一种串联系列单元一次安装多段水力致裂装置及工作方法

1.本发明涉及一种串联系列单元一次安装多段水力致裂装置及工作方法，属于煤矿井下水力致裂技术领域。


背景技术：

2.煤矿井下煤层厚层坚硬顶板强度高且结构完整，在煤层开采过程中难以及时垮落，极易在采空区形成大面积悬顶。大范围悬顶及其突然破断易产生冲击荷载、顶板大面积来压、暴风等灾害。工程现场通常使用炸药爆破、二氧化碳爆破以及水力压裂等方法降低坚硬顶板完整性，从而促进厚层坚硬顶板安全平稳垮落。传统人工爆破强制放顶的方法工程量和炸药量大，成本高，安全性差，容易污染井下空气。二氧化碳爆破法效率较低，施工工艺复杂，步骤繁琐，对空侧表面的要求高，成本高等缺点。水力压裂法具有工艺简单、扰动小、安全性高、工程量少、作用范围大、控制距离远、经济成本低以及环境友好等显著优点，是目前应用非常广泛的坚硬顶板致裂方法，但由于传统水力压裂装置受结构限制，存在很多缺陷：
3.①
单封孔器仅能在封孔器位置到孔底范围内压裂一段，裂隙发育位置不可控。
4.②
双封孔器虽然能够将压裂位置控制在两个封孔器之间，但要通过不断调整压裂位置才能实现钻孔全长范围内的压裂，工艺复杂，工人劳动强度大，时间长。
5.③
双封孔器要满足高压水力致裂时有效封孔，因此封孔器长度较长，这直接导致钻孔内水力致裂时相邻两个致裂段之间的距离必须大于一个封孔器长度加上两个封孔器之间的长度，无法做到钻孔内高密度致裂。
6.④
若一个钻孔内多组双封孔器串联致裂，则一个位置出现致裂卸压，就会导致其他位置压力下降，无法继续致裂，致裂裂缝发育不充分。


技术实现要素：

7.技术问题：本发明的目的是针对目前水力致裂装置及方法操作复杂，致裂裂缝发育密度低，工人劳动强度大，操作时间长等问题，提供一种串联系列单元一次安装多段水力致裂装置及工作方法，利用压裂流量计量控制开关以及串联的系列压裂单元可以实现钻孔多压裂位置定流量自动关闭控制，从而达到单次安装、密集多段水力致裂的效果。
8.为实现上述技术目的，本发明的一种串联系列单元一次安装多段水力致裂装置，它包括设置在钻孔中的高压管柱，高压管柱上间隔设有多组致裂单元包括封孔器，多组致裂单元包括封孔器之间通过串联的方式设有封孔器高压胶管，每组致裂单元包括封孔器之间均在高压管柱上设有压裂流量计量控制开关；
9.所述压裂流量计量控制开关包括空性的外壳结构，外壳结构内设有开关阀芯，所述的快关阀芯包括密闭塞，外壳结构包括上下两部分，上部分为上壳体，下部分为下壳体，密闭塞包括端部的圆锥结构以及杆体，圆锥结构大端设有轴向凸起的帽檐，上壳体与圆锥结构之间设有与圆锥结构匹配的锥形孔，从而通过圆锥结构的位置从而控制上壳体内腔是
否导通；上壳体和下壳体之间设有密闭塞限位板，圆锥结构的下方与密闭塞限位板的顶面设有密闭塞复位弹簧，密闭塞限位板侧边与密闭塞端部圆锥结构之间设有密闭控制装置，所述的密闭控制装置包括密闭控制卡、密闭控制卡弹簧、传动齿轮和尖头齿条，密闭控制卡上部设有与圆锥结构帽檐相匹配的卡扣结构，卡扣结构为能够固定密闭塞帽檐的f形结构，f形结构设有上长下短两个固定爪，下端的固定爪与上壳体之间设有旋转轴，使下端的固定爪以旋转轴杠杆支点摆动，密闭控制卡的下端通过密闭控制卡弹簧与密闭塞限位板侧边连接为密闭控制卡沿