CN106968659A - 页岩油气水力压裂y型液力端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种页岩油气水力压裂Y型液力端，属于油田水力压裂装备技术领域。包括Y型液力端阀箱、安装在液力端阀箱内的吸入机构、排出机构和柱塞机构，吸入机构的中心线为第一中心线，排出机构的中心线为第二中心线，柱塞机构的中心线为第三中心线，第一中心线、第二中心线和第三中心线呈Y型分布，排出机构内的排出凡尔孔、吸入机构内的吸入凡尔孔和柱塞孔构成Y型内腔，液力端柱塞在柱塞孔内往复运动，液力端柱塞远离三条中心线交汇点时Y型内腔压力降低，压裂液由低压进液口经吸入凡尔孔进入，液力端柱塞靠近三条中心线交汇点时，柱塞将Y型内腔中的压裂液加压后由排出凡尔孔排出。
Description
技术领域
本发明属于油田水力压裂装备技术领域。
背景技术
页岩油气水力压裂施工是一项系统的增产工艺技术措施，通过地面压裂装备将压裂液压入井底并在地层3000米～4000米之间压开裂缝形成导流通道从而将无法产出的油气通过井筒采出。作为提供主要动力的压裂泵车是地面压裂装备的核心组成部分，而压裂泵车中的液力端是影响施工是否正常的关键所在，压裂液或者携砂液(携带有支撑剂的压裂液)经液力端低压进口吸入，柱塞往复运动将液力端腔体中的压裂液或者携砂液加压打出并通过高压管线和井口设备注入井底。继美国页岩油气开发取得重大突破以来，我国页岩油气勘探开发力度不断加大，开发成果不断扩大，水力压裂通过在地层深处形成网状裂缝油气通道成为效果最显著的页岩油气开发增产措施。
目前国内页岩油气开发水力压裂设备所采用液力端以T型液力端为主，吸入凡尔孔的中心线为第一中心线，排出凡尔孔的中心线为第二中心线，柱塞孔中心线为第三中心线，压盖孔中心线为第四中心线，第一中心线和第二中心线重合或平行，第三中心线和第四中心线重合或平行，第一中心线和第二中心线与第三中心线和第四中心线垂直切共面，故称为T型液力端。T型液力端在使用过程中，尤其是在页岩油气地层水力压裂过程中，由于施工排量远远大于常规砂岩，由6m3/min提升至18m3/min，地面施工压力由40～50MPa提升至80～90MPa，甚至在某些情况下存在地面施工压裂大于105MPa的现象，柱塞的往复运动加快，冲次提升，含有支撑剂、化学添加剂的携砂液对液力端的损伤加剧，在高压往复载荷作用下，T型液力端中心线连接处往往承受着剧烈磨损，由高强度合金钢锻造的液力端阀箱在相贯孔区域和压盖孔区域等多处产生疲劳裂缝。页岩油气地层水力压裂施工环境更为恶劣，施工时间加长，液力端阀箱经历周期性应力变化，在施工过程中受到严重磨损和疲劳损伤，使用寿命缩短，严重威胁到施工的正常进行和施工安全。
因此在页岩油气水力压裂施工环境下研究如何提高液力端的可靠性，寻找在复杂环境下延长液力端使用寿命的方法是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够适应页岩油气水力压裂施工复杂环境，并且具有高可靠性和长寿命的液力端。本发明的目的通过以下技术方案实现。
页岩油气水力压裂Y型液力端，包括Y型液力端阀箱、安装在液力端阀箱内的吸入机构、排出机构和柱塞机构，吸入机构包括吸入凡尔孔及其内部的吸入凡尔、支撑吸入凡尔的吸入凡尔座、低压砂包以及低压砂包上的低压进液口，排出机构包括排出凡尔孔及其内部的排出凡尔、支撑排出凡尔的排出凡尔座、排出堵头、排出压帽以及排出压帽上的高压出口，柱塞机构包括柱塞孔及其内部的动力端柱塞和液力端柱塞以及连接动力端柱塞和液力端柱塞的柱塞连接盘，吸入机构的中心线为第一中心线，排出机构的中心线为第二中心线，柱塞机构的中心线为第三中心线，其特征在于，第一中心线、第二中心线和第三中心线呈Y型分布，排出凡尔孔、吸入凡尔孔和柱塞孔构成Y型内腔，动力端通过曲轴驱动动力端柱塞，动力端柱塞通过柱塞连接盘驱动液力端柱塞在柱塞孔内往复运动，液力端柱塞远离三条中心线交汇点(中心点)时Y型内腔压力降低，压裂液由低压进液口经吸入凡尔孔进入，液力端柱塞靠近三条中心线交汇点时，柱塞将Y型内腔中的压裂液加压后由排出凡尔孔排出。