CN105986779B - 一种井下混气压裂阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下混气压裂阀，属于石油天然气开采技术领域。所述井下混气压裂阀包括：阀体、下接头、限位环、阀芯、第一弹簧、充气阀、第一密封组件及第二密封组件。本发明通过阀体内壁与阀芯外壁之间形成气室，在气室中注满高压气体，压裂过程中，阀芯在压力作用下克服第一弹簧的弹力上行，打开微型气道，气室内的高压气体经微型气道进入阀芯内部，与阀芯内部的压裂液混合，通过高压气体辅助压裂液进行压裂作业，降低压裂液的滤失量，缩短压裂液返排周期。

Description

一种井下混气压裂阀

技术领域

本发明涉及石油天然气开采技术领域，特别涉及一种井下混气压裂阀。

背景技术

随着油田勘探开发工作的不断深入发展，低渗透、非常规油气藏的储量越来越多，储量有效动用及开发的难度不断加大，储层改造技术不断面临新的挑战。油田生产中，常通过油层压裂工艺提高油层的渗透能力，以增加注水量(注水井)或产油量(油井)。

目前常通过井下压裂阀进行水力喷砂射孔以提高油层的渗透能力，即通过向地层泵注携砂压裂液，对地层压裂造缝，施工后压裂液返排，留下支撑剂支撑裂缝。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

使用现有井下压裂阀进行水力喷砂射孔作业中，压裂液快速向地层微裂隙和高渗层渗透，压裂液滤失量较大，导致施工压力上升，严重时甚至出现砂堵，不得不停止压裂作业的情形，影响施工进度，且压裂液不能全部返排，需要其他辅助手段，操作复杂，返排周期较长。

发明内容

为了解决现有技术的井下压裂阀通过水力喷砂射孔进行压裂作业存在的压裂液的滤失量较大，影响施工进度，且压裂液返排操作复杂，返排周期较长的问题，本发明实施例提供了一种井下混气压裂阀。所述技术方案如下：

一种井下混气压裂阀，用于通过高压气体辅助进行压裂作业，所述井下混气压裂阀包括：阀体、下接头、限位环、阀芯、第一弹簧、充气阀、第一密封组件及第二密封组件，所述阀体沿轴向设有通孔，所述下接头固定在所述阀体下端外部，所述限位环设置在所述阀体下端内部，且所述限位环与所述阀体固定连接，所述阀芯设置在所述阀体内部，所述阀芯与所述阀体同轴，所述阀芯沿轴向设有通孔，所述阀体上端内部设有第一内凸台，所述阀芯可相对所述阀体轴向做直线运动，所述阀芯通过所述第一内凸台及所述限位环轴向限位，所述第一弹簧设置在所述阀芯与所述阀体之间，所述阀芯通过所述第一弹簧复位，所述阀芯外壁与所述阀体内壁之间形成气室，所述阀体下端内部设有第二内凸台，所述第二内凸台将所述气室分隔为上气室和下气室，所述第二内凸台上设有进气平衡孔，通过所述进气平衡孔连通所述上气室和所述下气室，所述阀体的侧壁上设有安装孔，所述充气阀设置在所述安装孔内，所述充气阀为单向阀，且所述充气阀与所述气室连通，所述第一密封组件设置在所述阀芯与所述阀体之间，且所述第一密封组件位于所述气室及所述充气阀上方，所述阀芯的下端设有外凸台，所述第二密封组件设置在所述外凸台上，且所述第二密封组件位于所述阀体与所述阀芯之间，所述阀体的下端内壁设有微型气道，压裂过程中，所述高压气体由所述气室经所述微型气道进入所述阀芯内部，当所述阀芯与所述限位环接触时，所述第二密封组件位于所述微型气道及所述限位环之间。

进一步地，所述充气阀包括充气阀座、阀杆及第二弹簧，所述充气阀座内部设有空腔，且所述充气阀座的一端设有充气孔，所述充气孔与所述空腔连通，所述充气阀座的另一端设有进气孔，所述进气孔与所述空腔连通，且所述进气孔与所述气室连通，所述阀杆包括杆部和头部，所述头部的尺寸大于所述杆部的尺寸，所述头部设置在所述空腔内，所述头部封堵在所述充气孔上，所述头部与所述空腔内壁配合形成面密封，所述杆部经所述进气孔伸出所述充气阀座，所述阀杆可相对所述充气阀座轴向运动，所述第二弹簧套在所述杆部外部，且所述第二弹簧位于所述头部与所述充气阀座之间，所述第二弹簧的外形尺寸大于所述进气孔的尺寸且小于所述头部的尺寸，所述头部通过所述第二弹簧封堵在所述充气孔上。

