本發(fā)明涉及工程機械領(lǐng)域，更具體地說，特別涉及一種孔道壓裂裝置及方法。
背景技術(shù)：
工程施工中，常常需要在巖石地層進行鉆掘作業(yè)，由于巖石的硬度比較大，因此鉆掘的難度極高，尤其是在單軸抗壓強度(單向受壓條件下巖石試件破壞時的極限壓應(yīng)力值)較大的致密硬巖。早期作業(yè)中，鉆掘作業(yè)一般是通過鉆爆法，即在巷道斷面按一定方向和間距鉆出炮孔，再充填炸藥進行爆破，將預(yù)定長度的巖體碎裂成小塊再運出，從而實現(xiàn)巷道的掘進，但是該種方法很難對爆破量進行精準掌控，且爆破沖擊波很容易影響周邊地層。為減少超挖欠挖情況，減少爆破沖擊波對周邊地層的擾動，工程人員后來又發(fā)明了預(yù)裂爆破工法，其關(guān)鍵是在掘進斷面周邊孔時，減量裝藥爆破以產(chǎn)生沿孔壁連線貫通的裂縫，然后再配合其他掘進機械作業(yè)。但是，采用該種方法時，為了按預(yù)定方向形成裂縫，要求周邊孔間距較小，鉆孔數(shù)量較多，影響了施工經(jīng)濟性。
盡管爆破破巖研究已非常充分，但其在安全環(huán)保方面的先天缺陷無法根除，在對沖擊影響較敏感的地方適用性差。隨著安全施工要求的提升，我國對非炸藥破巖方面進行了積極研究，尤其是水力壓裂技術(shù)得到了極大發(fā)展。高壓水射流破巖技術(shù)在上世紀70年代在國內(nèi)外曾廣泛研究，但研究方向集中在以高速噴出的水射流對巖石的沖擊破壞方面，能量經(jīng)過勢能-動能-勢能的轉(zhuǎn)換，損耗較大，效果并不理想，隨著增壓設(shè)備能力的提高，直接利用高壓水勢能的水力壓裂技術(shù)得以快速發(fā)展。實際操作中，由于現(xiàn)有依靠水力壓裂技術(shù)的壓裂裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在局限性，現(xiàn)代壓裂裝置使用時，往往需要大量壓裂液，如此，現(xiàn)有壓裂裝置往往能耗非常高。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為提供一種孔道壓裂裝置，該孔道壓裂裝置通過其結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效降低能耗。
一種孔道壓裂裝置，包括鉆桿，所述鉆桿軸心處設(shè)置有貫通孔，所述貫通孔用于將外部壓裂液傳導(dǎo)至欲壓裂的孔道內(nèi)部，所述鉆桿的外圓柱面上設(shè)置有凹臺，所述凹臺上設(shè)置有彈性密封機構(gòu)，所述彈性密封機構(gòu)靠近所述鉆桿軸心的一面設(shè)置有膨脹腔，所述膨脹腔與所述貫通孔之間設(shè)置有導(dǎo)流孔。
優(yōu)選地，所述彈性密封機構(gòu)為橡膠密封環(huán)。
優(yōu)選地，所述彈性密封機構(gòu)的兩側(cè)設(shè)置有卡條，所述凹臺上設(shè)置有與所述卡條匹配的卡口。
優(yōu)選地，所述彈性密封機構(gòu)的橫截面為梯形。
優(yōu)選地，所述鉆桿的前端設(shè)置有鉆頭。
優(yōu)選地，所述鉆頭內(nèi)設(shè)置有輸液通道，所述輸液通道的進口端連接在所述貫通孔上，所述輸液通道的出口端延伸至欲壓裂的孔道內(nèi)壁。
本發(fā)明還提供了一種孔道壓裂方法，通過該方法，可以非常有效、方便的實現(xiàn)孔道的壓裂。
一種孔道壓裂方法，包括步驟：
s01、將鉆桿伸入欲壓裂的孔道內(nèi)直至達到規(guī)定位置；
s02、向貫通孔內(nèi)導(dǎo)入壓裂液，壓裂液流向欲壓裂的孔道內(nèi)部及膨脹腔，當膨脹腔內(nèi)的受壓超過設(shè)計壓力時彈性密封機構(gòu)徑向擴張，從而在欲壓裂的孔道內(nèi)形成密封將孔道內(nèi)外隔斷；
