CN110608025A - 一种脉冲式喷射加砂工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种脉冲式喷射加砂工具，属于油气井开发领域。该脉冲式喷射加砂工具包括本体，在所述本体上开有通孔，在通孔内安装有转子；在所述本体上安装有喷嘴；在所述转子上开有过流槽；所述转子能够在本体的通孔内转动，在转动过程中，当过流槽与喷嘴对准时，流体通过过流槽进入喷嘴产生高速射流，当两者不对准时，喷嘴被转子堵住。本发明把连续的高速射流变为断续的脉冲式高速射流；本发明无需机械封隔，结构简单，工具可靠性高，可大幅度提高压裂增产效果；本发明有利于喷砂射孔压裂工艺的推广应用。

Description

一种脉冲式喷射加砂工具
技术领域
本发明属于油气井开发领域，具体涉及一种脉冲式喷射加砂工具，适用于各种直井、水平井，裸眼井、套管井等各种井型的喷砂射孔压裂作业。
背景技术
水力喷砂射孔压裂联作技术是近年来发展起来的一种油气井增产改造的新方法，依靠连续的磨料射流实现套管的射孔及喷射压裂作业。
中国专利文献“拖动式无封隔器水力喷射脉动酸压装置及方法”(CN102953719A)公开了一种在油气井储层中进行酸化压裂的装置及方法，通过喷枪上布置的自激振荡喷嘴形成高速的脉冲射流，快速形成定向射孔孔眼且避免射孔弹爆炸射孔产生的压实带，这种结构喷嘴内部结构复杂易磨损，寿命受限。中国专利文献“一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置及方法”(CN 104929605A)公开了一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置及方法，本发明能够在地面压裂车提供一定泵压、排量等施工参数的条件下，在井底产生大排量、低频率的脉冲流体注入，形成水锤效应，能够很好地利用脉冲能量破裂岩石，产生延伸范围更广的网状复杂裂缝，有效提高储层渗透率。
近几年研究表明脉冲式的压力波动可有效提高压裂改造效果。但是目前的水力喷射孔压裂联作技术只能实现连续的恒定射流，无法形成脉动压力。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种脉冲式喷射加砂工具，把连续的高速射流变为断续的脉冲式高速射流，无需机械封隔，结构简单，工具可靠性高，能够大幅度提高压裂增产效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种脉冲式喷射加砂工具，包括本体，在所述本体上开有通孔，在通孔内安装有转子；
在所述本体上安装有喷嘴；在所述转子上开有过流槽；
所述转子能够在本体的通孔内转动，在转动过程中，当过流槽与喷嘴对准时，流体通过过流槽进入喷嘴产生高速射流，当过流槽与喷嘴不对准时，喷嘴被转子堵住。
在所述本体上开有与其同轴线的中心通孔；
在所述本体的壁上开有至少一组安装孔；
每组安装孔包括至少一个喷嘴安装孔；
所述喷嘴安装孔将本体的中心通孔与本体的外部连通；
在每个所述喷嘴安装孔内安装有所述喷嘴。
所述转子为圆筒状结构，其与本体同轴线安装；
在所述转子对应本体上的每组安装孔的位置，开有一组过流槽；
每组过流槽包括至少一个过流槽；
相邻两组过流槽之间有角度差。
所述脉冲式喷射加砂工具包括定子，其安装在本体的中心通孔内并与本体同轴线设置；
在所述定子上开有至少一个过流孔，所述过流孔从定子的一端贯穿到另一端；
所有过流孔的轴线和与定子的中心轴线垂直的截面形成相同的夹角，夹角为40°-60°；
每个过流孔的轴截面均与定子的中心轴线平行；
所述过流孔产生的压差在5MPa以内。
优选地，在所述定子上开有4-8个过流孔，所有过流孔在圆周上均匀分布。
在所述转子的一端设置有挡片，所述挡片向转子的内腔中凸起；
流体通过定子上的过流孔后，直接冲击转子上的挡片，推动转子转动；
所述挡片的数量与定子上的过流孔的数量相同。
优选地，在所述本体的壁上开有两组安装孔，每组安装孔包括四个在圆周上均布的喷嘴安装孔；
每组中的四个喷嘴安装孔的轴线均与本体的中心轴线垂直，且位于同一个平面内；
