CN106285577B - 一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油田油井压裂技术领域，具体涉及一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器，它包括喷射器本体，以及可拆卸地连接于喷射器本体侧壁上的喷嘴，喷射器本体具有一中空腔，中空腔内设有一螺旋芯轴，螺旋芯轴与中空腔的内壁之间形成一供携砂液流动的环形间隙；螺旋芯轴的外表面设有呈阿基米德双螺旋线分布的螺旋流道；喷嘴的携砂液入口对准螺旋流道设置，喷嘴的携砂液出口连通至喷射器本体的外表面。该喷射器利用携砂液流经螺旋芯轴外表面的螺旋流道时产生的推力/冲力带动螺旋芯轴旋转，从而迫使携砂液在管内形成旋流状态，旋流进入喷射器各喷嘴产生高速射流，达到平衡上下游喷射器间砂浓度、流量、压力和高效射孔压裂的目的。
Description
技术领域
本发明涉及油田油井压裂技术领域，具体涉及一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器。
背景技术
当今，部分油田致密油气藏通常采用分段压裂分簇射孔水力喷射压裂管柱进行储层改造、试油、完井一体化作业，其中水力喷射器是实施水力喷射压裂工艺的关键工具，其性能优劣决定着水力喷射压裂施工的成功与否。目前，由于分段双簇水力喷射压裂施工过程中，双簇水力喷射器上、下游喷射器之间出现了颗粒砂浓度、流量、压力严重不均匀现象，并导致上游喷射器射不开套管和地层或射孔时间长、下游喷射器提前射开套管和地层且发生冲蚀失效，从而严重制约了分段双簇水力喷射压裂施工进度和效率。
发明内容
为了克服现有双簇水力喷射器上、下游喷射器之间出现的颗粒砂浓度、流量、压力严重不均匀的问题，本发明的其一目的在于提出一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器，该喷射器利用携携砂液流经螺旋芯轴外表面的螺旋流道时产生的推力/冲力带动螺旋芯轴旋转，从而迫使携携砂液在管内形成旋流状态，旋流进入喷射器各喷嘴产生高速射流，达到平衡上下游喷射器间砂浓度、流量、压力和高效射孔压裂的目的。本发明的另一目的，提供一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的使用方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器，包括喷射器本体，以及可拆卸地连接于所述喷射器本体侧壁上的喷嘴，所述喷射器本体具有一中空腔，所述中空腔内设有一螺旋芯轴，所述螺旋芯轴与所述中空腔的内壁之间形成一供携砂液流动的环形间隙；所述螺旋芯轴的外表面设有呈阿基米德双螺旋线分布的螺旋流道；所述喷嘴的携砂液入口对准所述螺旋流道设置，所述喷嘴的携砂液出口连通至喷射器本体的外表面。
优选的，所述螺旋流道为梯形槽、三角形槽或者半圆形槽。
优选的，所述螺旋流道表面镀有镍基合金层。
优选的，所述螺旋芯轴包括一中间螺旋部，由所述中间螺旋部上端面向外延伸而成的上定位部，由所述中间螺旋部的下端面向外延伸而成的下定位部。
优选的，所述上定位部上由内向外依次套设有上轴承和上轴承座；所述上轴承座与所述上轴承之间，所述上轴承与所述上定位部之间均过盈配合；所述下定位部上由内向外依次套设有下轴承和下轴承座，所述下轴承座与所述下轴承之间，所述下轴承与所述下定位部之间均过盈配合。
优选的，所述上轴承座和所述下轴承座均螺纹连接于所述喷射器本体内壁。
优选的，所述上轴承和所述下轴承均采用圆锥滚子轴承。
优选的，所述上轴承与所述中间螺旋部的上端面之间设有上密封组件，所述上密封组件包括由外向内依次套设于所述上定位部上的上密封盖板和上密封圈，所述上密封盖板上预设有上密封槽，所述上密封圈固定于所述上密封槽内。
