CN114053895B - 加砂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加砂装置及方法，包括：壳体，壳体呈圆筒状，壳体的两端分别设有入液口和出液口，壳体的侧壁上设有入砂口；内套筒，内套筒设置于壳体的内部，与壳体同轴设置且可在壳体内部转动，内套筒的侧壁上设有开窗，内套筒在壳体内部转动时，开窗能够与入砂口对准或错开；一对叶轮，一对叶轮设置于壳体中且分别位于壳体的两端，一对叶轮通过传动轴传动连接；传动装置，传动装置分别与一对叶轮和内套筒连接，传动装置在一对叶轮的驱动下带动内套筒转动。该装置及方法能够实现脉冲加砂且加砂频率与加砂周期可调。

Description

加砂装置及方法

技术领域

本发明属于及石油开发及采油工程技术领域，更具体地，涉及一种加砂装置及方法。

背景技术

支撑剂对裂缝的支撑作用是决定储层改造效果的重要因素。通过脉冲式加砂可一定程度上实现裂缝的高导流能力。而脉冲加砂所需的设备是该技术的核心影响因素。

温庆志(2013)所申请的发明专利“实现超高导流能力的压裂脉冲加砂系统及工作方法”(CN201310281751.0)中，通过电控单元实现挤液及混砂液的交替排出，最终实现脉冲加砂；李晖(2015)所申请的发明专利“一种脉冲式加砂压裂系统及其控制方法”(CN201510045899.3)中，通过电控设备改变循环管路中支撑剂的运移路径实现脉冲式加砂；温庆志(2015)所申请的发明专利“一种实现高导流能力的通道压裂混砂车及应用”(CN201510362540.9)中，通过电控阀门控制储砂罐的开合，实现脉冲加砂；尹进(2017)所申请的发明专利“一种压裂施工用脉冲式加砂装置”(CN201710984579.3)中，通过砂斗底部闸板的开合使支撑剂不连续下落，形成脉冲加砂的效果。目前这些脉冲加砂设备的核心多为通过电控闸板、阀门、开关等造成支撑的不连续运移，以实现脉冲加砂，其本质仍需设备的频繁启动，多存在滞后性，且操作不精确，脉冲效果不佳，有较大的提升空间。

因此期待研发一种加砂装置及方法，实现脉冲加砂的同时，使加砂频率可调，并能够随排量自适应调节，以提高自动化程度，简化脉冲加砂的施工程序。

发明内容

本发明的目的是为解决当前脉冲加砂设备多为手动控制带来的精度受限、设备频繁启动的问题，提出可调节频率的自适应脉冲的加砂装置及方法，通过简单可靠的机械构造实现脉冲加砂、频率可调、随排量自适应的多重功能，提高自动化程度，简化脉冲加砂的施工程序。

为了实现上述目的，本发明提供一种加砂装置，包括：

壳体，所述壳体呈圆筒状，所述壳体的两端分别设有入液口和出液口，所述壳体的侧壁上设有入砂口；

内套筒，所述内套筒设置于所述壳体的内部，与所述壳体同轴设置且可在所述壳体内部转动，所述内套筒的侧壁上设有开窗，所述内套筒在所述壳体内部转动时，所述开窗能够与所述入砂口对准或错开；

一对叶轮，所述一对叶轮设置于所述壳体中且分别位于所述壳体的两端，所述一对叶轮通过传动轴传动连接；

传动装置，所述传动装置分别与所述一对叶轮和所述内套筒连接，所述传动装置在所述一对叶轮的驱动下带动所述内套筒转动。

可选地，所述传动装置包括至少一对行星齿轮组件，所述至少一对行星齿轮组件位于所述一对叶轮之间，每对所述行星齿轮组件中的一个行星齿轮组件靠近所述壳体的一端，另一个行星齿轮组件靠近所述壳体的另一端；每个所述行星齿轮组件通过所述传动轴与所述叶轮传动连接，且与所述内套筒传动连接。

可选地，每个所述行星齿轮组件包括主齿轮及多个小齿轮，所述主齿轮与所述传动轴连接，所述多个小齿轮环绕所述主齿轮设置且与所述主齿轮啮合传动，所述多个小齿轮的齿轮轴连接于所述内套筒。

