1.本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采领域，尤其涉及资源

1.本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采领域，具体涉及一种煤层压裂装置及压裂方法。

背景技术：

2.煤层中有大量煤层气资源。只采煤不采煤层气，不仅浪费资源，还会导致煤与瓦斯突出、瓦斯浓度过高等一系列安全问题。但我国大部分煤层气资源渗透率低，开发难度大。因此，需要采取一系列措施和方法来有效提高煤层的渗透率。其中，使用液氮开裂后的煤体会产生一组裂缝，大大提高了煤体的渗透性，而水力纵剪利用水射流的冲刷作用切割煤体，创造自由空间，并释放煤体压力。也是提高煤层渗透率的有效途径之一。在水力纵切+液氮压裂法的基础上，在提高煤层渗透性的基础上，由于水冰相变产生大量氮气，水力纵切后裂缝发育，然后注入液氮，扩大煤层裂缝，提高煤层渗透率效果更显着。

技术实施要素：

3.本方案针对以上提出的问题和需求，提出了一种煤层压裂装置及方法，由于采用了以下技术特征，可实现上述技术目的，并带来多项其他技术效果.

4.本发明的目的在于提出一种煤层压裂装置，包括：

5.加压液氮泵，接液氮源；

6.高压水泵接水源；

7.高压密封钻杆用于在煤层中开一个压裂孔，沿高压密封钻杆的延伸方向设置有输送管腔，输送管的一端管腔与压裂钻头相通，其另一端分别与高压水泵和加压液氮泵相通。

8.此外，本发明的煤层压裂装置及方法还可以具有以下技术特征：

9.在本发明的一个实施例中，还包括：第一开关阀和第二开关阀，

10.第一开关阀安装在加压液氮泵和高压密封钻杆之间，用于控制加压液氮泵中的液氮向高压密封钻具方向流动管道开关方向；

11.第二个开关阀安装在高压水泵和高压密封钻杆之间，用于控制高压水向高压水泵朝向高压密封钻杆。

12.在本发明的一个实施例中，还包括：计算机，

13.计算机耦接第一开关阀和第二开关阀，用于控制第一开关阀和第二开关阀的开关；

14.计算机与高压密封钻杆耦合，用于控制高压密封钻杆的启停动作。

15.在本发明的一个实施例中，还包括：气体浓度检测器，

16.安装在煤层中，用于检测煤层压裂过程中的瓦斯浓度。

17.在本发明的一个示例中，计算机与气体浓度检测器耦合，并被配置为：

18.接收来自瓦斯浓度检测器的指示煤层中瓦斯浓度的信号；

19.电脑根据气体浓度信号调节第一开关阀和第二开关阀的开关量；

20.其中，当气体浓度从初始气体浓度增加到第一指定气体浓度时，计算机关闭第一开关阀；当气体浓度从第一指定气体浓度增加至第二指定气体浓度时，计算机关闭第二个开关阀。

21.在本发明的一个实施例中，高压密封钻杆包括多根，并沿煤层深度方向间隔设置，其中每根高压密封钻杆打开一个压裂孔。其沿倾斜于煤层的水平方向延伸，压裂钻孔的入口端低于其终止端，其中水平方向与深度方向相互垂直。

22.本发明实施例中，输送管腔包括相互独立的液氮输液管和输水管，液氮管和输水管之间通过高压。管道。射流喷嘴与压裂钻孔相通；其中，高压喷嘴用于调节输液管路或输水管路与高压喷嘴连通。

