CN110344805B - 一种井下钻孔定向压裂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下钻孔定向压裂装置及方法；装置包括多节首尾相连的套管、压裂管，套管上安装有定向压裂控制装置，该定向压裂控制装置包括设置在套管上角度可调的螺孔、与该螺孔配合的单向破坏型锥形螺丝；套管通过可控行程的螺纹连接组件或法兰连接组件连接，且套管上设有周向上与定向压裂控制装置位置对应的对准刻线，确保了对准刻线与定向压力装置始终对齐。方法主要为在巷道中钻孔后，将套管送入钻孔，并对套管和钻孔之间的环形空间进行注浆密封，在套管中送入装有前后两个封隔器的压裂管，带压流体自压裂管进入套管后，压力达到定向压裂控制装置的最大承受压力，冲出套管压裂煤岩体。本发明压裂方向可控，且能够实现多种定向扩展形式。

Description

一种井下钻孔定向压裂装置及方法

技术领域

本发明涉及一种井下钻孔定向压裂装置及方法，属于矿井岩层压力技术领域。

背景技术

我国煤层地质赋存条件复杂多变，因瓦斯或以瓦斯为诱导因素而发生的煤岩动力灾害事故，使我国煤炭安全绿色开采面临严重挑战。为了解决该问题，国内外专家提出了对矿井含瓦斯煤层及其顶底板进行卸压增透抽采。

针对高瓦斯矿井煤层卸压抽采，业内已有多种水力化措施，包括：水力冲孔、水力割缝、水力造穴和水力压裂等。其中水力压裂因其卸压范围大、工程实施简单、瓦斯抽采效率显著提高等优势而应用广泛。但是目前煤矿井下水力压裂方式多为“粗犷”式的压裂，现场施工方式多为“打钻-送管-封孔-压裂”的全孔段、无方向压裂形式，因此在水力压裂裂纹扩展方向、空间走向很难做到定向控制，裂纹无法发育至指定的区域，可能造成需要压裂的区域水压裂缝扩展不到，而不需要压裂的区域水压裂缝发育，从而导致煤岩层水力压裂效果差，不能对瓦斯动力灾害进行有效防治；并且压裂钻孔工程量大，压裂经济效益差，压裂后瓦斯抽采效率提高不明显。

发明人为了解决上述问题，于2018年提出了申请号为CN201810485584.4的发明专利，公开了一种煤矿井下煤层长钻孔分段压裂增透与抽采瓦斯方法，主要原理为将刚性套管置入钻孔，刚性套管上设有单向阀，与煤矿用压裂泵站连接的刚性刚性压裂管送入刚性套管内，注入高压流体，高压流体进入刚性套管与刚性压裂管之间的空间内，达到单向阀的开启压力后，冲出刚性套管，从而对煤层进行压裂。但在实际操作中，仍然存在以下问题：由于钻孔较长，可达百米甚至千米，多节刚性压裂管连接后，首节上的压力阀方向容易出现偏差，而刚性压裂管送入刚性套管内，不可调节，且压力阀位置也无法观察，致使定压压裂的方向不可控；不仅如此，单向阀安装占据较大空间，难以在狭小的钻孔中改变方向，因此只能实现长钻孔分段压裂，不能根据岩层的原岩应力及瓦斯分布实现线形定向扩展、扇形定向扩展、十字形定向扩展等定向压裂，从而使的压力效果达不到理想状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下钻孔定向压裂装置及方法，能够实现煤岩体水力压裂裂缝的扇形定向扩展、线形定向扩展、十字形定向扩展等多种定向扩展形式，使水压裂缝向特定区域定向发展。

为实现上述目的，本发明采用的一种井下钻孔定向压裂装置，包括多节首尾相连的套管、多首尾相连的压裂管，首段套管首端封闭，首段压裂管的首端封闭、尾端与煤矿用压裂泵站连接，其中与待压裂区位置对应的套管上设有定向压裂控制装置，其中一段压裂管上设有出水孔，压裂管上的出水孔前后位置套装有封隔器；

所述套管单根长度为1～3m，每两个套管之间通过定向连接组件连接，套管每隔6～8根加设套管扶正器；所述定向连接组件为可控行程的螺纹连接组件或法兰连接组件；

所述可控行程的螺纹连接组件包括分别设置在两节套管连接端的内装配螺纹段、外装配螺纹段，内装配螺纹段及外装配螺纹段的螺纹装配长度、螺纹收尾、退刀槽长度误差小于0.3mm，螺距累计误差小于0.2mm，螺纹进刀角度误差范围控制在±1度；

