CN107587877A - 一种薄壁橡胶管式压裂器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤炭开采技术领域，具体为一种薄壁橡胶管式压裂器，是一种既能实现密封住CO2，又能产生压裂力的压力设备，压裂后不会对其它采煤设备产生影响，操作比炸药安全可靠的压裂器。该压力器包括液态CO2气瓶、支撑筒、第一橡胶密封堵头、第二橡胶密封堵头、气管、薄壁橡胶管、发热剂、点火头、电极组件、起爆器和水箱。该压裂器即利用液态CO2制冷技术将装置冷冻封堵在岩孔中，又利用薄壁橡胶弹性变形支撑原理，实现压裂器的初始CO2气体的充装与存储。该压裂器是通过起爆器点燃发热剂，产生大量热量，低温的液体CO2吸热迅速膨胀，对煤层中的岩石产生压裂，解决采煤中煤层岩石带对采煤的影响问题，因此本发明的技术方案值得采用和推广。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，具体为一种薄壁橡胶管式压裂器，是一种既能实现密封住CO2，又能产生压裂力的压力设备，压裂后不会对其它采煤设备产生影响，操作比炸药安全可靠的压裂器。
背景技术
传统的煤炭开采过程中，往往会遇到断裂带和岩石带，煤层中出现岩石带会给煤炭开采带来一系列的问题。通常解决的方案是：采用在岩石带上打孔安放炸药的措施，用炸药把一段段的岩石炸开，然后再用采煤机采煤。现在随着新的技术的出现，也有在岩石孔中填充膨胀剂和水，然后封孔，利用膨胀剂的膨胀力破裂岩石。目前这两种技术各有优缺点:传统炸药破岩技术优点是技术比较成熟，成本低，操作时间短，即时效果明显；缺点是，炸药毕竟属于火工品，管理严格、审批困难，在煤矿中使用也有一定的风险，尤其是煤矿中含有一定浓度的瓦斯气体，用炸药尤为要慎重。利用膨胀剂膨胀破裂岩石技术：优点是比较安全，操作简单，对工人技术要求较低；缺点是膨胀过程时间过长，通常要有24小时的膨胀时间才能出现明显的效果，另外破裂半径比较小没有炸药破裂半径大。
发明内容
本发明针对国内现有煤岩压裂技术的不足，提出了一种薄壁橡胶管式压裂器。该压裂器既能实现自身封孔，又能够依靠薄壁橡胶管的变形存储CO2，实现的CO2对煤层中岩层的压裂功能。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种薄壁橡胶管式压裂器，包括液态CO2气瓶、支撑筒、第一橡胶密封堵头、第二橡胶密封堵头、气管、薄壁橡胶管、发热剂、点火头、电极组件、起爆器和水箱；支撑筒的一端从第一橡胶密封堵头中穿出，另一端从第二橡胶密封堵头中穿出，也即第一橡胶密封堵头、第二橡胶密封堵头支撑在支撑筒上，薄壁橡胶管为一端封闭另一端开口的筒状结构，开口的一端安装在第一橡胶密封堵头上，气管一端从第一橡胶密封堵头中穿出并伸入到薄壁橡胶管内，另一端从第二橡胶密封堵头中穿出且通过气管控制阀和液态CO2气瓶连接，气管的中间部分缠绕在支撑筒的筒体上，支撑筒为金属筒状结构，支撑筒的筒体内安装有电极组件，支撑筒的一端安装有主体位于薄壁橡胶管内的发热剂筒，发热剂筒内设置有发热剂封片、发热剂和点火头，点火头的两个导线分别连接在支撑筒和电极组件一端上，起爆前，支撑筒和电极组件另一端各自导线相互短接，起爆时支撑筒和电极组件另一端分别接入起爆器两级。
将支撑筒放入岩石孔中，并确保两橡胶密封堵头完全进入岩石孔中，再将水箱中的水注入两橡胶密封堵头中间，气管控制阀打开，通过充气过程中，液体CO2体积膨胀吸热制冷，利用CO2体积膨胀吸热的物理特性实现对岩石孔的密封。同时充入的CO2存储在薄壁橡胶管内，这种橡胶管就像车内胎一样，既有一定的弹性又能承受一定的内压。由于橡胶管具有一定的弹性，在内部的CO2压力下可以弹性变形并贴合在岩孔内壁上，岩孔内壁可以实现对橡胶筒的支撑功能，这样充装的CO2就能满足充装压力和充装量的要求。待岩孔中充装的气量和孔深达到一定的比例要求时，就可以撤离人员，实施起爆压裂工作。压裂过程：点火头通过起爆器供电点火，使发热剂爆燃发热，该热量被大量的液态CO2吸收，CO2体积迅速膨胀并对四周的岩石产生破裂压力，由于整个过程发热剂反应迅速，压裂过程时间很短，CO2产生的膨胀压力远远超过岩石的断裂应力，岩石很轻易的被压裂，一般压裂半径在1m左右。