本发明的页岩油气水力压裂Y型液力端，改变传统的中心线T型结构设计，去除第四中心线，改用第一、第二、第三中心线Y型连接的页岩油气水力压裂Y型液力端，避免了传统T型液力端中心连接点处的90°角对流冲击，降低了液力端的疲劳磨损和Y型内腔局部位置应力集中现象，提升了液力端使用寿命，保证了施工安全，可以满足页岩油气水力压裂大排量、高压力施工要求。
进一步地，每个Y型液力端阀箱包括多组相同的吸入机构、排出机构和柱塞机构。多组相同的吸入机构、排出机构和柱塞机构同时工作，可以加大压裂液排量，满足页岩油气水力压裂大排量施工要求。
进一步地，吸入机构还包括与吸入凡尔连接的吸入弹簧扶正器。柱塞向靠近中心点的方向运动时，Y型内腔中的液体压力升高，向吸入凡尔底面施加反向推力，在吸入弹簧扶正器的帮助下，吸入凡尔按照原路返回并重新与吸入凡尔座紧固连接，吸入凡尔、吸入凡尔座之间的空隙关闭，液体不会滤失。
进一步地，排出机构还包括与排出凡尔连接的排出弹簧扶正器。排出凡尔座与排出堵头之间的腔隙称为高压内腔，在页岩油气水力压裂施工过程中，高压内腔内的液体压力可达80～90MPa甚至更高，当柱塞向靠近中心点方向运动时，Y型内腔液体压力升高，液体压力作用在排出凡尔下表面，排出凡尔与排出凡尔座分离，高压液体经排出凡尔与排出凡尔座之间的空隙进入高压内腔，高压内腔中的高压液体经排出法兰进入高压管汇和井口，进而打入井底进行造缝。当柱塞向远离中心点方向运动时，Y型内腔液体压力降低，高压内腔中的液体压力作用在排出凡尔上表面，在排出弹簧扶正器的帮助下排出凡尔按照原路返回并与排出凡尔座紧固连接，高压内腔中的高压液体不会进入Y型内腔。
进一步地，液力端柱塞与Y型液力端阀箱本体连接处依次采用钢圈、软盘根、硬盘根、铜套嵌入连接密封。通过该设计，可以保证柱塞与Y型内腔在施工过程中的高强度密封，柱塞、柱塞连接盘以及钢圈、软盘根、硬盘根、铜套以第三中心线对称分布。
进一步地，动力端与Y型液力端阀箱除柱塞连接之外采用长杆螺栓紧固连接。
进一步地，吸入凡尔、吸入凡尔座和吸入弹簧扶正器以第一中心线对称分布，吸入凡尔为整体长杆结构，吸入凡尔与吸入凡尔座采用弹性材料软连接。与常规T型液力端结构不同，吸入凡尔去掉易损伤的支撑爪结构改为整体长杆，可以提高液力端的使用寿命。
进一步地，排出凡尔座、排出凡尔、排出弹簧扶正器、排出堵头、排出压帽以第二中心线对称分布，排出凡尔为整体长杆结构，排出凡尔与排出凡尔座连接处采用采用弹性材料软连接。与常规T型液力端结构不同，排出凡尔去掉易损伤的支撑爪结构改为整体长杆，可以提高液力端的使用寿命。
进一步地，所述弹性材料为聚氨酯胶皮。聚氨酯胶皮具有耐腐蚀、耐高温、耐高压、耐磨损的优异性能。
进一步地，将排出压帽替换为传感器压帽，可以进行压力的监测和采集。
进一步地，低压砂包以螺栓与Y液力端阀箱连接，低压进液口采用变径设计。低压砂包中的低压进液口是压裂液和携砂液的进入通道，低压进液口采用变径设计可以保证多组腔体的正常进液和无沉砂。
本发明主要可以取得以下有益效果：
(1)改变了四条中心线的T型设计，以三条中心线Y型连接避免了中心连接点处的90°角对流冲击，降低了液力端的疲劳磨损和Y型内腔局部位置应力集中现象，提升了液力端使用寿命，保证了施工安全，可以满足页岩油气水力压裂大排量、高压力施工要求。
(2)在动力端与液力端连接处一是采用柱塞连接盘连接，二是采用钢圈、软盘根、硬盘根、铜套嵌入连接密封，有效提升了连接强度和密封效果，延长了钢圈、软盘根、硬盘根、铜套使用寿命，降低了液力端维修维护时间和成本。