所述法兰连接组件包括分别设置在两节套管连接端的两个法兰，法兰上的螺栓孔为围绕法兰中心旋转的环形腰型孔，法兰之间设有密封垫片，法兰连接组件还包括与环形腰型孔配合的锁死插片；

装配后的套管外表面均设有周向上与定向压裂控制装置位置对应的对准刻线；

所述定向压裂控制装置包括设置在所述套管上角度可调的螺孔、与该螺孔配合的单向破坏型锥形螺丝，单向破坏型锥形螺丝由套管外部安装在螺孔上，从而确保单向破坏型锥形螺丝只能向套管外破坏打开，而不会受到压力后，向套管内破坏打开。

进一步的，所述可控行程的螺纹连接组件中，外装配螺纹段外径小于套管直径，与外装配螺纹段连接的套管与外装配螺纹段相接处设有O型密封圈；与所述内装配螺纹段位置对应的套管外径增大形成保护环套，该保护环套的自由端头中部下凹形成与O型密封圈配合以放置该O型密封圈的环形内台阶。

进一步的，所述单向破坏型锥形螺丝的直径小于所述螺孔直径；单向破坏型锥形螺丝外部均匀涂抹水溶性白乳胶，安装在螺孔内。

优选的，所述单向破坏型锥形螺丝的直径为所述螺孔直径的0.8-1倍。

进一步的，所述单向破坏型锥形螺丝与所述螺孔尺寸匹配，所述螺孔经过打磨，使螺纹连接的强度按照所需要的强度失效，失效压力控制在5～15MPa。

优选的，所述单向破坏型锥形螺丝与螺孔配合处安装有密封垫。

优选的，所述套管外径为85～140mm、厚度为10～20mm。

优选的，所述封隔器与所述压裂管过紧配合。

本发明还提出了一种井下钻孔定向压裂装置的方法，包括如下步骤：

S1.根据压裂目标区域范围，在煤矿井下选择合适的巷道，在巷道中布置钻场，钻孔施工完成后，将钻孔冲洗干净；

S2.根据煤矿现场实际需要，确定套管采用水压裂缝的扩展形式，利用套管间的定向连接组件依此连接并密封，其中将设有定向压裂控制装置的套管连接在与待压裂区对应的位置上，定向压裂控制装置上的螺孔分布、角度及失效压力根据水压裂缝的扩展形式提前定制；

使定向压裂控制装置及套管上的对准刻线保持在同一直线上；每隔6～8根套管，在套管外壁布置扶正器；直接采用钻机将连接后的套管逐次送入压裂钻孔；套管全部下入钻孔后，对套管和钻孔之间的环形空间进行注浆密封固定；

S3.带有定向压裂控制装置的套管施工完毕后，依此连接压裂管，封隔器的外径应与压裂管外径保持一致或小于压裂管外径2～5mm，两个封隔器之间的长度可通过接入压裂管的数量进行调节，用钻机将压裂管和封隔器送入套管中；

S4.带有双封隔器的压裂管送到覆盖定向压裂控制装置的位置后开始进行压裂作业，持续增加压裂流体压力，流体压力会使封隔器膨胀并封闭套管与压裂管之间的环形空间，从而在两个封隔器之间形成密封腔体；双封隔器间密封腔体内的流体压力持续升高，当流体压力大于套管上的单向破坏型锥形螺丝的失效压力时，单向破坏型锥形螺丝受到破坏，套管上的定向压裂控制装置开启，高压流体在螺孔的引导下，裂缝不断向压裂区域的定向扩展，实现定向煤岩层定向压裂；

S5.结束压裂工作后，关闭泵站，将压裂管和封隔器退出套管并进行排水工作，将套管连接至瓦斯抽采***，对压裂区域进行瓦斯抽采。

与现有装置和技术对比，本发明的有益效果为：

本发明中的钻孔位置、套管外壁的定向压裂控制装置的数量、开启角度预先根据煤岩层地质条件、厚度和硬度，煤岩层瓦斯压力和应力，采掘影响，煤岩压裂区域范围等影响因素预先进行设计并布置，避免了盲目压裂。与传统的“粗犷式”压裂作业对比，大大的提高了压裂精准性、指向性和压裂效率。

