一种集成化支管伸缩式井下割缝装置及方法

：本发明属于煤矿、油气田割缝设备，涉及一种可推出式分支管径向射流割缝、压裂增渗的井下工具和方法，特别涉及一种集成化支管伸缩式井下割缝装置及方法，能够在中低压下提高水力割缝能力以及割缝下的压裂、增渗和增透效果。

背景技术

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背景技术：

1、高压水射流径向割缝是一种通过增加煤层、油气层导流能力通道来辅助压裂、增渗和增透的技术，割缝导流能力与割缝的宽度和深度正相关。目前水力割缝分为中低压割缝和高压割缝两种。中低压(0.5-70mpa)水射流割缝效率低、割缝深度浅而导流能力差。由于泵功率受限下高压与大流量的矛盾，高压(70-140mpa)水射流尽管割缝效率高但却割缝宽度小，此外高压水射流有效割缝深度与喷嘴直径正相关，环境介质为空气时的有效喷距是介质水的400倍以上。以喷嘴直径1mm、100mpa高压水射流为例，如果割缝中水能及时排出，则割缝深度可达1米到2米；如果割缝中留存水，则割缝深度降至0.1米以下。

2、在现有专利技术中，公开号为cn201915932u的中国专利，公开了一种井下水力割缝工具，所述工具包括移动器、复位器及喷头，通过液压驱动装置驱动移动器下移，并带动喷头下移，使喷头在指定的深度通过高压水力作用对煤层进行射孔、压裂，使原始煤层内出现众多人工裂隙，形成煤层气涌出通道，增加煤层的透气性，从而在井中抽气时井孔周围出现大面积的压力下降，使煤层产生气体解吸的表面积增大，保证煤层气迅速并相对持久的泄放，所述工具通过复位弹簧使移动器复位。公开号为cn105909228b的中国专利，公开了一种脉冲高压水力割缝压裂装置及方法，涉及煤矿瓦斯抽采领域。该装置包括中央控制台、输水器、水力割缝及压裂系统和脉冲水压发生系统；脉冲水压发生系统包括高压水子系统和脉冲高压水频率发生子系统；高压水子系统和输水器的进水口通过注水管连接，输水器的出水口与水力割缝及压裂系统连通；脉冲高压水频率发生子系统包括电动机和球形阀，球形阀设置在注水管上，电动机与球形阀连接；中央控制台分别与高压水子系统和电动机连接。

3、实际工程应用中水及时排出割缝在工艺上难以控制，高压水射流割缝的深度不理想、割缝后的增透、增渗效果受限。为了解决这个问题，可采用更高压力的超高水射流来增加割缝有效距离，但这带来了高成本和高风险，尤其在煤矿井下人员密集、空间狭小的地方，超高压水射流的安全问题十分突出。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对现有井下水力割缝设备中低压水射流割缝效率低、割缝深度浅等不足，以及高压水射流割缝的深度不理想、割缝后的增透、增渗效果受限等问题；通过可伸出的对称分支管提高中低压水射流割缝的宽度和深度，克服水射流割缝对高压的依赖，设计一种集成化推出式井下割缝装置及方法，在低中压水射流的条件下，增强割缝、压裂作用以提高增渗增透的效果。

2、为了实现上述目的，本发明涉及的一种集成化支管伸缩式井下割缝装置，其主体结构包括入口、高通溢流阀、阀旁主流道、胶筒入口、胶筒、压裂液出口、低通单向阀、射孔流道、壳体、钻头、低压流体腔和伸缩式分支管喷射系统；管状结构的壳体的前端设置入口，入口的后端设置高通溢流阀，高通溢流阀两侧设置压裂液流道，压裂液流道的中后部与胶筒的胶筒入口连通，胶筒内嵌式环套在壳体外侧，压裂液流道的后端部与压裂液出口连通，在高通溢流阀前后端压差达到40mpa时高通溢流阀开启，压裂液流道向胶筒和压裂液出口传递流体；胶筒能够在高通溢流阀开启时膨胀，形成装置与钻头所钻井眼的密封，防止压裂液流出井眼；高通溢流阀外侧圆周阵列式设置有四个阀旁主流道，阀旁主流道前端与入口连通，阀旁主流道的后端与螺钉状结构的低压流体腔连通，阀旁主流道能够在高通溢流阀关闭时传递流体到装置下游的低压流体腔中；低压流体腔后端与低通单向阀的输入端连通；低通单向阀输出端与壳体后端的钻头连通，当低通单向阀前后端压差在5mpa以下时低通单向阀开启，流体经由低通单向阀向钻头提供钻进时所需流体，钻头在低通单向阀开启时钻进、形成深入煤层或油层的井眼；低通单向阀外侧圆周阵列式分布有四个射孔流道，射孔流道前端与低压流体腔后端连通，射孔流道后端与伸缩式分支管喷射系统连通，在低通单向阀关闭时，射孔流道能够传递流体到伸缩式分支管喷射系统；伸缩式分支管喷射系统中安装有能够伸缩的分支管。

