CN112282719B - 一种水力脉冲发生器及水力脉冲压裂装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力脉冲发生器及水力脉冲压裂装置，其中水力脉冲发生器利用弹簧的弹性势能能够把高压液体转换为低频率脉冲高压液体，以增强脉冲压力形成高的冲击力；而水力脉冲压裂装置则具体应用了水力脉冲发生器；解决现有水力脉冲压裂装置在进行水力压裂时不能使压裂液以高冲击力进入地层致使无法高效造缝的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种水力脉冲发生装置及水力脉冲压裂装置。
背景技术
近十年来，低渗透储层改造问题愈演愈烈，水力压裂技术是最常见的一种解决措施，但在整个施工操作过程中存在诸多问题，在压裂液通过连续油管进入地层的过程中会产生大量的摩阻，消耗一部分能量，使压裂液不能以高冲击力进入地层致使无法高效造缝。
目前，水力脉冲压裂技术是一种新型的技术，能够有效地解决能量的流失，制造高冲击脉冲波、形成“水锤效应”，使高压液体迅速进入地层，形成复杂的裂缝网络格局，该技术具备广阔的发展空间和应用前景。
现有水力脉冲压裂装置较少，并存在缺陷，例如，中国专利CN 104847326 B公开了一种阻断式水力脉冲生成装置及方法中使用液压马达给其施加压力并带动转子转动，但考虑到进行分段压裂，而在井筒附近下入液压马达势必会损失一部分的能量，所以必须在距离目的压裂层段较近位置放置马达，但分段压裂时每个层段都设有封隔器，但下入马达必然会使层段的密封不严，最终导致不能形成高能量脉冲压力。中国专利CN 104929605 B也公开了一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置，装置未考虑到弹簧的弹性势能和水的冲击能量会在某一时刻达到能量平衡从而停止波动，达不到脉冲的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种水力脉冲发生器，该水力脉冲发生器可以提供更高能量的脉冲冲击力。
本发明还提供一种水力脉冲压裂装置，解决现有水力脉冲压裂装置在进行水力压裂时不能使压裂液以高冲击力进入地层致使无法高效造缝的问题。
第一方面，所述的一种水力脉冲发生器，其特征在于，包括：
驱动机构、活塞及活塞腔；
所述活塞将所述活塞腔分隔为流入腔及排出腔；
所述流入腔内置弹簧；
所述驱动机构，用于驱动所述活塞在所述活塞腔内进行往复运动；
所述往复运动，用于所述活塞驱使输入的液体从所述流入腔进入所述排出腔及压缩所述液体从所述排出腔输出交替进行以产生脉冲压力；
并用于所述活塞压缩所述弹簧与释放所述弹簧交替进行以不断产生弹性蓄能并释放所述弹性蓄能；
释放的所述弹性蓄能，用于增强所述脉冲压力。
进一步地，所述活塞上设置第一单流阀；
所述第一单流阀的流向为从所述流入腔到所述排出腔；以及/或，
所述排出腔的侧壁设置第二单流阀；
所述第二单流阀的流向为从所述排出腔到所述活塞腔外部。
进一步地，所述驱动机构，包括：
叶轮；
所述叶轮与滑杆机构连接；
所述滑杆机构与所述活塞连接；
所述液体驱动所述叶轮转动以带动所述滑杆机构驱使所述活塞进行所述往复运动。
第二方面，所述的一种水力脉冲压裂装置，其特征在于，包括：
权利要求所述的水力脉冲发生器。
进一步地，所述活塞腔上方连接油管；
所述油管，用于输入压裂液。
进一步地，所述油管设置偏心进液口；
所述偏心进液口，用于增强所述叶轮的转动速度以提高所述往复运动的速度。
本发明具有如下有益效果：
本发明的水力脉冲压裂装置，是一种利用弹簧的弹性势能进而增加脉冲能量的设计方案，弹簧的弹性势能能够把高压压裂液转换为低频率脉冲压裂液，在井下形成高冲击力，将压裂液推入地层，更有效的破裂岩石达到定向压裂储层的需要，此方法进行脉冲压裂获得的压裂液的能量更为强劲。
