矿井下压裂裂缝内注砂智能调控设备及方法

本发明涉及采矿工程，尤其涉及矿井下压裂裂缝内注砂智能调控设备及方法。

背景技术：

1、目前，86%煤层都属于低透气性煤层，渗透率一般介于0.052~1.120md。煤层气开采过程中常通过压裂等方式改造储层结构，提高其透气性。然而，现有闭合应力致使裂缝缓慢闭合，需在裂缝中加入支撑剂支撑裂缝，才能维持裂缝导流能力；在煤矿现场压裂注砂过程仍处于人工、半机械化、机械化状况，压裂裂缝内采用智能注砂的情况较少，压裂注砂效率低下同时无法快速反应改善压裂注砂环境，生产中存在严重的危险性，现场施工人员的安全无法得到保障。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供能够适应矿井下工作环境，智能调控注砂全过程的矿井下压裂裂缝内注砂智能调控设备及方法。

2、技术方案：矿井下压裂裂缝内注砂智能调控设备，包括水箱、注砂智能调控系统和高压泵，所述水箱与高压泵之间分别通过设置有吸水管和溢流管连接，所述水箱上设置有水箱注水调控阀，所述高压泵上设置泵出口流量调控阀，所述泵出口流量调控阀另一端固定连接有高压胶管，所述高压胶管远离泵出口流量调控阀的末端设置有自动拆卸杆钻机，所述自动拆卸杆钻机上设置有注砂杆组，所述注砂杆组上包括高压管柱、近孔口封隔器、注砂高压钻杆、近孔底封隔器、裂缝及支撑剂分布智能监测设备和钻头，所述高压胶管上从泵出口流量调控阀至自动拆卸杆钻机端依次设置有泵出口压力传感器、泵出口流量传感器、固液两相流混合智能调控设备、钻孔入口压力传感器、钻孔入口流量传感器和卸压调控阀，所述高压胶管上设置有三通分别连接固液两相流混合智能调控设备、泵出口压力传感器和钻孔入口压力传感器，所述水箱上端设置有水箱溢流口，所述水箱一侧设置有水位观测管，所述注砂智能调控系统分别与水箱、高压泵、水箱注水调控阀、泵出口流量调控阀、固液两相流混合智能调控设备、自动拆卸杆钻机、注砂杆组、泵出口压力传感器、泵出口流量传感器、钻孔入口压力传感器、钻孔入口流量传感器、卸压调控阀电性连接。

3、矿井下压裂裂缝内注砂智能调控设备的控制方法，包括以下步骤：

4、s1、携砂液中液相智能泵注；

5、s2、固液两相流混合智能泵注；

6、s3、泵注结束后，通过自动拆卸杆钻机与高压管柱分离，将高压管柱依次从钻孔内撤出，直至注砂高压钻杆移动到同钻孔内的下一注砂点，将自动拆卸杆钻机与高压管柱连接，重复步骤s2至步骤s3；

7、s4、当整个钻孔分段注砂结束后，操控自动拆卸杆钻机将注砂杆组全部卸除并移动到下一个注砂点，重复步骤s1至步骤s4，直至储层压裂缝网内注砂工作全部结束。

8、进一步地，所述注砂智能调控系统包括智能启停模块、压力监测模块、流量监测模块、砂比监测模块、加砂模块、控砂模块、高压/堵砂模块、分段注砂模块、流量损失模块、智能拆卸杆模块、钻孔定位模块、钻孔围岩模块和报警信息显示模块；

9、所述智能启停模块能监测初始水位、压裂-加砂过程水量补给、高压泵的启动和停止、出口水排量控制功能；所述压力监测模块用于监控泵出口水压力、支流压力和钻杆组内的水压力；所述流量监测模块用于监测泵出口流量、支流流量、排砂量、进入钻杆组内的流体流量；砂比监测模块用于计算进入总流中的砂量和砂比；所述控砂模块用于控制管路内的砂量和砂比；所述加砂模块用于控制砂罐的砂量和对砂量进行补给；所述高压/堵砂模块用于监测管路中的高压异常和堵砂异常情况，并对管路进行卸压；所述分段注砂模块结合上一注砂点位和钻孔围岩特征给出钻孔内向压裂裂缝内注砂的下一个位置，并通过自动拆卸杆钻机将封隔器和注砂高压钻杆移动到该注砂位置；所述流量损失模块用于计算管路阻力系数和流量损失；所述智能拆卸杆模块用于控制自动拆卸杆钻机的钻杆抓取、安装、推送及接头的连接；所述钻孔定位模块用于监控钻头的实时三维空间位置；所述钻孔围岩模块用于显示钻孔围岩特性，对围岩内部裂隙进行分析；所述报警信息显示模块用于显示目前钻孔-压裂-注砂系统处于的运行状态，若出现高压/堵砂现象进行危险预报。