可选地，所述传动装置包括多对行星齿轮组件，各对行星齿轮组件的主齿轮与小齿轮之间的传动比不同，各对行星齿轮组件的小齿轮一一对应且同轴。

可选地，所述传动轴上设有键槽，所述主齿轮通过可拆卸地设于所述键槽内的键与所述传动轴传动连接。

可选地，所述叶轮包括内环、外环及多个叶片，所述外环套设于所述内环的外侧且与所述内环同轴，所述多个叶片沿所述外环的径向连接于所述内环与所述外环之间，所述内环套设于所述传动轴上且与所述传动轴相连接，所述外环通过轴承连接于所述壳体的内壁。

可选地，所述开窗的面积占所述内套筒的侧壁面积的30％～70％。

一种加砂方法，利用上述的加砂装置，所述方法包括如下步骤：

1)由入液口向壳体中泵入压裂液，使压裂液推动叶轮旋转，进而带动内套筒旋转；

2)由入砂口向壳体中泵入支撑剂；

3)支撑剂与压裂液在壳体中混合成携砂液，由出液口排出。

可选地，所述传动装置包括至少一对行星齿轮组件，所述至少一对行星齿轮组件位于所述一对叶轮之间，每对所述行星齿轮组件中的一个行星齿轮组件靠近所述壳体的一端，另一个行星齿轮组件靠近所述壳体的另一端；每个所述行星齿轮组件通过所述传动轴与所述叶轮传动连接，且与所述内套筒传动连接；

所述加砂方法还包括：在所述步骤1)之前设置安装所述加砂装置，包括：

确定压裂方案的施工参数；

根据施工参数，确定内套筒的开窗比例，将具有所述开窗比例的内套筒安装于壳体中；

根据施工参数，确定行星齿轮组件的传动比，将具有所述传动比的行星齿轮组件连接于传动轴；

将入液口、入砂口及出液口与对应的管线连接。

可选地，所述施工参数包括：所需排量、脉冲加砂频率及脉冲周期内加砂时长比例。

本发明的有益效果在于：

1、该装置通过由入液口进入壳体的压裂液流动带动叶轮旋转，进而通过传动轴和传动装置带动内套筒旋转，不引入外接设备、不需能量输入；内套筒上设有开窗，当开窗旋转至对准入砂口处时，支撑剂能够通过入砂口进入内套筒与压裂液混合，当开窗旋转与入砂口错开时支撑剂无法进入，从而实现支撑剂周期性地进入管汇，实现脉冲加砂；内套筒旋转一周为一个加砂周期，其旋转速度与叶轮相关，而叶轮旋转速度与排量相关，从而实现加砂频率与排量的自适应(排量越大频率越高)；同时内套筒的开窗大小与单个周期内加砂时长与间隔时长的比值相关，实现了对加砂周期内加砂比例的控制。

2、设置多对不同传动比的行星齿轮组件，可根据需求在传动轴的对应的键槽处安装花键，实现与对应行星齿轮组件的连接，改变内套筒的旋转速度，即实现了频率的改变与控制。该装置结构简单且具备手动控制及自适应控制双重属性，具有一定的智能性，自动化程度高。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的频率可调的自适应脉冲加砂装置的示意性结构图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的内套筒的主视图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的内套筒的俯视图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的传动装置的示意性结构图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的行星齿轮的示意性结构图。

图6示出了根据本发明的一个实施例的传动轴的示意性结构图。

附图标记说明

1、入液口；2、壳体；3、传动装置；31、传动轴；32、叶轮；33、行星齿轮组件；34、主齿轮；35、小齿轮；4、花键；5、入砂口；6、内套筒；61、开窗；7、出液口。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明公开了一种加砂装置，包括：

壳体，壳体呈圆筒状，壳体的两端分别设有入液口和出液口，壳体的侧壁上设有入砂口；

内套筒，内套筒设置于壳体的内部，与壳体同轴设置且可在壳体内部转动，内套筒的侧壁上设有开窗，内套筒在壳体内部转动时，开窗能够与入砂口对准或错开；

一对叶轮，一对叶轮设置于壳体中且分别位于壳体的两端，一对叶轮通过传动轴传动连接；

传动装置，传动装置分别与一对叶轮和内套筒连接，传动装置在一对叶轮的驱动下带动内套筒转动。

具体地，该装置通过由入液口进入壳体的压裂液流动带动叶轮旋转，进而通过传动轴和传动装置带动内套筒旋转，不引入外接设备、不需能量输入；

内套筒上设有开窗，当开窗旋转至对准入砂口处时，支撑剂能够通过入砂口进入内套筒与压裂液混合，当开窗旋转与入砂口错开时支撑剂无法进入，从而实现支撑剂周期性地进入管汇，实现脉冲加砂；

