CN111350480B - 一种压裂系统及支撑剂投加方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压裂系统及支撑剂投加方法，包括对压裂液提供压裂所需高压的压裂泵、支撑剂投加装置和高压压裂液输送管道，高压压裂液输送管道和压裂泵出口相连；所述支撑剂投加装置包括支撑剂投放容器，所述支撑剂投加装置设置有支撑剂入口和支撑剂出口，高压压裂液输送管道设置支撑剂投入接口，支撑剂出口和高压压裂液输送管道支撑剂接口自上而下布置，对于同一支撑剂投放容器，其支撑剂进料状态和投放支撑剂状态轮替地处在不同时刻。本发明支撑剂在投加过程中主要依靠重力，无高压泵增压输送环节，对设备的损耗小，能显著提高高压压裂泵的使用寿命、提高压裂作业工作效率。

Description

一种压裂系统及支撑剂投加方法

技术领域

本发明属于压裂领域，尤其是涉及压裂系统、压裂作业过程中支撑剂的投加装置及投加方法。

背景技术

在油气工业的完井操作作业中，常常采用水力压裂(通常称作“Fracking”或“Fracing”)以增加岩层中的油气释放。通常压裂系统的工作压力从35MPa到140MPa。水力压裂施工过程中，一般由混配车连续配液提供具有一定粘度和携砂能力的滑溜水和线性胶压裂液，混砂车将支撑剂(支撑剂包括100目数的粉砂，40～70目数的中砂和30～50目数的粗砂、陶瓷粒)和压裂液混合均匀形成携砂液并将携砂液传输给压裂泵车，作为压裂施工“心脏”的压裂泵车通过台上发动机提供动力将携砂液由液力端低压端吸入，经柱塞加压后由液力端高压端排出，高压携砂液流经地面高压管汇进入井口，进而到达井底实现人工造缝，实现更多的油气释放，同时支撑剂进入人工造缝防止和减少压裂液减压时人工造缝闭合。由于支撑剂的存在，使柱塞和配流阀磨损严重，20多个小时就需要更换柱塞，使得压裂泵使用寿命大大缩短，频繁更换压裂泵柱塞和配流阀等组件显著增压了开采作业成本，也大大降低了压裂泵的有效工作时间。如何寻找合适的加支撑剂方式和设备，在提高压裂泵柱塞和配流阀的寿命、降低高压泵的制造成本，同时保证施工压力的平稳、保证达到施工工艺要求、完成安全施工，同时达到预期的增产效果成为目前面临的大问题。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种压裂系统，其系统结构简单，设备在运行过程中不容易受到支撑剂对其的损耗。为此，本发明采用以下技术方案：

一种压裂系统，用于油气井的完井操作作业，包括对压裂液提供压裂所需高压的压裂泵、支撑剂投加装置和高压压裂液输送管道，高压压裂液输送管道和压裂泵出口相连；其特征在于：所述支撑剂投加装置包括支撑剂投放容器，所述支撑剂投加装置设置有支撑剂入口和支撑剂出口，高压压裂液输送管道设置支撑剂投入接口，支撑剂出口和高压压裂液输送管道支撑剂接口自上而下布置，所述支撑剂投放容器的进料侧和出料侧均被配置有阀门装置，以使支撑剂投放容器处于支撑剂进料状态和投放支撑剂状态，并能对于同一支撑剂投放容器，使其支撑剂进料状态和投放支撑剂状态轮替地处在不同时刻。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述支撑剂投加装置通过支撑剂投出连接管路呈支路供料的形式连接到压裂系统的高压压裂液输送管道的支撑剂投入接口；所述支撑剂出口同时也作为与高压压裂液输送管道连通的流通口。采用本发明的这种支路连接方式投加支撑剂，只需要与压裂作业流量相适配的支撑剂通过支撑剂投加装置进入高压压裂液系统，同时只需要理论上与支撑剂相等体积的高压压裂液通过支撑剂投加装置排出高压压裂液系统，概况地说本发明本质上是用来完成固体支撑剂与高压液体等体积交换的装置，这样的技术方案，一方面使支撑剂投加装置体积紧凑，进一步地为支撑剂主要依靠重力、单向地从上到下、间歇、可停留地进入高压压裂液创造便利的条件，其中支路连接是本发明向高压压裂系统单向投加支撑剂的重要便利条件，其中间歇、可停留是为避免支撑剂与支撑剂投加装置的阀门或阀门装置干涉、磨损的重要便利条件。