s03、將壓裂液繼續(xù)導(dǎo)入欲壓裂的孔道內(nèi)部加壓，孔道內(nèi)壁受壓產(chǎn)生裂紋；
s04、孔道內(nèi)部泄壓，膨脹腔內(nèi)的壓力減小，彈性密封機構(gòu)回縮從而解除密封狀態(tài)，將鉆桿從壓裂后的孔道中退出。
優(yōu)選地，在步驟s01前還包括步驟s010，將帶鉆頭的鉆桿旋進至巖體上鉆掘孔道。
優(yōu)選地，在步驟s010中，將外部冷卻液或/和潤滑液導(dǎo)入貫通孔，冷卻液或/和潤滑液從貫通孔經(jīng)輸液通道流向鉆掘的孔道內(nèi)。
優(yōu)選地，在步驟s010中，鉆頭旋進時在孔道進口段采用高轉(zhuǎn)速低進給方式鉆掘，從而形成光滑孔壁以強化步驟s02中的孔道密封。
優(yōu)選地，在步驟s010中，鉆頭旋進時在孔道內(nèi)部段采用低轉(zhuǎn)速高進給方式鉆掘，從而形成應(yīng)力集中的粗糙孔壁以強化步驟s03中裂紋的產(chǎn)生。
優(yōu)選地，在步驟s010中，鉆頭鉆掘的孔道直徑為30mm至60mm。
優(yōu)選地，在步驟s010中，鉆頭鉆掘的孔道深度為孔道直徑的5至10倍。
優(yōu)選地，在步驟s04中，壓裂液推脹孔道內(nèi)壁直至產(chǎn)生裂紋，當裂紋與巖體外部截斷面貫通時形成破巖，壓裂液從裂紋內(nèi)滲漏至外部從而孔道內(nèi)部泄壓。
優(yōu)選地，還包括步驟s05，將鉆桿從壓裂后的孔道中退出伸入下一個欲壓裂的孔道，其中，根據(jù)孔道壓裂程度在需壓裂的孔道之間保留部分孔道不進行壓裂。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的該孔道壓裂裝置在鉆桿軸心處設(shè)置有貫通孔用于傳導(dǎo)壓裂液，在鉆桿的外圓柱面設(shè)置的凹臺上設(shè)置彈性密封機構(gòu)，彈性密封機構(gòu)內(nèi)設(shè)置有與貫通孔相通的膨脹腔，壓裂過程中，壓裂液可以流入膨脹腔使彈性密封機構(gòu)向徑向擴張從而形成密封，能有效防止壓裂液從孔道內(nèi)部流出，從而能有效降低能耗。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明實施例1所公開的孔道壓裂裝置彈性密封機構(gòu)收縮時的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例1所公開的孔道壓裂裝置彈性密封機構(gòu)擴張時的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例2所公開的孔道壓裂裝置鉆孔時的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明實施例2所公開的孔道壓裂裝置彈性密封機構(gòu)擴張時的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明實施例3所公開的孔道壓裂方法進行孔道壓裂時壓裂孔布局結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。
基于本申請中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當屬于本申請保護的范圍。
實施例1：
參見圖1和圖2，圖1和圖2提供了本發(fā)明一種孔道壓裂裝置的具體實施例，其中，圖1為本發(fā)明實施例1所公開的孔道壓裂裝置彈性密封機構(gòu)收縮時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1所公開的孔道壓裂裝置彈性密封機構(gòu)擴張時的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1和圖2所示，本實施例公開了一種孔道壓裂裝置，可以用于隧道施工等工程作業(yè)中孔道的壓裂，該孔道壓裂裝置包括鉆桿1，貫通孔2，凹臺3，彈性密封機構(gòu)4，膨脹腔5與導(dǎo)流孔6。