旋转轴逆时针转动提供推力，尖头齿条的上半部分为斜面结构，凸起与尖头齿条的斜面结构滑动接触，尖头齿条的下半部分为设置在下壳体内的齿轮条，下壳体内密闭塞的杆体上套有螺旋桨，螺旋桨中心处设有与杆体连接的套筒，套筒端部设有外齿，外齿通过传动齿轮与尖头齿条的齿轮条连接；初始状态时，密闭控制卡的f形结构的两个固定爪中间扣在密闭塞帽檐上，使密闭塞压缩密闭塞复位弹簧，此时密闭塞离开锥形孔，尖头齿条位于最下方位置；当流量推动螺旋桨带动齿轮转动达到预设的圈数时，带动尖头齿条向上移动并利用斜面推动密闭控制卡的下端向右移动，在下固定爪以旋转轴作为杠杆中心进行的杠杆作用下使密闭控制卡的上端向左移动，释放密闭塞，密闭塞在密闭塞复位弹簧的作用下向前运动，同时由于密闭塞的帽檐也是锥形斜面会推动密闭控制卡继续向左移动，直至密闭塞帽檐下端超过密闭控制卡的上端封堵锥形孔，密闭控制卡在控制卡弹簧弹簧的推动作用下以旋转轴作为杠杆中心发生顺时针旋转，密闭控制卡的前端f形结构的长固定爪抵在密闭塞帽檐的下端，对密闭塞产生锁定作用，使密闭塞完全封闭孔道；
10.螺旋桨的套筒下部设有与下壳体连接的螺旋桨密闭塞限位板，通过螺旋桨密闭塞限位板固定密闭塞和螺旋桨的位置，使密闭塞和螺旋桨在上壳体和下壳体内始终保持在中心位置；传动齿轮通过传动齿轮轴固定在密闭塞限位板上，螺旋桨顶部设有与传动齿轮啮合的外齿，传动齿轮与尖头齿条下半部分的齿轮条啮合。
11.进一步，所述每个压裂流量计量控制开关的上壳体与高压管柱的连接处均设有入水口防堵网罩，下壳体尾部均设有出水口防堵网罩。
12.进一步，下壳体和上壳体之间活动连接，下壳体和上壳体之间允许相对旋转90
°
而不脱离；在压裂流量计量控制开关工作情况下尖头齿条与传动齿轮之间咬合，当需要人工将密闭塞打开封堵并进行复位时，首先拆除出水口防堵网罩，下壳体相对于上壳体逆时针旋转10
°
，此时尖头齿条与密闭控制卡弹簧以及传动齿轮相对移动，此过程中下壳体和上壳体内只有尖头齿条和螺旋桨密闭塞限位板相对其它部件移动，同时尖头齿条脱离传动齿轮的啮合，手动向前推进尖头齿条使密闭控制卡下部凸起在尖头齿条斜面推动下向右运动，密闭控制卡以旋转轴作为杠杆中心发生逆时针旋转，进而使密闭控制卡顶端的f形结构固定爪释放对密闭塞帽檐下部的阻挡，使密闭塞脱离密闭控制卡的控制使其可以被从尾部拉动；拉动密闭塞尾部拉杆并压缩密闭塞复位弹簧，使密闭塞回到初始位置，解除对孔道的封堵，同时继续通过逆时针旋转下壳体和上壳体到达90
°
使尖头齿条的斜面结构与密闭控制卡下部凸起脱离，密闭控制卡在密闭控制卡弹簧的作用下，以密闭控制卡的旋转轴作为杠杆支点顺时针旋转复位，重新使f形结构固定爪卡住密闭塞的帽檐；此时，向后抽拉尖头齿条使其复位，然后下壳体相对于上壳体顺时针旋转90
°
复位，使尖头齿条与传动齿轮重新咬合，尖头齿条的斜面结构与密闭控制卡下部凸起重新接触，使压裂流量计量控制开关恢复初始化。
13.进一步，水流通过高压管柱进入压裂流量计量控制开关后带动螺旋桨及传动齿轮转动，并带动尖头齿条运动直至触动密闭控制卡释放并锁定密闭塞，实现对压裂流量计量控制开关关闭，所述的螺旋桨形状大小以及其与传动齿轮、尖头齿条之间的齿数比由设计通过压裂流量计量控制开关的水量决定。