(3)改变了T型液力端中吸入凡尔和排出凡尔的支撑爪设计，采用长杆设计，避免了在施工过程中经常出现的爪断、爪裂现象，吸入凡尔和排出凡尔所采用的耐腐蚀、耐高温、耐高压、耐磨损聚氨酯胶皮可承受高强度的反复冲击，延长了凡尔使用寿命，降低了维修维护成本，保证了施工安全。
附图说明
图1是页岩油气水力压裂Y型液力端总成示意图。
图2是页岩油气水力压裂Y型液力端阀箱示意图。
附图标记：1-Y型液力端阀箱，2-第二中心线，3-第一中心线，4-第三中心线，5-排出凡尔座，6-排出凡尔，7-排出弹簧扶正器，8-排出堵头，9-排出压帽，10-吸入凡尔，11-吸入凡尔座，12-吸入弹簧扶正器，13-低压砂包，14-低压进液口，15-高压出口，16-柱塞，17-柱塞连接盘，18-排出凡尔孔，19-吸入凡尔孔，20-柱塞孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的页岩油气水力压裂Y型液力端其主要由以下部分构成：Y型液力端阀箱1，第一中心线2，第二中心线4，第三中心线3，排出凡尔座5，排出凡尔6，排出弹簧扶正器7，排出堵头8，排出压帽9，吸入凡尔10，吸入凡尔座11，吸入弹簧扶正器12，低压砂包13，低压进液口14，高压出口15，柱塞16，柱塞连接盘17，排出凡尔孔18，吸入凡尔孔19，柱塞孔20组成。
如图2所示，Y型液力端阀箱内由排出凡尔孔18、吸入凡尔孔19和柱塞孔20形成Y型内腔。
每个Y型液力端阀箱1包括五个相同的均匀分布的Y型液力端总成结构。结合图1所示，低压砂包13中的低压进液口14是压裂液和携砂液的进入通道，低压砂包13以螺栓与Y液力端阀箱1连接，低压进液口14采用变径设计，保证五个腔体的正常进液和无沉砂。柱塞16分为动力端柱塞和液力端柱塞，左端的动力端柱塞通过柱塞连接盘17与液力端柱塞连接，动力端21曲轴运动转换为柱塞16的往复冲次运动。排出凡尔孔18、吸入凡尔孔19、柱塞孔20构成Y型内腔，第一中心线3、第二中心线2、第三中心线4三线连接点称为中心点，液力端柱塞在Y型内腔柱塞孔20内往复运动，其远离中心点时Y型内腔压力降低，压裂液由低压进液口14经吸入凡尔孔19进入，其靠近中心点运动时，柱塞将Y型内腔中的压裂液由排出凡尔孔18加压排出。为保证柱塞与Y型内腔在施工过程中的高强度密封，在图1中液力端柱塞与Y型液力端阀箱1本体连接处依次采用钢圈、软盘根、硬盘根、铜套嵌入连接密封。
第三中心线4即为柱塞16中心线，柱塞孔20中的柱塞16、柱塞连接盘17，以及内部的钢圈、软盘根、硬盘根、铜套以第三中心线4对称分布。
在吸入凡尔孔19中吸入凡尔10、吸入凡尔座11、吸入弹簧扶正器12以第一中心线3对称分布。与常规T型液力端结构不同，吸入凡尔10去掉易损伤的支撑爪结构改为整体长杆，其与吸入凡尔座11连接处采用整圈耐腐蚀、耐高温、耐高压、耐磨损聚氨酯胶皮软连接。Y型内腔压力降低时，混砂车通过低压管汇和低压砂包13的低压进液口14向Y型内腔提供具有一定压力的压裂液，压裂液作用在吸入凡尔10承压面中，吸入凡尔10向靠近中心点的方向运动，压裂液由吸入凡尔10和吸入凡尔座11之间的空隙进入Y型内腔。柱塞16向靠近中心点的方向运动时，Y型内腔中的液体压力升高，向吸入凡尔10底面施加反向推力，在吸入弹簧扶正器12的帮助下，吸入凡尔10按照原路返回并重新与吸入凡尔座11紧固连接，吸入凡尔10、吸入凡尔座11之间的空隙关闭，液体不会滤失。