本方案中，鉆桿1主要用于起支撐作用。
鉆桿1軸心處設(shè)置有貫通孔2，貫通孔2用于將外部壓裂液傳導(dǎo)至欲壓裂的孔道內(nèi)部。一般的，壓裂液為高壓水流，其中，壓裂液需提供的壓裂壓力由孔道間距、巖石強度、致密度等決定，孔道間距越小、巖石強度越高、致密度越高，需要壓裂壓力越高，最佳的參數(shù)匹配可通過實驗確定。本實施例通過實驗研究表面，油氣開采中水力壓裂最高可采用140mpa的壓力，破巖掘進壓裂可以選用壓力在250～600mpa左右。
鉆桿1的外圓柱面上設(shè)置有凹臺3，凹臺3用于給彈性密封機構(gòu)4的安裝提供空間。加壓壓裂時，鉆桿1需要承受的軸向反作用力f＝p*πd*d/4，p為壓裂水壓，單位mpa(兆帕)，d為成孔直徑，單位mm(毫米)，f為反作用力，單位n(牛頓)。其他的各零部件按最高壓裂水壓選型或校核強度。
凹臺3上設(shè)置有彈性密封機構(gòu)4，具體地，彈性密封機構(gòu)4可以優(yōu)選為橡膠密封環(huán)。
彈性密封機構(gòu)4靠近鉆桿1軸心的一面設(shè)置有膨脹腔5，膨脹腔5與貫通孔2之間設(shè)置有導(dǎo)流孔6。
彈性密封機構(gòu)4一般狀態(tài)下保持收縮，其徑向尺寸小于孔壁的徑向尺寸，此時孔道的內(nèi)外無法形成密封；當貫通孔2內(nèi)通入壓裂液，壓裂液通過導(dǎo)流孔6進入膨脹腔5，膨脹腔5受壓膨脹從而導(dǎo)致彈性密封機構(gòu)4向徑向方向擴張，當膨脹腔5內(nèi)的壓力達到一定程度時，彈性密封機構(gòu)4外壁壓緊在孔道的內(nèi)壁上，從而在孔道內(nèi)形成密封。具體的，孔道一般為圓孔，彈性密封機構(gòu)4一般為環(huán)狀體，彈性密封機構(gòu)4的厚度與徑向大小由實際工況選擇，但需保證彈性密封機構(gòu)4膨脹后的外壁厚不能小于鉆桿與孔壁之間的間隙寬度。
本實施例中，壓裂與鉆孔分別采用不同的工裝實現(xiàn)，即鉆孔沿用現(xiàn)有常規(guī)鉆機裝置，孔道成型后移走常規(guī)鉆機裝置，再將本實施例中帶有徑向密封的孔道壓裂裝置伸入孔道中，封閉孔道孔口并進行壓裂。
壓裂完成后，再將外部機械鏟斗等裝置移動到剛才的破巖工作面，利用鏟齒將碎石剝離巖體并收集到斗中，再轉(zhuǎn)移到外部輸送皮帶或小車上運出。
整體來說，本發(fā)明提供的該孔道壓裂裝置在鉆桿1軸心處設(shè)置有貫通孔2用于傳導(dǎo)壓裂液，在鉆桿1的外圓柱面設(shè)置的凹臺3上設(shè)置彈性密封機構(gòu)4，彈性密封機構(gòu)4內(nèi)設(shè)置有與貫通孔2相通的膨脹腔5，壓裂過程中，壓裂液可以流入膨脹腔5使彈性密封機構(gòu)4向徑向擴張從而形成密封，能有效防止壓裂液從孔道內(nèi)部流出，從而能有效降低能耗。
此外，本發(fā)明提供的該孔道壓裂裝置往往結(jié)構(gòu)小巧、設(shè)備簡單，不需占用大額空間且生產(chǎn)成本較低。
對于本孔道壓裂裝置而言，一般的，同樣巖石條件下，壓裂壓力越低，孔道壓裂裝置可靠性越高，鉆掘的孔道間距越大，破巖效率越高。同時，考慮到壓裂所需流量不大，應(yīng)在滿足高壓設(shè)備可靠性的前提下盡量選用高壓與大間距的組合。
此外，高壓壓裂流量還應(yīng)考慮彈性密封機構(gòu)4密封時的少量泄漏以及巖石中滲漏部分，其中巖石中滲漏部分與巖石本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，可通過實驗測定。
