一种煤层顶板水压致裂系统及方法

1.本发明属于煤层开采技术领域，尤其涉及一种煤层顶板水压致裂系统及方法。


背景技术：

2.受制于局部构造和成岩过程的影响，煤层顶板上覆岩层分布空间展布表现出显著差异，不同岩性岩层的厚度变化剧烈，地质钻孔由于布孔密度相对较小无法满足矿井灾害防控设计的需要，常导致冲击地压、支架压死、顶板台阶下沉等强烈的矿压显现。为解决上述问题，实现顶板泄压，水力压裂等手段由于便于超强处理顶板，且对工作面的生产效率影响较小而被广泛应用。在此过程中，坚硬顶板的压裂能够对顶板泄压起到关键性控制作用。然而常规的水压致裂技术，是对压裂钻孔整个岩层进行水压致裂处理，在致裂的过程中，致裂液会沿着易于破坏的软弱岩层方向渗透，也即水压致裂的对象通常为软弱岩层，而对于强度高难于破坏的坚硬岩层作用甚微，使得煤层水压致裂的效果不理想。
3.综上，有必要对现有的煤层顶板水压致裂方法进行改进。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种煤层顶板水压致裂系统及方法，旨在提高煤层顶板的致裂效果。
5.为此，本发明实施例一方面提供的煤层顶板水压致裂系统,包括设置在煤层顶板的压裂钻孔中的拉杆、用于对压裂钻孔的全孔岩体的超声波速进行测试的超声波测试装置、用于向所述压裂钻孔中注入致裂液的水压致裂装置；其中，
6.所述超声波测试装置包括从前到后依次设置在所述拉杆上的三个封孔囊体、用于向各个所述封孔囊体内充放流体以使其膨胀或收缩的流体填充组件以及调节组件；
7.每个所述封孔囊体上均设有声波探头；其中，位于最尾端的所述封孔囊体上的所述声波探头为发射探头，其余两个所述声波探头均为接收探头，所述接收探头与设置在所述压裂钻孔外的声波测试仪连接，所述拉杆上位于前端的两个所述封孔囊体之间设有与所述水压致裂装置连通的注水孔；
8.所述封孔囊体处于膨胀状态时，所述封孔囊体在将所述压裂钻孔封堵的同时，使对应的所述声波探头紧贴所述压裂钻孔的孔壁，所述调节组件用于对前端的两个所述封孔囊体的间距进行调节，同时能够实现所述封孔囊体在所述拉杆上位置的锁止。
9.具体的，所述拉杆上位于前端的两个所述封孔囊体之间还设有使注入的所述致裂液产生高温并空化的超声波振子。
10.具体的，所述致裂液中加入有氯化铁溶液，所述氯化铁溶液在超声波的加热作用下，与水反应生成衬垫裂隙的氢氧化铁颗粒以及能够腐蚀围岩促进压裂的盐酸。
11.具体的，所述调节组件包括设置在所述拉杆上的螺纹通孔以及与所述螺纹通孔相适配的调节螺杆，所述调节螺杆的两端分别延伸至所述拉杆外，前端的两个所述封孔囊体分别固定设置在所述拉杆和所述调节螺杆上。
12.具体的，所述水压致裂装置包括水仓、注水管和注水泵，所述注水管的一端与所述注水孔连通，另一端与所述水仓连通，所述注水泵设置在所述注水管上。
13.具体的，所述流体填充组件包括填充泵和填充管，所述填充管的一端与流体源连通，另一端与各个所述封孔囊体连通，所述填充泵设置在所述填充管上。
14.具体的，所述填充管的输出端分出与各个所述封孔囊体一一连通的多根支管，在每根所述支管上均设有控制阀
15.具体的，所述注水管上设有氯化铁添加器。
16.本发明实施例另一方面提供的煤层顶板水压致裂方法,应用上述煤层顶板水压致裂系统，包括：
17.向煤层顶板钻取压裂钻孔；
18.利用拉杆带动封孔囊体在压裂钻孔内同步提升或下沉设定距离至不同的测点，获得全孔岩体的超声波速，并标记超声波速显著增高区域，记为硬岩区域；其中，拉杆每次提升或下沉的距离与拉杆上前端的两个所述封孔囊体的间距相等；
19.利用常规水力压裂方法，对硬岩区域上下软弱岩层进行整体压裂；
20.然后利用调节组件对前端的两个所述封孔囊体的间距进行调整，同时利用拉杆将超声波测试装置调整至设定位置，使得前端的两个所述封孔囊体分别位于硬岩区域的两侧；
21.接着，利用流体填充组件向前端的两个所述封孔囊体充入流体，使其膨胀将所述压裂钻孔封堵；
22.最后，利用水压致裂装置通过注水孔向硬岩区域注水进行定向水压致裂。
23.具体的，利用常规水力压裂方法进行整体压裂时，拉动拉杆，使得尾端的封孔囊体位于压裂钻孔的孔口处，接着利用流体填充组件单独向尾端的所述封孔囊体充入流体，使其膨胀将所述压裂钻孔的孔口封堵，最后利用水压致裂装置通过注水孔向全孔岩体注水进行水压致裂。
