CN103939076B - 一种压裂施工中的压力流量调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压裂施工中的压力流量调节器，包括外管，及置于外管管腔内的内管，所述内管包括上管段和下管段，所述上管段中设有活塞，下管段中设有与活塞相套接的弹簧保护套，相套接的活塞和弹簧保护套空腔内设置有预应力压缩弹簧；包括所述下管段、弹簧保护套置于连接在外管管腔底部的多孔底座上。压力流量调节器在保障扩张式封隔器坐封前提下，逐渐增加喷砂器的压力和流量，确保在夹砂液射穿套管和水泥环瞬间，管内压力流量不会有剧烈波动，消除“负水锤”现象对管件及压裂泵的伤害，并能获得最大的压力和流量完成体积压裂。

Description

一种压裂施工中的压力流量调节器

技术领域

本发明属于井下工具技术领域，特别是一种压裂施工中的压力流量调节器。

背景技术

在套管井压裂施工中，尤其是单层单段压裂施工中，通常使用扩张式封隔器和喷砂器所组成的工具管串，其中扩张式封隔器采用通用的K344型，即液压坐封，液压解封，当管柱内有足够的压力，封隔器的胶筒扩张隆起，封住油管和套管之间的环空，当管柱内压力降低，胶筒又恢复原状。而喷砂器则采用始终敞开的若干喷嘴，夹砂或(和)夹酸的压裂液可以在任意压力和流量下流出喷嘴。喷砂器所完成的工作首先是喷砂射孔，射穿套管和固井水泥环，然后是加大流量完成体积压裂。

在喷砂射孔和体积压裂过程中，封隔器必须维持坐封状态，即管内压力始终要超过封隔器的坐封压力，亦即喷砂器喷嘴的压力和流量起点较高，在这样的压力和流量下喷砂射孔一旦射穿套管和水泥环，进入地层的瞬间，由于地层对压力和流量的吸收能力远大于套管和水泥环，管内的压力和流量会发生剧烈变化，引起震动，这种现象，在水力学上称为“负水锤”，具有较大的破坏力。为保障设备安全，“负水锤”现象必须避免。

人们很自然地会想到在封隔器和喷砂器之间安装减压阀或流量调节阀。目前在各领域中使用的压力、流量调节装置还没有适用于本发明所述的工作状况的。

发明内容

本发明的目的是提供一种压裂施工中的压力流量调节器，该调节器满足了套管井喷砂压裂施工的需要，填补了单层单段压裂施工所用扩张式封隔器——喷砂器管串安全装置的空白。能够在喷砂射孔和体积压裂过程中，避免出现“负水锤”现象，保障了设备安全。

本发明是这样实现的：

一种压裂施工中的压力流量调节器，包括外管，及置于外管管腔内的内管，所述内管包括上管段和下管段，所述上管段中设有活塞，下管段中设有与活塞相套接的弹簧保护套，相套接的活塞和弹簧保护套空腔内设置有预应力压缩弹簧；包括所述下管段、弹簧保护套置于连接在外管管腔底部的多孔底座上。

进一步地，所述内管的上管段为中心开孔的空心圆柱体，空心圆柱体由氧化锆陶瓷材料制成，沿空心圆柱体中心孔至外管管内壁之间由上至下呈渐开线状结构，上管段的顶部为锥口状；所述呈渐开线状的空心圆柱管体下方为设有与其渐开线状空心圆柱管体下部相接的幅股。

进一步地，所述幅股下端设在与上管段空心圆柱体外径一致的空心管上，幅股沿上管段空心管壁至外管内管壁周向对称设置，幅股设有3～8条，每条幅股的形状与呈渐开线状的上管段实心管体下部弧线形状一致。

进一步地，所述套接于上管段空心圆柱体中的活塞上端面设有圆柱段，圆柱段外壁上设有用于镶装密封圈的密封槽。

进一步地，所述上管段的顶部锥口沿上管段圆柱段上端面圆周设置有突棱。

进一步地，所述上管段的顶部锥口上沿设有挡环。

进一步地，所述外管与上管段和下管段相接内壁分别设有密封圈。

进一步地，所述上管段、下管段和幅股与外管之间设有减震层。

进一步地，所述上管段和下管段之间设有间隙。

进一步地，所述内管、活塞、空心管、幅股和弹簧保护套均由氧化锆陶瓷制成，所述多孔底座配有氧化锆陶瓷底座内衬。

由上可见，本发明给出了只用井口泵压控制的可从零连续调节喷砂器压力和流量的压力流量调节器。它可以在保障封隔器坐封前提下，逐渐增加喷砂器的压力和流量，确保在射穿套管和水泥环后，可增大管内排量，达到体积压裂的需求。最后还要保障在压裂结束停泵后，封隔器、压力流量调节器和喷砂器全部恢复到初始状态，管内压力流量不会有剧烈波动，消除“负水锤”现象对管件及压裂泵的伤害。