本實施例中，為進一步方便彈性密封機構(gòu)4的安裝與固定，彈性密封機構(gòu)4的兩側(cè)設(shè)置有卡條7，凹臺3上設(shè)置有與卡條7匹配的卡口8。使用時，卡條7嵌設(shè)在卡口8內(nèi)從而能有效保證彈性密封機構(gòu)4受壓擴張時與鉆桿1的穩(wěn)定連接。
本實施例中，為進一步減緩孔道內(nèi)壓裂液對彈性密封機構(gòu)4側(cè)壁的沖擊壓力，優(yōu)選地，彈性密封機構(gòu)4的橫截面為梯形。
實施例2：
參見圖3和圖4，圖3和圖4提供了本發(fā)明一種孔道壓裂裝置的另一種具體實施例，其中，圖3為本發(fā)明實施例2所公開的孔道壓裂裝置鉆孔時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例2所公開的孔道壓裂裝置彈性密封機構(gòu)擴張時的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖3和圖4所示，本實施例中，該孔道壓裂裝置的鉆桿1的前端設(shè)置有鉆頭9。通過鉆頭9的設(shè)置，本發(fā)明提供的孔道壓裂裝置既可以在巖體上開孔，又可以將開設(shè)的孔道進行壓裂。
上實施例提供的裝置實施時鉆進與密封壓裂動作是相區(qū)分開的，孔道鉆進是通過其他專門的鉆孔設(shè)備，鉆孔完成后，再將本發(fā)明提供的孔道壓裂裝置伸入孔道內(nèi)部進行裂孔操作，成本較高且費時費力。而本實施例提供的裝置則可以實現(xiàn)“鉆進-密封-壓裂”動作的連續(xù)進行。
本實施例中，孔道壓裂裝置的鉆桿1的前端直接設(shè)置有鉆頭9。鉆頭1鉆孔后，貫通孔2直接通液壓裂，實現(xiàn)“鉆進-密封-壓裂”的一體化作業(yè)，降低購買專業(yè)鉆孔設(shè)備和搬運設(shè)備的成本且省時省力。
本實施例提供的設(shè)備特別適用于隧道掘進，針對隧道掘進與油氣開采需求的不同，隧道掘進過程中，可以選擇小孔徑、淺孔深、多孔數(shù)的工作參數(shù)，而本實施例將鉆頭9直接安裝在孔道壓裂裝置的鉆桿1的前端，雖然鉆孔深度不如其他專業(yè)鉆孔設(shè)備，但在本實施例中，可以只鉆淺孔，鉆完之后鉆頭不需退出則即刻進行壓裂，可以滿足隧道掘進的需求，能進一步提高工作效率，降低總體能耗。
此外，利用破巖只需產(chǎn)生裂縫而不需保持裂縫張開的特點，取消了壓裂液中的保持劑，進一步提高了設(shè)備運行可靠性和壽命。
鉆孔過程中，可在鉆桿1上附加其他工具從而在孔壁上切割出徑向和軸向的v形切槽，從而形成應(yīng)力集中源使裂紋按預(yù)定位置和方向產(chǎn)生、擴展，如此，可以顯著提高后期壓裂效率，降低鉆孔數(shù)量，提高總體施工效率。
本實施例中，鉆頭9內(nèi)設(shè)置有輸液通道10，輸液通道10的進口端連接在貫通孔2上，輸液通道10的出口端延伸至欲壓裂的孔道內(nèi)壁。
采用內(nèi)含輸液通道10的鑿巖鉆頭9在巖體中鉆孔，此時可以通過貫通孔2至輸液通道10向鉆頭9輸送壓力較低的冷卻液或潤滑液，還可以通過上述管路輔助排渣。
一般的，孔道進口段采用高轉(zhuǎn)速低進給以形成光滑的孔壁，加強彈性密封機構(gòu)4與孔道孔壁的貼合緊密程度，強化密封效果；孔道內(nèi)部段采用低轉(zhuǎn)速高進給以形成粗糙的孔壁，便于應(yīng)力集中，更方便裂紋的產(chǎn)生。
本實施例中，可以采用低壓大流量泵和高壓小流量泵配合工作，鉆孔時以低壓大流量流體進行冷卻潤滑和沖渣，壓裂時以高壓小流量脹裂巖體，考慮到致密硬巖的滲透率較小以及水的可壓縮性較低，可以優(yōu)先采用增壓器形式的高壓泵。