优选的，所述下轴承与所述中间螺旋部的下端面之间设有下密封组件，所述下密封组件包括由外向内依次套设于所述下定位部上的下密封盖板和下密封圈，所述下密封盖板上预设有下密封槽，所述下密封圈固定于所述下密封槽内。
本发明的另一目的，提供一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的使用方法，包括以下步骤，
步骤1：首先油气水平井分段双簇水力喷射压裂施工前，根据施工设计中管柱结构组合要求连接好带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的双簇水力喷射压裂管柱；
步骤2：将上述双簇水力喷射压裂管柱下入到带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的设计井深位置；
步骤3：上述双簇水力喷射压裂管柱入井到位后，利用泵车进行清水循环洗井；
步骤4：然后提高泵车排量，将携砂液沿双簇喷射压裂管柱泵入带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器处，携砂液经过上轴承座和下轴承座流入螺旋芯轴外表面的螺旋流道中，随着螺旋芯轴的旋转，使旋流携砂液进入喷嘴，由喷嘴向外产生的高速携砂射流液喷射到套管内壁，形成井筒与地层连通的射孔通道；
步骤5：射开套管和地层后，继续提高泵车排量，开始进行水力压裂，按照设计压裂时间要求压裂后，再用顶替液将双簇喷射压裂管柱中压裂液全部替入地层，以完成储层压裂改造目的；
步骤6：待分段双簇水力喷射压裂施工完成后，上提出双簇喷射压裂管柱，及时拆卸、检查带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的各个零部件的使用情况。
本发明的有益效果：本发明的水力喷射器采用携砂液流经螺旋芯轴外表面的双螺旋流道时产生的推力/冲力带动螺旋芯轴旋转，从而迫使携砂液在喷射器形成旋流状态，旋流进入喷射器各喷嘴产生高速射流，达到平衡上下游喷射器间砂浓度、流量、压力和高效射孔压裂的目的，保证常规双簇水力喷射器上、下游喷嘴间砂浓度、流量、压力均匀，有效解决了双簇水力喷射器冲失效不均匀性难题，延长了双簇水力喷射器的使用寿命，显著提高了常规双簇水力喷射器射孔压裂效果，降低了因单个喷射器冲蚀损坏而增加重复起下钻的工作量和劳动强度，提高一趟钻施工成功率，实用性强，效果明显
附图说明
图1为本发明其中一实施例的带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的结构示
意图；
图2为图1中沿A-A方向的端面剖视图；
图3为图1中沿B-B方向的端面剖视图；
图中：1-喷射器本体；2-上轴承座；3-上轴承；4-上密封盖板；5-上密封圈；6-螺旋芯轴；7-喷嘴；8-下密封盖板；9-下密封圈；10-下轴承；11-下轴承座；12-中空腔；13-环形间隙；14-螺旋流道；15-中间螺旋部；16-上定位部；17-下定位部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
如图1和2所示，本发明实施例提供的一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器，包括喷射器本体1，以及可拆卸地连接于所述喷射器本体1侧壁上的喷嘴7，所述喷射器本体1具有一中空腔12，所述中空腔12内设有一螺旋芯轴6，所述螺旋芯轴6与所述中空腔12的内壁之间形成一供携砂液流动的环形间隙13；所述螺旋芯轴6的外表面设有呈阿基米德双螺旋线分布的螺旋流道14；所述喷嘴7的携砂液入口对准所述螺旋流道14设置，所述喷嘴7的携砂液出口连通至喷射器本体1的外表面。
本发明水力喷射器的工作原理是：携砂液通过流入螺旋芯轴6外表面螺旋流道14时，由于阿基米德双螺旋线分布的螺旋流道14使携砂液产生一定的动态推力或冲力，并带动螺旋芯轴6旋转，从而迫使携砂液在喷射器内形成旋流状态，沿螺旋芯轴6外表面的螺旋流道14流到每个喷嘴7中，实现上下游喷射器间砂浓度、流量、压力均匀和高效射孔压裂。
