压裂设备以及压裂方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术，具体而言，涉及一种压裂设备以及压裂方法。

背景技术

目前，煤矿井下钻孔水力压裂作为煤矿开采时对井下煤层增透的一项技术措施，具有增透范围大、增透效果显著的特点，并且能够较大幅度的提高煤层瓦斯的抽采效率，水力压裂技术在矿山开采中应用也越来也广泛。

然而，现有技术中的水力压裂技术效果并不稳定，并且存在卸压不充分的情况。水力裂缝的方向主要受待压裂结构应力分布的影响，因此，在水力压裂过程中往往仅形成一条由应力控制的主裂缝，主裂缝周边难以再形成裂缝分支，使水力裂缝并不能均匀控制作用的煤层范围，水力压裂增透效果较差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种压裂设备以及压裂方法，以解决现有技术中的水力压裂增透效果较差的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种压裂设备，包括：

水力压裂结构，水力压裂结构具有伸入至待压裂结构的压裂管路，压裂管路具有连通段和节流段，节流段的流通截面小于连通段的流通截面，以通过节流段内的高压流体对待压裂结构进行压裂；

超声波增裂结构，超声波增裂结构的能量发射部设置在节流段内，以通过超声波增裂结构的能量发射部发射的超声波对待压裂结构进行增裂；

微波增裂结构，微波增裂结构的能量发射部设置在节流段内，以通过微波增裂结构的能量发射部发射的微波对待压裂结构进行增裂。

进一步地，压裂设备还包括：

第一防护件，包裹在超声波增裂结构的能量发射部的外侧，第一防护件由耐压材料制成；和/或，

第二防护件，包裹在微波增裂结构的能量发射部的外侧，第二防护件由耐压材料制成。

进一步地，水力压裂结构包括：

第一封隔器和第二封隔器，第一封隔器和第二封隔器间隔设置，第一封隔器和第二封隔器均与压裂管路连接；

节流器，设置在第一封隔器和和第二封隔器之间，节流器与压裂管路连接，节流器具有节流段。

进一步地，超声波增裂结构包括：

超声波驱动电源，与待压裂结构间隔设置；

传输线缆，传输线缆的一端与超声波驱动电源连接，传输线缆的至少部分设置在压裂管路内；

超声波换能器，超声波换能器形成超声波增裂结构的能量发射部，超声波换能器与传输线缆的另一端连接。

进一步地，微波增裂结构包括：

微波发射器，与待压裂结构间隔设置；

波导管，波导管的一端与微波发射器连接，波导管的至少部分设置在压裂管路内；

微波辐射天线，微波辐射天线形成微波增裂结构的能量发射部，微波辐射天线与波导管的另一端连接。

进一步地，压裂设备还包括：压力检测件，设置在节流段内；

控制结构，水力压裂结构、超声波增裂结构、微波增裂结构和压力检测件均与控制结构连接，以使控制结构根据压力检测件检测到的压力情况对水力压裂结构、超声波增裂结构和微波增裂结构进行控制。

根据本发明的另一方面，提供了一种压裂方法，压裂方法采用上述提供的压裂设备对待压裂结构进行压裂，压裂方法包括：

在待压裂结构上向煤层钻探压裂钻孔，并将压裂设备伸入至压裂钻孔内；

先利用压裂设备的水力压裂结构对待压裂结构进行水力压裂，随后利用压裂设备的超声波增裂结构对待压裂结构进行超声波增裂，接着利用压裂设备的微波增裂结构对待压裂结构进行微波增裂。

进一步地，压裂设备为上述内容中的压裂设备，先利用压裂设备的水力压裂结构对待压裂结构进行水力压裂，包括：

向水力压裂结构的压裂管路内注入含有有机溶剂的高压水，以使水力压裂结构的第一封隔器和水力压裂结构的第二封隔器均膨胀，并在第一封隔器的膨胀和第二封隔器的膨胀作用下打开水力压裂结构的节流器的出水口。

进一步地，压裂设备为上述内容中的压裂设备；随后利用压裂设备的超声波增裂结构对待压裂结构进行超声波增裂，包括：

获取压裂钻孔处的压力变化情况；

当压裂钻孔的压力值下降至第一设定压力值X

进一步地，压裂设备为上述内容中的压裂设备；接着利用压裂设备的微波增裂结构对待压裂结构进行微波增裂，包括：

当压裂钻孔的压力值上升至第二设定压力值X

应用本发明的技术方案，通过在压裂设备内设置水力压裂结构，并利用超声波增裂结构和微波增裂结构的作用进行辅助增透，能够有效地使待压裂结构内形成裂缝分支，从而有效增强水力压裂的效果，能够解决现有技术中的水力压裂增透效果较差的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例一提供的压裂设备的整体结构示意图；以及

