CN112316771B - 矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置及石英砂和压裂液的搅拌方法。矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置包括罐体以及安装于罐体内的第一筛管和第二筛管；罐体设有注砂嘴、第一出液嘴和第二出液嘴；第一筛管的开口端从罐体的一端伸出以及第一筛管的封闭端沿着罐体的轴向延伸；第二筛管的开口端从罐体的另外一端伸出，以及第二筛管的封闭端沿着罐体的轴向延伸。石英砂和压裂液的搅拌方法包括：按照设计参数一次性将石英砂全部加注至罐体，加注完成后密封注砂嘴。压裂系统往第一进液管和第二进液管分别通入压裂液，通过水密封套形成第一道密封。本发明避免了石英砂沉降，减小因携砂浓度不均匀而导致管路堵塞的可能性。

Description

矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置

技术领域

本发明涉及煤矿井下水力压裂设备领域，具体涉及一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置。

背景技术

我国碎软低渗煤层广泛发育，煤层透气性差。水力压裂技术是增加地层透气性的有效技术措施，受矿井作业环境，安全监管条件等要求，地面压裂设备无法直接移植于煤矿井下，致使目前煤矿井下绝大部分为清水压裂，导致压裂施工后裂缝在地应力和岩层自重的作用下容易闭合，影响水力压裂施工效果。少数矿井虽然尝试了水力加砂压裂，但是所用供砂装置仅为一个高压密封容器，石英砂在高压容器里容易沉降，压裂液携砂浓度很不均匀，容易出现管路堵塞，影响水力压裂施工安全性和施工效果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，以避免石英砂沉降，减小携砂浓度不均匀导致管路堵塞的可能性。本发明提供一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，包括罐体以及安装于罐体内的第一筛管和第二筛管；所述罐体设有注砂嘴、第一出液嘴和第二出液嘴；

所述第一筛管的开口端从罐体的一端伸出，以及第一筛管的封闭端沿着罐体的轴向延伸；所述第二筛管的开口端从罐体的另外一端伸出，以及第二筛管的封闭端沿着罐体的轴向延伸；

位于罐体内的部分第一筛管与位于罐体内的部分第二筛管均沿着水平方向呈“波浪”型分布于罐体的内部，且位于罐体内的部分第一筛管与位于罐体内的部分第二筛管均设有多个筛眼，通过压裂液从筛眼中喷出以冲击罐体内的石英砂，进而使压裂液和石英砂混合并从第一出液嘴和第二出液嘴排出。

本装置的有益效果体现在：

在不增加任何动力源的条件下，利用高压管向罐体内注入的压裂液作为动力源，对罐体内的压裂液和石英砂产生扰动，避免石英砂的沉降，使石英砂与压裂液有效混合，提高压裂液中石英砂的均匀度，保障水力加砂压裂施工效果，减小携砂浓度不均匀导致管路堵塞的可能性。

优选地，所述注砂嘴位于第一出液嘴和第二出液嘴之间，且注砂嘴的开口朝上，以及第一出液嘴的开口和第二出液嘴的开口均朝下；所述注砂嘴设有密封盖。

注砂嘴设计在上方，方便注入石英砂。

优选地，所述罐体的最大承压能力为55MPa。

罐体的整体结构简单，系统密封性好，耐压强度大，施工安全性高。

优选地，分布于第一筛管的多个筛眼以及分布于第二筛管的多个筛眼均大小不同、方向不同。

第一筛管的筛眼和第二筛管的筛眼均采用不均匀分布，且筛眼大小不同，压裂液喷出的压力不同，在整个罐体内形成不规则的混合搅拌方式，避免出现石英砂在局部沉积，降低搅拌效果。

优选地，所述罐体的两端分别设有第一进液管和第二进液管，所述第一筛管的开口端伸入第一进液管中并与第一进液管连通，所述第二筛管的开口端伸入第二进液管中并与第二进液管连通。

优选地，所述第一进液管的内部和第二进液管的内部分别设有环状凹槽；第一进液管的环状凹槽和第一筛管之间以及第二进液管的环状凹槽和第二筛管之间均设有水密封套，用于密封第一筛管的外表面与第一进液管之间的缝隙以及密封第二筛管的外表面与第二进液管之间的缝隙，并且使第一筛管转动连接于第一进液管中以及使第二筛管转动连接于第二进液管中。