14.一种串联系列单元一次安装多段水力致裂装置的工作方法，步骤为：
15.1)使用钻机在岩体内部施工钻孔；
16.2)根据需要钻孔中的致裂处的数量在高压管柱上安装对应数量的压裂流量计量控制开关和封孔器，将所有封孔器通过封孔器高压胶管串联连接，将组装好的多段水力致裂装置送入钻孔中，通过封孔器高压胶管给所有封孔器注水使其膨胀封孔，通过高压管柱注水并不断加压，水流通过压裂流量计量控制开关尾端流入各个封堵器之间的高压管柱与钻孔孔壁内的空腔中；
17.3)当封堵器、高压管柱与钻孔孔壁内的空腔内压力不超过该位置钻孔孔壁开裂压力时，水流充满空腔后，在孔壁没有破裂前各个空腔的压力相等，不再通过封堵器流动；
18.4)持续注水加压，当某个两个封堵器之间的空腔内压力超过该位置钻孔孔壁开裂压力时，孔壁发生破裂，水流持续通过该处空腔内的压裂流量计量控制开关流出，进入钻孔壁内水力致裂裂缝源源不断向岩层内部流动；
19.5)水流通过高压管柱进入孔壁压裂段所在压裂流量计量控制开关，水流从孔道进入下壳体内带动螺旋桨旋转，螺旋桨带动齿轮转动，传动齿轮带动尖头齿条向上运动，当水流量达到压裂流量计量控制开关允许最大流量后，尖头齿条的斜面结构触动密闭控制卡，使密闭控制卡端部的f形结构固定爪释放并锁定密闭塞，从而关闭压裂流量计量控制开关；
20.6)已经压裂岩层位置的压裂流量计量控制开关关闭后，继续增加高压管柱中水压，直至高水压水流水压使另一个空腔中的钻孔壁岩层压裂，重复步骤)和)，直至钻孔中所有通过多个封堵器分隔出的区段对钻孔壁岩层的水力致裂，在钻孔不同位置产生密集水力致裂裂缝，以便于后续瓦斯抽采或者破岩掘进；
21.7)将多段水力致裂装置从钻孔中拆卸出来，对各个压裂流量计量控制开关进行人工复位，拆除出水口防堵网罩，将下壳体相对于上壳体逆时针旋转10
°
，使尖头齿条脱离传动齿轮的啮合，将尖头齿条向上顶到位使密闭控制卡解除对密闭塞的锁定，同时下拉密闭塞，然后将下壳体逆时针旋转90
°
使尖头齿条与传动齿轮脱离，向下拉尖头齿条使其复位，此时密闭控制卡在密闭控制卡弹簧作用下复位重新实现对密闭塞的锁定，最后将下壳体顺时针旋转90
°
并更换出水口防堵网罩完成压裂流量计量控制开关复位，以备下一次水力致裂使用。
22.进一步，压裂流量计量控制开关通过水流带动螺旋桨转动，螺旋桨带动传动齿轮转动，动齿轮转动带动尖头齿条向前运动，在尖头齿条头部锥形斜面的推动下，密闭控制卡后部的凸起会推动密闭控制卡沿着旋转轴旋转轴发生逆时针旋转，释放密闭塞密闭；此过程中推动螺旋桨的流量的大小由螺旋桨旋转圈数决定，从而实现当流量达到限定流量时自动封闭的作用。
23.进一步，当压裂过程中有水流通过高压管柱进入压裂流量计量控制开关后，从上壳体通过密闭塞限位板上的通孔进入下壳体并推动螺旋桨转动，螺旋桨上部齿轮带动传动齿轮转动，传动齿轮推动尖头齿条向上移动，尖头齿条通过其上部的斜面推动密闭控制卡
下部向右移动，密闭控制卡上部向左移动，待水流流过压裂流量计量控制开关达到设定流量后密闭控制卡解锁密闭塞，密闭塞在密闭塞复位弹簧作用下向上运动密闭上壳体中的进水口，同时密闭控制卡上缘抵住密闭塞锥形头下缘，实现对密闭塞的锁定，压裂流量计量控制开关关闭。