所述支撑剂投放容器设置有连通口，所述连通口通过高压连接管道和高压压裂液输送管道连接并设置有阀门，以在支撑剂投放容器处于进料状态时关闭连通口，在支撑剂投放容器处于投放支撑剂状态时，先于支撑剂出口打开。

所述支撑剂投放容器包括支撑剂容置部和设置有流通孔的阀板，所述支撑剂投加装置设置有驱动装置，所述驱动装置和支撑剂容置部或所述阀板连接，使支撑剂容置部和所述阀板能够相对旋转或相对直线运动，并通过所述相对旋转或相对直线运动，使所述流通孔与支撑剂容置部接通或不接通，形成所述支撑剂投放容器的进料侧阀门装置和出料侧阀门装置。

所述支撑剂投加装置设置有支撑剂投放容器的定量加料装置，所述定量加料装置的所定加料量或容量小于支撑剂投放容器的容量。

所述支撑剂投加装置设置有支撑剂投放容器的定量加料装置，所述定量加料装置的所定加料量或容量小于支撑剂投放容器的容量，并且，所述支撑剂投加装置设置有连接在一起的高压壳体和低压壳体，所述高压壳体和低压壳体之间由阀板隔开，低压壳体在上，高压壳体在下，低压壳体设置所述定量加料装置，高压壳体设置支撑剂投放容器，所述低压壳体具有置换液体的出口。

所述支撑剂投加装置设置有支撑剂投放容器的定量加料装置，所述定量加料装置的所定加料量或容量小于支撑剂投放容器的容量；定量加料装置和所述支撑剂投放容器进料侧的阀门装置相连，所述支撑剂投放容器设置有排气出口和置换液体出口并配置相应阀门。

支撑剂投加装置可以设有多个并联的支撑剂投加容器，各支撑剂投加容器分时处在支撑剂进料状态和投放支撑剂状态，或者呈组地分时处在支撑剂进料状态和投放支撑剂状态。

多个支撑剂投放容器的支撑剂容置部围绕轴布置并处在同一圆周上或直线；所述阀板的流通孔按照顺序被分时配置给支撑剂容置部，按照顺序接通和关闭支撑剂容置部。

支撑剂容置部、容置部支撑部、支撑剂入口阀、支撑剂出口阀、入口阀板和出口阀板，全部或部分处于高压压裂液的高压压力环境中，以形成最小的转动或往复运动组件形变、提高装置的容积效率和可实现性。

支撑剂出口和支撑剂出口阀或阀板、高压压裂液输送管道的支撑剂进入部位设置在支撑剂容置部下方，支撑剂依靠重力和压裂液的润滑、浮力的综合作用从支撑剂容器投入高压压裂液输送管道，所述支撑剂密度大于压裂液密度。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种支撑剂投加方法，控制简单，且对设备损耗小。为此，本发明采用以下技术方案：

一种支撑剂投加方法，其特征在于：

压裂泵将压裂液增压到高压压裂液，通过高压压裂液输送管道连续向井中输送；

将已有支撑剂储备但支撑剂不加满的支路支撑剂投放容器与高压压裂液输送管道连通，使该容器中的液体与高压压裂液输送管道中的高压压裂液连通，该容器中的支撑剂混在液体中，所述支撑剂密度大于压裂液密度及所述液体密度，所述支撑剂依靠自身重力或再借助压裂液的物理性质的帮助，被从上方加入到高压压裂液输送管道中的连续流中，通过高压压裂液输送管道向井中输送。

进一步地，所述容器在与高压压裂液输送管道连通投加支撑剂时，除了与高压压裂液输送管道连通外，与外界隔离。

进一步地，所述支撑剂投放容器中的支撑剂被一次性投放完或分次投放完，在投放完或投放间歇，切断与高压压裂液输送管道的连通，再打开所述支撑剂投放容器的支撑剂入口进行支撑剂进料。

进一步地，支撑剂投加的工作周期中包含4个状态：

(1)第一状态：支撑剂投放容器的支撑剂入口打开、支撑剂出口关闭，支撑剂能通过支撑剂入口加入到支撑剂投放容器中；

(2)第二状态：在支撑剂投放容器装入适量的支撑剂后，支撑剂入口关闭，保持支撑剂出口关闭；

(3)第三状态：支撑剂出口打开，高压压裂液进入支撑剂投放容器，支撑剂投放容器内的液体和高压压裂液输送管道内的高压压裂液连通，支撑剂依靠重力或再借助压裂液的润滑、浮力的综合作用，通过支撑剂出口进入高压压裂液管道；