通过水密封套使得第一筛管能在第一进液管内转动，以及第二筛管能在第二进液管内转动，并且能保证第一筛管和第一进液管之间的密封性以及第二筛管和第二进液管之间的密封性，大大降低了出现压裂液泄露的可能性。

优选地，所述罐体两端的内表面分别设有锥形凹槽，所述第一筛管和第二筛管均固定套设与两个锥形凹槽一一对应的椎体；所述锥形凹槽的斜面固定连接锥形的密封静环，所述椎体的斜面固定连接与密封静环适配的密封动环，通过密封动环和密封静环接触，进而密封第一筛管和罐体之间的缝隙以及密封第二筛管和罐体之间的缝隙。

优选地，所述第一筛管的封闭端和第二筛管的封闭端均设有喷嘴，且每个喷嘴的开口均朝向水平方向。

压裂液从喷嘴喷出后产生反向推力，使得密封动环和密封静环接触的压力增大，两者之间的密封性增加后，保证了第一筛管和罐体之间的密封性以及第二筛管和罐体之间的密封性，进一步降低了出现压裂液泄露的可能性。

优选地，所述第一筛管的所有筛眼均朝向第一筛管转动所形成的圆的切向方向，所述第二筛管的所有筛眼均朝向第二筛管转动所形成的圆的切向方向；所述第一筛管和第二筛管之间通过连接杆固定连接，通过往第一筛管和第二筛管通入压裂液进而使第一筛管和第二筛管沿着逆时针或者顺时针同向同步转动；

所述第一筛管的弯曲部位以及第二筛管的弯曲部位均连通多个分支管，且每个分支管分布大小不同，方向不同的多个筛眼；

靠近罐体一端的第一筛管的直线部以及靠近罐体另外一端的第二筛管的直线部均固定套设多组叶片组；多组叶片组沿着轴向分布，每组叶片组均包括沿着周向均匀分布的多个叶片，每个叶片的末端在径向方向与罐体内表面之间的间距均不大于3cm。

本设备还提供了另外一种筛眼的分布方案，筛眼通过沿着切向设置，压裂液喷出后的反作用力推动第一筛管和第二筛管转动。转动后，不仅仅依靠压裂液搅拌石英砂，还通过第一筛管和第二筛管的转动对石英砂进行进一步地搅拌，提升搅拌效果。此外，分支管能对局部区域进行搅拌，避免因第一筛管和第二筛管匀速转动而使石英砂聚集在局部区域，而转动的叶片又对靠近两端的区域进行搅拌，又进一步提升搅拌效果。

本发明还提供了一种石英砂和压裂液的搅拌方法，应用于上述的矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，包括以下步骤：

S1、打开注砂嘴，按照设计参数一次性将石英砂全部加注至罐体，加注完成后密封注砂嘴；

S2、压裂系统往第一进液管和第二进液管分别通入压裂液，通过水密封套形成第一道密封；压裂液从第一进液管的筛眼喷出以及第二进液管的筛眼喷出，喷射出的压裂液对罐体内的石英砂进行搅拌；

部分压裂液从两个喷嘴喷出，第一进液管受到沿着轴向的反冲力，使得第一进液管的密封动环与对应的密封静环之间的压力增大，以及第二进液管的密封动环与对应的密封静环之间的压力增大，进而形成第二道密封；

S3：S2中，压裂液喷出所形成的反冲力使第一筛管和第二筛管在罐体内顺时针或者逆时针转动，通过转动的第一筛管和第二筛管对石英砂进一步搅拌；第一筛管的叶片组对靠近罐体一端的石英砂进行搅拌，以及第二筛管的叶片组对靠近罐体另外一端的石英砂进行搅拌；部分压裂液从分支管的筛眼喷出，对罐体内的局部区域进行搅拌；

S4：石英砂和压裂液充分混合后从第一出液嘴和/或第二出液嘴排出，混合后的携砂压裂液达到设计指标，搅拌完成。

本方法的有益效果在于：本方法能够克服石英砂与压裂液混合不均匀，搅拌困难的问题，同时降低了对施工现场条件的要求，简化了操作流程，保障了施工安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为实施例一的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为实施例二的结构示意图；