第一组安装孔的四个喷嘴安装孔的轴线所在的平面与第二组安装孔的四个喷嘴安装孔的轴线所在的平面平行；
每个所述喷嘴安装孔包括连通的大径段和小径段，所述大径段的端面位于本体的外壁上，小径段穿过本体的壁后与本体的中心通孔连通；
所述大井段的直径大于小径段的直径。
所述喷嘴包括连成一体的圆柱体和环形边缘，所述环形边缘设置在圆柱体一端的外壁上；所述环形边缘的外径大于圆柱体的外径；
在所述圆柱体上开有与其同轴线的中心通孔；所述中心通孔包括依次连通的圆形孔和锥度孔；
在圆柱体的外圆柱面上设有螺纹，在所述本体上的喷嘴安装孔的小径段的内壁设有螺纹，喷嘴通过螺纹安装在喷嘴安装孔内，此时喷嘴的环形边缘位于喷嘴安装孔的大径段内；
所述锥度孔与本体的中心通孔连通；
所述喷嘴的圆形孔的内径为4-6mm；
所述转子的过流槽的宽度与喷嘴的圆柱体的外径相同；
在所述喷嘴的螺纹上涂抹有螺纹密封胶。
优选地，在所述转子上开有两组过流槽；
每组过流槽包括两个在圆周上对称设置的过流槽；
第一组过流槽中的两个过流槽的中心连线、第二组过流槽中的两个过流槽的中心连线均与转子的中心轴线垂直，且两者在圆周上相差90度。
所述脉冲式喷射加砂工具包括挡环；所述挡环为圆环状结构，在其外壁上设有螺纹；
在所述定子的外壁上设有螺纹；
在所述本体的中心通孔的内壁的两端分别设有螺纹；
所述定子、挡环分别通过螺纹安装在所述本体的中心通孔的两端；
在所述本体的中心通孔的内壁设置有倒角，所述倒角位于定子与转子之间；
所述转子的一端被倒角挡住，另一端被挡环挡住。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过对水力喷射器结构的全新设计，把连续的高速射流变为断续的脉冲式高速射流；
本发明结合了射流技术及脉冲技术，充分利用了射流压裂的定点定向起裂特性，又利用了脉冲压力波动能够产生复杂裂缝的特性；
本发明无需机械封隔，结构简单，工具可靠性高，可大幅度提高压裂增产效果；
本发明有利于喷砂射孔压裂工艺的推广应用。
附图说明
图1是本发明脉冲式喷射加砂工具的结构示意图
其中：1.定子、2.本体、3.喷嘴、4.转子、5.挡环
图2-1是图2-2中的A-A剖面图
图2-2是本发明脉冲式喷射加砂工具中的定子的结构示意图
图3-1是本发明脉冲式喷射加砂工具中的本体的结构示意图
图3-2是图3-1中的A-A剖面图
图4-1是本发明脉冲式喷射加砂工具中的喷嘴的主视图
图4-2是本发明脉冲式喷射加砂工具中的喷嘴的左视图
图5-1是本发明脉冲式喷射加砂工具中的转子的左视图
图5-2是本发明脉冲式喷射加砂工具中的转子的主视图
图5-3是图5-2中的A-A剖面图
图5-4是图5-2中的B-B剖面图
图6-1是本发明脉冲式喷射加砂工具中的挡环的结构示意图
图6-2是图6-1中的A-A剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明涉及一种脉冲式喷射加砂工具，适用于直井、水平井，裸眼井、套管井等各种井型的喷砂射孔压裂作业。本发明通过对喷射器本体进行改进，通过脉冲式喷砂射孔及喷射压裂，大幅度提高喷砂射孔及压裂的效率，同时脉冲式的压力波动提高了储层裂缝的复杂程度，形成复杂裂缝系统，有效提高压裂增产效果。
本发明脉冲式喷射加砂工具包括本体，在所述本体上开有通孔，在通孔内安装有转子；在所述本体上安装有喷嘴；在所述转子上开有过流槽；所述转子能够在本体的通孔内转动；转子转动时，当过流槽与喷嘴对准时，流体通过过流槽进入喷嘴产生高速射流，当两者不对准时，喷嘴被转子堵住。转子的转动可以采用多种方式来实现，例如可以通过马达实现，使转子自动转动，或者利用流体的推动力进行转动。
如图1所示，本实施例中的脉冲式喷射加砂工具主要包括定子1、本体2、喷嘴3、转子4及挡环5，定子1与本体2通过螺纹连接固定，挡环5与本体2通过螺纹连接，转子4可以在本体5内部转动，喷嘴3与本体2螺纹连接固定并在螺纹上涂抹螺纹密封胶。