具体地，所述空腔设置所述充气孔的一侧内壁为圆弧形，且所述阀杆的所述头部为与所述空腔内壁相配的圆弧形。

进一步地，所述第一弹簧设置在所述外凸台与所述第二内凸台之间，所述第一弹簧通过所述第二内凸台限位。

具体地，所述第一密封组件、所述第二密封组件均为0型密封圈，所述阀芯上端外部设有第一密封槽，所述第一密封组件安装在所述第一密封槽内，所述外凸台上设有第二密封槽，所述第二密封组件安装在所述第二密封槽内。

进一步地，所述阀体的中部内侧设有凹槽，所述凹槽与所述阀芯外壁形成所述气室，所述安装孔设置在所述凹槽的上方，所述第一密封组件设置在所述安装孔上方。

进一步地，所述井下混气压裂阀还包括第三密封组件，所述第三密封组件设置在所述下接头与所述阀体之间，所述阀体下端外部设有第三密封槽，所述第三密封组件设置在所述第三密封槽内。

具体地，所述第三密封组件为0型密封圈。

具体地，所述高压气体为高压氮气。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明通过阀体内壁与阀芯外壁之间形成气室，在气室中注满高压气体，压裂过程中，阀芯在压力作用下克服第一弹簧的弹力上行，打开微型气道，气室内的高压气体经微型气道进入阀芯内部，与阀芯内部的压裂液混合，通过高压气体辅助压裂液进行压裂作业，高压气体先于压裂液占据微裂隙和高渗层，阻止压裂液沿高渗地带滤失，降低压裂液的滤失量，从而避免增大施工压力及出现砂堵而不得不停止压裂作业，影响施工进度的问题，返排过程中，前置高压气体泄压后体积膨胀推动压裂液排出，且高压气体与压裂液混合，流体密度低，使得垂直管流中液柱对油层的回压较小，便于压裂液自喷返排，缩短压裂液返排周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的井下混气压裂阀的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的阀体的结构示意图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是本发明实施例提供的充气阀与阀体的安装结构示意图。

其中：

1阀体，11第一内凸台，12第二内凸台，13进气平衡孔，14微型气道，15安装孔，

2阀芯，21外凸台，

3充气阀，31充气阀座，311空腔，312充气孔，313进气孔，32阀杆，321头部，322杆部，33第二弹簧，

4第一密封组件，

5第二密封组件，

6下接头，

7第三密封组件，

8限位环，

9第一弹簧，

B气室，B1上气室，B2下气室。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种井下混气压裂阀，用于通过高压气体辅助进行压裂作业，所述井下混气压裂阀包括：阀体1、下接头6、限位环8、阀芯2、第一弹簧9、充气阀3、第一密封组件4及第二密封组件5，所述阀体1沿轴向设有通孔，所述下接头6固定在所述阀体1下端外部，所述限位环8设置在所述阀体1下端内部，且所述限位环8与所述阀体1固定连接，所述阀芯2设置在所述阀体1内部，所述阀芯2与所述阀体1同轴，所述阀芯2沿轴向设有通孔，所述阀体1上端内部设有第一内凸台11，所述阀芯2可相对所述阀体1轴向做直线运动，所述阀芯2通过所述第一内凸台11及所述限位环8轴向限位，所述第一弹簧9设置在所述阀芯2与所述阀体1之间，所述阀芯2通过所述第一弹簧9复位，所述阀芯2外壁与所述阀体1内壁之间形成气室B，所述阀体1下端内部设有第二内凸台12，所述第二内凸台12将所述气室B分隔为上气室B1和下气室B2，所述第二内凸台12上设有进气平衡孔13，通过所述进气平衡孔13连通所述上气室B1和所述下气室B2，所述阀体1的侧壁上设有安装孔15(参见图2)，所述充气阀3设置在所述安装孔15(参见图2)内，所述充气阀3为单向阀，且所述充气阀3与所述气室B连通，所述第一密封组件4设置在所述阀芯2与所述阀体1之间，且所述第一密封组件4位于所述气室B及所述充气阀3上方，所述阀芯2的下端设有外凸台21，所述第二密封组件5设置在所述外凸台21上，且所述第二密封组件5位于所述阀体1与所述阀芯2之间，所述阀体1的下端内壁设有微型气道14(参见图3)，压裂过程中，所述高压气体由所述气室B经所述微型气道14进入所述阀芯2内部，当所述阀芯2与所述限位环8接触时，所述第二密封组件5位于所述微型气道14及所述限位环8之间。