本发明的活塞是试过泵压移动受弹簧支撑的活塞，而活塞周围是逐渐扩大的管腔，活塞的位置决定了管腔的大小，管腔的大小决定了节流压降的大小，从而决定了下游喷砂器的压力和流量的大小，使喷砂器能够获得安全的压力和流量，完成喷砂射孔。

并且本发明所有受夹砂液冲蚀的部件——内管、活塞、幅股、弹簧的保护套及多孔底座的内衬——全部采用氧化锆陶瓷，从而能够使该压力流量调节器能获得最大的压力和流量完成体积压裂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明工作原理图(装配图)；

图2是A-A截面图；

图3是B-B截面图；

图4是多孔底座模型。

图中：1挡环、2外管(油管)、3上管段、3a下管段、4活塞、5弹簧、6幅股、7减震层、8弹簧保护套、9多孔底座、10a密封圈、10b上密封圈、11底座内衬，12圆柱段。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明压裂施工中的压力流量调节器，包括外管2、内管、活塞4、保护套8、幅股6及多孔底座9，内管置于外管2管腔内，内管包括上管段3和下管段3a，上管段3和下管段3a间设有空隙，可以保证内管内外两侧压力平衡。上管段3中设有活塞4，下管段3a中设有与活塞4相套接的弹簧保护套8，相套接的活塞4和弹簧保护套8空腔内设置有预应力压缩弹簧5；包括下管段3a、弹簧保护套8置于连接在外管2管腔底部的多孔底座9上。

内管的上管段3为中心开孔的圆柱体，沿圆柱体中心孔至外管2管内壁之间由上至下呈渐开线状结构，上管段3的顶部为锥口状。图3出示了上管段3上段为中心开孔的实心体的结构，沿该管段的B‐B向的剖视图显示在该截面的上管段3管腔结构。呈渐开线状的实心管体下方设有与其渐开线实心圆柱体下部相接的幅股6，幅股6下端设在与上管段3空心圆柱体外径一致的空心管上，上管段3的顶部锥口沿上管段3圆柱段12上端面圆周设置有突棱，上管段3的顶部为锥口上沿设有挡环1。上管段3中活塞4端面设有圆柱段12，圆柱段12外壁上设有用于镶装密封圈的密封槽，外管2与上管段3和下管段3a相接内壁分别设有上密封圈10a和下密封圈10b。

上管段3、下管段3a和幅股6与外管2之间设有减震层7(见图2、图3)。

见图2所示，幅股6沿上管段3管腔中心的空心管至外管2内管壁周向对称设置，幅股6设有3～8条，本实施例设为4条幅股，每条幅股6的形状与呈渐开线状的上管段3实心管体下部弧线形状一致。

见图4所示，多孔底座9为设有外延和开孔的挡圈结构，多孔底座9配有氧化锆陶瓷内衬11。

该压力流量调节器的内管、空心管、幅股6和弹簧保护套8均由氧化锆陶瓷制成。

构成压力流量调节器应满足如下几部分要求：

1、外管——两端带螺纹的油管，与管串相连。

2、内管——由耐磨且有韧性的材料构成，两端限定在外管内，中间可断开为两段，内管和外管间端头加O型圈密封，其间隙填充减震材料。这样设计是使内管的内外两侧压力平衡，并防止在外力作用下震坏内管。内管的内侧表面由3段组成，第一段是上部锥口状、中部母线为渐开线的腔体的上管段3上部；第二段是连接有幅股6的圆柱形空腔，上管段3下部，空腔体中分布有3-8个与上管段3的渐开线的腔体相接的幅股6；第三段是下管段3a，为大直径的圆柱面；第三段可与第二段断开，第二段与第一段为一体。

活塞——由活塞头和活塞筒构成，活塞头上没有密封圈，活塞筒和保护套内设有预应力压缩弹簧。

保护套——与活塞筒配合保护弹簧免受夹砂液冲蚀。

幅股——与内管连成一体，若干幅股(3～8)呈放射状，为活塞定位用。幅股材料也与内管相同。

本发明所述的压力流量调节器是安装在扩张式封隔器和喷砂器之间的，且上游为封隔器，下游为喷砂器。活塞4在预应力弹簧5的作用下，抵在内管3的喉口部位，通过密封圈10a与内管密封。弹簧的预应力可设计成与封隔器坐封压力相当，即当井口泵压增加到封隔器坐封压力时，喷砂器的压力和流量为零。当井口泵压逐渐增加，弹簧开始压缩，活塞下移，活塞与内管形成的环空面积逐渐扩大，喷砂器的压力和流量也相应增加，这样，可保证在较小的压力和流量下，射穿套管和水泥环，由于节流压降较大，负水锤作用便不能向上游传递，保障了管路和压裂泵的安全。在射孔及射孔的压力波动结束后，可继续加大泵压，加大排量，活塞顶部可达到A-A截面位置，此时达到最大排量，以便实现体积压裂。达到最大排量时，活塞已经下移至多孔底座9，但活塞仍保持在幅股6的中心位置。