24.与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：充分结合超声波测试与水力压裂的共有特点，在利用超声波识别煤层上覆岩层的基础上，针对软弱岩层进行整体化压裂，而对压裂钻孔范围内的坚硬岩层，可以通过将两个封孔囊体调整至坚硬岩层的两侧，并充入流体膨胀将压裂钻孔膨胀，之后在两个封孔囊体围成的区域之间充入致裂液，即可根据坚硬岩层厚度进行精细化压裂处理，达到显著提高煤层顶板压裂效果的目的。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明实施例提供的煤层顶板水压致裂系统结构示意图；
27.图2是本发明实施例提供的煤层顶板水压致裂系统精细化压裂处理示意图；
28.图3是本发明实施例提供的拉杆结构示意图；
29.其中：1、拉杆；2、超声波测试装置；201、封孔囊体；202、流体填充组件；2021、填充
泵；2022、填充管；2023、支管；2024、填充流道；203、调节组件；2031、调节螺杆；204、声波探头；205、声波测试仪；3、水压致裂装置；301、水仓；302、注水管；303、注水泵；304、注水流道；4、压裂钻孔；5、致裂液；6、注水孔；7、软弱岩层；8、硬岩区域；9、超声波振子；10、氯化铁添加器。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.参见图1和图2，一种煤层顶板水压致裂系统,包括拉杆1、超声波测试装置2和水压致裂装置3，拉杆1设置在煤层顶板的压裂钻孔4中，超声波测试装置2设置在拉杆1上用于对压裂钻孔4的全孔岩体的超声波速进行测试，水压致裂装置3则用于向压裂钻孔4中注入致裂液5。
34.其中，超声波测试装置2包括从前到后依次设置在拉杆1上的三个封孔囊体201、用于向各个封孔囊体201内充放流体以使其膨胀或收缩的流体填充组件202以及调节组件203，每个封孔囊体201上均设有声波探头204，位于最尾端的封孔囊体201上的声波探头204为发射探头，其余两个声波探头204均为接收探头，接收探头与设置在压裂钻孔4外的声波测试仪205连接。本实施例中，超声波测试装置2的测试原理为：发射探头激发出的声波在穿过孔壁时发生折射，这时总有一条声波沿着压裂钻孔4孔壁滑行，沿孔壁的滑行波将又会折射到压裂钻孔4中，被前端的两个封孔囊体201分别接收，接收到的波形数据会被存放在声波测试仪205中，测试时，测点的间距与两个接收探头的间距相等，依次将三个封孔囊体201同步提升或下沉一定的距离至不同的测点，便可完成全孔岩体的声波测试，超声波速计算公式为：
[0035][0036]
参见图1和图2，具体的，拉杆1上位于前端的两个封孔囊体201之间设有与水压致裂装置3连通的注水孔6，封孔囊体201处于膨胀状态时，封孔囊体201在将压裂钻孔4封堵的同时，使对应的声波探头204紧贴压裂钻孔4的孔壁，封孔囊体201收缩时，封孔囊体201及声波探头204脱离孔壁，此时拉杆1可以带动封孔囊体201在致裂钻孔内自由移动，调节组件
203则可以对对前端的两个封孔囊体201的间距进行调节，同时能够实现封孔囊体201在拉杆1上位置的锁止。
[0037]
参见图1和图2，利用上述煤层顶板水压致裂系统对煤层顶板进行水压致裂的具体过程如下：
[0038]
向煤层顶板钻取压裂钻孔4；
[0039]
利用拉杆1带动三个封孔囊体201在压裂钻孔4内同步提升或下沉设定距离至不同的测点，获得全孔岩体的超声波速，并标记超声波速显著增高区域，记为硬岩区域8；其中，超声波测试装置2每次提升或下沉的距离与拉杆1上前端两个封孔囊体201的间距相等；
[0040]
利用常规水力压裂方法，对硬岩区域8上下软弱岩层7进行整体压裂；
[0041]
然后利用调节组件203对前端的两个封孔囊体201的间距进行调整，同时利用拉杆1将超声波测试装置2调整至设定位置，使得前端的两个封孔囊体201分别位于硬岩区域8的两侧；
[0042]
接着，利用流体填充组件202向前端的两个封孔囊体201充入流体，使其膨胀将压裂钻孔4封堵；
[0043]
最后，利用水压致裂装置3通过注水孔6向硬岩区域8注水进行定向水压致裂。
[0044]
本实施例中，充分结合超声波测试与水力压裂的共有特点，在利用超声波识别煤层上覆岩层的基础上，针对软弱岩层7进行整体化压裂，而对压裂钻孔4范围内的坚硬岩层，可以通过将两个封孔囊体201调整至坚硬岩层的两侧，并充入流体膨胀将压裂钻孔4膨胀，之后再在两个封孔囊体201围成的区域之间充入致裂液5，即可根据坚硬岩层厚度进行精细化压裂处理，达到显著提高煤层顶板压裂效果的目的。