10、进一步地，所述固液两相流混合智能调控设备包括设置在高压胶管上的高压细胶管，所述高压细胶管为三连通结构，所述高压细胶管上依次设置有支流流量传感器、支流压力传感器和支流流量调控阀，所述高压细胶管上通过三通连接支流压力传感器，所述高压胶管上设置有二次混砂搅拌仓，所述二次混砂搅拌仓上设置有高压涡流混砂罐，所述高压涡流混砂罐与二次混砂搅拌仓之间通过设置有混砂流出口调控阀连接，所述高压涡流混砂罐一侧同高压细胶管一端之间依次设置有砂比调控管路流量传感器和砂比调控阀连接，所述高压涡流混砂罐另一侧同高压细胶管另一端之间通过设置有高压砂罐连接，所述高压砂罐同高压涡流混砂罐通过设置有注砂调控阀连接，所述高压砂罐同高压细胶管之间通过砂罐压力平衡调控阀连接。

11、进一步地，所述高压砂罐上设置有加砂调控阀，所述加砂调控阀上设置有补砂口。

12、进一步地，所述裂缝及支撑剂分布智能监测设备包括依次设置的钻孔数据采集杆、钻孔数据信号接收器、蓝牙信号发射器、超声探测采集器、钻孔数据采集器和蓝牙信号传输器。

13、进一步地，所述钻孔数据信号接收器设置于注砂杆组外，所述钻孔数据信号接收器与注砂智能调控系统之间通过设置有钻孔数据传输线电性连接。

14、进一步地，所述智能启停模块控制方法包括以下步骤：

15、s2011、在压裂裂缝内注砂全过程通过注砂智能调控系统监测水箱的水位，当水位超过50%时，打开水箱注水调控阀；监测水位是否到达溢流口，当水位到溢流口时，关闭水箱注水调控阀；

16、s2012、准备注砂时监测高压泵是否开启，若未开启，通过注砂智能调控系统打开高压泵，通过控制并缓慢调节泵出口流量调控阀，直至达到设定压力并全部打开；

17、s2013、监测压裂是否结束，当结束时，通过注砂智能调控系统控制并缓慢关闭泵出口流量调控阀，泵出口流量调控阀关闭后，关闭高压泵，注砂结束；

18、所述砂比监测模块和控砂模块的砂比智能调控方法，包括以下步骤：

19、s2041、加砂时打开支流流量调控阀、混砂流出口调控阀、砂比调控阀、砂罐压力平衡调控阀，监测支流流量传感器、砂比调控管路流量传感器管路的流量，计算经过砂罐的流量和砂比s，监测砂比s和设定砂比sd关系；

20、s2042、当砂比小于设定砂比s时，注砂智能调控系统控制缓慢打开注砂调控阀，判断砂比s是否大于等于设定砂比sd，当砂比s大于等于设定砂比sd时，停止调节注砂调控阀，开始正常注砂；当砂比s小于设定砂比sd时，判断注砂调控阀是否完全打开，若为否，继续调节注砂调控阀，持续监测砂比s和设定砂比sd关系，若为是，控制缓慢调节砂比调控阀，持续监测砂比s是否大于等于设定砂比sd，当砂比s大于等于设定砂比sd时，开始正常注砂；

21、s2043、当砂比s大于等于设定砂比sd时，注砂智能调控系统2控制缓慢关闭注砂调控阀，判断砂比s是否小于等于设定砂比sd，若否，则继续判断砂比s是否小于等于设定砂比sd，若是，则正常注砂；