图4为图3中B处的放大图；

图5为图3中C处的放大图；

图6为图3中D处的放大图。

附图中，罐体1、第一筛管2、第二筛管3、注砂嘴4、第一出液嘴5、第二出液嘴6、密封盖7、筛眼8、第一进液管9、第二进液管10、环状凹槽11、水密封套12、连接杆13、分支管14、叶片组15、锥形凹槽16、椎体17、密封动环18、密封静环19、喷嘴20、凸台21、沉孔22。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例一：

如图1和图2所示，本实施例提供一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，包括罐体1以及安装于罐体1内的第一筛管2和第二筛管3；所述罐体1设有注砂嘴4、第一出液嘴5和第二出液嘴6。具体地，注砂嘴4位于第一出液嘴5和第二出液嘴6之间，且注砂嘴4的开口朝上，以及第一出液嘴5的开口和第二出液嘴6的开口均朝下；所述注砂嘴4设有密封盖7。注砂嘴4设计在上方，方便注入石英砂。所述罐体1采用合金钢的材料，受压能力明显提升，而整体结构简单，系统密封性好，耐压强度大，最大承压能力为55MPa。

所述第一筛管2的开口端从罐体1的一端伸出，以及第一筛管2的封闭端沿着罐体1的轴向延伸；所述第二筛管3的开口端从罐体1的另外一端伸出，以及第二筛管3的封闭端沿着罐体1的轴向延伸。第一筛管2和第二筛管3分别与罐体1之间采用固定连接的方式进行安装。

进一步地，位于罐体1内的部分第一筛管2与位于罐体1内的部分第二筛管3均沿着水平方向呈“波浪”型分布于罐体1的内部，且位于罐体1内的部分第一筛管2与位于罐体1内的部分第二筛管3均设有多个筛眼8。通过压裂液从筛眼8中喷出以冲击罐体1内的石英砂，进而使压裂液和石英砂混合并从第一出液嘴5和第二出液嘴6排出。进一步地，分布于第一筛管2的多个筛眼8以及分布于第二筛管3的多个筛眼8均大小不同、方向不同。第一筛管2的筛眼8和第二筛管3的筛眼8均采用不均匀分布，且筛眼8大小不同，压裂液喷出的压力不同，在整个罐体1内形成不规则的混合搅拌方式，避免出现石英砂在局部沉积，降低搅拌效果。

实施例二：

如图3至图6所示，实施例二提供了另外一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，实施例二的附图序号与实施例一的相同，实施例二与实施例一的基本结构相同，不同之处在于：第一筛管2和第二筛管3分别与罐体1之间的连接方式，以及第一筛管2和第二筛管3的具体结构。

本实施例中第一筛管2和第二筛管3分别与罐体1之间的连接方式如下：

罐体1的两端分别设有第一进液管9和第二进液管10，第一进液管9和第二进液管10均与罐体1固定连接。所述第一筛管2的开口端伸入第一进液管9中并与第一进液管9连通，所述第二筛管3的开口端伸入第二进液管10中并与第二进液管10连通。所述第一进液管9的内部和第二进液管10的内部分别设有环状凹槽11；第一进液管9的环状凹槽11和第一筛管2之间以及第二进液管10的环状凹槽11和第二筛管3之间均设有水密封套12，用于密封第一筛管2的外表面与第一进液管9之间的缝隙以及密封第二筛管3的外表面与第二进液管10之间的缝隙，并且使第一筛管2转动连接于第一进液管9中以及使第二筛管3转动连接于第二进液管10中。通过水密封套12使得第一筛管2能在第一进液管9内转动，以及第二筛管3能在第二进液管10内转动，并且能保证第一筛管2和第一进液管9之间的密封性以及第二筛管3和第二进液管10之间的密封性，大大降低了出现压裂液泄露的可能性。