本发明中的定向压裂控制装置中的单向破坏型锥形螺丝只能向套管外破坏打开，单向破坏型锥形螺丝不能向套管内破坏打开，从而确保了在对套管和钻孔间环形空间注浆密封时不会向内打开螺丝，防止浆液进入套管；定向压裂控制装置还具有可调节性；螺孔的角度及位置可以方便地调节，从而实现扇形定向、线性定向、十字形定向等多种扩展形式。从而针对煤层、顶底板岩层、冲击地压防治、煤与瓦斯突出防治、煤层瓦斯抽采等不同背景和需求，设计不同的水压裂缝定向扩展形式，适用范围广。

本发明中的套管的定向连接组件具有可选择性，提高了本专利的适用范围。两种连接组件均可保证密封良好并使对准刻线始终与定向压裂控制装置始终保持在同一直线上，使用者可以根据对准刻线从尾端观察到定向压裂控制装置的位置，从而能够保障定向压裂控制装置的位置可控，为定向引导裂缝发展提供有力保障。

本发明中的套管外侧布置有扶正器，旨在保证向钻孔内下入套管的整个过程中套管始终保持在钻孔中的中心线位置，避免在下入套管产生偏孔现象，同时也能避免套管下入过程中损伤套管外壁上的定向压裂控制装置，从而导致定向压裂失效。

本发明中的压裂流体可以是液体(比如水)；也可以是气体(比如CO₂)，也可以是水气混合物，适用于煤岩体水力压裂、CO₂压裂、液氮压裂、水气混合压裂等多种压裂方法。

综上，本发明提出的一种井下钻孔定向压裂装置及方法，能够控制高压流体射流方向，引导水压裂缝向指定区域定向扩展，压裂的煤岩层中可实现特定区域的定向扇形裂缝扩展、定向线形裂缝扩展、定向十字形裂缝扩展或其它定向裂纹扩展形态。本发明能够实现区域煤岩体精准定向，均匀压裂卸压、增透、消突，极大提高煤岩层的透气性，增加瓦斯抽采效率，有效防治瓦斯动力灾害，减少煤矿井下巷道和钻孔工程量，对煤矿安全高效生产和瓦斯资源高效利用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中煤层底板钻孔扇形定向压裂剖面示意图；

图2是本发明的另一个实施例中煤层钻孔线性定向压裂平面示意图；

图3是法兰连接组件的侧面结构示意图；

图4是图3中的法兰正面示意图；

图5是可控行程的螺纹连接组件中外装配螺纹段的侧面结构示意图；

图6是图5的正面结构示意图；

图7是可控行程的螺纹连接组件中内装配螺纹段的侧面结构示意图；

图8是本发明一个实施例中，套管连接后的局部结构示意图；

图9是本发明的一个实施例中，水溶性胶型单向破坏型锥形螺丝的示意图；

图10是本发明的另一个实施例中，机械型单向破坏型锥形螺丝的示意图；

图中：1-钻孔，2-套管，3-压裂管，4-封隔器，5-出水孔，6-定向压裂控制装置，7-法兰连接组件，8-扶正器，9-水泥环，10-定向连接组件，11-砂岩，12-砂质泥岩，13-泥岩，14-煤层，15-主裂缝，16-次生裂缝，17-压裂目标区，19-法兰，20-环形腰型孔，21-连接螺栓，22-锁死插片，23-对准刻线，24-外装配螺纹段，25-内装配螺纹段，26-O型密封圈，27-外螺纹入刀角α，28-环形内台阶，29-螺纹终止线，30-水溶性胶型单向破坏型锥形螺丝，31-水溶性白乳胶，32-机械型单向破坏型锥形螺丝，33-打磨面，34-保护环套，35密封垫。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提出的一种井下钻孔定向压裂装置，如图1及图2所示，包括多节首尾相连的套管2、多首尾相连的压裂管3，其中位于首段的套管2首端封闭，位于首段的压裂管3的首端封闭、尾端与煤矿用压裂泵站连接，与待压裂区位置对应的套管2上设有定向压裂控制装置6，其中一段压裂管3上设有出水孔5，压裂管3上的出水孔5前后位置套装有封隔器4；封隔器4遇水可膨胀，封隔器4与压裂管3过紧配合，可以保证封隔器4具有良好的阻水性能；装配后的套管2外表面均设有周向上与定向压裂控制装置6位置对应的对准刻线23，如图8所示。