23.在本发明的一个实施例中，高压射流喷嘴包括多个，并且沿高压密封钻杆的圆周方向和延伸方向排列排列。

24.在本发明的一个实施例中，高压射流喷嘴包括：

25.本体部分具有喷头和与喷头相通的喷尾，喷头与压裂钻孔相通，喷尾分别与液氮注入管道和水连接由公路连接的输送管道

26.球阀，枢转设置在喷尾处，能够在密封输液氮气管线和水管线之一的密封位置打开输液器，在氮气管线的另一个打开位置之间切换和水线。

27.本发明的另一个目的是提供一种如上所述的煤层压裂装置的压裂方法，包括以下步骤：

28.s10：通过高压密封钻杆沿煤层深度方向间隔打压​​裂孔；

29.s20：高压水泵通过高压密封钻杆对煤层进行水力切割压裂煤层。在此过程中泰科流体控制阀门，煤层瓦斯浓度逐渐升高，直至达到第一个规定瓦斯浓度，关闭高压水泵；

30.s30：密封压裂孔入口端，使压裂孔内部形成封闭空间；

31.s40：加压液氮泵将液氮通过高压密封钻杆注入压裂孔，进一步压裂压裂孔，待压裂孔内气体浓度达到规定的秒level 当达到气体浓度时，关闭加压液氮泵。

32.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

33.本发明通过在煤层内设置高压密封钻杆对煤层进行液氮压裂和水力开缝。同时，水力缝产生自由空间，释放煤层压力，提高煤层含水量，大大提高液氮压裂煤层的效果。从而实现煤层液氮压裂与水力分缝的耦合压裂效果。本发明方法可有效解决地下煤层渗透率低导致瓦斯抽采困难的问题，液氮压裂与水力分切一体化装置简化了工艺，

34.下面结合附图对实施本发明的优选实施例进行更详细的说明，以便于理解本发明的特征和优点。

图纸说明

35.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将简要介绍本发明实施例的附图。附图仅用于说明本发明的部分实施例，并不用于限制本发明的所有实施例。

36. 图。附图说明图1是本发明实施例的煤层压裂装置的结构示意图；

37. 图。图2是沿图1中aa方向的剖视图。1个；

38. 图。图3为本发明实施例高压密封钻杆的结构示意图；

39. 图。图4为本发明实施例高压射流喷嘴的结构示意图；

40. 图。图5是根据本发明实施例的煤层压裂方法的步骤图。

41.参考符号列表：

42.煤层200；

43.断裂钻孔201；

44.入口202；

45.终结者203；

46.煤层压裂装置100；

47.加压液氮泵10；

48.高压水泵20；

49.高压密封钻杆30；

50.传输流明31；

51.输液氮气管线311；

52.输水管道312；

53.高压喷嘴32；

54.主体部分321；

55.打印机3211；

56.尾3212；

57.球阀322；

58.第一开关阀40；

59.第二开关阀50；

60.计算机60；

61.气体浓度检测器70；

62.解调器80；

63. 切缝 g;

64.深度方向s；

65.水平方向h；

66.延伸方向y；

67.圆周方向r。

详细方法

68.为使本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合此

本发明具体实施例的附图清楚、完整地描述了本发明实施例的技术方案。图中相同的附图标记表示相同的部分。需要说明的是，所描述的实施例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做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。

69.除非另有定义，否则此处使用的技术或科学术语应具有本发明所属领域的普通技术人员所理解的普通含义。专利申请说明书和本发明权利要求书中使用的“第一”、“第二”等类似用语不表示任何顺序、数量或重要性，仅用于区分不同的部件。同样，诸如“一个”或“一个”之类的词也不一定意味着数量的限制。“包含”或“包含”及类似词语是指出现在该词语之前的元素或事物包含该词语之后所列举的元素或事物及其等同物，但不排除其他元素或事物。像“连接”或“

70.根据本发明第一方面的煤层压裂装置100，如图1所示。1和图。2、包括：

71.加压液氮泵10，与液氮源相通；

72.高压水泵20，接水源；

73.高压密封钻杆30构造成可在煤层200上开一个压裂孔201，沿高压密封的延伸方向y设有输送管腔31。钻杆30。输送管腔31一端与压裂孔201连通，另一端分别与高压水泵20和加压液氮泵10连通。

74.装置工作时，首先用高压密封钻杆30沿煤层200的深度方向s每隔一段距离钻压裂孔201。煤层被切割以导致煤层破裂。在此过程中，煤层200中的瓦斯浓度逐渐升高，直至达到第一规定瓦斯浓度，关闭高压水泵20；然后密封压裂孔201的入口端202，使压裂孔201内部形成A封闭空间。最后，液氮由加压液氮泵10通过高压密封钻杆30注入压裂孔201，进一步压裂压裂孔201，压裂孔201被压裂。当钻孔201中的气体浓度达到第二规定气体浓度时，关闭加压液氮泵10。该装置压裂效果好，工艺简单，可有效提高200煤层的渗透率。