附图说明
通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的水力脉冲发生器的结构示意图；
图2是本发明实施例的水力脉冲发生器活塞的结构示意图；
图3是本发明实施例的水力脉冲发生器活塞上行结构示意图；
图4是本发明实施例的水力脉冲发生器活塞下行结构示意图；
图5是本发明实施例的水力脉冲压裂装置工作状态结构示意图；
图6是本发明实施例的油管的进液口结构示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。
此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。
同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。
图1是本发明实施例的水力脉冲发生器的结构示意图；在图1中，本实施例的水力脉冲发生器，包括驱动机构及蓄能机构6，其中蓄能机构包括活塞11及活塞腔5。
所述活塞11将所述活塞腔5分隔为流入腔及排出腔，所述流入腔内置弹簧7；所述驱动机构驱动所述活塞11在所述活塞腔5内进行往复运动；所述活塞11进行所述往复运动目的是驱使向活塞腔5输入的液体从所述流入腔进入所述排出腔及压缩所述液体从所述排出腔输出交替进行以产生脉冲压力；同时用于所述活塞11压缩所述弹簧7与释放所述弹簧7交替进行以不断产生弹性蓄能并释放所述弹性蓄能；释放的所述弹性蓄能用于增强所述脉冲压力。
在图2中，所述活塞11上设置第一单流阀8，第一单流阀8的数量为4个，沿活塞11的周向均布。所述第一单流阀8可向下打开，从而使进入到活塞腔5的高压液体可以从所述流入腔进入到所述排出腔，反之则关闭，即所述排出腔中的液体不可以进入到所述流入腔中。
在图1中，所述排出腔的侧壁设置第二单流阀9，所述第二单流阀9可向外打开，从而使高压液体可以从所述排出腔排出到所述活塞腔5外部，反之则关闭。具体地，排出腔下部外壁四周设有四个第二单流阀9，第二单流阀9的阀膜会抵靠在阀座10上达到密封的效果，高压液体被阻止在相反的方向上流动。
输入的液体为高压液体，所述活塞11在所述活塞腔5内往复运动，在图3中，当所述活塞11上行时，所述流入腔逐渐变小，所述排出腔逐渐变大，所述第一单流阀8打开，第二单流阀9关闭，所述活塞11将进入到所述流入腔中的高压液体输送到排出腔，同时，所述活塞11对所述弹簧7进行压缩，所述弹簧7进行蓄能。
在图5中，当所述活塞11下行时，所述第一单流阀8关闭，第二单流阀9打开，所述流入腔进入更多的高压液体，以便下一次往复运动时，向所述排出腔输出高压液体，所述排出腔内的液体在所述活塞11的压缩下从所述排出腔中排出，同时，所述弹簧7蓄积的弹性蓄能被释放，弹性蓄能推动所述活塞11快速压缩排出腔内的高压液体，促使排出的高压液体快速向外喷出，使流体能够产生更大强度的脉冲波，形成更为强劲的脉冲能量，提供更高强度的冲击力。
在图1中，所述驱动机构，包括叶轮1，所述叶轮1包括若干叶片2，所有叶片2固定在轴3上；高压液体冲击叶片2，叶片2绕轴3旋转，叶轮1发生转动；滑杆机构4一端偏心连接在所述叶轮1上，另一端与所述活塞11连接；叶轮1旋转带动滑杆机构4产生往复直线运动，滑杆机构4进一步带动活塞11进行同步往复直线运动。
在图2及图3中，所述叶轮1为两个，两个叶轮1镜像布置，二者之间通过偏心轴连接，偏心轴进一步与滑杆机构4连接。如此，两个叶轮1共同带动滑杆机构4，因两个叶轮1带动的力量更大，所以可以确保滑杆机构4提高运行平稳度，及可以对所述活塞11施加更大的作用力，进一步提高压缩弹簧7的弹性势能，最终产生更高强度的冲击力。
