一种电脉冲预制裂缝定向水力压裂一体化的方法

摘要

本发明公开的一种电脉冲预制裂缝定向水力压裂一体化的方法，涉及煤矿瓦斯防治技术领域。其方法为：首先利用高压脉冲冲击波对井内煤层的特定位置进行脉冲射压裂孔和多个目标孔，然后安装正、负电极，用电脉冲发生装置不断产生高压电脉冲，使射孔方向的主裂缝不断延伸，最后清水冲洗钻孔并喷涂防水剂，待防水剂凝固后，封孔，水力压裂。本发明结合电脉冲和水力压裂，加入导电离子压裂液对煤岩体性质进行改造，在电脉冲产生的能量波和水压波联合作用下，使煤岩体更容易形成多个水压主裂缝和致裂裂缝带，降低了脉冲击穿电压和高压脉冲的危险性，也增大了钻孔间距，节省钻孔封孔施工工作量，确保压裂效果，安全性好，操作简单方便，具有广泛的实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯防治技术领域，具体涉及一种电脉冲预制裂缝定向水力压裂一体化的方法。

背景技术

目前，在我国各大矿区单一低透气性煤层普遍存在，而单一低透气性煤层的瓦斯治理工作一直是困扰广大科技工作者的技术难题。尤其是近年来，随着经济的快速可持续发展，我国对煤炭产量的需求不断增加，导致煤矿每年以一定的速度向深部延伸，许多矿井已经进入深部开采。而矿井深部由于地质条件极其复杂，特别是单一低透气性的矿区，使得采前预抽效果较差，无法消除采掘工作面的突出危险性。

针对上述问题，人们提出了水力压裂和电脉冲煤层增透技术。但是，单一使用水力压裂技术时，无法控制煤体裂纹的起裂位置和扩展方向，不能对试验煤层实施有效压裂，甚至在一些复杂煤层中还会引发次生灾害。电脉冲煤层增透技术又存在脉冲电压过高，安全系数低，致裂范围不可控，效率低等问题。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新的方法，以确保煤层的压裂效果。

发明内容

根据本发明的目的提出的一种电脉冲预制裂缝定向水力压裂一体化的方法，所用装置包括冲击波射孔器、高压电源、储能电容器、变压器、放电开关、静电屏蔽室、正电极、负电极、分层式储液罐以及输液管路；所述高压电源与储能电容器电缆连接，所述储能电容器的正极和负极分别与冲击波射孔器的高压电极和静电屏蔽室中的接地电极相连接以及分别与正电极和负电极相连接；所述分层式储液罐用于盛装水和导电离子压裂液，所述输液管路与分层式储液罐连接，所述输液管路上设置有水泵。

该方法包括以下步骤：

步骤一：根据煤层地应力以及所需裂缝扩展方向，沿工作面煤层走向或倾斜方向，使用冲击波射孔器布置平行钻孔以及目标孔，并于钻孔和目标孔内安装可实时监测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的微震信息的可视化监测处理器。

步骤二：退出冲击波射孔器，连接输液管路与分层式储液罐，并将输液管路放入钻孔内；打开水泵，分层式储液罐中的导电离子压裂液沿着输液管路注入钻孔内，浸透煤层后关闭水泵。

步骤三：沿射孔方向的主裂缝安置正电极和负电极，储能电容器的正极和负极分别与正电极和负电极连接。

步骤四：连接储能电容器与高压电源，开启高压电源，电流通过电缆输送到储能电容器，储能电容器开始储存电能，当储能电容器的电压升至预定电压时，关闭高压电源。

步骤五：闭合放电开关，储能电容器中的电能传递到正电极和负电极针头，电极针击穿正电极与负电极之间的煤介质，预制裂缝。

步骤六：断开放电开关，再次打开水泵，分层式储液罐中的清水沿着输液管路流入钻孔并冲洗钻孔后，分层式储液罐中的导电离子压裂液沿着输液管路再次注入钻孔内，浸透煤层后关闭水泵。