图2示出了根据本发明的实施例一提供的压裂设备在进行压裂时的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、水力压裂结构；11、压裂管路；111、连通段；112、节流段；12、第一封隔器；13、第二封隔器；14、节流器；15、压裂泵；

20、超声波增裂结构；21、超声波驱动电源；22、传输线缆；23、超声波换能器；

30、微波增裂结构；31、微波发射器；32、波导管；33、微波辐射天线；

41、压力检测件；42、压力检测表；50、控制结构；60、高压胶管；70、单向阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

请参考图1至图2，在本发明的实施例一中提供了一种压裂设备，该压裂设备包括水力压裂结构10、超声波增裂结构20和微波增裂结构30。水力压裂结构10具有伸入至待压裂结构的压裂管路11，压裂管路11具有连通段111和节流段112，节流段112的流通截面小于连通段111的流通截面，以通过节流段112内的高压流体对待压裂结构进行压裂。超声波增裂结构20的能量发射部设置在节流段112内，以通过超声波增裂结构20的能量发射部发射的超声波对待压裂结构进行增裂。微波增裂结构30的能量发射部设置在节流段112内，以通过微波增裂结构30的能量发射部发射的微波对待压裂结构进行增裂。

采用这样的设置，通过在压裂设备内同时设置水力压裂结构10、超声波增裂结构20和微波增裂结构30，能够在对待压裂结构进行水力压裂的同时通过超声波增裂结构20和微波增裂结构30实现微波和超声波激励的协同增裂效果，进而能够有效解决现有技术中的水力压裂增透效果较差的技术问题。

在本实施例中，压裂设备还包括第一防护件，第一防护件包裹在超声波增裂结构20的能量发射部的外侧，第一防护件由耐压材料制成。或者，压裂设备还包括第二防护件，第二防护件包裹在微波增裂结构30的能量发射部的外侧，第二防护件由耐压材料制成。再或者，压裂设备还可以同时包括第一防护件和第二防护件，采用这样的设置，能够对防护件内部的超声波增裂结构20或是微波增裂结构30形成保护，避免过大压力对超声波增裂结构20和微波增裂结构30造成损坏。具体地，第一防护件和第二防护件均可以由金属材料制成。

具体地，水力压裂结构10包括第一封隔器12、第二封隔器13和节流器14。第一封隔器12和第二封隔器13间隔设置，第一封隔器12和第二封隔器13均与压裂管路11连接。节流器14设置在第一封隔器12和第二封隔器13之间，节流器14与压裂管路11连接，节流器14具有节流段112。采用这样的设置，能够通过第一封隔器12和第二封隔器13与待压裂结构抵接，而在第一封隔器12和第二封隔器13之间形成密闭空间，并通过节流器14向该密闭空间内供给压裂液，能够通过这样的方式实现对待压裂结构进行水力压裂的工作。

在本实施例中，超声波增裂结构20包括超声波驱动电源21、传输线缆22和超声波换能器23。超声波驱动电源21与待压裂结构间隔设置，传输线缆22的一端与超声波驱动电源21连接，传输线缆22的至少部分设置在压裂管路11内，超声波换能器23形成超声波增裂结构20的能量发射部，超声波换能器23与传输线缆22的另一端连接。采用这样的设置，能够利用超声波驱动电源21经传输线缆22向超声波换能器23提供电能，并通过超声波换能器23将电能转变为超声波能，从而能够实现通过超声波换能器23向待压裂结构发射超声波并对待压裂结构进行致裂的效果。

具体地，微波增裂结构30包括微波发射器31、波导管32和微波辐射天线33。微波发射器31与待压裂结构间隔设置，波导管32的一端与微波发射器31连接，波导管32的至少部分设置在压裂管路11内，微波辐射天线33形成微波增裂结构30的能量发射部，微波辐射天线33与波导管32的另一端连接。采用这样的设置，能够通过波导管32将微波发射器31产生的微波传递至微波辐射天线33，并通过微波辐射天线33向待压裂结构发射微波并实现对待压裂结构致裂的效果。

在本实施例中，压裂设备还包括压力检测件41和控制结构50。压力检测件41设置在节流段112内。水力压裂结构10、超声波增裂结构20、微波增裂结构30和压力检测件41均与控制结构50连接，以使控制结构50根据压力检测件41检测到的压力情况对水力压裂结构10、超声波增裂结构20和微波增裂结构30进行控制。采用这样的设置，能够通过压力检测件41对节流段112内的压力进行检测，并通过控制结构50自动地对待压裂结构内的情况做出判断，并对压裂过程进行实时控制，能够提升压裂设备的智能化与自动化，进而提高压裂设备的致裂效率。具体地，压力检测件41可以为压力传感器。