上述的一种薄壁橡胶管式压裂器，电极组件包括2个螺钉、电极、压螺和绝缘套，电极为阶梯状金属圆柱体，电极两端各有一个螺纹孔，该螺纹孔用于安装螺钉，电极四周为绝缘套，绝缘体为塑料材质，用以实现电绝缘，压螺把安装有绝缘套的电极安装在支撑筒中。
上述的一种薄壁橡胶管式压裂器，液态CO2气瓶上设置有气瓶压力表和高压气瓶控制阀。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：1）利用橡胶管代替金属管，成本较低，适应性较强，对岩孔形状要求不严格，压裂后橡胶管碎片无需回收；2）利用压裂器的充气过程CO2吸热原理实现密封，无需用外置的封孔器，外置的封孔器需要额外的一套操作设备，操过程比较繁琐；3）对岩层的适应力比较强，煤炭层中的岩层一般深度有限，长度较长，钻孔深度不能太深，防止钻孔贯穿岩层进入煤层，贯穿孔对岩石的压裂效果会很低，因为煤炭的强度要远远低于岩石的强度，因此，用金属压裂器压裂时，要么由于孔浅没法密封，要么由于孔深，压裂后岩石塌陷压裂器取不出来，而用橡胶管式压裂器，就适应不同的岩石孔深；4）如同其它利用液体CO2压裂技术一样，CO2即便宜又可以抑制燃烧，整个操作过程安全可靠。
附图说明
图1为薄壁橡胶管式压裂器使用安装示意图。
图2为薄壁橡胶管式压裂器结构示意图。
图3为电极结构示意图。
图中：1-液态CO2气瓶，2-气瓶压力表，3-高压气瓶控制阀，4-气管控制阀，5-支撑筒，61-第一橡胶密封堵头，62-第二橡胶密封堵头，7-气管，8-水，9-薄壁橡胶管，10-岩石层，11-发热剂封片，12-发热剂，13-发热剂筒，14-点火头，15-第一导线，16-第二导线，17-电极组件，18-起爆器，19-手动水泵，20-水箱，21-螺钉，22-电极，23-压螺，24-绝缘套。
具体实施方式
结合附图，对本发明作出进一步说明。
一种薄壁橡胶管压裂器，包括液态CO2气瓶1、支撑筒5、第一橡胶密封堵头61、第二橡胶密封堵头62、气管7、薄壁橡胶管9、发热剂封片11、发热剂12、发热剂筒13、点火头14、电极组件17、起爆器18和水箱20。
液态CO2气瓶1通过高压软管连接有气瓶压力表2、高压气瓶控制阀3，高压气瓶控制阀3通过高压软管和气管控制阀4连接，气管控制阀4通过高压软管连接在气管7上。
气管7为一金属螺旋管。该气管7安装在第一橡胶密封堵头61、第二橡胶密封堵头62之间，气管7一端连接在气管控制阀4上，另一端通过第一橡胶密封堵头61进入薄壁橡胶管9中。
第一橡胶密封堵头61、第二橡胶密封堵头62为圆锥形结构，2个橡胶密封堵头大端面对面安装在支撑筒5上，第二橡胶密封堵头62上还设置有注水孔。
支撑筒5为一金属筒状结构，支撑筒5中间有一个大盲孔，在大盲孔上沿着支撑筒5径向加工一个与大盲孔贯通的小孔，该小孔可以穿过单导线，小孔旁边加工一个螺纹孔，该螺纹孔中安装一个螺钉，用以固定单导线。支撑筒5中间为一个小阶梯通孔，小阶梯通孔中安装电极组件17，电极组件17两端连接单导线。支撑筒5大盲孔中安装发热剂筒13。发热剂筒13为一非金属圆筒，该圆筒内部安装发热剂12、点火头14和发热剂封片11。点火头14的两个导线分别连接在支撑筒5和电极组件17上。电极组件17由2个螺钉21、电极22、压螺23和绝缘套24组成，电极22为阶梯状金属圆柱体，电极两端各有一个螺纹孔，该螺纹孔用于安装螺钉21，电极22四周为绝缘套24，绝缘套24为塑料材质，用以实现电绝缘。压螺23把安装有绝缘套24的电极22安装在支撑筒5中的中间小阶梯孔内。