在排出凡尔孔18中排出凡尔座5、排出凡尔6、排出弹簧扶正器7、排出堵头8、排出压帽9以第二中心线2对称分布。与常规T型液力端结构不同，排出凡尔6去掉易损伤的支撑爪结构改为整体长杆，其与排出凡尔座5连接处采用整圈耐腐蚀、耐高温、耐高压、耐磨损聚氨酯胶皮软连接。排出凡尔座5与排出堵头8之间的腔隙称为高压内腔，在页岩油气水力压裂施工过程中，高压内腔内的液体压力可达80～90MPa甚至更高，当柱塞16向靠近中心点方向运动时，Y型内腔液体压力升高，液体压力作用在排出凡尔6下表面，排出凡尔6与排出凡尔座5分离，高压液体经排出凡尔6与排出凡尔座5之间的空隙进入高压内腔，高压内腔中的高压液体经排出法兰进入高压管汇和井口，进而打入井底进行造缝。当柱塞16向远离中心点方向运动时，Y型内腔液体压力降低，高压内腔中的液体压力作用在排出凡尔6上表面，在排出弹簧扶正器7的帮助下排出凡尔6按照原路返回并与排出凡尔座5紧固连接，高压内腔中的高压液体不会进入Y型内腔。
排出堵头8和排出压帽9联合作用，对高压内腔中的液体进行紧固密封，在施工需要时还可将排出压帽9替换为传感器压帽进行压力的监测和采集。
本发明在页岩气开发过程中累计水力压裂试验施工119段，无损伤使用寿命已超过300小时，钢圈、软盘根、硬盘根、铜套、吸入凡尔、吸入凡尔座、排出凡尔、排出凡尔座使用寿命均优于同期对比的T型液力端。施工过程中低压无砂堵，高压无刺漏，更适用于国内页岩油气水力压裂施工情况。
Claims (10)
1.页岩油气水力压裂Y型液力端，包括Y型液力端阀箱、安装在液力端阀箱内的吸入机构、排出机构和柱塞机构，吸入机构包括吸入凡尔孔及其内部的吸入凡尔、支撑吸入凡尔的吸入凡尔座、低压砂包以及低压砂包上的低压进液口，排出机构包括排出凡尔孔及其内部的排出凡尔、支撑排出凡尔的排出凡尔座、排出堵头、排出压帽以及排出压帽上的高压出口，柱塞机构包括柱塞孔及其内部的动力端柱塞和液力端柱塞以及连接动力端柱塞和液力端柱塞的柱塞连接盘，吸入机构的中心线为第一中心线，排出机构的中心线为第二中心线，柱塞机构的中心线为第三中心线，其特征在于，第一中心线、第二中心线和第三中心线呈Y型分布，排出凡尔孔、吸入凡尔孔和柱塞孔构成Y型内腔，动力端通过曲轴驱动动力端柱塞，动力端柱塞通过柱塞连接盘驱动液力端柱塞在柱塞孔内往复运动，液力端柱塞远离三条中心线交汇点时Y型内腔压力降低，压裂液由低压进液口经吸入凡尔孔进入，液力端柱塞靠近三条中心线交汇点时，柱塞将Y型内腔中的压裂液加压后由排出凡尔孔排出。
2.根据权利要求1所述的页岩油气水力压裂Y型液力端，其特征在于，每个Y型液力端阀箱包括多组相同的吸入机构、排出机构和柱塞机构。
3.根据权利要求1所述的页岩油气水力压裂Y型液力端，其特征在于，吸入机构还包括与吸入凡尔连接的吸入弹簧扶正器。
4.根据权利要求1所述的页岩油气水力压裂Y型液力端，其特征在于，排出机构还包括与排出凡尔连接的排出弹簧扶正器。
5.根据权利要求1所述的页岩油气水力压裂Y型液力端，其特征在于，液力端柱塞与Y型液力端阀箱本体连接处依次采用钢圈、软盘根、硬盘根、铜套嵌入连接密封，柱塞、柱塞连接盘以及钢圈、软盘根、硬盘根、铜套以第三中心线对称分布。
6.根据权利要求1所述的页岩油气水力压裂Y型液力端，其特征在于，动力端与Y型液力端阀箱除柱塞连接之外采用长杆螺栓紧固连接。
7.根据权利要求3所述的页岩油气水力压裂Y型液力端，其特征在于，吸入凡尔、吸入凡尔座和吸入弹簧扶正器以第一中心线对称分布，吸入凡尔为整体长杆结构，吸入凡尔与吸入凡尔座采用弹性材料软连接。
8.根据权利要求4所述的页岩油气水力压裂Y型液力端，其特征在于，排出凡尔座、排出凡尔、排出弹簧扶正器、排出堵头、排出压帽以第二中心线对称分布，排出凡尔为整体长杆结构，排出凡尔与排出凡尔座连接处采用采用弹性材料软连接。
9.根据权利要求7或8所述的页岩油气水力压裂Y型液力端，其特征在于，所述弹性材料为聚氨酯胶皮。
10.根据权利要求1所述的页岩油气水力压裂Y型液力端，其特征在于，将排出压帽替换为传感器压帽。
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