通過本發(fā)明，可以實現(xiàn)非爆破方式在致密硬巖底層掘進，鉆孔-壓裂-出渣實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，提高破巖效率，同時降低地層擾動，確保施工安全，降低粉塵和毒煙釋放，避免環(huán)境污染，特別適合人口密集地區(qū)地下工程，尤其是非圓斷面巷道的施工。
實施例3：
本發(fā)明還提供了一種孔道壓裂方法，通過該方法，可以非常有效、方便的實現(xiàn)孔道的壓裂。
一種孔道壓裂方法，包括步驟：
s01、將鉆桿1伸入欲壓裂的孔道內(nèi)直至達到規(guī)定位置；
s02、向貫通孔2內(nèi)導(dǎo)入壓裂液，壓裂液流向欲壓裂的孔道內(nèi)部及膨脹腔5，當膨脹腔5內(nèi)的受壓超過設(shè)計壓力時彈性密封機構(gòu)4徑向擴張，從而在欲壓裂的孔道內(nèi)形成密封將孔道內(nèi)外隔斷；
s03、將壓裂液繼續(xù)導(dǎo)入欲壓裂的孔道內(nèi)部加壓，孔道內(nèi)壁受壓產(chǎn)生裂紋；
s04、孔道內(nèi)部泄壓，膨脹腔5內(nèi)的壓力減小，彈性密封機構(gòu)4回縮從而解除密封狀態(tài)，將鉆桿1從壓裂后的孔道中退出。
本實施例中，為提高孔道壓裂的速度，優(yōu)選地，在步驟s01前還包括步驟s010，通過鉆頭9旋進在巖體上鉆掘孔道。如此，可以在鉆頭9鉆孔后直接充入壓裂液進行孔道壓裂，而不再需用采用常規(guī)的專門鉆孔裝置。
本實施例中，為方便鉆頭9鉆孔時的冷卻與潤滑，優(yōu)選地，在步驟s010中，將外部冷卻液或/和潤滑液導(dǎo)入貫通孔，冷卻液或/和潤滑液從貫通孔經(jīng)輸液通道流向鉆掘的孔道內(nèi)。
本實施例中，為進一步優(yōu)化彈性密封機構(gòu)4對孔道的密封效果，優(yōu)選地，在步驟s010中，鉆頭旋進時在孔道進口段采用高轉(zhuǎn)速低進給方式鉆掘，從而形成光滑孔壁以強化步驟s02中的孔道密封。
本實施例中，為進一步使裂紋的產(chǎn)生更容易、更深，優(yōu)選地，在步驟s010中，鉆頭9旋進時在孔道內(nèi)部段采用低轉(zhuǎn)速高進給方式鉆掘，從而形成應(yīng)力集中的粗糙孔壁以強化步驟s03中裂紋的產(chǎn)生。
本實施例中，為進一步加強孔道的壓裂效果，優(yōu)選地，在步驟s010中，鉆頭9鉆掘的孔道直徑為30mm至60mm。優(yōu)選地，在步驟s010中，鉆頭鉆掘的孔道深度為孔道直徑的5至10倍。
本實施例中，為確保孔道內(nèi)部泄壓時間的準確性，優(yōu)選地，在步驟s04中，壓裂液推脹孔道內(nèi)壁直至產(chǎn)生裂紋，當裂紋與巖體外部截斷面貫通時形成破巖，壓裂液從裂紋內(nèi)滲漏至外部從而孔道內(nèi)部泄壓。
本實施例中，為提高工作效率，優(yōu)選地，還包括步驟s05，將鉆桿1從壓裂后的孔道中退出伸入下一個欲壓裂的孔道，其中，根據(jù)孔道壓裂程度在需壓裂的孔道之間保留部分孔道不進行壓裂。
圖5為本發(fā)明實施例3所公開的孔道壓裂方法進行孔道壓裂時壓裂孔布局結(jié)構(gòu)示意圖。壓裂孔布局表明，孔道壓裂時，可以相間隔布置壓裂孔，也就是說，每兩個壓裂孔之間留一個孔道不需進行壓裂，但是設(shè)計壓裂孔壓裂時的壓力，仍然可以使裂紋延伸至未壓裂的孔道。圖5中，帶輻射線的孔表示壓裂孔a，輻射線表示裂紋。未帶輻射線的孔表示不需壓裂的孔道b。
具體的，可采用多個鉆頭同時鉆孔，其中部分孔不進行壓裂，而是作為周邊其他壓裂孔的自由面，提高掘進效率。在圍壓較高的地層中，巖體中裂紋難以產(chǎn)生和擴展，該方式可有效提高壓裂效率。
以上對本發(fā)明所提供的一種孔道壓裂裝置及方法進行了詳細介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。