75.即采用高压密封钻杆30和高压喷嘴的高压水射流在平面内切割煤层200，切割的煤粉为在水流的作用和斜钻的重力作用下切入煤层。排除外部，在创造自由空间的同时，降低煤层200的压力，扩大煤层200的孔隙率。然后，在液氮注入过程中，煤层200会被喷嘴沿着水射流形成的缝隙进一步开裂，由于煤层200含水量的增加，水冰相变会加剧，裂化效果显着提高，渗透率增加。显着上升。最后合资阀门品牌，变化前后的气体浓度由监测钻孔中的气体监测仪测量。该装置压裂效果好，工艺简单，可有效提高200煤层的渗透率。

76.本发明通过在煤层内设置高压密封钻杆对煤层进行液氮压裂和水力开缝。同时，水力缝产生自由空间，释放煤层压力，提高煤层含水量，大大提高液氮压裂煤层的效果。从而实现煤层液氮压裂与水力分缝的耦合压裂效果。本发明方法可有效解决地下煤层渗透率低导致瓦斯抽采困难的问题，液氮压裂与水力分切一体化装置简化了工艺，

77.在本发明的一个实施例中，还包括：第一开关阀40和第二开关阀50，

78.第一开关阀40安装在加压液氮泵10和高压密封钻杆30之间，用于控制加压液氮泵10中液氮的方向。高压密封钻杆在30方向上的开关；

79.第二开关阀50安装在高压水泵20和高压密封钻杆30之间，用于控制高压水流向加压水泵20朝高压密封钻杆30开闭；

80. 即装置工作时，首先用高压密封钻杆30沿煤层200的深度方向s钻压裂孔201；然后，打开第二开闭阀50。, 煤层 200 被高压水泵 20 通过高压密封钻杆 30 压裂, 以水力切割煤层 200。 在此过程中, 煤层 200 中的气体浓度逐渐增加, 直到达到第一个指定的气体浓度，第二个开关阀关闭。50; 接着，密封压裂孔201的入口端202，使压裂孔201内部形成封闭空间；最后打开第一开关阀40，加压液氮泵10通过高压密封钻。杆30向压裂孔201内注入液氮，进一步压裂压裂孔201，当压裂孔201内的气体浓度达到第二规定气体浓度时，关闭第一开关阀40的泵。通过设置第一开关阀4和第二开关阀50，可以方便地控制液氮泵和高压水泵20。

81.在本发明的一个实施例中，还包括：计算机60，

82.计算机60耦接第一开关阀40、第二开关阀50，用于控制第一开关阀40和第二开关阀50的开关。第二开关阀50；

83.计算机60与高压密封钻杆30连接泰科阀门，用于控制高压密封钻杆30的启停动作的执行；

84. 即装置工作时，首先用高压密封钻杆30沿煤层200的深度方向s钻压裂孔201；截止阀50打开泰科流体控制阀门，高压水泵20通过高压密封钻杆30对煤层200进行液压切割，使煤层200破裂。在此过程中，煤层200中的气体浓度逐渐增加，直至达到第一规定气体浓度。计算机60控制第二开关阀50关闭；然后密封压裂孔201的入口端202，使压裂孔201内部形成封闭空间。最后，计算机60控制第一开关阀40打开，加压液氮泵10通过高压密封钻杆30将液氮喷入压裂孔201，进一步压裂压裂孔201。当压裂孔201内气体浓度达到第二规定气体浓度时，计算机60控制第一开关阀40关闭。通过计算机60的设置，进一步方便了液氮泵和高压水泵20的控制。