3、本发明所述的高通溢流阀由阀入口、永磁体、阀体、压裂液流道、前阀回位弹簧、低压流道和前阀腔组成；前阀腔由前部圆台状的前入口腔、中部筒状结构的前阀座腔、中后部筒状结构的前限位腔和后部筒状结构的前阀杆腔组成，前入口腔的直径小于前阀座腔的直径，前阀座腔的直径大于前限位腔的直径，前限位腔的直径大于前阀杆腔的直径；前阀腔前端与阀入口连通，阀入口前端与入口管道中部连通；前阀腔中安装有阀体，阀体由前部的前阀芯、中部的前阀座和后部的前阀杆一体组合构成，前阀芯能够与前入口腔、阀入口插卡式连接并将阀入口封堵；前阀芯后部连接前阀座，前阀座限位于前阀座腔中，前阀座上下分别对称设置磁槽，前阀座腔上下分别对称安装有永磁体，永磁体与磁槽相匹配能够卡槽式连接，永磁体所具磁力能够使阀体在阀入口所受压力达到40mpa时开启，阀体向后移动，永磁体与磁槽相分离；前阀座后部连接前阀杆，前阀杆上套装有前阀回位弹簧，前阀回位弹簧限位于前限位腔中，前阀杆的后端限位于前阀杆腔，前阀回位弹簧最大位移弹力为永磁体最大吸力的1/200以下，前阀回位弹簧能够使阀体在高通溢流阀前后端压差为0.2mpa时回位、关闭；前阀杆腔后端两侧设置有低压流道，低压流道与装置外低压流体相通，从而保持开启后的阀体在高通溢流阀前后端压差为0.2mpa以上时保持开启状态；前阀座腔的上下两侧对称设置有压裂液流道；低压流道设置在上下两组阀旁主流道之间的间隙中，压裂液流道设置在左右两组阀旁主流道之间的间隙中。

4、本发明所述的低通单向阀由后阀入口、后阀体、后阀回位弹簧和钻头水眼流道组成；低通单向阀的前部中心设置有后阀杆腔，后阀杆腔外侧圆周阵列式分布有四个后阀入口，后阀入口的输入端与低压流体腔后端连通，低通单向阀的后部设置有漏斗状的后阀腔，后阀入口的输出端与后阀腔的前端连通，后阀腔由前部圆台状的后阀帽腔和后部圆筒状的后阀限位腔一体设置构成；低通单向阀中设置有后阀体，后阀体由前部柱状结构的后阀杆和后部圆台状结构的后阀帽一体设置构成，后阀杆与后阀杆腔卡槽式连接并限位在后阀杆腔中，后阀帽限位在后阀帽腔中，后阀帽的后端与后阀回位弹簧的前端连通，后阀回位弹簧限位安装在后阀限位腔中，后阀限位腔的后端与钻头水眼流道的前端连通，钻头水眼流道的后端与钻头中的流体喷射管前端连通，流体喷射管后部分成两个以上流体喷射支管；后阀回位弹簧所具预紧力与低通单向阀前后端存在5mpa压差时后阀体承受的作用力相当，从而后阀体能够在5mpa低压下开启；当低通单向阀前后端压差在5mpa以下时，后阀体开启，流体依次经由后阀入口、后阀腔进入钻头水眼流道，钻头水眼流道向钻头提供钻进时所需流体；当低通单向阀前后端压差在5mpa以上时，后阀体在流体压力作用下后移，后阀回位弹簧压缩，后阀体将后阀腔后部的后阀限位腔封堵，低通单向阀关闭。