实施例2
在实施例1的基础上，如图1所示，所述螺旋芯轴6为实心轴，采用35CrMo制成，并经热处理HBW197～235。
所述螺旋芯轴6长度1100mm，外径40mm，所述喷射器本体1长度是1300mm，外径100mm，内径60mm，故喷射器本体1与螺旋芯轴6的之间形成的环形间隙13的宽度为20mm，采用如此小的一个宽度，使携砂液沿螺旋芯轴6外表面的螺旋流道14流到每个喷嘴7中，保证常规双簇水力喷射器上、下游喷嘴7间砂浓度、流量、压力均匀。
所述喷射器本体1上部和下部位均设有螺纹丝扣，扣型为2-7/8"EUE，每英寸8牙，锥度1:16。
实施例3
在实施例1的基础上，如图3所示，所述螺旋流道14为梯形槽、三角形槽或者半圆形槽，优选梯形槽，方便加工。
所述螺旋流道14表面镀有镍基合金层，以防止流体由于旋向的改变而引起螺旋流道14局部冲蚀。
所述双螺旋线沿顺时针方向，螺旋角45°，双螺旋螺距120mm，双螺旋线间距30mm，螺旋梯形槽长120mm，槽深5mm，槽底部宽度10mm，梯形角60°，采用这个尺寸的螺旋流道14不仅符合规范要求，而且有助于砂携砂液形成更合适的携砂液出口速度和携砂液出口角度。
实施例3
在实施例1的基础上，如图1所示，所述螺旋芯轴6包括一中间螺旋部15，由所述中间螺旋部15上端面向外延伸而成的上定位部16，由所述中间螺旋部15的下端面向外延伸而成的下定位部17。所述呈阿基米德双螺旋线分布的螺旋流道14设置在中间螺旋部15上。该螺旋芯轴6结构简单，便于加工和安装。
实施例4
在实施例3的基础上，如图1所述，所述上定位部16上由内向外依次套设有上轴承3和上轴承座2，所述上轴承座2与所述上轴承3之间，所述上轴承3与所述上定位部16之间均过盈配合；所述下定位部17上由内向外依次套设有下轴承10和下轴承座11，所述下轴承座11与所述下轴承10之间，所述下轴承10与所述下定位部17之间均过盈配合。其中过盈配合采用热胀冷缩法实现，采用过盈配合，结构简单、对中性好、承载能力大、承受冲击性能好。
本发明水力喷射器的工作原理是：携砂液通过上轴承座2和下轴承座11(上轴承座2和下轴承座11上均设有供携砂液进入的圆弧孔眼)流入螺旋芯轴6外表面螺旋流道14时，由于阿基米德双螺旋线分布的螺旋流道14使携砂液产生一定的动态推力或冲力，在上轴承3和下轴承10作用下带动螺旋芯轴6旋转，从而迫使携砂液在喷射器内形成旋流状态，沿螺旋芯轴6外表面的螺旋流道14流到每个喷嘴7中，实现上下游喷射器间砂浓度、流量、压力均匀和高效射孔压裂。
实施例5
在实施例4的基础上，如图1所述，所述上轴承座2和所述下轴承座11螺纹连接于所述喷射器本体1内壁，采用螺纹连接，密封可靠，且便于后续拆卸、更换和保养。
实施例6
在实施例4的基础上，如图1所述，所述上轴承3和所述下轴承10均采用圆锥滚子轴承。所述圆锥滚子轴承型号32904，外径37mm，内径20mm，厚度12mm，动态额定负载3.5kN。所述圆锥滚子轴承采用高碳铬轴承钢GCr15材料加工而成，具有很高的接触疲劳强度、高耐磨性和尺寸稳定性。所述圆锥滚子轴承加工时不允许有裂纹、气孔等缺陷。
实施例7
在实施例4的基础上，如图1所述，所述上轴承3与所述中间螺旋部15的上端面之间设有上密封组件，所述上密封组件包括由外向内依次套设于所述上定位部16上的上密封盖板4和上密封圈5，所述上密封盖板4上预设有上密封槽，所述上密封圈5固定于所述上密封槽内。通过设置上密封组件，可避免砂砾、液体进入上轴承3与上轴承座2之间。
所述下轴承10与所述中间螺旋部15的下端面之间设有下密封组件，所述下密封组件包括由外向内依次套设于所述下定位部17上的下密封盖板8和下密封圈9，所述下密封盖板8上预设有下密封槽，所述下密封圈9固定于所述下密封槽内。通过设置下密封组件，可避免砂砾、液体进入下轴承10与下轴承座11之间。