为了保证套管2的装配精度，套管2单根长度为1～3m，优选的，套管2外径为85～140mm、厚度为10～20mm；每两个套管2之间通过定向连接组件10连接，套管2每隔6～8根加设扶正器8；定向连接组件10为可控行程的螺纹连接组件或法兰连接组件7。

如图5至图8给出的实施例中，可控行程的螺纹连接组件包括分别设置在两节套管2连接端的内装配螺纹段25、外装配螺纹段24，内装配螺纹段25及外装配螺纹段24的螺纹装配长度、螺纹收尾、退刀槽长度误差小于0.3mm，螺距累计误差小于0.2mm，螺纹进刀角度误差范围控制在±1度。

进行外内螺纹高精度加工时均以对准刻线23为基准，车床入刀时外螺纹入刀角α27为30°，内螺纹入刀角β为60°，保证外内螺纹加工至螺纹终止线29后的螺纹长度一致，确保每组外内螺纹的旋合长度相等，最终使每组螺纹加工完成，套管2连接拧紧后对准刻线23在同一直线上对齐，实现螺纹连接密封后，单向破坏型锥形螺丝按要求排列在同一直线上。

如图3及图4给出的另一个实施例中，法兰连接组件7包括分别设置在两节套管2连接端的两个法兰19，法兰19上的螺栓孔为围绕法兰19中心旋转的环形腰型孔20，法兰19之间设有密封垫片，法兰连接组件7还包括与环形腰型孔20配合的锁死插片22。连接两节套管2时，先手动调节两节套管2角度，使两节套管2的对准刻线23对齐后，在环形腰型孔20中***锁死插片22，对两节套管2暂时定位，防止其转动；该插片可以采用弧形的且较薄的金属材质，不干扰连接螺栓21***环形腰型孔20；随后在环形腰型孔20***连接螺栓21并上紧即可。

通过上述两种方式，保证了对准刻线23与定向压裂装置位于同一直线上，使用者对定向压力额控制装置的角度可控。

定向压裂控制装置6包括设置在套管2上角度可调的螺孔、与该螺孔配合的单向破坏型锥形螺丝。螺孔的数量和角度均可以根据需要调节设置，当单向破坏型锥形螺丝被高压流体冲开后，高压流体通过螺孔向外射出，对待压裂的煤体或岩体进行破坏压裂。

由于对外装配螺纹段24及内装配螺纹段25的螺纹精度要求较高，为了避免螺纹经常使用而磨损，进而造成精度降低，误差增大，进一步的，如图5及图6所示，可控行程的螺纹连接组件中，外装配螺纹段24外径小于套管2直径，与外装配螺纹段24连接的套管2与外装配螺纹段24相接处设有O型密封圈26；如图7所示，与内装配螺纹段25位置对应的套管2外径增大形成保护环套34，该保护环套34的自由端头中部下凹形成与O型密封圈26配合以放置该O型密封圈26的环形内台阶28。当两者配合拧紧时，O型密封圈26落入环形内台阶28中，能够保证具有良好的封闭性能；且保护环套34也可以对外装配螺纹段24及内装配螺纹段25起到一定的保护作用。

根据本发明的一个实施例，如图9所示，单向破坏型锥形螺丝采用水溶性胶型单向破坏型锥形螺丝30，单向破坏型锥形螺丝实质上为直径小于螺孔直径的普通螺丝，最好是螺丝直径级别小于螺孔一个级别，螺丝直径控制在螺孔直径的0.8-1倍之间，如：螺孔为M3.0，选择的螺丝应为M2.6；单向破坏型锥形螺丝外部均匀涂抹水溶性白乳胶31，安装在螺孔内。实际操作安装中，应该在单向破坏型锥形螺丝外层均匀涂抹白乳胶，并迅速拧如螺孔中，凝固后水溶性白乳胶31充填至螺丝与螺丝孔的间隙中。压裂工作开始后，在高压水的作用下水溶性白乳胶31逐渐分解，导致螺丝与螺孔不能正常匹配而脱落，水流从孔中射出，该水溶性胶型单向破坏型锥形螺丝30的脱落压力通常小于6Mpa。