(4)第四状态：排尽支撑剂或中间停止向高压压裂液管道投放支撑剂期间，支撑剂出口和支撑剂入口关闭；

其中，第一状态和第三状态需要的时间与支撑剂投放容器的大小、深度、支撑剂投放容器入口阀大小、支撑剂投放容器出口阀大小、支撑剂与压裂液的密度有关，第二状态和第四状态用来隔离第一状态的低压状态和第三状态的高压状态以防止高压部分与低压部分直接连通，或者第二状态还用来进行支撑剂投放容器均压。

由于采用本发明的技术方案，对于从35MPa到140MPa常用压裂作业压力下的投料，本发明无需用高压泵直接对支撑剂泵送增压投加，支撑剂在投加过程中主要依靠重力，无高压泵增压输送环节，不会对高压泵直接接触而对泵产生零部件损耗，且容易控制，对设备的损耗小，能显著提高高压压裂泵的使用寿命、提高压裂作业工作效率。

附图说明

图1为本发明水力压裂系统一种实施方式的原理示意图。

图2为图1所示实施方式的结构进一步详细的示意图。

图3为本发明水力压裂系统另一种实施方式的原理示意图。

图4为图3所示实施方式中支撑剂容置部投放支撑剂时，带底座70的支撑剂投加装置的纵向剖视图。

图5为图3所示实施方式中支撑剂容置部加入支撑剂时，不带底座70的支撑剂投加装置的纵向剖视图。

图5a为图5中A-A方向的剖视图，图5b为图5中B-B方向的剖面图，图5c为图5中C-C方向的剖面图，图5d为图5中D-D方向的剖面图，图5e为图5中E-E方向的剖面图。

图6a-6c分别为支撑剂从低压计量转子流通孔落下进入高压工作转子流通孔的开始状态、中间状态、最终状态整个过程的示意图。

图7a-7c为支撑剂从低压壳体落下进入低压计量转子流通孔的开始状态、中间状态、最终状态整个过程，同时支撑剂从高压工作转子流通孔落下进入高压壳体高压区HP的开始状态、中间状态、最终状态整个过程的示意图。

具体实施方式

实施例1，参照图1、2。

图1示出了一种压裂系统，包括：对压裂液提供压裂所需高压的压裂泵200，支撑剂投加装置和高压压裂液输送管道201，高压压裂液输送管道和压裂泵出口相连；所述支撑剂投加装置包括支撑剂投放容器100，所述支撑剂投放容器设置有支撑剂入口和支撑剂出口，高压压裂液输送管道设置支撑剂投入接口，支撑剂出口和高压压裂液输送管道支撑剂接口自上而下布置。

在本实施例中，所述支撑剂投加装置的支撑剂入口10.X设置在支撑剂投放容器100的上方，但是，也可以设置在支撑剂投放容器100的中部或者下部，且均落在本发明的保护范围内。

所述支撑剂投加装置的支撑剂出口10.Z设置在支撑剂投放容器100的的下方，支撑剂能主要依靠重力从支撑剂投放容器100的内投出并直接加入高压压裂液输送管道201中，并由高压压裂液输送管路运输至压裂井300中。

所述支撑剂投放容器的进料侧和出料侧分别配置有阀门V1、V3，阀门装置V1、V3的开启不同时，对于同一支撑剂投放容器，使其投放支撑剂状态和支撑剂进料状态轮替地处在不同时刻。

对于图1、2所示实施例，还可设置排气口10.Y并设置阀门V2。另外，还可设置补液口10.A并设置阀门V4，排气口10.Y处在支撑剂投放容器100的最高处。

参照图2。其具体显示了应用于图1的支撑剂投加装置。其支撑剂投放容器100下部呈锥斗形。在其底部设置支撑剂投加装置的支撑剂出口10.Z并配置有阀门V3，支撑剂出口10.Z通过管道和其下方的高压压裂液输送管道的支撑剂投入接口相连。在支撑剂投放容器100的上方设置所述支撑剂投加装置的支撑剂入口10.X并配置有阀门V1。其中，附图标号400为支撑剂。