本实施例的驱动机构，采用的是常用的叶轮1及滑杆机构4带动活塞11进行往复直线运动，当然本实施例并不限制采用此种结构形式的技术方案，现有技术中其他技术方案，若同样可以实现带动所述活塞11往复直线运动，则也在本申请的保护范围之中。
图5是本发明实施例的水力脉冲压裂装置工作状态结构示意图。在图5中，一种水力脉冲压裂装置，包括图1所示的水力脉冲发生器。
在进行水力脉冲压裂施工时，如图5所示，所述活塞腔5上方连接油管15，通过所述油管15输入高压的压裂液。
在图6中，所述油管15设置偏心进液口12，采用所述偏心进液口12可以增强所述叶轮1的转动速度以提高所述往复运动的速度。对应叶轮1的数量为两个，优选对应叶轮1的数量，偏心进液口12的数量也选用两个。
具体地，结合附图，对本实施例的水力脉冲压裂装置的工作过程进行描述，以进一步说明本发明技术方案及帮助理解本发明技术方案的有益效果：
当高压液体（即压裂液）从油管15进入时，水力冲击促使叶轮1转动，叶轮1转动带动活塞11交替进行活塞上行和活塞下行：
①当叶轮1通过滑杆机构4带动活塞11在活塞腔5内上行时，由于压裂液向下的冲击力可使活塞11上的第一单流阀8向下打开，活塞腔5上的第二单流阀9则处于关闭状态，活塞11向上运动压缩弹簧7，使得弹簧7进行弹性蓄能，即将压裂液的动能转化为弹簧7的弹性势能。此时压裂液从活塞11上的第一单流阀8进入，活塞腔5内活塞11的上方流入腔内充满液体。
②当叶轮1通过滑杆机构4带动活塞11在活塞腔5内下行时，由于活塞腔5内活塞11下方的排出腔内的压裂液对活塞11有向上的冲击力而使第一单流阀8关闭，排出腔下方侧壁上设置的第二单流阀9打开，弹簧7的弹性势能得以释放，弹性势能则推动活塞11快速向下运动，在活塞腔5内积蓄较高的压力。此时压裂液从活塞腔5的排出腔上的第二单流阀9向外喷出，产生脉冲压力。
因在水力冲击的作用下，叶轮1可持续转动，所以会重复简谐运动，在地层中不断输出脉冲压力。在上述过程中，脉冲压力突变迅速、压力冲击波的波峰与波谷之间过渡时间短，可蓄积大量水力脉冲能量，以高冲击力进行压裂储层改造。
可以看出，和国内主要采用的脉冲压裂方式不同，所以本申请的水力脉冲压裂装置，是一种利用弹簧的弹性势能进而增加脉冲能量的设计构思，弹簧的弹性势能能够把高压压裂液转换为低频率脉冲压裂液，在井下形成高冲击力，将压裂液推入地层，更有效的破裂岩石达到定向压裂储层的需要，此方法进行脉冲压裂获得的压裂液的能量更为强劲。
具体地，结合附图5，对本实施例的水力脉冲压裂装置的施工方法进行详细说明：
步骤1，井筒处理：首先使用洗井液反复清洗井筒，防止井筒中杂物压裂时堵塞单流阀或进入地层，污染储层。
步骤2，射孔：洗井结束后，将射孔装置下入到欲压裂层段，按照射孔设计要求对压裂段进行射孔。
步骤3，下压裂管柱、坐封液压封隔器：按设计程序连接油管15与液压封隔器17和本实施例的水力脉冲压裂装置13，将水力脉冲压裂装置13下入压裂井段，开启压裂车18的地面泵压，坐封液压封隔器17。并在地面控制压力以及排量以在井底达到合理的脉冲频率。
步骤4，可控式液压封隔器验封完成后，调节地面压力和排量，启动水力脉冲压裂装置产生脉冲流体，同时控制井下脉冲能量产生大小，达到预期“水锤效应”效果。按压裂施工程序进行施工，在地面设置观察口监测压裂缝网14的施工效果，达到预定要求后，该段水力脉冲压裂结束。
步骤5，换层压裂：第一层段压裂结束后，解封液压封隔器17。上提管柱至地面，检查或更换井下装备。泵入桥塞16并重复以上操作进行换层压裂。
步骤6，施工结束：压裂完所有层段后，解封液压封隔器17，上提管柱取出井下装置。下入钻塞设备钻穿桥塞16，压裂施工结束。
以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种水力脉冲压裂装置，其特征在于，包括水力脉冲发生器，水力脉冲发生器包括：