本发明的工作原理为：

使用本发明进行辅助压裂工艺过程时，先通过充气阀3在气室B中充满高压气体，再将本发明连接压裂管柱下入井下预定位置，由于阀芯2下端设有第一外凸台21，阀芯2上下两端横截面积不同，压裂过程中，作用在阀芯2下端面的力大于作用在阀芯2上端面的力与第一弹簧9的弹力之和，阀芯2在压力作用下上行，压缩第一弹簧9，当阀芯2上行一定距离后，第二密封组件5随阀芯2运动到微型气道14处，微型气道14打开，气室B内的高压气体经微型气道14进入阀芯2内部，与压裂液混合。下入过程和压裂过程中，作用在阀芯2下端面的力小于作用在阀芯2上端面的力与第一弹簧9的弹力之和，阀芯2在第一弹簧9的弹力作用下下行，关闭阀体1上的微型气道14，关闭气室B，气室B内的高压气体被第一密封组件4及第二密封组件5密封在气室B内，避免高压气体漏入阀芯2内部，且避免压裂液进入气室B。

本发明通过阀体1内壁与阀芯2外壁之间形成气室B，在气室B中注满高压气体，压裂过程中，阀芯2在压力作用下克服第一弹簧9的弹力上行，打开微型气道14，气室B内的高压气体经微型气道14进入阀芯2内部，与阀芯2内部的压裂液混合，通过高压气体辅助压裂液进行压裂作业，高压气体先于压裂液占据微裂隙和高渗层，阻止压裂液沿高渗地带滤失，降低压裂液的滤失量，从而避免增大施工压力及出现砂堵而不得不停止压裂作业，影响施工进度的问题，返排过程中，前置高压气体泄压后体积膨胀推动压裂液排出，且高压气体与压裂液混合，流体密度低，使得垂直管流中液柱对油层的回压较小，便于压裂液自喷返排，从而缩短压裂液返排周期。

如图4所示，进一步地，所述充气阀3包括充气阀座31、阀杆32及第二弹簧33，所述充气阀座31内部设有空腔311，且所述充气阀座31的一端设有充气孔312，所述充气孔312与所述空腔311连通，所述充气阀座31的另一端设有进气孔313，所述进气孔313与所述空腔311连通，且所述进气孔313与所述气室B连通，所述阀杆32包括杆部322和头部321，所述头部321的尺寸大于所述杆部322的尺寸，所述头部321设置在所述空腔311内，所述头部321封堵在所述充气孔312上，所述头部321与所述空腔311内壁配合形成面密封，所述杆部322经所述进气孔313伸出所述充气阀座31，所述阀杆32可相对所述充气阀座31轴向运动，所述第二弹簧33套在所述杆部322外部，且所述第二弹簧33位于所述头部321与所述充气阀座31之间，所述第二弹簧33的外形尺寸大于所述进气孔313的尺寸且小于所述头部321的尺寸，所述头部321通过所述第二弹簧33封堵在所述充气孔312上。

在本实施例中，充气阀3为单向阀，通过充气阀座31、阀杆32及第二弹簧33的结构设计，使得充气过程中，阀杆32的头部321离开充气孔312，高压气体经充气孔312进入空腔311，并经进气孔313进入气室B，压裂过程中，阀杆32在第二弹簧33的弹力作用下封堵在充气孔312上，关闭进气通道，避免气室B内的高压气体流出。结构简单可靠，当然，本领域技术人员可知，为了避免气室B内的高压气体经充气阀3处流出，可在充气阀3与安装孔15之间设置密封件，通过密封件防止气室内的高压气体经充气阀3与安装孔15之间的间隙流出。