85.在本发明的一个实施例中，还包括：气体浓度检测器70，

86.安装在煤层200中，用于检测煤层200压裂过程中的瓦斯浓度；

87.例如，气体浓度检测仪70可以放置在该装置的高压密封钻孔控制所钻孔的压裂孔201中。

88.在本发明的一个示例中，计算机60连接到气体浓度检测器70并且被配置为：

89.从瓦斯浓度检测器70接收表示煤层200中瓦斯浓度的信号；

90.计算机60根据气体浓度信号调节第一开关阀40、第二开关阀50的开关；

91.其中，当气体浓度从初始气体浓度上升到第一指定气体浓度时，计算机60关闭第一开关阀40；当浓度上升到第二规定气体浓度时，计算机60关闭第二开关阀50；初始瓦斯浓度是指煤层200在非破裂状态下的瓦斯浓度。

92.简而言之，第一开关阀40、第二开关阀50的开关动作的执行是基于气体浓度检测器

70 采集到煤岩中的瓦斯浓度值由计算机60控制，从而将第一开关阀40和第二开关阀50的开关状态调节在最佳瓦斯浓度，从而控制更准确地说是煤岩的断裂。

93.需要说明的是，计算机60和气体浓度检测器70之间还设置有解调器80，用于信号解调。并且优选地三角阀断了，各个部件之间通过光缆耦合。

94.在本发明的一个实施例中，高压密封钻杆30包括多个并沿煤层200的深度方向s间隔排列，其中每个高压密封钻杆30钻杆30具有a 压裂孔201沿水平方向h向煤层200倾斜，压裂孔201的入口端202低于其终止端203；其中，水平方向h与深度方向s相互垂直；

95.通过设置多根高压密封钻杆30，可以同时打开多个压裂孔201，提高煤岩的压裂效率；压裂孔201的入口端202低于压裂孔201的入口端203的设置，使得切割后的煤粉在水流的作用和倾斜钻孔的重力作用下向外排出，形成一个自由空间三角阀断了，降低煤层200的压力，并扩大煤层200的孔隙率。

96.本发明实施例中，压裂孔201与水平方向h的夹角为10°

°

，裂孔201的直径为100-150mm，裂孔201的深度为10-40m；即延伸方向y与水平方向h的夹角为10

°

.

97.进一步优选地，它包含10的角度

°

压裂孔201有5个，监测孔1个，每个压裂孔201的垂直距离0.3m。

98.本发明实施例中，输送管腔31包括相互独立的注氮管路311和输水管路312，液氮管路311和输水管路312分别为通过高压射流喷嘴32与压裂钻孔201连通；其中，高压喷嘴32用于调节输液管路或输水管路312与高压喷嘴32连通。

99.也就是说，独立的输液氮气管道311和输水管道312在高压喷嘴32处汇合，输液氮气管道只有一个311和输水管道312。它可以与高压射流喷嘴32连通，即高压射流喷嘴32在同一时间段内只能向压裂孔201注入液氮或水中的一种。时间。采用上述结构的输送管腔31可以保证液氮和水在压裂孔201注入时互不影响，独立性好。

100.在本发明的一个实施例中，高压射流喷嘴32包括多个，并沿高压密封钻杆30的圆周方向r和延伸方向y排列排列。 ;

图10 通过设置多个高压射流喷嘴32，可以提高高压密封钻杆30的压裂效率。

102.在本发明的一个例子中，如图1所示。3和图。如图4所示，高压喷嘴32包括：

103.本体部321具有喷头3211和与喷头3211连通的喷尾3212，其中喷头3211与压裂钻孔201连通，喷尾3212分别连接至输液氮气管道311、与输水管道312相连；

10球阀322，枢设于喷尾3212，可在密封位置和打开注氮管路311和供水管路312中的另一方的开启位置之间切换；

105. 即在压裂孔201注水时，电脑60控制第二开关阀50开启，高压水流入高压密封来自高压水泵20的钻杆30，水流过。喷尾3212推动球阀打开输水管道312，流向喷嘴3211。同时，球阀关闭注氮管道311，喷嘴3211通过水力切割煤层200。