根据本发明的另一个实施例，如图10所示，单向破坏型锥形螺丝采用机械型单向破坏型锥形螺丝32，这里单向破坏型锥形螺丝实质上为与螺孔尺寸匹配的普通螺丝，但是螺孔经过打磨，形成打磨面33，打磨时由螺丝孔深处向浅处打磨，使螺纹连接的强度按照所需要的强度失效。压裂工作开始后，当高压流体压力大于机械型单向破坏型锥形螺丝32破坏压力(即有效螺纹连接抗压强度)时，螺丝脱落，水流从孔中射出，该装置的破坏压力可根据需要调整，一般为5～15MPa。

在上述实施例中，机械型单向破坏型锥形螺丝32及水溶性胶型单向破坏型锥形螺丝30与螺孔配合处安装有密封垫35，即如图9及图10中所示，单向破坏型锥形螺丝先套上密封垫35，然后装入螺孔中拧紧，以增加套管2的密封性，防止未到单向破坏型锥形螺丝的破坏强度时，高压流体漏出。

本发明还提出了一种井下钻孔定向压裂装置的方法，包括如下步骤：

S1.根据压裂目标区17域范围，在煤矿井下选择合适的巷道，在巷道中布置钻场，钻孔1施工完成后，将钻孔1冲洗干净；

S2.根据煤矿现场实际需要，确定套管2采用水压裂缝的扩展形式，利用套管2间的定向连接组件10依此连接并密封，其中将设有定向压裂控制装置6的套管2连接在与待压裂区对应的位置上，定向压裂控制装置6上的螺孔分布、角度及失效压力根据水压裂缝的扩展形式提前定制；

使定向压裂控制装置6及套管2上的对准刻线23保持在同一直线上；每隔6～8根套管2，在套管2外壁布置扶正器8；直接采用钻机将连接后的套管2逐次送入压裂钻孔1；套管2全部下入钻孔1后，对套管2和钻孔1之间的环形空间进行注浆密封固定；

S3.带有定向压裂控制装置6的套管2施工完毕后，依此连接压裂管3，封隔器4的外径应与压裂管3外径保持一致或小于压裂管3外径2～5mm，两个封隔器4之间的长度可通过接入压裂管3的数量进行调节，用钻机将压裂管3和封隔器4送入套管2中；

S4.带有双封隔器4的压裂管3送到覆盖定向压裂控制装置6的位置后开始进行压裂作业，持续增加压裂流体压力，流体压力会使封隔器4膨胀并封闭套管2与压裂管3之间的环形空间，从而在两个封隔器4之间形成密封腔体；双封隔器4间密封腔体内的流体压力持续升高，当流体压力大于套管2上的单向破坏型锥形螺丝的失效压力时，单向破坏型锥形螺丝受到破坏，套管2上的定向压裂控制装置6开启，高压流体在螺孔的引导下，裂缝不断向压裂区域的定向扩展，实现定向煤岩层定向压裂；

S5.结束压裂工作后，关闭泵站，将压裂管3和封隔器4退出套管2并进行排水工作，将套管2连接至瓦斯抽采***，对压裂区域进行瓦斯抽采。

与现有装置和技术对比，本发明的有益效果为：

本发明中的钻孔1位置、套管2外壁的定向压裂控制装置6的数量、开启角度预先根据煤岩层地质条件、厚度和硬度，煤岩层瓦斯压力和应力，采掘影响，煤岩压裂区域范围等影响因素预先进行设计并布置，避免了盲目压裂。与传统的“粗犷式”压裂作业对比，大大的提高了压裂精准性、指向性和压裂效率。

本发明中的定向压裂控制装置6具有可调节性；螺孔的角度及位置可以方便地调节，从而实现扇形定向、线性定向、十字形定向等多种扩展形式。从而针对煤层14、顶底板岩层、冲击地压防治、煤与瓦斯突出防治、煤层14瓦斯抽采等不同背景和需求，设计不同的水压裂缝定向扩展形式，适用范围广。

本发明中的套管2的定向连接组件10具有可选择性，提高了本专利的适用范围。两种连接组件均可保证密封良好并使对准刻线23始终与定向压裂控制装置6始终保持在同一直线上，使用者可以根据对准刻线23从尾端观察到定向压裂控制装置6的位置，从而能搞保障定向压裂控制装置6的位置可控，为定向引导裂缝发展提供有力保障。

本发明中的套管2外侧布置有扶正器8，旨在保证向钻孔1内下入套管2的整个过程中套管2始终保持在钻孔1中的中心线位置，避免在下入套管2产生偏孔现象，同时也能避免套管2下入过程中损伤套管2外壁上的定向压裂控制装置6，从而导致定向压裂失效。