5、本发明所述的伸缩式分支管喷射系统由呈中心对称结构的两个分支部组成，两个分支部钻头水眼流道每个分支部包括限位挡环、活塞环、分支管、回位弹簧、转向轨道、射流喷嘴和伸缩腔；两个分支部对称设置于钻头水眼流道两侧；伸缩腔前端与射孔流道后端连通，伸缩腔内前部设置有环状结构的限位挡环，限位挡环后侧安装有环状结构的活塞环，限位挡环用来限位活塞环，活塞环能够在伸缩腔中移动；活塞环的后端与分支管前端连通，分支管由长2m-4m、外径4mm-8mm的弹性钢管组成，分支管外侧套设有回位弹簧，回位弹簧限位在伸缩腔后半部，回位弹簧具有的预紧力能够抵挡射流喷嘴内外存在20mpa压差时分支管受到的伸出推力，分支管缩回时回位弹簧为分支管提供回位弹力；伸缩腔后端与转向轨道的前端连通，转向轨道呈圆弧状，转向轨道能够使分支管转向90度从伸缩腔中径向伸出；分支管后端安装有射流喷嘴，活塞环前端压力与射流喷嘴外侧压力的压差达到20mpa以上时，流体能够推动活塞环为分支管提供伸出推力。

6、本发明所述的射流喷嘴由角形喷嘴、二级震荡腔和一级震荡腔组成，一级震荡腔呈漏斗状结构的腔槽，一级震荡腔的前端圆管与分支管的输出端连通，一级震荡腔的漏斗部输出端与漏斗状结构的二级震荡腔前部圆管连通，二级震荡腔的漏斗部输出端与喇叭状结构的角形喷嘴前端连通；一级震荡腔能够产生强化的脉冲空化锥形射流来高效破碎岩石，进而形成大于分支管外径的割缝。

7、本发明所述的集成化支管伸缩式井下割缝装置实现伸缩式分支管径向水射流割缝、压裂的方法，包括：低压钻井、中低压割缝、中压增渗和装置回收；具体步骤为：

8、(1)低压钻井：将集成化支管伸缩式井下割缝装置通过钻杆与地面增压泵相连，控制泵进入口的流体压力在5mpa以下，高通溢流阀处于关闭状态，阀旁主流道将流体传递到装置下游的低压流体腔中，此时低通单向阀前后端压差小于5mpa而保持打开状态，低压流体腔中的流体依次经由后阀入口、后阀腔进入钻头水眼流道，钻头水眼流道向钻头提供钻进时所需流体，钻杆带动工具和钻头旋转前进，在煤层中钻出几十米的井眼；

9、(2)中低压割缝：将泵进入口的流体压力升至20mpa，高通溢流阀处于关闭状态，阀旁主流道将流体传递到装置下游的低压流体腔中，此时低通单向阀前后端压差大于5mpa处于关闭状态，低压流体腔中流体经射孔流道将流体传递到伸缩式分支管喷射系统中，流体主要通过分支管向装置外侧流出；控制装置和钻头原地旋转，活塞环前端压力与射流喷嘴外侧压力的压差能够提供分支管的伸出推力，缓慢地逐渐升高入口处流体压力至35mpa，使分支管和喷嘴在旋转割缝的同时慢慢伸出，射流喷嘴将流体强化为脉冲空化锥形射流，进行高效破碎岩石割缝作业；然后，将入口处流体压力降至15mpa，使分支管和喷嘴在回位弹簧弹力下回位收回；控制装置和钻头后退0.5m-2m，重复本步骤上述割缝过程，进行射流旋转割缝；

10、(3)中压增渗：在井眼通过射流布满预定割缝后，将入口处流体压力升至45mpa，此时高通溢流阀打开，流体由阀入口进入前阀座腔，前阀座腔中流体进入压裂液流道，流体由压裂液流道经胶筒入口进入胶筒，胶筒膨胀进而密封装置与井眼之间的环空间隙，然后流体通过压裂液出口流出，对割缝进行压裂增渗作业；与此同时，由于压裂液出口的流量是喷嘴的10倍以上，且环空压力逐渐增加，活塞环前端压力与射流喷嘴外侧压力的压差会小于20mpa，分支管和喷嘴在回位弹簧弹力下保持收缩状态；

11、(4)装置回收：完成压裂、增渗作业后，停泵泄压，胶筒收缩回位后，回收钻杆和装置。

12、本发明与现有技术相比，所设计的集成化支管伸缩式井下割缝装置及方法主体结构合理，形成了井眼钻进、射流割缝、压裂增渗的一体化工具和方法，减少了施工复杂度，提高了施工效率；提出了通过射流压差驱动下伸缩式分支管和多级脉冲锥形喷嘴来提高水射流割缝的深度和宽度以及效率，从而实现了中低压水射流下更深更宽的水力割缝，克服了目前水力割缝深度和宽度不高的问题以及高压射流割缝下的高成本和高风险。