在支撑剂投放容器100还设置补液口10.A，其通过管路和高压压裂液输送管道201相连，并配置有阀门V4。支撑剂投放容器100的顶部还设有排气口10.Y和排气阀V2。

在支撑剂投放容器100的顶部还设有排液口10.B和排液阀V5，支撑剂分别可以用水、空气、其他液体或气体作为载体或直接加入支撑剂投放容器100，在支撑剂投放容器100装入支撑剂的过程中，通过排液口10.B和排液阀V5分别排出大部分的水、空气、其他液体或气体。

此外，在以上的基础上，还可以设置支撑剂计量设备，在支撑剂入口的前序流程，设置支撑剂计量设备，每次投加的支撑剂的量，优选地事先用支撑剂储槽、或其他量具测量好，全部加入排尽支撑剂的支撑剂投放容器100；在以上的基础上，还可以设置支撑剂排出检测设备，在阀门V3下方管道设置检测装置，检测支撑剂排出情况，如支撑剂已排尽，则控制相应阀门开启、关闭以切换到进料状态，相应泵开启，向支撑剂投放容器100加入支撑剂。

工作步骤说明如下：

在本发明工作过程中，压裂泵将压裂液增压成高压压裂液，通过高压压裂输送管以连续流的形式连续向井中输送。在这过程中：

1、支撑剂投放容器100内装载支撑剂

使用投加装置依靠重力投尽支撑剂后，其支撑剂投放容器100内依然充满液体，关闭阀门V3、阀门V4，开启阀门V2，使筒体处于常压状态，然后开启支撑剂入口阀门V1、排液阀V5，关闭排气阀门V2；开启支撑剂输送泵P6、支撑剂料罐101的出口阀V6并将支撑剂料罐101内的支撑剂载体和支撑剂的混合物泵入支撑剂入口10.X，经过滤的支撑剂载体通过排液阀V5回流到支撑剂料罐101内，直至罐内的支撑剂基本全部进入支撑剂投放容器100。

2、排气

关闭排液阀V5，开启排气阀门V2，在支撑剂入口10.X由水箱102、水泵P7、出水阀V7向筒体内泵入支撑剂载体(比如水)，直至排气口10.Y排出的全部是液体、不含气体时，停止泵液，排气完毕，关闭水泵P7、排气阀门V2、支撑剂入口阀门V1。

3、均压

开启压裂液引入阀门V4，使支撑剂投放容器100与高压压裂液输送管路连通而均压。

4、依靠重力排出支撑剂

开启支撑剂出口阀门V3，支撑剂依靠重力，通过支撑剂出口10.Z及连接管路进入高压压裂输送管路201，由高压压裂输送管路201内的高压压裂液将支撑剂沿高压压裂输送管路201冲走，与高压压裂液混合成含支撑剂的高压压裂液送往压裂井300。开启压裂液引入阀V4以补充压裂液来抵消排出支撑剂的体积。为了使支撑剂投放容器内的支撑剂排尽，支撑剂投放容器下部做成锥体或近似锥体，在支撑剂投放容器内部设置搅拌器，通过磁力来驱动搅拌器旋转。

在实际工程中，往往是多个支撑剂投放容器在并列运行，根据控制的优化，支撑剂投放容器可以在支撑剂未排尽时，比如排出约一半、1/3、1/4等，即关闭支撑剂出口阀门V3，而对该支撑剂投放容器进行暂停或补加支撑剂。

5、支撑剂排尽检测

在支撑剂排出阀下方管道设置有射线检测装置，检测支撑剂排出情况，支撑剂用完则提醒系统需要重新装载，进入下一个批次的工作循环。

上文中所称“压裂液”，为水或混配车连续配液提供的具有一定粘度和携砂能力的滑溜水和线性胶压裂液。

支撑剂可以用空气、水或者其他流体作为载体，将支撑剂从支撑剂入口中载入至投加装置内，当然也可以不采用任何的载体，而是向支撑剂入口10.X中直接投料，不同情况下排液口10.B排出的就是气体或相应载体。