薄壁橡胶管9为一端封闭另一端开口的圆筒状橡胶结构，开口的一端安装在第一橡胶密封堵头61上，另一端伸进岩石层10的圆孔中。水箱20通过水管连接在手动水泵19上，手动水泵19通过水管连接在第二橡胶密封堵头62注水孔上，水箱20中的水通过手动水泵19可以注入两个橡胶密封堵头之间。
起爆器18的两个导线，一根连接在支撑筒5上，另一根连接在电极组件17上。
具体使用方法有以下4步：1、在煤层岩石带上钻孔，把薄壁橡胶管式压裂器放置在岩石孔中。2、往薄壁橡胶管式压裂器内注水；3、向压裂器中注入液态CO2，注气的过程CO2通过金属螺旋气管吸热制冷把压裂器和岩石通过水冻结在一起，实现密封功能；4、利用起爆器将压裂器起爆。
第一步、在岩石层10中钻孔。把装有发热剂12、点火头14和发热剂封片11的发热剂筒13安装在支撑筒5的大盲孔中，点火头14的第二导线16、第一导线15分别连接支撑筒5和电极组件17，支撑筒5和电极组件17另一端各自导线相互短接，确保此时的点火头处于短路状态。把支撑筒5放入岩石孔中，确保两橡胶密封堵头完全进入岩石孔中。
第二步、往薄壁橡胶管式压裂器内注水。连接气管7和水管，人工操作手动水泵19把水箱20里的水注入两橡胶密封堵头中间。
第三步、注入液态CO2。将液态CO2气瓶1装置上的高压气瓶控制阀3打开，并将气管控制阀4打开，使CO2气体通过气管7中注入薄壁橡胶管9中，根据气瓶压力表2上的示数控制高压气体用量，流过一定体积的CO2气体后，薄壁橡胶管式压裂器内充满液态CO2，同时CO2通过螺旋金属气管7吸热制冷，把支撑筒5、两个橡胶密封堵头、气管7和岩石中渗进的水冻结在一起，形成孔的口部密封。关闭高压气瓶控制阀3和气管控制阀4，把气管从这两者之间断开，取走液态CO2气瓶1。把水管从第二橡胶密封堵头62和手动水泵18之间断开，取走水箱20。
第四步、利用起爆器将压裂器起爆。把支撑筒5和电极组件17另一端相互短接的导线断开，分别接入起爆器两级上，准备起爆。
Claims (3)
1.一种薄壁橡胶管式压裂器，其特征在于包括液态CO2气瓶（1）、支撑筒（5）、第一橡胶密封堵头（61）、第二橡胶密封堵头（62）、气管（7）、薄壁橡胶管（9）、发热剂（12）、点火头（14）、电极组件（17）、起爆器（18）和水箱（20）；支撑筒（5）的一端从第一橡胶密封堵头（61）中穿出，另一端从第二橡胶密封堵头（62）中穿出，薄壁橡胶管（9）为一端封闭另一端开口的筒状结构，开口的一端安装在第一橡胶密封堵头（61）上，气管（7）一端从第一橡胶密封堵头（61）中穿出并伸入到薄壁橡胶管（9）内，另一端从第二橡胶密封堵头（62）中穿出且通过气管控制阀（4）和液态CO2气瓶（1）连接，气管（7）的中间部分缠绕在支撑筒（5）的筒体上，支撑筒（5）为金属筒状结构，支撑筒（5）的筒体内安装有电极组件（17），支撑筒（5）的一端安装有主体位于薄壁橡胶管（9）内的发热剂筒（13），发热剂筒（13）内设置有发热剂封片（11）、发热剂（12）和点火头（14），点火头（14）的两个导线分别连接在支撑筒（5）和电极组件（17）上。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁橡胶管式压裂器，其特征在于电极组件（17）包括2个螺钉（21）、电极（22）、压螺（23）和绝缘套（24），电极（22）为阶梯状金属圆柱体，电极两端各有一个螺纹孔，该螺纹孔用于安装螺钉（21），电极（22）四周为绝缘套（24），绝缘体（24）为塑料材质，用以实现电绝缘，压螺（23）把安装有绝缘套（24）的电极（22）安装在支撑筒5中。
3.根据权利要求1或2所述的一种薄壁橡胶管式压裂器，其特征在于液态CO2气瓶（1）上设置有气瓶压力表（2）和高压气瓶控制阀（3）。
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