为了进一步提高密封效果，防止出现压裂液泄露的问题，罐体1两端的内表面分别设有锥形凹槽16，所述第一筛管2和第二筛管3均固定套设与两个锥形凹槽16一一对应的椎体17；所述锥形凹槽16的斜面固定连接锥形的密封静环19，所述椎体17的斜面固定连接密封动环18，通过密封动环18和密封静环19接触，进而密封第一筛管2和罐体1之间的缝隙以及密封第二筛管3和罐体1之间的缝隙。所述第一筛管2的封闭端和第二筛管3的封闭端均设有喷嘴20，且每个喷嘴20的开口均朝向水平方向。压裂液从喷嘴20喷出后产生反向推力，使得密封动环18和密封静环19接触的压力增大，两者之间的密封性增加后，保证了第一筛管2和罐体1之间的密封性以及第二筛管3和罐体1之间的密封性，进一步降低了出现压裂液泄露的可能性。此外，为了避免石英砂进入密封动环18和密封静环19之间，锥形凹槽16设有的开口端设有沉孔22，而椎体17设有与沉孔22适配的凸台21，通过凸台21与沉孔22接触，从而避免石英砂进入密封动环18和密封静环19之间。

本实施例中第一筛管2和第二筛管3的结构相同，具体结构如下：

第一筛管2的所有筛眼8均朝向第一筛管2转动所形成的圆的切向方向，所述第二筛管3的所有筛眼8均朝向第二筛管3转动所形成的圆的切向方向；所述第一筛管2和第二筛管3之间通过连接杆13固定连接，通过往第一筛管2和第二筛管3通入压裂液进而使第一筛管2和第二筛管3沿着逆时针或者顺时针同向同步转动。筛眼8这样设置的目的在于：筛眼8通过沿着切向设置，压裂液喷出后的反作用力推动第一筛管2和第二筛管3转动。转动后，不仅仅依靠压裂液搅拌石英砂，还通过第一筛管2和第二筛管3的转动对石英砂进行进一步地搅拌，提升搅拌效果。

所述第一筛管2的弯曲部位以及第二筛管3的弯曲部位均连通多个分支管14，且每个分支管14分布大小不同，方向不同的多个筛眼8。分支管14的具体分布是：每个弯曲部位的一侧设有呈“八”字型的两个分支管14，或者是每个弯曲部位的两侧均设有呈“八”字型的两个分支管14。分支管14能对局部区域进行搅拌，避免因第一筛管2和第二筛管3匀速转动而使石英砂聚集在局部区域，而转动的叶片又对靠近两端的区域进行搅拌，又进一步提升搅拌效果。分支管14筛眼8远比第一筛管2和第二筛管3的筛眼8小，避免分支管14泄压过大而第一筛管2和第二筛管3受到的反冲力过小而无法转动。

另外，靠近罐体1一端的第一筛管2的直线部以及靠近罐体1另外一端的第二筛管3的直线部均固定套设两组叶片组15。两组叶片组15沿着轴向分布，每组叶片组15均包括沿着周向均匀分布的两个叶片，每个叶片的末端在径向方向与罐体1内表面之间的间距均不大于3cm。由于第一筛管2的直线部和第二筛管3的直线部均为设置筛眼8，在搅拌过程中极易在罐体1的两端堆积石英砂。本实施例采用两组叶片组15对两端的区域进行搅拌，又进一步提升了搅拌效果。

实施例三：

本实施例提供了一种石英砂和压裂液的搅拌方法，应用于实施例二的矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，包括以下步骤：

S1、打开注砂嘴的密封盖，按照设计参数一次性将石英砂全部加注至罐体，加注完成后再通过密封盖密封注砂嘴。

S2、压裂系统往第一进液管和第二进液管分别通入压裂液，通过水密封套形成第一道密封，压裂液从第一进液管的筛眼喷出以及第二进液管的筛眼喷出，喷射出的压裂液对罐体内的石英砂进行搅拌。这一步骤中，在注入压裂液的同时，第一出液嘴和第二出液嘴均会排出部分未达标的携砂压裂液，这部分携砂压裂液可回收利用，避免罐体内压力过高而无法继续注入压裂液。

部分压裂液从两个喷嘴喷出，第一进液管受到沿着轴向的反冲力，使得第一进液管的密封动环与对应的密封静环之间的压力增大，以及第二进液管的密封动环与对应的密封静环之间的压力增大，进而形成第二道密封；