实施例2，图3、4、5、5a-5e、6a-6c、7a-7c示出了本发明所提供的另一种压裂系统和支撑剂投加装置实施例。

图3示出了一种压裂系统，包括：对压裂液提供压裂所需高压的压裂泵200，支撑剂投加装置和高压压裂液输送管道201，高压压裂液输送管道和压裂泵出口相连；所述支撑剂投加装置包括支撑剂投放容器，所述支撑剂投放容器设置有支撑剂入口和支撑剂出口，高压压裂液输送管道设置支撑剂投入接口，支撑剂出口和高压压裂液输送管道支撑剂接口自上而下布置，所述支撑剂投放容器的进料侧和出料侧均被配置有阀门装置，以使支撑剂投放容器处于支撑剂进料状态和投放支撑剂状态，并能对于同一支撑剂投放容器，使其支撑剂进料状态和投放支撑剂状态轮替地处在不同时刻。支撑剂投加装置向压裂泵200泵出压裂液的高压压裂液管内投加支撑剂，并由高压压裂液管运输至压裂井300中。

所述支撑剂的投加装置竖直放置，密度大于水的支撑剂利用重力投放到高压压裂液输送管道201中，包括同轴设置的低压柱形壳体43和高压柱形壳体12，低压柱形壳体43处在高压柱形壳体12的上方，两者之间被密封连接。低压柱形壳体43上设有支撑剂入口X和低压液体出口Y，壳体内安装有滤网筒51，滤网筒51和滤网密封圈52将支撑剂入口X和低压液体出口Y隔开，起到防止支撑剂提前从低压液体出口短路流出的作用，滤网筒51被与低压柱形壳体43连接的部件53限位。高压柱形壳体12的下端设置流通口Z，供支撑剂投放及高压压裂液流通。

所述支撑剂的投加装置还包括上阀板36、中阀板26、下阀板21、上转子转动支撑结构33、下转子转动支撑结构23、上转子34、下转子24。上转子34与上转子转动支撑结构33、上阀板36、中阀板26之间间隙配合，下转子24与下转子转动支撑结构23、中阀板26、下阀板21之间间隙配合，以便工作时上转子34和下转子24转动。下转子转动支撑结构23、下转子24和下阀板21安装在以中阀板26为端盖的高压柱形壳体12中，这样，中阀板26、下转子24、下转子转动支撑结构23和下阀板21组成的组合件受到张力和弹性变形的作用最小，有助于在本发明这种高压环境中顺利应用。

上阀板36处在低压柱形壳体43中。中阀板26处在低压柱形壳体43和高压柱形壳体12之间。下阀板21处在高压柱形壳体12中。

上阀板36和中阀板26之间设置上转子34，中阀板26和下阀板21之间设置下转子24。上转子34和上阀板36形成定向定量进料装置，上转子34、中阀板26、下转子24形成进料侧阀门装置，下转子24和下阀板21形成出料侧阀门装置，下转子中的轴向流孔道241与中阀板26和下阀板21配合形成支撑剂投放容器。上阀板36设置有多个沿圆周方向布置的流通孔361，以供支撑剂供料及置换出的支撑剂载体向上流出。中阀板上的流通孔261作为支撑剂投放容器的支撑剂入口，流通口Z作为投加装置的支撑剂出口。

中阀板26设置有沿圆周方向布置的流通孔261，以供支撑剂下落及置换液体向上流出。

上转子34上设置一组或多组的轴向流孔道341，为了获得最大工作效率每组的轴向流孔道341与流通孔261的数量相等，分布规律也与流通孔261的分布规律匹配，通过上转子34的转动控制，使得上转子第一组轴向流孔道341与流通孔261连通或对准时，如果有其它组轴向流孔道341的话，其它组的轴向流孔道341以组为单位或者和上阀板的流通孔361连通或对准，或者与上阀板和中阀板的流通孔都不对准或连通而处在流通孔上下二端都封闭的中间状态。

对于对准流通孔261的上转子第一组轴向流孔道341，已经流通孔361被定量加入支撑剂，由此，其中的支撑剂依靠重力通过流通孔261落入下方的下转子24的轴向流孔道241中。通过上转子的转动，轴向流孔道341一组一组地对准流通孔261对下转子24的轴向流孔道241一组一组地进行定量投入支撑剂。

为获得最大工作效率流通孔361的数量和分布规律和流通孔261相同，但位置和流通孔261错开，即：流通孔361和流通孔261不同时和同一组上转子轴向流孔道341对准或流通。流通孔361也可以是覆盖同一组的上转子轴向流孔道341中的多个孔道带有大孔的盖板，同时将上转子上下定位在上转子转动支撑结构33内，但需要保证上述的“错开”。