24.有益效果：本发明提供一种串联系列单元一次安装多段水力致裂装置及方法，能够自动对钻孔壁进行分段式水力致裂，方法操作简单，环境友好，工人劳动强度低，水力致裂效率高，水力致裂裂缝密集，利用压裂流量计量控制开关以及串联的系列压裂单元可以实现钻孔多压裂位置定流量自动关闭控制，从而达到单次安装、密集多段水力致裂的效果。
附图说明
25.图1是本发明串联系列单元一次安装多段水力致裂装置结构示意图。
26.图2(a)是本发明的压裂流量计量控制开关通道打开时的锁定状态示意图；
27.图2(b)是本发明的压裂流量计量控制开关中密闭控制卡释放密闭塞的示意图；
28.图2(c)是本发明的压裂流量计量控制开关通道关闭时的锁定状态示意图。
29.图中：1-钻孔；2-封孔器；3-封孔器高压胶管；4-高压管柱；5-水流；6-压裂流量计量控制开关；61-密闭控制卡；62-密闭控制卡弹簧；63-传动齿轮；631-传动齿轮轴；64-尖头齿条；651-入水口防堵网罩；652-出水口防堵网罩；66-密闭塞；67-密闭塞复位弹簧；68-密闭塞限位板；69-螺旋桨；610-螺旋桨密闭塞限位板；601-下壳体602-上壳体。611-旋转轴
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明：
31.如图1所示，一种串联系列单元一次安装多段水力致裂装置，包括设置在钻孔1中的高压管柱4，高压管柱4上间隔设有多组致裂单元包括封孔器2，多组致裂单元包括封孔器2之间通过串联的方式设有封孔器高压胶管3，每组致裂单元包括封孔器2之间均在高压管柱4上设有压裂流量计量控制开关6；
32.所述压裂流量计量控制开关6包括空性的外壳结构，外壳结构内设有开关阀芯，所述的快关阀芯包括密闭塞66，外壳结构包括上下两部分，上部分为上壳体602，下部分为下壳体601，密闭塞66包括端部的圆锥结构以及杆体，圆锥结构大端设有轴向凸起的帽檐，上壳体602与圆锥结构之间设有与圆锥结构匹配的锥形孔，从而通过圆锥结构的位置从而控制上壳体602内腔是否导通；上壳体602和下壳体601之间设有密闭塞限位板68，圆锥结构的下方与密闭塞限位板68的顶面设有密闭塞复位弹簧67，密闭塞限位板68侧边与密闭塞66端部圆锥结构之间设有密闭控制装置，所述的密闭控制装置包括密闭控制卡61、密闭控制卡弹簧62、传动齿轮63和尖头齿条64，密闭控制卡61上部设有与圆锥结构帽檐相匹配的卡扣结构，卡扣结构为能够固定密闭塞66帽檐的f形结构，f形结构设有上长下短两个固定爪，下端的固定爪与上壳体602之间设有旋转轴611，使下端的固定爪以旋转轴611杠杆支点摆动，密闭控制卡61的下端通过密闭控制卡弹簧62与密闭塞限位板68侧边连接为密闭控制卡61沿旋转轴(611)逆时针转动提供推力，尖头齿条64的上半部分为斜面结构，凸起与尖头齿条64的斜面结构滑动接触，尖头齿条64的下半部分为设置在下壳体601内的齿轮条，下壳体601内密闭塞66的杆体上套有螺旋桨69，螺旋桨69中心处设有与杆体连接的套筒，套筒端部