本发明中的压裂流体可以是液体(比如水)；也可以是气体(比如CO₂)，也可以是水气混合物，适用于煤岩体水力压裂、CO₂压裂、液氮压裂、水气混合压裂等多种压裂方法。

综上，本发明提出的一种井下钻孔1定向压裂装置及方法，能够控制高压流体射流方向，引导水压裂缝向指定区域定向扩展，压裂的煤岩层中可实现特定区域的定向扇形裂缝扩展、定向线形裂缝扩展、定向十字形裂缝扩展或其它定向裂纹扩展形态。本发明能够实现区域煤岩体精准定向，均匀压裂卸压、增透、消突，极大提高煤岩层的透气性，增加瓦斯抽采效率，有效防治瓦斯动力灾害，减少煤矿井下巷道和钻孔1工程量，对煤矿安全高效生产和瓦斯资源高效利用具有重要意义。

以下结合两个实施例对本发明的工作原理再次详细说明。

定向压裂实施例一：

如图1所示，煤矿井下进行煤层14底板钻孔1扇形定向压裂时，首先根据煤层14瓦斯含量、瓦斯压力、地应力和采动影响等，确定压裂目标区17。根据压裂目标区17选择距离目标区域较近的合适的巷道，并在巷邦施工压裂钻场，将千米钻机、钻杆、套管2、压裂管3放置在工作区域附近，完成压裂施工前的准备工作。

此实施例压裂目标是通过底板压裂对目标区域进行卸压抽采，因此要求压裂裂缝可以发展至目标区域，同时呈扇形分布贯穿整个压裂目标区17域。因此确定本次施工为扇形定向压裂，确定压裂目标区17域距离预定出水孔5上方。根据扇形压裂施工的需要，在套管2外壁布置3个机械型单向破坏型锥形螺丝32，机械型单向破坏型锥形螺丝32的开启压力设置为10Mpa，两个外侧机械型单向破坏型锥形螺丝32的角度分别布置为60°和120°，该角度为与套管2延伸方向所成的角度，中间的单向阀布置角度为90°，保证裂缝扇形区域涵盖目标压裂区。

操作千米钻机，穿过煤层14底板向煤层14方向施工穿层钻孔1，钻孔1长度300m，钻孔1孔径为120mm，钻孔1施工完毕后将钻头和钻杆一并退出，并用高压水清洗孔壁。套管2外径为95mm内径85mm采用2m一段，套管2外壁每6根安装有一扶正器8，用于保证套管2在钻孔1中不出现偏孔现象。将套管2用法兰19和密封圈连接，连接方式如图3所示，先将一组法兰19相互旋转对齐直至两个法兰盘上的对准刻线23在同一直线上，然后在环形腰型孔20中***锁死插片22使法兰19锁死，保证连接的两段套管2不会在拧紧连接螺栓21和送管的过程中偏移转动，再将连接螺栓21***环形腰型孔20并拧紧，始终保持机械型单向破坏型锥形螺丝32在同一直线上；然后分段将套管2送入钻孔1中。压裂管3外径75mm内径65mm采用1.5m一根，用高可控行程的螺纹连接组件份方式保证密封；封隔器4膨胀前的外径为78mm，前后端有可以连接于压裂管3的外内螺纹；用千米钻机通过夹持器夹持压裂管3和连接于压裂管3的封隔器4，分段送入套管2。压裂管3全部下入钻孔1后，对套管2和钻孔1之间的环形空间进行注浆密封固定最终形成水泥环9。

注浆工作完成后，对钻孔1进行封孔并开始压裂工作；打开水泵，高压水进入压裂管3，当水压达到5Mpa时，封隔器4膨胀密封；高压水从出水孔5进入压裂管3与套管2的小腔体，当水压达到10Mpa时，机械型单向破坏型锥形螺丝32破坏，定向压裂控制装置6开启，高压水射出并在岩层和煤层14中沿预定角度制造主裂缝15，主裂缝15和次生裂缝16沿高压水出水方向不断发育，穿过砂岩11、砂质泥岩12和泥岩13最终发育至煤层14内的压裂目标区17域，对压裂目标区17域进行卸压增透。