下转子24和上转子34同步转动。下转子24上设置一组或多组的轴向流孔道241，数量和轴向流孔道341的数量相等以获得最大工作效率，分布规律也与流通孔道341的分布规律匹配。上转子的轴向流孔道341与下转子的轴向流孔道241数量相等，且上转子的轴向流孔道341在下转子的轴向流孔道241的正上方。下转子24构成支撑剂的容置部，轴向流孔道241的长度范围内的空间为容置部的支撑剂容置范围。轴向流通孔道241的长度范围内的空间体积大于轴向流通孔道341的长度范围内的空间体积，从上转子轴向流通孔道341落下的支撑剂并不装满下转子的轴向流通孔道241，这样，避免支撑剂装满下转子24上的通流孔道241后支撑剂卡在通流孔261和通流孔道241之间的相邻处，有助于防止或减少支撑剂与中端盖26和下转子24的磨损。在上阀板的下端面还可设置浅槽362，浅槽362沿着流通孔361的运动轨迹设置，既可进一步防止上转子34和上阀板36之间磨损，同时，也能确保支撑剂投入和置换出的支撑剂载体液体排出的正常进行。当然上阀板的浅槽也可改成为在上转子34的上端相应的位置。

下阀板21设置有多个沿圆周方向布置的流通孔211，以供向高压压裂液输送管道投放支撑剂及将对准流通孔211的下转子中一组轴向流孔道241与高压压裂液输送管道连通。为获得最大工作效率，流通孔211的数量和分布规律和流通孔261相同且位置错开，通过下转子24的转动，使得下转子第一组轴向流孔道241与流通孔261连通或对准时，它不与流通孔211连通，如果有其它组轴向流孔道241的话，其它组的轴向流孔道241以组为单位或者和下阀板的流通孔211对准或连通，或者下转子24上的所有轴向流孔道241与中阀板和下阀板的流通孔都不连通而处在与轴向流孔道241上下二端口都封闭的中间状态。

对于与流通孔261对准的下转子第一组轴向流孔道241来说，此时上转子的其中一组装好支撑剂的轴向流孔道361也与流通孔261对准，支撑剂依靠重力落入下转子第一组轴向流孔道241中，同时置换其中的液体；对于与流通孔211对准的下转子的轴向流孔道241来说，其和高压压裂液输送管道连通而等压，其中的支撑剂依靠重力落入高压压裂液输送管道。

这样，通过上转子34在低压柱形壳体43中的转动和下转子24在高压柱形壳体12中的旋转，支撑剂被从常压或低压环境LP分批定量逐步进入到与高压压裂液等压的高压环境HP，最终依靠重力从下端加入到高压压裂液输送管道中，整个支撑剂投加装置结构较为简单，且磨损小，使用寿命长。

所述支撑剂投加装置在支撑剂出口Z与高压压裂液输送管道设置支撑剂投入接口之间连接高压输送管道，支撑剂出口Z在连接处设置密封圈11及螺纹连接部位，高压柱形壳体12与中阀板26的连接处设有密封圈14及定位销15，低压柱形壳体43与中阀板26的连接处设有密封圈42及定位销41，定位销防止中阀板26发生转动。高压柱形壳体12与低压柱形壳体43由内螺纹部件13连接固定，同时也将中阀板26夹紧。

下转子转动支撑结构23的上部结构通过固定件25固定连接到中阀板26上。下转子转动支撑结构23在高压柱形壳体12内，下阀板21通过固定件22连接在下转子转动支撑结构23的下部结构上，防止下阀板21发生转动。上转子转动支撑结构33的下部结构和中阀板26之间通过固定件31固定连接，上转子转动支撑结构33的上部结构与上阀板36之间通过固定件35固定连接。

所述上转子和下转子可通过电机62驱动，电机62处在投加装置的顶部，其中驱动轴38在上阀板36以上的低压柱形壳体43中还连接有搅拌叶轮39。

低压柱形壳体43与驱动轴38的接触面上设有机械密封动环44；低压柱形壳体43与驱动器座61的接触面上设有密封圈和机械密封静环45。

驱动轴38通过穿过上阀板的连接轴321和上转子34连接，上转子34通过穿过中阀板的连接轴322和下转子24连接，连接轴322和驱动轴38保持同轴。

上转子和下转子分别通过中心通孔与连接轴连接，连接轴321、322是空心轴。连接轴322在中阀板和转子的交界处开有泄孔G2，连接轴321在上阀板36的上方开有泄孔G1，同时，驱动轴38上连接有挡在泄孔G1外的挡砂环37。