当然，本领域技术人员可知，在空间允许的情况下，安装孔15设置为台阶孔，充气阀座31可设置为具有阶梯孔的圆柱形结构，阀杆32的头部封堵在阶梯孔的较小直径孔(相当于充气孔312)上，杆部位于阶梯孔的较大直径孔(相当于空腔311)内且穿入安装孔(相当于进气孔313)中，第二弹簧33套在阀杆32的杆部321外部，且第二弹簧33位于安装孔15与头部322之间，第二弹簧33通过安装孔15限位，迫使头部322封堵在充气孔312上。

如图4所示，具体地，所述空腔311设置所述充气孔312的一侧内壁为圆弧形，且所述阀杆32的所述头部321为与所述空腔311内壁相配的圆弧形。

在本实施例中，空腔311设置充气孔312的一侧内壁设置为圆弧形，阀杆32的头部321设置为与其相配的圆弧形，阀杆32封堵在充气孔312上形成面密封，密封效果较好。当然，本领域技术人员可知，空腔311内设置充气孔312的一侧内壁也可设置为锥形，阀杆32的头部321设置为球形，充气阀座31与头部321之间形成线密封，结构简单，便于加工。

如图1所示，进一步地，所述第一弹簧9设置在所述外凸台21与所述第二内凸台12之间，所述第一弹簧9通过所述第二内凸台12限位。

在本实施例中，通过第二内凸台12将气室B分隔为上气室B1和下气室B2，通过在第二内凸台12与外凸台21之间设置第一弹簧9，便于安装，且通过更换第一弹簧9，可有效控制第一弹簧9作用在外凸台21上的作用力，满足不同井的要求。

当然，本领域技术人员可知，第一弹簧9也可与阀芯2同轴地设置在阀芯2的上端，结构简单，便于加工。

在本实施例中，第一内凸台11与限位环8之间的距离大于阀芯2的长度，第一内凸台11与限位环8之间的距离与阀芯2的长度之差为阀芯2预留运动空间，为阀芯2沿轴向移动提供了空间裕量，且在本实施例中，当阀芯2位于阀体1底部时，外凸台21与第二内凸台12之间的距离大于密封组件5至微型气道14下端面的距离。

参见图1，具体地，所述第一密封组件4、所述第二密封组件5均为0型密封圈，所述阀芯2上端外部设有第一密封槽，所述第一密封组件4安装在所述第一密封槽内，所述外凸台21上均设有第二密封槽，所述第二密封组件5安装在所述第二密封槽内。

在本实施例中，第一密封组件4及第二密封组件5均为0型密封圈，且在阀芯2上端外部设有第一密封槽，外凸台21上设有第二密封槽，第一密封组件4设置在第一密封槽内，第二密封组件5设置在第二密封槽内，结构简单，安装方便，密封效果好。当然，本领域技术人员可知，为了确保密封效果，第一密封组件4及第二密封组件5均可设置为从上至下叠加设置的多个密封圈。

如图2所示，也可参见图1，进一步地，所述阀体1的中部内侧设有凹槽，所述凹槽与所述阀芯2外壁形成所述气室B，所述安装孔15设置在所述凹槽的上方，所述第一密封组件4设置在所述安装孔15上方。

在本实施例中，通过在阀体1的中部内侧设置凹槽，凹槽与阀芯2形成气室B，增大气室B的空间，阀体1上端壁厚较厚，将充气阀3安装在凹槽的上方，连接稳固。第一密封组件4设置在充气阀3上方，避免高压气体由充气阀3经阀芯2与阀体1的上方间隙流至阀芯2内部。

如图1所示，进一步地，所述井下混气压裂阀还包括第三密封组件7，所述第三密封组件7设置在所述下接头6与所述阀体1之间，所述阀体1下端外部设有第三密封槽，所述第三密封组件7设置在所述第三密封槽内。

在本实施例中，通过阀体1与下接头6之间设置第三密封组件7，防止阀体1内部的高压液体或高压气体经下接头6与阀体1的间隙流出。

参见图1，具体地，所述第三密封组件7为0型密封圈。

选用0型密封圈密封阀体1与下接头6之间的间隙，结构简单，密封效果好。

具体地，所述高压气体为高压氮气。

氮气无毒无害，容易取得，故在本实施例中使用高压氮气辅助压裂液进行压裂作业。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