当煤层200被压裂时，在此过程中，煤层200中的气体浓度逐渐升高，直至达到第一规定气体浓度，计算机60控制第二开关阀50关闭。端部202被密封，使压裂孔201内部形成封闭空间；最后，计算机60控制第一开关阀40打开，液氮从加压液氮泵10流入高压密封钻杆30，液氮流经喷尾3212推动球阀打开液氮管道311，流向喷嘴3211。同时，球阀关闭水管道312，加压液氮泵10通过高压密封钻管30到达压裂处。孔 201。内部注入液氮进一步对压裂孔201进行压裂，当压裂孔201内的气体浓度达到第二规定气体浓度时，计算机60控制第一开关阀40关闭。本发明使用的高压喷嘴上设有一个球阀322，当液氮喷射口或注水口工作时，球阀322会在压力作用下关闭另一个通道，形成一个相对的封闭空间，确保工作效果。即，高压射流喷嘴32可以保证将液氮或高压水一次喷射到煤岩中。当压裂孔201内的气体浓度达到第二规定气体浓度时，计算机60控制第一开关阀40关闭。本发明使用的高压喷嘴上设有一个球阀322，当液氮喷射口或注水口工作时，球阀322会在压力作用下关闭另一个通道，形成一个相对的封闭空间，确保工作效果。即，高压射流喷嘴32可以保证将液氮或高压水一次喷射到煤岩中。当压裂孔201内的气体浓度达到第二规定气体浓度时，计算机60控制第一开关阀40关闭。本发明使用的高压喷嘴上设有一个球阀322，当液氮喷射口或注水口工作时，球阀322会在压力作用下关闭另一个通道，形成一个相对的封闭空间，确保工作效果。即，高压射流喷嘴32可以保证将液氮或高压水一次喷射到煤岩中。当液氮注入口或注水口工作时，球阀322会在压力作用下关闭另一个通道，形成一个相对封闭的空间，保证工作效果。即，高压射流喷嘴32可以保证将液氮或高压水一次喷射到煤岩中。当液氮注入口或注水口工作时，球阀322会在压力作用下关闭另一个通道，形成一个相对封闭的空间，保证工作效果。即，高压射流喷嘴32可以保证将液氮或高压水一次喷射到煤岩中。

106.需要说明的是，球阀322被高压水打开后，在高压水的作用下移动到注氮管路311的一侧。322密封输液氮气管道311；球阀322被加压液氮打开后，在加压液氮的作用下向输水管路312一侧移动。使球阀322密封水管312。

107. 根据本发明的第二方面，一种如上所述的煤层压裂装置的压裂方法，如图1所示。5、包括以下步骤：

108.s10：通过高压密封钻杆30沿煤层200的深度方向每隔一段距离钻压裂孔201；

109.s20：高压水泵20通过高压密封钻杆30液压切割煤层200，使煤层200压裂。在此过程中，煤层200中的瓦斯浓度逐渐升高，直至达到第一规定瓦斯浓度，关闭高压水泵20；

110.s30：密封压裂孔201的入口端202，使压裂孔201内部形成封闭空间；

111.s40：加压液氮泵10通过高压密封钻杆30将液氮注入裂解孔201，进一步裂解裂解孔201，裂解孔201内的气体被破裂。当浓度达到第二规定气体浓度时，关闭加压液氮泵10；

112.根据本发明的提高煤层200渗透率的方法，首先通过液压切缝将煤层200切割成自由空间，然后将切割后的煤粉移动到煤层在水流和倾斜钻孔的重力作用下。外部排放降低了煤层200的压力并且增加了煤层200的孔隙率。“液氮管-高压水管”套管设计，最大限度地利用空间，因为该装置可以控制液氮的低温，从而提高裂解效果。在接下来的液氮喷射步骤中，煤层200将被喷嘴沿着水射流形成的间隙进一步压裂，并且由于煤层200含水量的增加，水冰相变加剧，会形成大量液氮气化形成的氮气。沿煤层200原始裂缝的传递和压力将增加裂缝发育程度，提高煤层200的渗透率。采用提高煤层200渗透率的方法，压裂效果显着提高，渗透率显着提高，煤层200瓦斯抽采效率大大提高。沿煤层200原始裂缝的传递和压力将增加裂缝发育程度，提高煤层200的渗透率。采用提高煤层200渗透率的方法，压裂效果显着提高，渗透率显着提高，煤层200瓦斯抽采效率大大提高。沿煤层200原始裂缝的传递和压力将增加裂缝发育程度，提高煤层200的渗透率。采用提高煤层200渗透率的方法，压裂效果显着提高，渗透率显着提高，煤层200瓦斯抽采效率大大提高。