实施例8
在实施例1的基础上，所述喷嘴7共4个，设置在所述喷射器本体1靠近下端的位置上。所述喷嘴7与所述喷射器本体1通过螺纹方式连接，便于喷嘴7维护或损坏时更换。
每个喷嘴7直径6.3mm，采用耐冲蚀硬质合金碳化钨YG8材料，经热处理硬度达HRC92～95，耐腐蚀。
实施例9
为了克服现有双簇水力喷射器上、下游喷射器之间出现的颗粒砂浓度、流量、压力严重不均匀的问题，本发明实施例提供的一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：首先油气水平井分段双簇水力喷射压裂施工前，根据施工设计中管柱结构组合要求连接好带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的双簇水力喷射压裂管柱；
步骤2：将上述双簇水力喷射压裂管柱下入到带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的设计井深位置。
步骤3：上述双簇水力喷射压裂管柱入井到位后，利用泵车进行清水循环洗井，保证井筒机械杂质含量小于0.2％，井筒清洁干净。
洗车时，所述泵车的排量0.6～0.8m3/min、泵压25MPa。
步骤4：然后提高泵车排量(提高至1.8～2.0m3/min)，将携砂液(砂浓度为130～150kg/m3)沿双簇喷射压裂管柱泵入带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器处，携砂液经过上轴承座2和下轴承座11流入螺旋芯轴6外表面的螺旋流道14中，随着螺旋芯轴6的旋转，使旋流携砂液进入喷嘴7，由喷嘴7向外产生的高速携砂射流液喷射到套管内壁，形成井筒与地层连通的射孔通道。
在这个过程中，由于螺旋芯轴6采用的是双螺旋线分布的螺旋流道14，且环形间隙13小，携砂液产生一定的动推力或冲力，在上轴承3和下轴承10的作用下，迫使螺旋芯轴6旋转，实现携砂液在喷射器管内的旋流状态，藉喷嘴7恰好对准螺旋芯轴6的螺旋流道14位置，进而使旋流携砂液进入喷嘴7，由于喷嘴7孔径小，从而产生流速高达200m/s的高速射流，高速携砂射流液喷射到套管内壁达到射开套管和地层的目的，形成井筒与地层连通的射孔通道。
步骤5：射开套管和地层后，继续提高泵车排量(提高至2.4～3.0m3/min)，开始进行水力压裂，按照设计压裂时间要求压裂后，再用顶替液将双簇喷射压裂管柱中压裂液全部替入地层，以完成储层压裂改造目的。
步骤6：待分段双簇水力喷射压裂施工完成后，上提出双簇喷射压裂管柱，及时拆卸、检查带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的各个零部件的使用情况，用于保养或更换带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器，以便后续再次进行水力喷射压裂施工。
检查时，需着重检查螺旋芯轴是否冲蚀，所述喷嘴7是否冲蚀，所述上轴承3和所述下轴承10的灵活性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的使用方法，其特征在于：该带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器，包括喷射器本体（1），以及可拆卸地连接于所述喷射器本体（1）侧壁上的喷嘴（7），所述喷射器本体（1）具有一中空腔（12），所述中空腔（12）内设有一螺旋芯轴（6），所述螺旋芯轴（6）与所述中空腔（12）的内壁之间形成一供携砂液流动的环形间隙（13）；所述螺旋芯轴（6）的外表面设有呈阿基米德双螺旋线分布的螺旋流道（14）；所述喷嘴（7）的携砂液入口对准所述螺旋流道（14）设置，所述喷嘴（7）的携砂液出口连通至喷