高温高压混合蒸气；确保各组件正常且泄压阀19处于关闭状态后，打开高温高压蒸气配比装置20输出管42上的输出阀41，高温高压混合蒸气通过压裂钢管5注入煤层1进行压裂；

h、随着高温高压蒸气持续的压入压裂钢管5，煤层1中的裂缝逐步发育，煤层1温度逐渐升高，瓦斯持续解吸。观察数据分析终端13，待数据分析终端13显示的孔底压力曲线43和孔口压力曲线44的数值下降到设定的低压注热阀值45(本次施工为10mpa)后，降低升温增压装置的增压功能，继续以不超过低压注热阀值45(即10mpa)的压力向压裂钢管5内输送高温混合蒸气3小时，保证二次压裂范围内的煤层1得到充分升温，持续输送3小时后关闭各组件。

i、通过数据分析终端13测得所有温度传感器9监测的温度下降至30℃并稳定在30℃以下30分钟后，在输出阀19处于关闭状态下打开压裂阀门15、泄压阀门19进行排水排气泄压，待排水排气流量接近0时关闭压裂阀门15、泄压阀门19；

j、排水排气结束后，依次对压裂钢管配套双路封孔器7、护孔套管配套双路封孔器8泄压，完全泄压后，取出护孔套管4、压裂钢管5、压裂钢管配套双路封孔器7、护孔套管配套双路封孔器8；然后将瓦斯抽采管送入钻孔，重新封孔抽采。

优选的，保护气的组分和比例为：氮气20％、二氧化碳气体80％。保护气可以有效防止煤炭氧化，同时原料易于取得，成本低廉。

本发明公开的一种煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法，能够重新利用煤矿井下广泛存在的失败的煤层压裂钻孔和失去抽采价值的煤层抽采钻孔进行二次压裂利用，不仅极大的提高了钻孔利用效率，降低了钻孔工程量；而且能够有效避免压裂影响空白带和瓦斯抽采空白带，保证煤炭安全高效开采。且针对由于以前抽采技术的落后，形成的旧钻孔抽采效率低下或难以利用、而新钻孔易于贯通旧钻孔从而达不到压裂效果的煤层区域，本发明可以通过对旧钻孔进行二次压裂，从而提高上述煤层区域的的抽采率。

采用按照一定比例混合的高温高压混合蒸气(空气、水蒸气、保护气)进行二次压裂，使煤层钻孔二次压裂注入的高温高压混合蒸气压力能达到45mpa，温度介于200～300℃之间。从而克服了单纯采用水蒸气，压力难以达到40mpa以上的压裂所需压力的同时，制备水蒸汽锅炉温度过高，在煤矿井下环境易于引起火灾的问题。高温高压混合蒸气既能够压裂煤层1，在煤层1中产生裂缝网络，起到卸压增透作用；同时高温高压混合蒸气进入压裂裂缝网络，能够使压裂范围内的煤层1升温，从而极大促进煤层1中吸附瓦斯的解吸附速度；此外煤体受热后也会产生一定程度的热膨胀裂缝，进一步提高煤层1瓦斯的流动性，提高瓦斯抽采的效率。而空气、水蒸气和保护气(氮气和二氧化碳混合气体)来源广泛、容易获得、成本低廉；通过设置合理的混合蒸气温度范围，并加入水蒸气和保护气能够确保二次压裂范围内的煤层1不被注入的气体氧化发火。

钻孔中的压裂钢管5上，靠近孔底和临近孔口的位置均布置压力传感器10，压力传感器10能够实时监测孔底和孔口处的蒸气压力，数据分析终端13能够实时显示孔底和孔口的蒸气压力曲线。根据蒸气压力变化能够灵活调整或停止三级升温增压系统16，从而有效避免盲目压裂和长时间无效压裂。通过数据分析终端13实时显示的钻孔径向温度云图，能够掌握钻孔范围内的蒸气温度，既能帮助判断压裂程度和评价压裂范围，又能正确把握二次压裂结束后的排气排水时间，防止高温水气烫伤作业人员。

压裂前为启动护孔套管配套双路封孔器8、压裂钢管配套双路封孔器7注压，两个双封孔器打开膨胀后对护孔套管4和钻孔间、护孔套管4和压裂钢管5间的2个环形空间进行密封，从而无需对护孔套管4和钻孔间的环形空间进行工艺复杂繁琐的注水泥密封；压裂工程结束后，还可以对两个配套双路封孔器进行卸压后取出护孔套管4、压裂钢管5以及配套的双路封孔器，实现了压裂管路的可回收，极大的减低了压裂经济成本和时间成本。

三级升温增压系统16可实现对高温高压蒸气的三级可调整升温和增压，使产生的高温高压混合蒸气满足施工要求，同时实现高温高压蒸气的温度和压力按照需要进行调整。同时保证蒸气在管路中保持温度和压力，也避免蒸气压力和温度短时间大幅升高而给巷道内的作业人员和装置带来危险。

而与背景技术中提及的对比文件相比，本发明公开了一种煤矿井下煤层钻孔高温高压蒸气二次压裂装置及方法，主要利用首次压裂失败或者已经失去瓦斯抽采价值的煤层钻孔进行高温高压蒸气二次压裂。本发明有效利用了煤矿井下大量存在的废弃钻孔，避免了钻孔的大量浪费，极大降低新的钻孔工程量。同时本发明采用高温高压蒸气进行钻孔二次压裂，不仅能够在煤层1中形成压裂缝网结构，从而有效降低抽采区域的地层压力；而且本发明采用的高温蒸气还能够在裂缝网络范围内对煤层1增温，从而促进吸附态瓦斯解吸成游离态瓦斯，进一步提高瓦斯抽采效率。综上，本发明既避免了已有钻孔资源的浪费，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”。本发明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抽采开发都具有重要意义。

需要说明的是，以上说明仅为本发明的示范性实例，在不同的施工现场进行施工时，相关的从业人员可以也有能力在不偏离本发明的精神和范围的情况下根据现场实际情况和施工需要对施工案例进行修正，以上案例为说明性，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。