完成压裂工作后，用千米钻机取出压裂管3和封隔器4，并进行卸压排水工作，套管2可以继续留在孔中并连接至瓦斯抽采***以完成后续的瓦斯抽采工作。

定向压裂实施例二：

如图2所示，煤矿井下进行煤层14钻孔1线性定向压裂时，首先根据煤层14瓦斯含量、瓦斯压力、地应力和采动影响等，确定压裂目标区17。然后根据压裂目标区17选择距离目标区域最近的底抽巷或掘进钻场来布置工作台，将坑道钻机、钻杆、套管2、压裂管3放置在工作区域附近，完成压裂施工前的准备工作。

此实施例压裂目标是对煤层14进行线形定向压裂卸压增透，因此要求裂缝尽可能的沿煤层14发展。因此确定本次施工选择十字定向压裂。根据十字定向压裂施工的需要，在套管2外壁两侧分别布置4个水溶性胶型单向破坏型锥形螺丝30，水溶性胶型单向破坏型锥形螺丝30的破坏压力为8Mpa，8个单向破坏型锥形螺丝布置时均垂直于套管2延伸方向，保证压裂裂缝呈十字形发展为煤层14卸压增透。

如图5至图7所示，本次套管2的连接方式选用可控行程的螺纹连接组件的方式，在进行外内螺纹高精度加工时均以对准刻线23为基准，车床入刀时外螺纹入刀角α27为30°，内螺纹入刀角β28为60°，加工时外内螺纹的装配长度、螺纹收尾、退刀槽长度误差小于0.3mm，螺距累计误差小于0.2mm，螺纹进刀角度误差范围控制在±1度，保证外内螺纹加工至螺纹终止线29后的螺纹长度一致，确保每组外内螺纹的旋合长度相等，最终使每组螺纹加工完成，套管2连接拧紧后对准刻线23在同一直线上对齐，实现螺纹连接密封后，单向破坏型锥形螺丝按要求排列在同一直线上。

操作坑道钻机，向煤层14内施工顺层钻孔1，钻孔1长度600m，钻孔1孔径为145mm，钻孔1施工完毕后将钻头和钻杆一并退出，并用高压水清洗孔壁。套管2外径为115mm内径为105mm采用2m一段，每段前后端各有外内螺纹，可相互连接；套管2外壁每根安装有一扶正器88，用于保证套管2在钻孔1中不出现偏孔现象。套管2采用高精度螺纹连接并配用压裂套管2用O型圈进一步密封，可以使单向破坏型锥形螺丝在同一直线上；然后分段将套管2送入钻孔1中。压裂管3外径95mm内径为85mm采用1.5m一根，其前后两端各有外内螺纹，可以拧死，保证密封；封隔器4膨胀前的外径为98mm，前后端有可以连接于压裂管3的外内螺纹；用坑道钻机通过夹持器夹持压裂管3和连接于压裂管3的封隔器4，分段送入套管2。压裂管3全部下入钻孔1后，对套管2和钻孔1之间的环形空间进行注浆密封固定最终形成水泥环9。

注浆工作完成后，开始压裂工作；打开水泵，高压水进入压裂管3，当水压达到5Mpa时，封隔器4膨胀密封，高压水从出水孔5进入压裂管3与套管2的间隙腔体中，当水压达到8Mpa时，单向破坏型锥形螺丝脱落射流，高压水射出并在煤层14中沿预定角度制造主裂缝15，主裂缝15和次生裂缝16高压水出水方向不断发育，最终以十字形压裂煤层14，达到理想的煤层14压裂效果。

完成压裂工作后，用坑道钻机取出压裂管3和封隔器4，并进行卸压排水工作，套管2可以继续留在孔中并连接至瓦斯抽采***以完成后续的瓦斯抽采工作。

以上说明仅为本发明的示范性实例，在不同的施工现场进行施工时，相关的从业人员可以也有能力在不偏离本发明的精神和范围的情况下根据现场实际情况和施工需要对施工案例进行修正和润饰，以上案例为说明性，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种井下钻孔定向压裂装置，包括多节首尾相连的套管、多首尾相连的压裂管，首段套管首端封闭，首段压裂管的首端封闭、尾端与煤矿用压裂泵站连接，其中与待压裂区位置对应的套管上设有定向压裂控制装置，其中一段压裂管上设有出水孔，压裂管上的出水孔前后位置套装有封隔器；其特征在于：