驱动部分也可以是采用气缸或液压缸，此时，上转子和下转子的运动可以是不足360°的来回往返旋转。

在工程实施中，加载或投出支撑剂时阀板、转子之间孔的需要对准，可采用位置传感器和限位器来对准位置，并在对准位置的适时的转动停顿以实现支撑剂加载和投出。

在工程实施中，较细的支撑剂粒度为100目左右，需要说明的是，更细的支撑剂比如与本发明支撑剂投加装置的转动部件的间隙大小相近或更细小的支撑剂，事先从支撑剂原料中分离出去，而不加入压裂系统，对于本发明支撑剂投加装置转动部件不卡死而正常运行、减少转动部件间的磨损以延长其使用寿命是有很大帮助的。

在工程应用中，显然上述投加装置可以多个并联连接到高压压裂液输送管道，或者，多个投加装置并联为一组，再多组并联连接到高压压裂液输送管道。

从本实施例的以上说明可见，在本发明工作过程中，压裂泵将压裂液增压成高压压裂液，通过高压压裂输送管以连续流的形式连续向井中输送。所述支撑剂投加装置通过支撑剂投出连接管路呈支路供料的形式连接到压裂系统的高压压裂液输送管道的支撑剂投入接口；所述支撑剂出口同时也作为与高压压裂液输送管道连通的流通口。在高压压裂液通过高压压裂输送管以连续流的形式连续向井中输送过程中：已有支撑剂储备但支撑剂不加满的支路支撑剂投放容器与高压压裂液输送管道连通，使该容器中的液体与高压压裂液输送管道中的高压压裂液连通，该容器中的支撑剂混在液体中，所述支撑剂依靠自身重力或再借助压裂液的物理性质的帮助，被从上方加入到高压压裂液输送管道中的连续流中，通过高压压裂液输送管道向井中输送。

以上所述仅为发明的具体实施案例，本发明的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种压裂系统，用于油气井的完井操作作业，包括对压裂液提供压裂所需高压的压裂泵、支撑剂投加装置和高压压裂液输送管道，高压压裂液输送管道和压裂泵出口相连；其特征在于：所述支撑剂投加装置包括支撑剂投放容器，所述支撑剂投加装置设置有支撑剂入口和支撑剂出口，高压压裂液输送管道设置支撑剂投入接口，支撑剂出口和高压压裂液输送管道支撑剂接口自上而下布置，所述支撑剂投放容器的进料侧和出料侧均被配置有阀门装置，以使支撑剂投放容器处于支撑剂进料状态和投放支撑剂状态，并能对于同一支撑剂投放容器，使其支撑剂进料状态和投放支撑剂状态轮替地处在不同时刻；

所述支撑剂投加装置通过支撑剂投出连接管路呈支路供料的形式连接到压裂系统的高压压裂液输送管道的支撑剂投入接口；所述支撑剂出口同时也作为与高压压裂液输送管道连通的流通口；

将已有支撑剂储备但支撑剂不加满的支路支撑剂投放容器与高压压裂液输送管道连通，使该容器中的液体与高压压裂液输送管道中的高压压裂液连通，该容器中的支撑剂混在液体中，所述支撑剂密度大于压裂液密度及所述液体密度，所述支撑剂依靠自身重力或再借助压裂液的物理性质的帮助，被从上方加入到高压压裂液输送管道中的连续流中，通过高压压裂液输送管道向井中输送；

所述支撑剂投放容器设置有连通口，所述连通口通过高压连接管道和高压压裂液输送管道连接并设置有阀门，以在支撑剂投放容器处于进料状态时关闭连通口，在支撑剂投放容器处于投放支撑剂状态时，先于支撑剂出口打开；

所述支撑剂投加装置设置有支撑剂投放容器的定量加料装置，所述定量加料装置的所定加料量或容量小于支撑剂投放容器的容量。

2.如权利要求1所述的一种压裂系统，其特征在于：所述支撑剂投放容器包括支撑剂容置部和设置有流通孔的阀板，所述支撑剂投加装置设置有驱动装置，所述驱动装置和支撑剂容置部或所述阀板连接，使支撑剂容置部和所述阀板能够相对旋转或相对直线运动，并通过所述相对旋转或相对直线运动，使所述流通孔与支撑剂容置部接通或不接通，形成所述支撑剂投放容器的进料侧阀门装置和出料侧阀门装置。