如图2-1和图2-2所示，所述定子1上开有多个过流孔，过流孔在圆周上优选是均匀分布，因为流体通过均匀分布的过流孔后对挡片的冲击也是比较均匀的，转子的转动也就随之比较较稳定；过流孔的数量优选为4-8个，过流孔的轴线与截面(该截面是指与工具的中心轴线垂直的截面)不垂直，而是有一定夹角，夹角为40°-60°，所有过流孔的角度都一样的。各个过流孔的轴截面都与本体的中心轴线平行，如图2-1和图2-2所示。
过流孔产生的压差要控制在5MPa之内，可以通过下面的结构实现：
根据孔眼摩阻计算公式：其中，Q为泵注排量(m3/s)；Np为孔眼数目(个)；dF为孔眼直径(cm)；Cd为孔眼流量系数，无因次，取值0.8-0.9；hf2为孔眼前后压差(MPa)；ρf为液体密度(g/m3)。排量Q是根据压裂作业设计确定，流量系数Cd可查阅公开资料得到，一般取值0.85即可，将孔眼直径与孔眼数(4-8个)匹配好，利用上述公式计算得到的结果满足压差要求即可。
如图3-1和图3-2所示，在本体2上开有与其同轴线的中心通孔，还开有两组安装孔，每组安装孔包括4个在圆周上均布的喷嘴安装孔，4个喷嘴安装孔的轴线均与本体的中心轴线垂直，且每组中的4个喷嘴安装孔的轴线位于同一个平面内，第一组安装孔的4个喷嘴安装孔的轴线所在的平面与第二组安装孔的4个喷嘴安装孔的轴线所在的平面平行。每个喷嘴安装孔包括连通的大径段和小径段，所述大径段的端面位于本体的外壁上，小径段穿过本体的壁后与本体的中心通孔连通。在本体的中心通孔的两端分别设有螺纹。安装孔的组数以及每组安装孔中的喷嘴安装孔的数量可以根据实际需要进行设计。
如图4-1和图4-2所示，所述喷嘴3为圆柱体结构，在圆柱体上开有与其同轴线的中心通孔，所述中心通孔包括依次连通的圆形孔和锥度孔，在圆柱体的一端设有环形边缘，所述环形边缘的外径大于圆柱体的外径，在圆柱体的外圆柱面上开有螺纹，在所述本体上的喷嘴安装孔的小径段的内壁也设有螺纹，喷嘴通过螺纹连接安装在喷嘴安装孔内，此时环形边缘位于喷嘴安装孔的大径段内，圆柱体位于喷嘴安装孔的小径段内，所述锥度孔与本体的中心通孔连通。所述喷嘴的内径需要保证喷嘴出口流速在180m/s以上，用流量Q除以同时射流的喷嘴内通径的过流面积得到喷嘴的内径为一般为4-6mm，转子的过流槽的宽度与喷嘴圆柱体的外径相同。
如图5-1到图5-4所示，转子4上面设置有挡片，流体通过定子上过流孔后(过流孔的角度是为了让水流呈一定角度冲击挡片，使挡片旋转)，直接冲击转子4上的挡片(挡片优选为在圆周上均匀分布)，在流体推力的作用下，转子4开始转动。挡片的数量与定子上的过流孔的数量相同。
转子在安装后对应喷嘴的位置，开有两组过流槽，如图5-2中的A、B截面位置所示，每组过流槽包括两个在圆周上对称设置的过流槽，两组过流槽在圆周上相差90度，当转子位于图5-3的位置时，第一组喷嘴安装孔中的上、下两孔是有射流的，但是左、右两孔是被堵住的，也就是说位于同一个平面上的4个喷嘴始终是两个有射流，两个被堵住。随着转子4的转动，转子4上的开有过流槽的位置与未开过流槽的位置轮流更替地经过喷嘴位置，当开有过流槽的位置与喷嘴位置一致时候，流体通过喷嘴产生高速射流，而当未开过流槽的位置经过该喷嘴时封堵喷嘴孔眼，喷嘴不产生高速射流，如此更替，喷嘴便产生周期性的脉冲射流，进而在储层中形成不连续的脉冲压力波动。转子的一端通过本体中心通孔内的倒角段挡住，另一端通过挡环挡住。
所述挡环5用于防止转子4从本体内脱落。如图6-1和图6-2所示，所述挡环5为环状结构，在其外壁上设有螺纹，其通过螺纹与本体的中心通孔连接。为了安装方便，在挡环5上设有装配工艺孔。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：所述脉冲式喷射加砂工具包括本体，在所述本体上开有通孔，在通孔内安装有转子；
在所述本体上安装有喷嘴；在所述转子上开有过流槽；
所述转子能够在本体的通孔内转动，在转动过程中，当过流槽与喷嘴对准时，流体通过过流槽进入喷嘴产生高速射流，当过流槽与喷嘴不对准时，喷嘴被转子堵住。
2.根据权利要求1所述的脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：在所述本体上开有与其同轴线的中心通孔；在所述本体的壁上开有至少一组安装孔；