步骤七：退出输液管路，在钻孔内均匀的喷射防水材料，使其覆盖钻孔壁和裂缝。

步骤八：防水材料凝固后，封孔，进行水力压裂，使钻孔之间产生的压裂裂缝相互连通。

步骤九：完成压裂后，连接抽采管，进行瓦斯抽采。

优选的，步骤一中，钻孔布置方式为平行钻孔，孔间距一般为5-20m，钻孔轴向方向与岩层垂面方向的夹角为0-45°。

优选的，步骤二中，分层式储液罐输出的导电离子压裂液的压力范围为30-300MPa。

优选的，步骤五中，高压电脉冲发生频率为10-60Hz，电压范围为30-400Kv。

优选的，步骤六中，正电极和负电极均为压缩式电极；所述压缩式电极包括电极针、铜棒、设置于铜棒两端的绝缘垫圈以及套设于铜棒上的固定滑块和弹簧；所述固定滑块于铜棒上上下移动，压缩弹簧，调节压缩式电极长度。

优选的，所述冲击波射孔器为冲击波发射与压裂功能于一体的冲击波射孔压裂器；步骤七中，预制裂缝完成后，将冲击波射孔压裂器钻头转换成压缩式压裂转换钻头，进行水力压裂。

与现有技术相比，本发明公开的一种电脉冲预制裂缝定向水力压裂一体化的方法的优点是：

(1)本发明利用高压电脉射孔并预制裂缝，可实现脉冲爆震钻孔与目标钻孔之间煤体破碎，使压裂裂缝能够按照指定的位置和一定的方向扩展。通过平行多钻孔同时压裂，可使压裂裂缝在一定的偏转范围内相互连接，实现了对裂缝导向的目的。

(2)本发明结合电脉冲和水力压裂，加入导电离子压裂液对煤岩体性质进行改造，在电脉冲产生的能量波和水压波联合作用下，使煤岩体更容易形成多个水压主裂缝和致裂裂缝带，降低了脉冲击穿电压和高压脉冲的危险性。

(3)本发明可增大压裂钻孔间距，节省钻孔封孔施工工作量和费用，确保压裂效果，安全性好，操作简单方便，具有广泛的实用性。

(4)冲击波射孔压裂器采用螺旋式旋转可调节聚焦发射装置，冲击波经过高速螺旋式旋转，多重反射，沿预设方向聚焦并呈集中式发射并作用于煤层，无纵向方向的分量。正、负电极采用伸缩式调节模式，可使电极与煤层接触更紧密，裂缝延伸更加有效。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为电脉冲预制裂缝定向水力压裂一体化装置示意图。

图2为冲击波射孔压裂器结构图。

图3为压缩式电极结构图。

图中：1-钻孔；2-冲击波射孔压裂器；3-高压电源；4-储能电容器；5-变压器；6-放电开关；7-正电极；8-负电极；9-分层式储液罐；10-输液管路；11-水泵；12-可视化监测处理器；13-钻杆；14-压缩式压裂转换钻头；15-螺旋式高速控制器；16-电极；17-铜线；18-脉冲激波发射钻头；19-绝缘垫圈；20-铜棒；21-固定滑块；22-弹簧；23-电极针；24-静电屏蔽室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1-图3示出了本发明较佳的实施例，对其结构进行了详细的剖析。

本发明公开的一种电脉冲预制裂缝定向水力压裂一体化的方法，所用装置如图1所示，包括冲击波射孔压裂器2、高压电源3、储能电容器4、变压器5、放电开关6、静电屏蔽室24、正电极7、负电极8、分层式储液罐9以及输液管路10。高压电源3与储能电容器4电缆连接，开启高压电源3，电流可通过电缆输送到储能电容器4，储能电容器4开始储存电能，220V/50Hz的交流电通过变压器5转换为直流电。当储能电容器4的电压升至预定电压时，关闭高压电源3，以供冲击波射孔压裂器2射孔和正、负电极预制裂缝使用。储能电容器4的正极和负极分别与冲击波射孔压裂器2的高压电极和静电屏蔽室24中的接地电极相连接，同时也分别与正电极7和负电极8相连接。