[0045]
需要解释说明的是，在实际应用中，为进一步提高硬岩压裂效果，拉杆1上位于前端的两个封孔囊体201之间还设有使注入的致裂液5产生高温并空化的超声波振子9。
[0046]
在一些实施例中，进一步促进围岩的裂化，在致裂液5中加入有氯化铁(fecl3)溶液，本实施例中，通过在压裂液中加入氯化铁溶液，结合超声波作用使致裂液膨胀气化，在持续长时间、高压作用钻孔围岩的同时，使得氯化铁与水在高温下产生的盐酸(hcl)和氢氧化铁(fe(oh)3)颗粒，其中，盐酸(hcl)能够增加钻孔围岩的腐蚀，促进压裂的进行，而氢氧化铁颗粒能够对裂隙起到衬垫作用撑开裂隙，同时由于氢氧化铁颗粒与围岩波阻抗的巨大差异性，使得压裂的钻孔围岩超声波传播能力进一步降低，增大了水压致裂前后的压裂区域与其它区域波阻抗的差异，结合超声波可以进一步实现钻孔不同空间位置压裂效果的高效检验。
[0047]
参见图1和图2，在一些实施例中，调节组件203包括设置在拉杆1上的螺纹通孔以及与螺纹通孔相适配的调节螺杆2031，调节螺杆2031的两端分别延伸至拉杆1外，前端的两个封孔囊体201分别固定设置在拉杆1和调节螺杆2031上。本实施例中，当需要对两个接收探头相对距离进行调整时，握住拉杆1，并旋拧调节螺杆2031，带动调节螺杆2031上封孔囊体201远离或靠近拉杆1，即可将两个封孔囊体201快速的调整至确定的硬岩区域8两侧，调节组件203不仅结构简单，而且调节也非常方便。当然，调节组件203也可以采用气缸或油缸带动的结构。
[0048]
参见图1和图2，具体的，水压致裂装置3包括水仓301、注水管302和注水泵303，注水管302的一端与注水孔6连通，另一端与水仓301连通，注水泵303设置在注水管302上。本
实施例中，水仓301内的致裂液5在注水泵303的泵压作用下通过注水管302并经注水孔6注入压裂钻孔4内实现岩层的水压致裂，拉杆1内设有连通注水孔6和注水管302的注水流道304。此外，为方便氯化铁的添加，在注水管302上还可以增设氯化铁添加器10，通过氯化铁添加器10向注入的致裂液5中直接调节氯化铁溶液。
[0049]
参见图1-图3，可以理解的是，在实际设计中，流体填充组件202包括填充泵2021和填充管2022，填充管2022的一端与流体源连通，另一端与各个封孔囊体20连通，填充泵2021则设置在填充管2022上，本实施例中，流体源在填充泵2021的泵压作用下经填充管2022充入封孔囊体20中。
[0050]
在实际应用中，填充管2022的输出端(另一端)分出与各个封孔囊体201一一连通的多根支管2023，在拉杆1上设有将后端的两个封孔囊体201与对应的支管2023连通的填充流道2034，在调节螺杆2031上设有连通最前端封孔囊体201和对应支管2023的填充流道2034，在每根支管2023上均设有控制阀(图中未示出)，填充泵2021则设置在填充管2022上。
[0051]
本实施例中，通过一套流体填充组件202即可分别单独向各个封孔囊体201充放流体，简化了水压致裂系统；其中，流体可以为惰性气体或水，封孔囊体201可以采用高弹性的橡胶材质制作。
[0052]
利用常规水力压裂方法进行整体压裂时，拉动拉杆1，使得尾端的封孔囊体201位于压裂钻孔4的孔口处，接着利用流体填充组件202单独向尾端的封孔囊体201充入流体，使其膨胀将所述压裂钻孔4的孔口封堵，最后利用水压致裂装置3通过注水孔6向全孔岩体注水进行水压致裂。
[0053]
本实施例提供的水压致裂系统不仅可以实现常规水力压裂，而且可以实现全孔岩体的声波测试和坚硬岩层的精细化致裂。当然，也可以采用常规的水压致裂系统实现软弱岩层7的整体压裂，在此不再赘述。
[0054]
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
[0055]
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
[0056]
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
[0057]
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。