射器本体（1）的外表面；所述螺旋流道（14）为梯形槽、三角形槽或者半圆形槽；所述螺旋芯轴（6）包括一中间螺旋部（15），由所述中间螺旋部（15）上端面向外延伸而成的上定位部（16），由所述中间螺旋部（15）的下端面向外延伸而成的下定位部（17）；所述上定位部（16）上由内向外依次套设有上轴承（3）和上轴承座（2）；所述上轴承座（2）与所述上轴承（3）之间，所述上轴承（3）与所述上定位部（16）之间均过盈配合；所述下定位部（17）上由内向外依次套设有下轴承（10）和下轴承座（11），所述下轴承座（11）与所述下轴承（10）之间，所述下轴承（10）与所述下定位部（17）之间均过盈配合；
该方法包括以下步骤，
步骤1：首先油气水平井分段双簇水力喷射压裂施工前，根据施工设计中管柱结构组合要求连接好带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的双簇水力喷射压裂管柱；
步骤2： 将上述双簇水力喷射压裂管柱下入到带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的设计井深位置；
步骤3：上述双簇水力喷射压裂管柱入井到位后，利用泵车进行清水循环洗井；
步骤4：然后提高泵车排量，将携砂液沿双簇喷射压裂管柱泵入带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器处，携砂液经过上轴承座（2）和下轴承座（11）流入螺旋芯轴（6）外表面的螺旋流道（14）中，随着螺旋芯轴（6）的旋转，使旋流携砂液进入喷嘴（7），由喷嘴（7）向外产生的高速携砂射流液喷射到套管内壁，形成井筒与地层连通的射孔通道；
步骤5：射开套管和地层后，继续提高泵车排量，开始进行水力压裂，按照设计压裂时间要求压裂后，再用顶替液将双簇喷射压裂管柱中压裂液全部替入地层，以完成储层压裂改造目的；
步骤6：待分段双簇水力喷射压裂施工完成后，上提出双簇喷射压裂管柱，及时拆卸、检查带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的各个零部件的使用情况。
2.根据权利要求1所述的带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的使用方法，其特征在于：所述螺旋流道（14）表面镀有镍基合金层。
3.根据权利要求1所述的带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的使用方法，其特征在于：所述上轴承座（2）和所述下轴承座（11）均螺纹连接于所述喷射器本体（1）内壁。
4.根据权利要求1所述的带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的使用方法，其特征在于：所述上轴承（3）和所述下轴承（10）均采用圆锥滚子轴承。
5.根据权利要求1所述的带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的使用方法，其特征在于：所述上轴承（3）与所述中间螺旋部（15）的上端面之间设有上密封组件，所述上密封组件包括由外向内依次套设于所述上定位部（16）上的上密封盖板（4）和上密封圈（5），所述上密封盖板（4）上预设有上密封槽，所述上密封圈（5）固定于所述上密封槽内。
6.根据权利要求1所述的带有螺旋芯轴的旋流式水力喷射器的使用方法，其特征在于：所述下轴承（10）与所述中间螺旋部（15）的下端面之间设有下密封组件，所述下密封组件包括由外向内依次套设于所述下定位部（17）上的下密封盖板（8）和下密封圈（9），所述下密封盖板（8）上预设有下密封槽，所述下密封圈（9）固定于所述下密封槽内。
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