设有外齿，外齿通过传动齿轮63与尖头齿条64的齿轮条连接；初始状态时，密闭控制卡61的f形结构的两个固定爪中间扣在密闭塞66帽檐上，使密闭塞66压缩密闭塞复位弹簧67，此时密闭塞66离开锥形孔，尖头齿条64位于最下方位置；当流量推动螺旋桨69带动齿轮63转动达到预设的圈数时，带动尖头齿条64向上移动并利用斜面推动密闭控制卡61的下端向右移动，在下固定爪以旋转轴611作为杠杆中心进行的杠杆作用下使密闭控制卡61的上端向左移动，释放密闭塞66，密闭塞66在密闭塞复位弹簧67的作用下向前运动，同时由于密闭塞66的帽檐也是锥形斜面会推动密闭控制卡61继续向左移动，直至密闭塞66帽檐下端超过密闭控制卡61的上端封堵锥形孔，密闭控制卡61在控制卡弹簧62弹簧的推动作用下以旋转轴611作为杠杆中心发生顺时针旋转，密闭控制卡61的前端f形结构的长固定爪抵在密闭塞66帽檐的下端，对密闭塞66产生锁定作用，使密闭塞66完全封闭孔道；
33.螺旋桨69的套筒下部设有与下壳体601连接的螺旋桨密闭塞限位板610，通过螺旋桨密闭塞限位板610固定密闭塞66和螺旋桨69的位置，使密闭塞66和螺旋桨69在上壳体602和下壳体601内始终保持在中心位置；传动齿轮63通过传动齿轮轴631固定在密闭塞限位板68上，螺旋桨69顶部设有与传动齿轮63啮合的外齿，传动齿轮63与尖头齿条64下半部分的齿轮条啮合。
34.所述每个压裂流量计量控制开关6的上壳体602与高压管柱4的连接处均设有入水口防堵网罩651，下壳体601尾部均设有出水口防堵网罩652。
35.如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，下壳体601和上壳体602之间活动连接，下壳体601和上壳体602之间允许相对旋转90
°
而不脱离；在压裂流量计量控制开关6工作情况下尖头齿条64与传动齿轮63之间咬合，当需要人工将密闭塞66打开封堵并进行复位时，，首先拆除出水口防堵网罩(652)，下壳体601相对于上壳体602逆时针旋转10
°
，此时尖头齿条64与密闭控制卡弹簧62以及传动齿轮63相对移动，此过程中下壳体601和上壳体602内只有尖头齿条64和螺旋桨密闭塞限位板610相对其它部件移动，同时尖头齿条64脱离传动齿轮63的啮合，手动向前推进尖头齿条(64)使密闭控制卡(61)下部凸起在尖头齿条(64)斜面推动下向右运动，密闭控制卡(61)以旋转轴(611)作为杠杆中心发生逆时针旋转，进而使密闭控制卡61顶端的f形结构固定爪释放对密闭塞66帽檐下部的阻挡，使密闭塞66脱离密闭控制卡61的控制使其可以被从尾部拉动；拉动密闭塞66尾部拉杆并压缩密闭塞复位弹簧67，使密闭塞66回到初始位置，解除对孔道的封堵，同时继续通过逆时针旋转下壳体601和上壳体602到达90
°
使尖头齿条64的斜面结构与密闭控制卡61下部凸起脱离，密闭控制卡61在密闭控制卡弹簧62的作用下，以密闭控制卡61的旋转轴611作为杠杆支点顺时针旋转复位，重新使f形结构固定爪卡住密闭塞66的帽檐；此时，向后抽拉尖头齿条64使其复位，然后下壳体601相对于上壳体602顺时针旋转90
°
复位，使尖头齿条64与传动齿轮63重新咬合，尖头齿条64的斜面结构与密闭控制卡61下部凸起重新接触，使压裂流量计量控制开关恢复初始化。
36.水流5通过高压管柱4进入压裂流量计量控制开关6后带动螺旋桨69及传动齿轮63转动，并带动尖头齿条64运动直至触动密闭控制卡61释放并锁定密闭塞66，实现对压裂流量计量控制开关6关闭，所述的螺旋桨69形状大小以及其与传动齿轮63、尖头齿条64之间的齿数比由设计通过压裂流量计量控制开关6的水量决定。