3.如权利要求1所述的一种压裂系统，其特征在于：并且，所述支撑剂投加装置设置有连接在一起的高压壳体和低压壳体，所述高压壳体和低压壳体之间由阀板隔开，低压壳体在上，高压壳体在下，低压壳体设置所述定量加料装置，高压壳体设置支撑剂投放容器，所述低压壳体具有置换液体的出口。

4.如权利要求1所述的一种压裂系统，其特征在于：定量加料装置和所述支撑剂投放容器进料侧的阀门装置相连，所述支撑剂投放容器设置有排气出口和置换液体出口并配置相应阀门。

5.如权利要求1所述的一种压裂系统，其特征在于：支撑剂投加装置可以设有多个并联的支撑剂投加容器，各支撑剂投加容器分时处在支撑剂进料状态和投放支撑剂状态，或者呈组地分时处在支撑剂进料状态和投放支撑剂状态。

6.如权利要求2所述的一种压裂系统，其特征在于：多个支撑剂投放容器的支撑剂容置部围绕轴布置并处在同一圆周上或直线；

所述阀板的流通孔按照顺序被分时配置给支撑剂容置部，按照顺序接通和关闭支撑剂容置部。

7.如权利要求2、3或6所述的一种压裂系统，其特征在于：支撑剂容置部、容置部支撑部、支撑剂入口阀、支撑剂出口阀、入口阀板和出口阀板，全部或部分处于高压压裂液的高压压力环境中，以形成最小的转动或往复运动组件形变、提高装置的容积效率和可实现性。

8.如权利要求1所 述的一种压裂系统，其特征在于：支撑剂出口和支撑剂出口阀或阀板、高压压裂液输送管道的支撑剂进入部位设置在支撑剂容置部下方，支撑剂依靠重力和压裂液的润滑、浮力的综合作用从支撑剂容器投入高压压裂液输送管道，所述支撑剂密度大于压裂液密度。

9.采用权利要求1所述的一种压裂系统的支撑剂投加方法，其特征在于：

压裂泵将压裂液增压到高压压裂液，通过高压压裂液输送管道连续向井中输送；

将已有支撑剂储备但支撑剂不加满的支路支撑剂投放容器与高压压裂液输送管道连通，使该容器中的液体与高压压裂液输送管道中的高压压裂液连通，该容器中的支撑剂混在液体中，所述支撑剂密度大于压裂液密度及所述液体密度，所述支撑剂依靠自身重力或再借助压裂液的物理性质的帮助，被从上方加入到高压压裂液输送管道中的连续流中，通过高压压裂液输送管道向井中输送。

10.如权利要求9所述的一种支撑剂投加方法，其特征在于：所述容器在与高压压裂液输送管道连通投放支撑剂时，除了与高压压裂液输送管道连通外，与外界隔离。

11.如权利要求9所述的一种支撑剂投加方法，其特征在于：所述支撑剂投放容器中的支撑剂被一次性投放完或分次投放完，在投放完或投放间歇，切断与高压压裂液输送管道的连通，再打开所述支撑剂投放容器的支撑剂入口进行支撑剂进料。

12.权利要求9所述的一种支撑剂投加方法，其特征在于：支撑剂投加的工作周期中包含4个状态：

(1)第一状态：支撑剂投放容器的支撑剂入口打开、支撑剂出口关闭，支撑剂能通过支撑剂入口加入到支撑剂投放容器中；

(2)第二状态：在支撑剂投放容器装入适量的支撑剂后，支撑剂入口关闭，保持支撑剂出口关闭；

(3)第三状态：支撑剂出口打开，高压压裂液进入支撑剂投放容器，支撑剂投放容器内的液体和高压压裂液输送管道内的高压压裂液连通，支撑剂依靠重力或再借助压裂液的润滑、浮力的综合作用，通过支撑剂出口进入高压压裂液管道；

(4)第四状态：排尽支撑剂或中间停止向高压压裂液管道投放支撑剂期间，支撑剂出口和支撑剂入口关闭；

其中，第一状态和第三状态需要的时间与支撑剂投放容器的大小、深度、支撑剂投放容器入口阀大小、支撑剂投放容器出口阀大小、支撑剂与压裂液的密度有关，第二状态和第四状态用来隔离第一状态的低压状态和第三状态的高压状态以防止高压部分与低压部分直接连通，或者第二状态还用来进行支撑剂投放容器均压。

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