每组安装孔包括至少一个喷嘴安装孔；所述喷嘴安装孔将本体的中心通孔与本体的外部连通；
在每个所述喷嘴安装孔内安装有所述喷嘴。
3.根据权利要求2所述的脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：所述转子为圆筒状结构，其与本体同轴线安装；
在所述转子对应本体上的每组安装孔的位置，开有一组过流槽；
每组过流槽包括至少一个过流槽；
相邻两组过流槽之间有角度差。
4.根据权利要求3所述的脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：所述脉冲式喷射加砂工具包括定子，其安装在本体的中心通孔内并与本体同轴线设置；
在所述定子上开有至少一个过流孔，所述过流孔从定子的一端贯穿到另一端；
所有过流孔的轴线和与定子的中心轴线垂直的截面形成相同的夹角，夹角为40°-60°；
每个过流孔的轴截面均与定子的中心轴线平行；
所述过流孔产生的压差在5MPa以内。
5.根据权利要求4所述的脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：在所述定子上开有4-8个过流孔，所有过流孔在圆周上均匀分布。
6.根据权利要求4所述的脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：在所述转子的一端设置有挡片，所述挡片向转子的内腔中凸起；
流体通过定子上的过流孔后，直接冲击转子上的挡片，推动转子转动；
所述挡片的数量与定子上的过流孔的数量相同。
7.根据权利要求2所述的脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：在所述本体的壁上开有两组安装孔，每组安装孔包括四个在圆周上均布的喷嘴安装孔；
每组中的四个喷嘴安装孔的轴线均与本体的中心轴线垂直，且位于同一个平面内；
第一组安装孔的四个喷嘴安装孔的轴线所在的平面与第二组安装孔的四个喷嘴安装孔的轴线所在的平面平行；
每个所述喷嘴安装孔包括连通的大径段和小径段，所述大径段的端面位于本体的外壁上，小径段穿过本体的壁后与本体的中心通孔连通；
所述大井段的直径大于小径段的直径。
8.根据权利要求2、3或7所述的脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：所述喷嘴包括连成一体的圆柱体和环形边缘，所述环形边缘设置在圆柱体一端的外壁上；所述环形边缘的外径大于圆柱体的外径；
在所述圆柱体上开有与其同轴线的中心通孔；所述中心通孔包括依次连通的圆形孔和锥度孔；
在圆柱体的外圆柱面上设有螺纹，在所述本体上的喷嘴安装孔的小径段的内壁设有螺纹，喷嘴通过螺纹安装在喷嘴安装孔内，此时喷嘴的环形边缘位于喷嘴安装孔的大径段内；
所述锥度孔与本体的中心通孔连通；
所述喷嘴的圆形孔的内径为4-6mm；
所述转子的过流槽的宽度与喷嘴的圆柱体的外径相同；
在所述喷嘴的螺纹上涂抹有螺纹密封胶。
9.根据权利要求7所述的脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：在所述转子上开有两组过流槽；
每组过流槽包括两个在圆周上对称设置的过流槽；
第一组过流槽中的两个过流槽的中心连线、第二组过流槽中的两个过流槽的中心连线均与转子的中心轴线垂直，且两者在圆周上相差90度。
10.根据权利要求4或5所述的脉冲式喷射加砂工具，其特征在于：所述脉冲式喷射加砂工具包括挡环；所述挡环为圆环状结构，在其外壁上设有螺纹；
在所述定子的外壁上设有螺纹；
在所述本体的中心通孔的内壁的两端分别设有螺纹；
所述定子、挡环分别通过螺纹安装在所述本体的中心通孔的两端；
在所述本体的中心通孔的内壁设置有倒角，所述倒角位于定子与转子之间；
所述转子的一端被倒角挡住，另一端被挡环挡住。
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