37.本实施例子涉及的单次安装多段水力致裂施工工艺包括如下步骤：
38.1)使用钻机在岩体内部施工钻孔1；
39.2)将一系列致裂单元串联，连接封孔器高压胶管3，将组装好的水力致裂装置送入钻孔1中，通过封孔器高压胶管3给封孔器2注水使其膨胀封孔，通过高压管柱4注水，水流5通过压裂流量计量控制开关6流入封堵器2、高压管柱4与钻孔1孔壁内的空腔内；
40.3)当封堵器2、高压管柱4与钻孔1孔壁内的空腔内压力不超过该位置钻孔1孔壁开裂压力时，水流5充满空腔后不再通过封堵器2流动。
41.4)当某个位置堵器2、高压管柱4与钻孔1孔壁内的空腔内压力超过该位置钻孔1孔壁开裂压力时，水流5持续通过压裂流量计量控制开关6流动，实现该位置岩层的压裂。
42.5)水流5通过高压管柱4进入压裂流量计量控制开关6后带动螺旋桨69及传动齿轮63转动，并带动尖头齿条64运动，当水流量达到压裂流量计量控制开关6允许最大流量时，尖头齿条64触动密闭控制卡61释放并锁定密闭塞66，实现对压裂流量计量控制开关6关闭。
43.6)步骤5)中已经压裂岩层位置的压裂流量计量控制开关6关闭后，继续增加高压管柱4中水压，直至高水压水流5水压达到下一个位置岩层起裂压力，重复步骤(4)和(5)，直至完成钻孔1所有位置岩层的水力致裂，在钻孔不同位置产生密集水力致裂裂缝。
44.7)对压裂流量计量控制开关6复位时，首先拆除出水口防堵网罩652，下壳体(601)相对于上壳体(602)逆时针旋转10
°
，使尖头齿条(64)脱离传动齿轮(63)的啮合，将尖头齿条64向上顶到位使密闭控制卡61解除对密闭塞66的锁定，同时下拉密闭塞66，然后将下壳体601逆时针旋转90
°
使尖头齿条64与传动齿轮63脱离，向下拉尖头齿条64使其复位，此时密闭控制卡61在密闭控制卡弹簧62作用下复位重新实现对密闭塞66的锁定，最后将下壳体601顺时针旋转90
°
并安装出水口防堵网罩652完成压裂流量计量控制开关6复位，以备下一次水力致裂使用。
45.压裂流量计量控制开关6通过水流带动螺旋桨69转动，螺旋桨69带动传动齿轮63转动，动齿轮63转动带动尖头齿条64向前运动，在尖头齿条64头部锥形斜面的推动下，密闭控制卡61后部的凸起会推动密闭控制卡61沿着旋转轴611旋转轴发生逆时针旋转，释放密闭塞66密闭；此过程中推动螺旋桨69的流量的大小由螺旋桨69旋转圈数决定，从而实现当流量达到限定流量时自动封闭的作用。
46.当压裂过程中有水流5通过高压管柱4进入压裂流量计量控制开关6后，从上壳体602通过密闭塞限位板68上的通孔进入下壳体601并推动螺旋桨69转动，螺旋桨69上部齿轮带动传动齿轮63转动，传动齿轮63推动尖头齿条64向上移动，尖头齿条64通过其上部的斜面推动密闭控制卡61下部向右移动，密闭控制卡61上部向左移动，待水流5流过压裂流量计量控制开关6达到设定流量后密闭控制卡61解锁密闭塞66，密闭塞66在密闭塞复位弹簧67作用下向上运动密闭上壳体602中的进水口，同时密闭控制卡61上缘抵住密闭塞66锥形头下缘，实现对密闭塞66的锁定，压裂流量计量控制开关6关闭。