内套筒旋转一周为一个加砂周期，其旋转速度与叶轮相关，而叶轮旋转速度与排量相关，从而实现加砂频率与排量的自适应(排量越大频率越高)；

内套筒的开窗大小与单个周期内加砂时长与间隔时长的比值相关，因此通过控制开窗比例，能够实现对加砂周期内加砂比例的控制。

作为可选方案，传动装置包括至少一对行星齿轮组件，至少一对行星齿轮组件位于一对叶轮之间，每对行星齿轮组件中的一个行星齿轮组件靠近壳体的一端，另一个行星齿轮组件靠近壳体的另一端；每个行星齿轮组件通过传动轴与叶轮传动连接，且与内套筒传动连接。

具体地，每对行星齿轮组件分别连接于内套筒的两端，在带动内套筒旋转时，其两端同步受力，使设备运行更加流畅稳定，防止内套筒的两端产生扭矩，延长使用寿命。

作为可选方案，每个行星齿轮组件包括主齿轮及多个小齿轮，主齿轮与传动轴连接，多个小齿轮环绕主齿轮设置且与主齿轮啮合传动，多个小齿轮的齿轮轴连接于内套筒。

具体地，采用行星齿轮组件作为传动装置，通过主齿轮自转使小齿轮形成公转，利用其公转的特性实现行星齿轮组件内外侧同轴不同速的转动，平稳性高。

作为可选方案，传动装置包括多对行星齿轮组件，各对行星齿轮组件的主齿轮与小齿轮之间的传动比不同，各对行星齿轮组件的小齿轮一一对应且同轴。

具体地，装置中叶轮为固定标准件，因此在不同排量条件下存在唯一对应的转速n；每个行星齿轮组件中的主齿轮与传动轴连接后转速均与叶轮转速相同，为n；不同的星齿轮组件中，主齿轮与小齿轮存在不同的齿轮比r，则与行星齿轮组件相连接的内套筒的转速与叶轮转速存在函数关系n’＝r·n。转速的倒数即为脉冲频率。

因此设置多对行星齿轮组件，使用时在符合设定脉冲频率的行星齿轮组件的传动轴处安装花键，使该行星齿轮组件与叶轮形成硬连接，内套筒即可以预设频率旋转。

作为可选方案，传动轴上设有键槽，主齿轮通过可拆卸地设于键槽内的键与传动轴传动连接。

具体地，设置多对不同传动比的行星齿轮组件，可根据需求在传动轴的对应的键槽处安装花键，实现与对应行星齿轮组件的连接，改变内套筒的旋转速度，即实现了频率的改变与控制；

该装置结构简单且具备手动控制及自适应控制双重属性，具有一定的智能性，自动化程度高。

作为可选方案，叶轮包括内环、外环及多个叶片，外环套设于内环的外侧且与内环同轴，多个叶片沿外环的径向连接于内环与外环之间，内环套设于传动轴上且与传动轴相连接，外环通过轴承连接于壳体的内壁。

作为可选方案，开窗的面积占内套筒的侧壁面积的30％～70％。

具体地，本方案可以准备多个内套筒，并提前加工好固定的开窗比例，如30％、50％、70％等，使用时根据需求直接调用。

本发明还公开了一种加砂方法，利用上述的加砂装置，方法包括如下步骤：

1)由入液口向壳体中泵入压裂液，使压裂液推动叶轮旋转，进而带动内套筒旋转；

2)由入砂口向壳体中泵入支撑剂；

3)支撑剂与压裂液在壳体中混合成携砂液，由出液口排出。

具体地，装置安装完毕后，由入液口泵入压裂液，在液体流动下叶轮开始转动；当液流稳定后叶轮转速趋于恒定；

压裂液流量稳定后，开始按压裂设计方案泵入预定砂比的支撑剂；因内套筒周期性旋转，支撑剂经由内套筒上的开窗周期性进入混砂装置，形成一定频率的脉冲式加砂；

当提高压裂液排量时，叶轮携带内套筒转速提高，进而提高了脉冲加砂的频率，即频率随排量自适应变化，装置整体具备智能性。

作为可选方案，传动装置包括至少一对行星齿轮组件，至少一对行星齿轮组件位于一对叶轮之间，每对行星齿轮组件中的一个行星齿轮组件靠近壳体的一端，另一个行星齿轮组件靠近壳体的另一端；每个行星齿轮组件通过传动轴与叶轮传动连接，且与内套筒传动连接；