冲击波射孔压裂器2集冲击波发射与压裂功能于一体，包括钻杆13、脉冲激波发射钻头18、压缩式压裂转换钻头14、通过铜线螺旋型排布于脉冲激光发射器钻头18上的电极16以及螺旋式高速控制器15。冲击波射孔压裂器2射孔作业时，闭合放电开关6，开启螺旋式高速控制器15，按照预制目标调节转速和角度，电能通过铜线17传递到电极16尖端和脉冲激波发射钻头18，脉冲激波发射钻头18沿预设方向聚焦并呈集中式向煤层作业射孔，无纵向方向的分量。冲击波射孔压裂器2压裂作业时，将脉冲激波发射钻头18换为压缩式压裂转换钻头14即可。

正电极7和负电极8均为压缩式电极，分别包括电极针23、铜棒20、设置于铜棒20两端的绝缘垫圈19以及套设于铜棒20上的固定滑块21和弹簧22。固定滑块21可沿铜棒20移动，压缩弹簧22，电极针23设置于铜棒20内，并与固定滑块21固定连接，可在固定滑块21的带动下移动，实现压缩式电极长度的调节，从而使得正电极7和负电极8与煤层接触更紧密接触，裂缝延伸更加有效。

分层式储液罐9用于盛装水和导电离子压裂液，输液管路10与分层式储液罐9连接，输液管路10上设置有水泵11。

该方法包括以下步骤：

步骤一：根据煤层地应力以及所需裂缝扩展方向，沿工作面煤层走向或倾斜方向，布置平行钻孔1以及目标孔，然后将储能电容器4的正极和负极分别与冲击波射孔压裂器2的高压电极和静电屏蔽室24中的接地电极相连接，闭合放电开关6，向煤层射孔。钻孔1布置方式为平行钻孔，孔间距一般为5-20m，钻孔1轴向方向与岩层垂面方向的夹角为0-45°。同时，于钻孔1和目标孔内安装可实时监测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的微震信息的可视化监测处理器12。

步骤二：退出冲击波射孔压裂器2，连接输液管路10与分层式储液罐9，并将输液管路10放入钻孔1内。打开水泵11，分层式储液罐9中的导电离子压裂液沿着输液管路10注入钻孔1内，浸透煤层，以增加煤层导电性后关闭水泵11。分层式储液罐9输出的导电离子压裂液的压力范围为30-300MPa。

步骤三：沿射孔方向的主裂缝安置正电极7和负电极8，并根据预制裂缝的需要，设定固定滑块21的移动距离，控制弹簧22的压缩长度，进而调节正电极7与负电极8的长度。储能电容器4的正极和负极分别与正电极7和负电极8连接。

步骤四：连接储能电容器4与高压电源3，开启高压电源3，电流通过电缆输送到储能电容器4，储能电容器4开始储存电能，当储能电容器4的电压升至预定电压时，关闭高压电源3。

步骤五：闭合放电开关6，储能电容器4中的电能传递到压缩式正电极7和负电极8针头，电极针击穿正电极7与负电极8之间的煤介质，预制裂缝。电脉冲击穿介质的过程中，首先是在煤介质内部形成等离子体通道，然后大量的电流在瞬间注入等离子体通道，电应力和热膨胀力形成的冲击波作用于等离子体通道。高压电脉冲发生频率为10-60Hz，电压范围为30-400Kv。

步骤六：断开放电开关6，再次打开水泵11，分层式储液罐9中的清水沿着输液管路10流入钻孔1并冲洗钻孔1后，分层式储液罐9中的导电离子压裂液沿着输液管路10再次注入钻孔1内，浸透煤层，以提高水力压裂效果。

步骤七：关闭水泵11，退出输液管路10，在钻孔1内均匀的喷射防水材料，使其覆盖钻孔1壁和裂缝。

步骤八：防水材料凝固后，封孔，将脉冲激波发射钻头18转换成压缩式压裂转换钻头14，进行多钻孔水力压裂，使钻孔1之间产生的压裂裂缝相互连通。整个过程中，通过可视化监测处理12实时监控监测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的微震信息。

步骤九：完成压裂后，连接抽采管，进行瓦斯抽采。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。