在本实施例中，超声波增裂结构20包括超声波驱动电源21、传输线缆22和超声波换能器23，超声波驱动电源21经传输线缆22连接超声波换能器23。微波增裂结构30包括微波发射器31、波导管32和微波辐射天线33，微波发射器31经波导管32连接微波辐射天线33。

具体地，超声波换能器23和微波辐射天线33设置于节流器14内部，能够有效的将超声波换能器23和微波辐射天线33所产生的超声波和微波作用于压裂范围内。在超声波换能器23和微波辐射天线33由耐压材料包裹设置于节流器14内部。其中，耐压材料由金属材料制成。

在本实施例中，压力监测系统包括压力检测表42和压力检测件41，压力检测表42经信号线缆连接压力检测件41，压力检测件41布置于节流器14的内壁上。在将压裂设备伸入钻孔内部时，可以将压力检测件41一并伸入压裂钻孔。

具体地，压裂泵15、超声波驱动电源21、微波发射器31和压力检测表42分别经信号线缆连接控制结构50。其中，控制结构50可以为计算机。控制结构50安装有智能识别程序，控制结构50实时识别压力检测表42的压力数据变化特征，控制结构50根据压力数据变化特征控制压裂泵15、超声波驱动电源21、微波发射器31的开启和关闭。

在本发明的实施例二中提供了一种压裂方法，压裂方法采用实施例一中提供的压裂设备对待压裂结构进行压裂，压裂方法包括：在待压裂结构上向煤层钻探压裂钻孔，并将压裂设备伸入至压裂钻孔内；先利用压裂设备的水力压裂结构10对待压裂结构进行水力压裂，随后利用压裂设备的超声波增裂结构20对待压裂结构进行超声波增裂，接着利用压裂设备的微波增裂结构30对待压裂结构进行微波增裂。采用这样的方法，通过依次开启水力压裂结构10、超声波增裂结构20和微波增裂结构30，能够使压裂设备具有不同的工作阶段，能够根据压裂钻孔内的不同情况采取不同的工作模式，进而能够更好地对待压裂结构进行致裂。

具体地，先利用压裂设备的水力压裂结构10对待压裂结构进行水力压裂的方法包括：向水力压裂结构10的压裂管路11内注入含有有机溶剂的高压水，以使水力压裂结构10的第一封隔器12和水力压裂结构10的第二封隔器13均膨胀，并在第一封隔器12的膨胀和第二封隔器13的膨胀作用下打开水力压裂结构10的节流器14的出水口。采用这样的方法，由于第一封隔器12和第二封隔器13的膨胀会拉开节流器14的出水口，这样既可以使第一封隔器12和第二封隔器13与压裂钻孔的孔壁抵接以在第一封隔器12和第二封隔器13之间形成密闭空间，又能一并使节流器14向外供给高压水，这样的控制方法能够简化结构。

在本实施例中，利用压裂设备的超声波增裂结构20对待压裂结构进行超声波增裂的方法包括：获取压裂钻孔处的压力变化情况；当压裂钻孔的压力值下降至第一设定压力值X

需要说明的是，“通过超声波增裂结构20的超声波换能器23向节流器14处发射超声波信号”可以理解为超声波换能器23向节流器14以及节流器14的周围预设范围处发射超声波信号。

具体地，利用压裂设备的微波增裂结构30对待压裂结构进行微波增裂的方法包括：当压裂钻孔的压力值上升至第二设定压力值X

其中，X

在本实施例中，方法包括如下步骤：

步骤一、按照某煤矿采区巷道布置和采煤方法，结合煤层赋存特征，向顶煤钻探压裂钻并选用水力压裂方式对顶煤进行卸压增透。并且根据顶煤的发育、长度等确定压力钻孔的长度以及压裂所需的压力等。

步骤二、将高压胶管60的末端连接的压裂串(包括第一封隔器12和第二封隔器13、节流器14、单向阀70)伸入压裂钻孔内部，超声波换能器23、微波辐射天线33和压力检测件41随压裂串一并伸入钻孔内部。