所述套管单根长度为1～3m，每两个套管之间通过定向连接组件连接，套管每隔6～8根加设套管扶正器；所述定向连接组件为可控行程的螺纹连接组件或法兰连接组件；

所述可控行程的螺纹连接组件包括分别设置在两节套管连接端的内装配螺纹段、外装配螺纹段，内装配螺纹段及外装配螺纹段的螺纹装配长度、螺纹收尾、退刀槽长度误差小于0.3mm，螺距累计误差小于0.2mm，螺纹进刀角度误差范围控制在±1度；

所述可控行程的螺纹连接组件中，外装配螺纹段外径小于套管直径，与外装配螺纹段连接的套管与外装配螺纹段相接处设有O型密封圈；与所述内装配螺纹段位置对应的套管外径增大形成保护环套，该保护环套的自由端头中部下凹形成与O型密封圈配合以放置该O型密封圈的环形内台阶；

所述法兰连接组件包括分别设置在两节套管连接端的两个法兰，法兰上的螺栓孔为围绕法兰中心旋转的环形腰型孔，法兰之间设有密封垫片，法兰连接组件还包括与环形腰型孔配合的锁死插片；

装配后的套管外表面均设有周向上与定向压裂控制装置位置对应的对准刻线；

所述定向压裂控制装置包括设置在所述套管上角度可调的螺孔、与该螺孔配合的单向破坏型锥形螺丝，单向破坏型锥形螺丝由套管外部安装在螺孔上；

所述单向破坏型锥形螺丝的直径小于所述螺孔直径；单向破坏型锥形螺丝外部均匀涂抹水溶性白乳胶，安装在螺孔内。

2.根据权利要求1所述的一种井下钻孔定向压裂装置，其特征在于：所述单向破坏型锥形螺丝的直径为所述螺孔直径的0.8-1倍。

3.根据权利要求1所述的一种井下钻孔定向压裂装置，其特征在于：所述单向破坏型锥形螺丝与所述螺孔尺寸匹配，所述螺孔经过打磨，使螺纹连接的强度按照所需要的强度失效，失效压力控制在5～15MPa。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种井下钻孔定向压裂装置，其特征在于：所述单向破坏型锥形螺丝与螺孔配合处安装有密封垫。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种井下钻孔定向压裂装置，其特征在于：所述套管外径为85～140mm、厚度为10～20mm。

6.根据权利要求5所述的一种井下钻孔定向压裂装置，其特征在于：所述封隔器与所述压裂管过紧配合。

7.利用权利要求1-6任意一项所述的一种井下钻孔定向压裂装置的一种井下钻孔定向压裂装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.根据压裂目标区域范围，在煤矿井下选择合适的巷道，在巷道中布置钻场，钻孔施工完成后，将钻孔冲洗干净；

S2.根据煤矿现场实际需要，确定套管采用水压裂缝的扩展形式，利用套管间的定向连接组件依此连接并密封，其中将设有定向压裂控制装置的套管连接在与待压裂区对应的位置上，定向压裂控制装置上的螺孔分布、角度及失效压力根据水压裂缝的扩展形式提前定制；

使定向压裂控制装置及套管上的对准刻线保持在同一直线上；每隔6～8根套管，在套管外壁布置扶正器；直接采用钻机将连接后的套管逐次送入压裂钻孔；套管全部下入钻孔后，对套管和钻孔之间的环形空间进行注浆密封固定；

S3.带有定向压裂控制装置的套管施工完毕后，依此连接压裂管，封隔器的外径应与压裂管外径保持一致或小于压裂管外径2～5mm，两个封隔器之间的长度可通过接入压裂管的数量进行调节，用钻机将压裂管和封隔器送入套管中；

S4.带有双封隔器的压裂管送到覆盖定向压裂控制装置的位置后开始进行压裂作业，持续增加压裂流体压力，流体压力会使封隔器膨胀并封闭套管与压裂管之间的环形空间，从而在两个封隔器之间形成密封腔体；双封隔器间密封腔体内的流体压力持续升高，当流体压力大于套管上的单向破坏型锥形螺丝的失效压力时，单向破坏型锥形螺丝受到破坏，套管上的定向压裂控制装置开启，高压流体在螺孔的引导下，裂缝不断向压裂区域的定向扩展，实现定向煤岩层定向压裂；

S5.结束压裂工作后，关闭泵站，将压裂管和封隔器退出套管并进行排水工作，将套管连接至瓦斯抽采***，对压裂区域进行瓦斯抽采。

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