113.本发明通过在煤层中设置高压密封钻杆对煤层进行液氮压裂和水力开缝。同时，水力缝产生自由空间，释放煤层压力，提高煤层含水量，大大提高液氮压裂煤层的效果。从而实现煤层液氮压裂与水力分缝的耦合压裂效果。本发明方法可有效解决地下煤层渗透率低导致瓦斯抽采困难的问题，液氮压裂与水力分切一体化装置简化了工艺，

114.本发明实施例中，第一指定气体浓度为1.5～5～

2.5倍，第二规定瓦斯浓度为煤层初始瓦斯浓度200的3～4倍，裂化效果更好。

115.本发明实施例中，步骤s30中，压裂孔201的入口端202采用聚氨酯密封；用聚氨酯密封在煤岩中能保持良好的密封性能，可靠性高；当然，本发明不限于此，也可以采用其他材料进行密封。

116.本发明实施例中，步骤s20中，水力切割煤层200的水压为30mpa；在此水压下，高压射流喷嘴32的水力切割效果更好。

117.根据方法的具体实施例

118.Step1、从200号缝的水平方向钻一组10个

°

，直径100-150mm，孔深10-40m，垂直方向各孔间距0.3m～0.4m；其中一个是气体浓度监测钻，该​​孔用于放置气体浓度计，其余孔用作压裂孔201。

119.步骤2、打开高压水管路312的第一开关阀312 40、关闭第二开关阀50，送高压水以 30mpa 的水压向喷嘴启动煤层 200 水力切割 1 至 2 小时。结束后将形成5条线，等级为10。

°

, 狭缝 g 的长度为 2 到 5 m。狭缝g形成后，煤体应力大大降低，煤体瓦斯压力降低，钻孔周围煤缝网扩大，瓦斯运移通道打开。内部气体浓度会相应增加。当气体浓度检测仪70监测到气体浓度明显升高至初始浓度的1.5～2.5倍时，可将检测信号通过光缆传输至计算机60进行控制水泵电动阀关闭第一开关阀40，水力分切过程结束，此过程中切下的煤粉将随水流沿钻孔排出。

120.步骤3、用聚氨酯密封煤壁附近的孔，保证密闭空间。

121.步骤4、封孔完成后，计算机60调节打开第二开关阀50，注入液氮，加压液氮通过喷嘴喷射到裂隙处煤层200以进一步裂解煤。当监测孔内气体监测仪测得的气体浓度为初始浓度的3～4倍时，可认为开裂已达到预期效果。气体浓度检测仪70通过光缆将检测信号传送至计算机60，即可关闭液氮电动阀。，过程结束。

122.本发明通过在煤层中设置高压密封钻杆对煤层进行液氮压裂和水力开缝。同时，水力缝产生自由空间，释放煤层压力，提高煤层含水量，大大提高液氮压裂煤层的效果。从而实现煤层液氮压裂与水力分缝的耦合压裂效果。本发明方法可有效解决地下煤层渗透率低导致瓦斯抽采困难的问题，液氮压裂与水力分切一体化装置简化了工艺，

123.上面结合优选实施例对本发明提出的煤层压裂装置100和方法的示例性实施例进行了详细描述，但是本领域技术人员可以理解的是泰科流体控制阀门，在不脱离概念的情况下本发明在上述具体实施方式的前提下，可以对上述具体实施方式进行各种变化和修改，本发明提出的各种技术特征和结构可以在不超出本发明的范围内以各种方式组合。本发明的保护范围。由所附权利要求确定。

江苏泰科流体控制阀门有限公司

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