在压裂结束、停泵后，压力流量调节器及上游的扩张式封隔器都恢复原状。

由于内管3，活塞4，幅股6和保护套8全部采用耐磨且有韧性的材料，在夹砂液强力冲蚀下，可保证本调节器有足够的使用寿命。

在ISO/API标准中，选4¹/₂″油管(外径114.3mm，壁厚8.56mm，内径97.18mm)一段，钢级为N80，端部加工平式油管扣，用变扣短节与管串相连。

内管、幅股、活塞、保护套、底座内衬全部采用氧化锆陶瓷。氧化锆陶瓷的机械性能优越，具有高硬度、高强度和高韧性。氧化锆陶瓷的加工工艺比较复杂，但都属于公知技术，无须赘述，本发明根据其构件特点，选择如下工艺：选粒度均匀的氧化锆微粉，添加氧化钇作为稳定剂，采用干压法成型，在1200℃温度下烧结成四方相的Y-PSZ氧化锆陶瓷。

组装过程为：将密封圈10b装入图示的位置，用玻璃纤维衬于外管内作为减震层7，装入内管上管段3a大直径段，将底座内衬Ⅱ装入多孔底座9，用螺钉将保护套8与多孔底座9相连，将多孔底座9旋入外管一端的螺纹，将弹簧5装入保护套8中，加力把活塞4套在保护套外，将内管3从上方装入外管，最后，旋紧挡环1。

内管入口处加工成锥口是为了减小流体阻力，减小冲蚀，锥口下方的突棱是为了定位活塞。

本发明压力流量调节器的作用机理可作如下描述：

当井口泵压上升时，由于预应力弹簧的作用，调节器并未形成通路，此时上游的扩张式封隔器开始坐封。管压继续增加时，活塞开始下移，下游的喷砂器开始接受较小的管压和流量，下游管压和流量由井上泵压控制，同时接受调节器的调节，可以确保在相对温和的压力和流量下完成喷砂射孔，完成射孔后，可以加大压力和流量，实现体积压裂。

停泵后，封隔器、压力流量调节器、喷砂器都将恢复原状。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种压裂施工中的压力流量调节器，包括外管(2)，及置于外管(2)管腔内的内管，其特征在于，所述内管包括上管段(3)和下管段(3a)，所述上管段(3)中设有活塞(4)，下管段(3a)中设有与活塞(4)相套接的弹簧保护套(8)，相套接的活塞(4)和弹簧保护套(8)空腔内设置有预应力压缩弹簧(5)；所述下管段(3a)、弹簧保护套(8)置于连接在外管(2)管腔底部的多孔底座(9)上。

2.根据权利要求1所述的压裂施工中的压力流量调节器，其特征在于，所述内管的上管段(3)为中心开孔的空心圆柱体，空心圆柱体由氧化锆陶瓷材料制成，沿空心圆柱体中心孔至外管(2)管内壁之间由上至下呈渐开线状结构，上管段(3)的顶部为锥口状；所述呈渐开线状的空心圆柱管体下方为设有与其渐开线状空心圆柱管体下部相接的幅股(6)。

3.根据权利要求2所述的压裂施工中的压力流量调节器，其特征在于，所述幅股(6)下端设在与上管段(3)空心圆柱体外径一致的空心管上，幅股(6)沿上管段(3)空心管壁至外管(2)内管壁周向对称设置，幅股(6)设有3～8条，每条幅股(6)的形状与呈渐开线状的上管段(3)实心管体下部弧线形状一致。

4.根据权利要求2所述的压裂施工中的压力流量调节器，其特征在于，所述套接于上管段(3)空心圆柱体中的活塞(4)上端面设有圆柱段(12)，圆柱段(12)外壁上设有用于镶装密封圈的密封槽。

5.根据权利要求2或4所述的压裂施工中的压力流量调节器，其特征在于，所述上管段(3)的顶部锥口沿上管段(3)圆柱段(12)上端面圆周设置有突棱。

6.根据权利要求2所述的压裂施工中的压力流量调节器，其特征在于，所述上管段(3)的顶部锥口上沿设有挡环(1)。

7.根据权利要求1所述的压裂施工中的压力流量调节器，其特征在于，所述外管(2)与上管段(3)和下管段(3a)相接内壁分别设有密封圈。

8.根据权利要求1或2所述的压裂施工中的压力流量调节器，其特征在于，所述上管段(3)、下管段(3a)和幅股(6)与外管(2)之间设有减震层(7)。

9.根据权利要求1所述的压裂施工中的压力流量调节器，其特征在于，所述上管段(3)和下管段(3a)之间设有间隙。

10.根据权利要求1或3所述的压裂施工中的压力流量调节器，其特征在于，所述内管、活塞(4)、空心管、幅股(6)和弹簧保护套(8)均由氧化锆陶瓷制成，所述多孔底座(9)配有氧化锆陶瓷底座内衬(11)。