加砂方法还包括：在步骤1)之前设置安装加砂装置，包括：

确定压裂方案的施工参数；

根据施工参数，确定内套筒的开窗比例，将具有开窗比例的内套筒安装于壳体中；

根据施工参数，确定行星齿轮组件的传动比，将具有传动比的行星齿轮组件连接于传动轴；

将入液口、入砂口及出液口与对应的管线连接。

具体地，内套筒的开窗比例与单个脉冲周期内加砂时长与间隔时长的比值相关；行星齿轮组件的传动比与所需排量及脉冲加砂频率。

作为可选方案，施工参数包括：所需排量、脉冲加砂频率及脉冲周期内加砂时长比例。

实施例

图1示出了本实施例的频率可调的自适应脉冲加砂装置的示意性结构图；图2示出了本实施例的内套筒的主视图；图3示出了本实施例的内套筒的俯视图；图4示出了本实施例的传动装置的示意性结构图；图5示出了本实施例的行星齿轮的示意性结构图；图6示出了本实施例的传动轴的示意性结构图。

如图1所示，壳体2呈圆筒状，壳体2的两端分别设有入液口1和出液口7，壳体2的侧壁上设有入砂口5，内套筒6设置于壳体2的内部，与壳体2同轴且可在壳体2内部转动；

如图2、图3所示，传动装置3设置于内套筒6的两端，内套筒6的侧壁上设有开窗61；内套筒6在壳体2内部转动时，开窗61能够与入砂口5对准或错开；本实施例制备了三个大小相同的内套筒6，每个内套筒6的开窗61面积占内套筒6的侧壁面积的比例不同，分别为30％、50％、70％。

如图4所示，一对叶轮32设置于壳体2中且分别位于壳体2的两端，并通过传动轴31传动连接；传动装置3包括三对行星齿轮组件，各对行星齿轮组件的主齿轮34与小齿轮35之间的传动比不同，各对行星齿轮组件的小齿轮35一一对应且同轴，主齿轮34与传动轴31连接，多个小齿轮35环绕主齿轮设置且与主齿轮34啮合传动，多个小齿轮35的齿轮轴连接于内套筒6，如图5所示；

其中，叶轮包括内环、外环及多个叶片，外环套设于内环的外侧且与内环同轴，多个叶片沿外环的径向连接于内环与外环之间，内环套设于传动轴上且与传动轴相连接，外环通过轴承连接于壳体的内壁

如图6所示，传动轴31上设有键槽，主齿轮34通过可拆卸地设于键槽内的花键4与传动轴31传动连接。设置三对不同传动比的行星齿轮组件，可根据需求在传动轴31的对应的键槽处安装花键4，实现与对应行星齿轮组件的连接，改变内套筒6的旋转速度，即实现了频率的改变与控制。

本发明还公开了一种加砂方法，利用上述的加砂装置，方法包括如下步骤：

确定压裂方案的施工参数，包括：所需排量、脉冲加砂频率及脉冲周期内加砂时长比例；

根据施工参数，确定内套筒的开窗比例，将具有开窗比例的内套筒安装于壳体中，内套筒的开窗比例与单个周期内加砂时长与间隔时长的比值相关；

根据施工参数，确定行星齿轮组件的传动比，将具有传动比的行星齿轮组件连接于传动轴，行星齿轮组件的传动比与所需排量及脉冲加砂频率相关；

将入液口、入砂口及出液口与对应的管线连接；

装置安装完毕后，由入液口向壳体中泵入压裂液，使压裂液推动叶轮旋转，进而带动内套筒旋转，当液流稳定后叶轮转速趋于恒定，进而内套筒旋转周期趋于稳定；

压裂液流量稳定后，按压裂设计方案由入砂口向壳体中泵入支撑剂，因内套筒周期性旋转，支撑剂经由内套筒开窗周期性进入壳体，形成一定频率的脉冲式加砂；当提高压裂液排量时，叶轮携带内套筒转速提高，进而提高了脉冲加砂的频率，即频率随排量自适应变化；