22、所述高压/堵砂模块控制方法包括以下步骤：

23、收集钻孔入口压力传感器监测的管路内水压力，当监测的水压力超过55mpa时，注砂智能调控系统控制泵出口流量调控阀缓慢关闭，高压泵卸压，通过注砂智能调控系统控制卸压调控阀打开，对管路进行卸压；当监测的水压力未超过55mpa时，持续计算水压力增加速率a，当水压力增加速率a超过20mpa/s时，控制泵出口流量调控阀缓慢关闭，高压泵卸压，控制卸压调控阀打开，对管路进行卸压。

24、进一步地，所述携砂液中液相智能泵注包括以下步骤：

25、（91）压裂结束后进行注砂，注砂智能调控系统控制打开水箱注水调控阀，并传输水箱水位数据；当水箱水位接近溢流管位置时，关闭水箱注水调控阀，当水位低于水箱高度的%时，打开水箱注水调控阀，将水箱水位补满至溢流管位置；

26、（92）注砂智能调控系统关闭支流流量调控阀，然后关闭混砂流出口调控阀和卸压调控阀；

27、（93）高压水经过近孔口封隔器和近孔底封隔器时，将封孔胶囊撑开在钻孔内形成封闭段，随着水压力的增加，注砂高压钻杆的阀门打开，将水注入到压裂段；

28、（94）通过流量监测模块监测流体通过各流量传感器的时间和流量，通过压力监测模块监测流体通过对应管路段的压力，结合压力、流量和管长计算管路阻力和流体损失信息。

29、进一步地，所述固液两相流混合智能泵注包括以下步骤：

30、（101）前置液泵注一段时间后，管路处于较低压力时，保证封孔胶囊撑开封孔和注砂高压钻杆上注砂阀处于打开状态；

31、监测高压砂罐中的砂量，当砂量不足时，注砂智能调控系统控制关闭砂罐压力平衡调控阀和注砂调控阀，打开加砂调控阀，使支撑剂通过补砂口注入到高压砂罐内，直至达到高压砂罐容量的%，再缓慢关闭加砂调控阀；

32、当砂量充足时，打开支流流量调控阀、砂比调控阀、砂罐压力平衡调控阀、注砂调控阀、混砂流出口调控阀和泵出口流量调控阀；

33、（102）注砂智能调控系统实时观测高压砂罐中的砂量，监测到的流量数据实时计算并在砂比监测模块中实时显示砂比，当砂比较大时，缓慢关闭砂比调控阀，调节流量分配直至到设定砂比值；

34、（103）支撑剂和水在高压涡流混砂罐内均匀混合后通过混砂流出口调控阀进入二次混砂搅拌仓内再次与主管路上水流混合，一起进入到注砂高压钻杆内，并逐渐抵达压裂裂缝内支撑裂缝；

35、（104）当注砂结束时，注砂智能调控系统调节泵出口流量调控阀的开度使压力处于较低水平，关闭砂罐压力平衡调控阀和注砂调控阀，经过一段时间，高压涡流混砂罐和管路内的砂全部进入到裂缝；

36、（105）注砂过程中通过超声探测采集器实时监测注砂段附近围岩特征，将钻孔数据采集器收集到的围岩特征发送到注砂智能调控系统，分析裂缝网络内的支撑剂分布特征；

37、（106）注砂智能调控系统控制关闭支流流量调控阀、砂比调控阀和混砂流出口调控阀，缓慢调节泵出口流量调控阀的开度，直至关闭，再关闭高压泵，当压力监测模块监测的水压力小于0.5mpa时，或摄像头观察到卸压调控阀出口水压力较小时，关闭卸压调控阀。

38、本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

39、1、本发明设计矿井下压裂裂缝内注砂的智能调控设备，采用注砂智能调控系统，给出了钻孔压裂裂缝内注砂全过程的智能调控方法，实现矿井下长距离钻孔压裂裂缝内注砂的智能调控工艺。

40、2、本发明给出了智能启停高压泵的流程，可实现监测初始水位、压裂-加砂过程水量补给、高压泵的启动和停止、出口水排量控制功能。

41、3、本发明给出了高压/堵砂风险调控方法，可通过高压/堵砂模块可实现注砂过程中高压预警、堵砂预警和管路疏通功能。

42、4、本发明给出了砂比调控方法，可实现管路中砂量的实时监测，调节进入裂缝的支撑剂数量，控制各段支撑剂的比例。