驱动机构、活塞(11)及活塞腔(5)；
所述活塞(11)将所述活塞腔(5)分隔为流入腔及排出腔；
所述流入腔内置弹簧(7)；
所述驱动机构，用于驱动所述活塞(11)在所述活塞腔(5)内进行往复运动；
所述往复运动，用于所述活塞(11)驱使输入的液体从所述流入腔进入所述排出腔及压缩所述液体从所述排出腔输出交替进行以产生脉冲压力；
并用于所述活塞(11)压缩所述弹簧(7)与释放所述弹簧(7)交替进行以不断产生弹性蓄能并释放所述弹性蓄能；
释放的所述弹性蓄能，用于增强所述脉冲压力；
所述活塞(11)上设置第一单流阀(8)，所述第一单流阀(8)的流向为从所述流入腔到所述排出腔；
所述排出腔的侧壁设置第二单流阀(9)，所述第二单流阀(9)的流向为从所述排出腔到所述活塞腔(5)外部；
所述驱动机构，包括叶轮(1)；所述叶轮(1)与滑杆机构(4)连接；所述滑杆机构(4)与所述活塞(11)连接；所述液体驱动所述叶轮(1)转动以带动所述滑杆机构(4)驱使所述活塞(11)进行所述往复运动；
所述活塞腔(5)上方连接油管(15)，所述油管(15)用于输入压裂液；
所述油管(15)设置偏心进液口(12)；叶轮(1)的数量为两个，对应叶轮(1)的数量，偏心进液口(12)的数量也选用两个,用于增强所述叶轮(1)的转动速度以提高所述往复运动的速度；
当高压压裂液从油管(15)进入时，压裂液冲击促使叶轮(1)转动，叶轮(1)转动带动活塞(11)交替进行活塞上行和活塞下行：
当叶轮(1)通过滑杆机构(4)带动活塞(11)在活塞腔(5)内上行时，由于压裂液向下的冲击力可使活塞(11)上的第一单流阀(8)向下打开，活塞腔(5)上的第二单流阀(9)则处于关闭状态，活塞(11)向上运动压缩弹簧(7)，使得弹簧(7)进行弹性蓄能，即将压裂液的动能转化为弹簧(7)的弹性势能；此时压裂液从活塞(11)上的第一单流阀(8)进入，活塞腔(5)内活塞(11)的上方流入腔内充满液体；
当叶轮(1)通过滑杆机构(4)带动活塞(11)在活塞腔(5)内下行时，由于活塞腔(5)内活塞(11)下方的排出腔内的压裂液对活塞(11)有向上的冲击力而使第一单流阀(8)关闭，排出腔下方侧壁上设置的第二单流阀(9)打开，弹簧(7)的弹性势能得以释放，弹性势能则推动活塞(11)快速向下运动，在活塞腔(5)内积蓄较高的压力；此时压裂液从活塞腔(5)的排出腔上的第二单流阀(9)向外喷出，产生脉冲压力；水力脉冲压裂装置的施工方法如下：
步骤1，井筒处理：首先使用洗井液反复清洗井筒，防止井筒中杂物压裂时堵塞第一单流阀、第二单流阀或进入地层，污染储层；
步骤2，射孔：洗井结束后，将射孔装置下入到欲压裂层段，按照射孔设计要求对压裂段进行射孔；
步骤3，下压裂管柱、坐封液压封隔器：按设计程序连接油管(15)与液压封隔器(17)和水力脉冲压裂装置(13)，将水力脉冲压裂装置(13)下入压裂井段，开启压裂车(18)的地面泵压，坐封液压封隔器(17)；并在地面控制压力以及排量以在井底达到合理的脉冲频率；
步骤4，可控式液压封隔器验封完成后，调节地面压力和排量，启动水力脉冲压裂装置产生脉冲流体，同时控制井下脉冲能量产生大小，达到预期“水锤效应”效果；按压裂施工程序进行施工，在地面设置观察口监测压裂缝网(14)的施工效果，达到预定要求后，该段水力脉冲压裂结束；
步骤5，换层压裂：第一层段压裂结束后，解封液压封隔器(17)，上提管柱至地面，检查或更换井下装备；泵入桥塞(16)并重复以上操作进行换层压裂；
步骤6，施工结束：压裂完所有层段后，解封液压封隔器(17)，上提管柱取出井下装置；下入钻塞设备钻穿桥塞(16)，压裂施工结束。
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