1.一种井下混气压裂阀，用于通过高压气体辅助进行压裂作业，其特征在于，所述井下混气压裂阀包括：阀体、下接头、限位环、阀芯、第一弹簧、充气阀、第一密封组件及第二密封组件，所述阀体沿轴向设有通孔，所述下接头固定在所述阀体下端外部，所述限位环设置在所述阀体下端内部，且所述限位环与所述阀体固定连接，所述阀芯设置在所述阀体内部，所述阀芯与所述阀体同轴，所述阀芯沿轴向设有通孔，所述阀体上端内部设有第一内凸台，所述阀芯可相对所述阀体轴向做直线运动，所述阀芯通过所述第一内凸台及所述限位环轴向限位，所述阀芯外壁与所述阀体内壁之间形成气室，所述阀体下端内部设有第二内凸台，所述第二内凸台将所述气室分隔为上气室和下气室，所述第二内凸台上设有进气平衡孔，通过所述进气平衡孔连通所述上气室和所述下气室，所述阀体的侧壁上设有安装孔，所述充气阀设置在所述安装孔内，所述充气阀为单向阀，且所述充气阀与所述气室连通，所述第一密封组件设置在所述阀芯与所述阀体之间，且所述第一密封组件位于所述气室及所述充气阀上方，所述阀芯的下端设有外凸台，所述第二密封组件设置在所述外凸台上，且所述第二密封组件位于所述阀体与所述阀芯之间，所述阀体的下端内壁设有微型气道，压裂过程中，所述高压气体由所述气室经所述微型气道进入所述阀芯内部，当所述阀芯与所述限位环接触时，所述第二密封组件位于所述微型气道及所述限位环之间，所述第一弹簧设置在所述外凸台与所述第二内凸台之间，所述第一弹簧通过所述第二内凸台限位，所述阀芯通过所述第一弹簧复位。

2.根据权利要求1所述的井下混气压裂阀，其特征在于，所述充气阀包括充气阀座、阀杆及第二弹簧，所述充气阀座内部设有空腔，且所述充气阀座的一端设有充气孔，所述充气孔与所述空腔连通，所述充气阀座的另一端设有进气孔，所述进气孔与所述空腔连通，且所述进气孔与所述气室连通，所述阀杆包括杆部和头部，所述头部的尺寸大于所述杆部的尺寸，所述头部设置在所述空腔内，所述头部封堵在所述充气孔上，所述头部与所述空腔内壁配合形成面密封，所述杆部经所述进气孔伸出所述充气阀座，所述阀杆可相对所述充气阀座轴向运动，所述第二弹簧套在所述杆部外部，且所述第二弹簧位于所述头部与所述充气阀座之间，所述第二弹簧的外形尺寸大于所述进气孔的尺寸且小于所述头部的尺寸，所述头部通过所述第二弹簧封堵在所述充气孔上。

3.根据权利要求2所述的井下混气压裂阀，其特征在于，所述空腔设置所述充气孔的一侧内壁为圆弧形，且所述阀杆的所述头部为与所述空腔内壁相配的圆弧形。

4.根据权利要求1所述的井下混气压裂阀，其特征在于，所述第一密封组件、所述第二密封组件均为0型密封圈，所述阀芯上端外部设有第一密封槽，所述第一密封组件安装在所述第一密封槽内，所述外凸台上设有第二密封槽，所述第二密封组件安装在所述第二密封槽内。

5.根据权利要求1所述的井下混气压裂阀，其特征在于，所述阀体的中部内侧设有凹槽，所述凹槽与所述阀芯外壁形成所述气室，所述安装孔设置在所述凹槽的上方，所述第一密封组件设置在所述安装孔上方。

6.根据权利要求1所述的井下混气压裂阀，其特征在于，所述井下混气压裂阀还包括第三密封组件，所述第三密封组件设置在所述下接头与所述阀体之间，所述阀体下端外部设有第三密封槽，所述第三密封组件设置在所述第三密封槽内。

7.根据权利要求6所述的井下混气压裂阀，其特征在于，所述第三密封组件为0型密封圈。

8.根据权利要求1-7任一项权利要求所述的井下混气压裂阀，其特征在于，所述高压气体为高压氮气。