支撑剂与压裂液在壳体中混合成携砂液，由出液口排出。

本发明提供了一种可调节频率的自适应脉冲式加砂装置及方法，通过压裂液流动带动叶轮旋转，进而通过传动轴与花键的配合带动相应的行星齿轮组件转动，进而带动与行星齿轮组件相连的内套筒旋转；内套筒存在开窗，当开窗旋转至对准入砂口时，支撑剂进入内套筒与压裂液混合，当窗口旋转错开入砂口时，支撑剂无法进入，从而实现支撑剂周期性地进入管汇，实现脉冲加砂；内套筒旋转一周为一个加砂周期，其旋转速度与叶轮相关，而叶轮旋转速度与排量相关，从而实现加砂频率与排量的自适应(排量越大频率越高)；内套筒的开窗大小与单个周期内加砂时长与间隔时长的比值相关，实现了对加砂周期内加砂比例的控制；预置多个不同传动比的行星齿轮组件，可根据需求在传动轴的预置凹槽处安装花键，实现与对应行星齿轮组件的连接，以改变内套筒的旋转速度，即实现了频率的改变与控制。该装置具备手动控制及自适应控制双重属性，具备一定的智能性。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (6)

1.一种加砂装置的加砂方法，其特征在于，该加砂方法应用于加砂装置，所述加砂装置包括：

壳体，所述壳体呈圆筒状，所述壳体的两端分别设有入液口和出液口，所述壳体的侧壁上设有入砂口；

内套筒，所述内套筒设置于所述壳体的内部，与所述壳体同轴设置且可在所述壳体内部转动，所述内套筒的侧壁上设有开窗，所述内套筒在所述壳体内部转动时，所述开窗能够与所述入砂口对准或错开；

一对叶轮，所述一对叶轮设置于所述壳体中且分别位于所述壳体的两端，所述一对叶轮通过传动轴传动连接；

传动装置，所述传动装置分别与所述一对叶轮和所述内套筒连接，所述传动装置在所述一对叶轮的驱动下带动所述内套筒转动；

所述传动装置包括至少一对行星齿轮组件，所述至少一对行星齿轮组件位于所述一对叶轮之间，每对所述行星齿轮组件中的一个行星齿轮组件靠近所述壳体的一端，另一个行星齿轮组件靠近所述壳体的另一端；每个所述行星齿轮组件通过所述传动轴与所述叶轮传动连接，且与所述内套筒传动连接；

每个所述行星齿轮组件包括主齿轮及多个小齿轮，所述主齿轮与所述传动轴连接，所述多个小齿轮环绕所述主齿轮设置且与所述主齿轮啮合传动，所述多个小齿轮的齿轮轴连接于所述内套筒；

所述传动装置包括多对行星齿轮组件，各对行星齿轮组件的主齿轮与小齿轮之间的传动比不同，各对行星齿轮组件的小齿轮一一对应且同轴；

所述方法包括如下步骤：

1）由入液口向壳体中泵入压裂液，使压裂液推动叶轮旋转，进而带动内套筒旋转；

2）由入砂口向壳体中泵入支撑剂；

3）支撑剂与压裂液在壳体中混合成携砂液，由出液口排出。

2.根据权利要求1所述的加砂装置的加砂方法，其特征在于，所述传动轴上设有键槽，所述主齿轮通过可拆卸地设于所述键槽内的键与所述传动轴传动连接。

3.根据权利要求1所述的加砂装置的加砂方法，其特征在于，所述叶轮包括内环、外环及多个叶片，所述外环套设于所述内环的外侧且与所述内环同轴，所述多个叶片沿所述外环的径向连接于所述内环与所述外环之间，所述内环套设于所述传动轴上且与所述传动轴相连接，所述外环通过轴承连接于所述壳体的内壁。

4.根据权利要求1所述的加砂装置的加砂方法，其特征在于，所述开窗的面积占所述内套筒的侧壁面积的30%~70%。

5.根据权利要求1所述的加砂装置的加砂方法，其特征在于，所述传动装置包括至少一对行星齿轮组件，所述至少一对行星齿轮组件位于所述一对叶轮之间，每对所述行星齿轮组件中的一个行星齿轮组件靠近所述壳体的一端，另一个行星齿轮组件靠近所述壳体的另一端；每个所述行星齿轮组件通过所述传动轴与所述叶轮传动连接，且与所述内套筒传动连接；

所述加砂方法还包括：在所述步骤1）之前设置安装所述加砂装置，包括：

确定压裂方案的施工参数；

根据施工参数，确定内套筒的开窗比例，将具有所述开窗比例的内套筒安装于壳体中；

根据施工参数，确定行星齿轮组件的传动比，将具有所述传动比的行星齿轮组件连接于传动轴；

将入液口、入砂口及出液口与对应的管线连接。

6.根据权利要求5所述的加砂装置的加砂方法，其特征在于，所述施工参数包括：所需排量、脉冲加砂频率及脉冲周期内加砂时长比例。

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