步骤三、开启压裂泵15，通过高压胶管60向压裂串内注入含有在有机溶剂(有机溶剂对应为含有有机溶剂的高压水，有机溶剂可以为四氢呋喃)的高压水，当注水压力超过5MPa时，单向阀70内的球堵塞出水口致使压裂串内的压力升高，使得第一封隔器12和第二封隔器13开始膨胀，节流器14两端的第一封隔器12和第二封隔器13膨胀从而拉开节流器14的出水口，使得压裂串内的水在节流器14中流出，从而在两侧第一封隔器12和第二封隔器13中间产生水压，进而能够对待压裂结构进行压裂。压力检测件41实时监测节流器14处压力并经压力检测件41反馈至控制结构50，控制结构50实时识别压力检测件41的压力数据变化特征如下：

a、节流器14周围的压力开始上升，则表示压力水注满压裂钻孔，开始进入初始阶段；

b、节流器14周围的压力出现压降现象，则表示进入压裂阶段，当压裂钻孔内出现压降至设定第一设定压力值时，控制结构50控制开启超声波驱动电源；

c、接着进入超声波激励阶段，超声波驱动电源21产生高频交流电信号经传输线缆传递至超声波换能器23，超声波换能器23将高频交流电信号转换为超声波信号向节流器14周围的待压裂结构发射，在激励阶段，节流器14处的压力处于小幅波动稳定状态；

一方面，超声波作用可以在有机溶剂中产生空化效应、机械效应和热效应。空化效应是超声波声场作用于有机溶剂时，空化核声压在一定值时生长和崩溃的动力学过程。超声波会在有机溶剂内形成气泡，气泡内急剧能量在气泡彻底闭合时会以冲击波的形式向外辐射释放出来，同时会产生大量的热量冲击待压裂结构，能够弱化甚至破坏待压裂结构的内部结构，从而提高待压裂结构孔隙度，改善待压裂结构内部孔隙间的连通性，优化了待压裂结构的渗透率。在超声波传播时由于声波的反射等现象产生一系列的机械效应，能够引起待压裂结构内部介质粒子的状态由静止变化为交变振动，孔隙或孔隙喉道内附面层的作用会被超声波机械振动效应减弱，可以有效地克服待压裂结构内相关微粒的束缚，能够提高待压裂结构的相对渗透率。在激励阶段，压裂钻孔周围微孔的孔隙裂隙内的压力水在超声波的作用下会产生新的微裂隙和孔隙，激励阶段压力检测件41监测注水钻孔内压力发生波动；

d、节流器14处的压力持续上升，则表示进入饱和阶段；当钻孔内压力达到设定第二设定压力值时控制结构50控制关闭超声波驱动电源21，且开启微波发射器31；

e、接着进入汽化阶段，微波发射器31产生微波能量，微波能量经波导管32，由微波辐射天线33向节流器14周围的待压裂结构辐射，高压水中均匀混合有机溶剂(有机溶剂可以为四氢呋喃)，溶剂能够渗入待压裂结构裂隙内，从而大大增加了溶剂与待压裂结构的接触面积。在微波的辅助下，有机溶剂能够溶解煤中的有机小分子化合物并疏通煤的孔裂隙。同时，微波辐射产生的热效应能够促进煤层瓦斯解吸，产生的热应力更能够撕裂待压裂结构，从而产生微裂纹。在汽化阶段，注水钻孔内压力处于小幅波动稳定状态；

f、在微波和超声激励协同作用下，钻孔内的压力出现二次压降，则表示进入二次压裂阶段，出现二次压降后，控制结构50控制关闭微波发射器31和压裂泵15并完成压裂。

g、关闭压裂泵15后，压裂串内的压力逐渐降低至零，第一封隔器12和第二封隔器13收缩，进而完成一次微波与超声激励辅助水力压裂。根据试验工程的实际需要，通过在同一钻孔内向后退压裂串的方式可完成数次微波与超声激励辅助的水力压裂。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过设置水力压裂结构10能够先对待压裂结构进行水力压裂，并根据不同工作情况利用超声波增裂结构20和微波增裂结构30进行协同压裂与致裂，能够有效解决现有技术中的水力压裂增透效果较差的技术问题。并且在压裂的过程中，由压力检测件41实时监测节流器14周围压力数据变化，再由控制结构50判断自动控制超声波驱动电源21、微波发射器31的开启和关闭，能够使高压水依次进入待压裂结构原生连通裂隙、水力压裂次生裂隙以及二次次生裂隙，显著提高了水力压裂的效果。并且在整个水力压裂过程中，通过实时监测压裂钻孔内压力数据变化，实现超声波、微波的自动控制以及压裂泵15的自动开关，无需人工干预，精简了工艺流程，降低了能耗、水资源的消耗，节省了施工的成本投入。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。