S3：S2中，压裂液喷出所形成的反冲力使第一筛管和第二筛管在罐体内顺时针或者逆时针转动，通过转动的第一筛管和第二筛管对石英砂进一步搅拌；第一筛管的叶片组对靠近罐体一端的石英砂进行搅拌，以及第二筛管的叶片组对靠近罐体另外一端的石英砂进行搅拌；部分压裂液从分支管的筛眼喷出，对罐体内的局部区域进行搅拌。

S4：石英砂和压裂液充分混合后从第一出液嘴和/或第二出液嘴排出，混合后的携砂压裂液达到设计指标，搅拌完成。

本方法能够克服石英砂与压裂液混合不均匀，搅拌困难的问题，同时降低了对施工现场条件的要求，简化了操作流程，保障了施工安全。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，其特征在于：包括罐体以及安装于罐体内的第一筛管和第二筛管；所述罐体设有注砂嘴、第一出液嘴和第二出液嘴；

所述第一筛管的开口端从罐体的一端伸出，以及第一筛管的封闭端沿着罐体的轴向延伸；所述第二筛管的开口端从罐体的另外一端伸出，以及第二筛管的封闭端沿着罐体的轴向延伸；

位于罐体内的部分第一筛管与位于罐体内的部分第二筛管均沿着水平方向呈“波浪”型分布于罐体的内部，且位于罐体内的部分第一筛管与位于罐体内的部分第二筛管均设有多个筛眼，通过压裂液从筛眼中喷出以冲击罐体内的石英砂，进而使压裂液和石英砂混合并从第一出液嘴和第二出液嘴排出；

所述罐体的两端分别设有第一进液管和第二进液管，所述第一筛管的开口端伸入第一进液管中并与第一进液管连通，所述第二筛管的开口端伸入第二进液管中并与第二进液管连通；

所述第一进液管的内部和第二进液管的内部分别设有环状凹槽；第一进液管的环状凹槽和第一筛管之间以及第二进液管的环状凹槽和第二筛管之间均设有水密封套，用于密封第一筛管的外表面与第一进液管之间的缝隙以及密封第二筛管的外表面与第二进液管之间的缝隙，并且使第一筛管转动连接于第一进液管中以及使第二筛管转动连接于第二进液管中；

所述罐体两端的内表面分别设有锥形凹槽，所述第一筛管和第二筛管均固定套设与两个锥形凹槽一一对应的椎体；所述锥形凹槽的斜面固定连接锥形的密封静环，所述椎体的斜面固定连接与密封静环适配的密封动环，通过密封动环和密封静环接触，进而密封第一筛管和罐体之间的缝隙以及密封第二筛管和罐体之间的缝隙；

所述第一筛管的封闭端和第二筛管的封闭端均设有喷嘴，且每个喷嘴的开口均朝向水平方向。

2.根据权利要求1所述的一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，其特征在于：所述注砂嘴位于第一出液嘴和第二出液嘴之间，且注砂嘴的开口朝上，以及第一出液嘴的开口和第二出液嘴的开口均朝下；所述注砂嘴设有密封盖。

3.根据权利要求1所述的一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，其特征在于：所述罐体的最大承压能力为55MPa。

4.根据权利要求1所述的一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，其特征在于：分布于第一筛管的多个筛眼以及分布于第二筛管的多个筛眼均大小不同、方向不同。

5.根据权利要求1所述的一种矿井水力加砂压裂的双路自扰式高压供砂装置，其特征在于：所述第一筛管的所有筛眼均朝向第一筛管转动所形成的圆的切向方向，所述第二筛管的所有筛眼均朝向第二筛管转动所形成的圆的切向方向；所述第一筛管和第二筛管之间通过连接杆固定连接，通过往第一筛管和第二筛管通入压裂液进而使第一筛管和第二筛管沿着逆时针或者顺时针同向同步转动；

所述第一筛管的弯曲部位以及第二筛管的弯曲部位均连通多个分支管，且每个分支管分布大小不同，方向不同的多个筛眼；

靠近罐体一端的第一筛管的直线部以及靠近罐体另外一端的第二筛管的直线部均固定套设多组叶片组；多组叶片组沿着轴向分布，每组叶片组均包括沿着周向均匀分布的多个叶片，每个叶片的末端在径向方向与罐体内表面之间的间距均不大于3cm。

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