CN114482941A - 一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置及应用方法，所述装置包括外壳和设于所述外壳内部的控向喷射装置，所述控向喷射装置上设有喷嘴，对应喷嘴的所述外壳相应位置环向开设有槽；所述控向喷射装置包括涡轮扇叶和与所述涡轮扇叶固定连接的控向装置，所述控向装置包括控向装置本体以及均设于控向装置本体内部的弹性件、钢珠和第一限位件，所述外壳设有第二限位件，所述弹性件一端与所述钢珠抵接，另一端与所述第二限位件抵接，所述钢珠的另一端与所述第一限位件抵接。本发明实现了角度可控的定向射孔模式或切缝模式随意切换，降低了生产成本，采用本装置与压裂工具组合后无需退出孔内装置即可开始压裂，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及水力压裂技术领域，尤其涉及一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置及应用方法。
背景技术
水力压裂技术起源于石油系统，通过水力压裂技术对含油地层内部的原生裂隙进行扩展，以增强油气的抽采效率和抽采范围。近年来煤炭系统引入水力压裂技术治理煤矿顶板及瓦斯，坚硬煤层弱化方面成果丰硕。
但由于岩体是一种非均质、非连续且各向异性的特殊材料，目前在实际进行水力压裂的过程中无法对水力压裂形成的裂隙方向进行准确控制，从而影响压裂的效果及影响范围。研究表明，压裂前对孔壁制造孔洞或缝隙能够控制压裂过程中的裂隙拓展方向且能扩大水力压裂影响范围。
现有的射孔和切缝装置确实能够对钻孔内壁进行单独射孔或者切缝，但在工程实际使用过程往往存在着以下弊端：
(1)射孔和切缝装置是两个单独装置，面对不同的工程需求时需要对装置进行整体更换，因此工程现场需要同时购买两套装置，增加成本。
(2)射孔装置中喷嘴位置与喷嘴数量在出厂时就固定，当工程需要增加射孔数量时仅能够通过钻机旋转远端钻杆最终带动装置旋转进而改变射孔角度，增加射孔数量。而实际工程应用过程中分段压裂钻孔深度最大超过500m，由于钻杆的刚性有限，因此通过钻机旋转远端的钻杆无法对喷嘴旋转的角度进行准确的控制，往往无法满足计划射孔的方位和角度，影响后续压裂效果。
(3)目前的射孔和切缝装置与压裂工具互斥，在射孔或切缝结束后需要整体从钻孔内退出装置，更换压裂工具后再次送入孔内。目前分段水力压裂工程钻孔最大深度已经能够超过500m，因此退出孔内装置后进行压裂工艺流程繁琐，劳动强度大。
鉴于上述缺陷，本发明的设计者研究设计了一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置及应用方法，以克服上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置及应用方法，解决了目前工程现场需同时购买不同装置，无法满足射孔方位和角度，压裂工艺流程繁琐等问题，实现了控向、控量条件下的射孔和360°切缝两种功能，并可以根据现场实际工程需求任意切换；射孔结束后无需更换孔内工具即可完成分段压裂的后续施工。
本发明所采用的一种技术方案：一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置，包括外壳(1)和设于所述外壳(1)内部的控向喷射装置(2)，所述控向喷射装置(2)上设有喷嘴(4)，对应喷嘴(4)的所述外壳(1)相应位置环向开设有槽；
所述控向喷射装置(2)包括涡轮扇叶(3)和与所述涡轮扇叶(3)固定连接的控向装置(5)，所述控向装置(5)包括控向装置本体以及均设于控向装置本体内部的弹性件(8)、钢珠(7)和第一限位件(6)，所述外壳(1)设有第二限位件(9)，所述弹性件(8)一端与所述钢珠(7)抵接，另一端与所述第二限位件(9)抵接，所述钢珠(7)的另一端与所述第一限位件(6)抵接。
进一步地，控向喷射装置(2)在高压水流作用下沿其轴向转动，具体设置为：所述控向喷射装置(2)上部通过轴承与外壳(1)连接，优选在涡轮扇叶(3)外部设置滚珠轴承(10)，通过滚珠轴承(10)实现涡轮扇叶(3)与外壳(1)的连接；所述控向喷射装置(2)下部与外壳(1)活动卡接，优选在控向装置(5)本体环向设置卡槽，通过卡槽与外壳(1)连接。
进一步地，所述控向喷射装置(2)整体设置成中空状；优选涡轮扇叶(3)和控向装置(5)均设置为中空圆柱状，并通过空心钢管将涡轮扇叶(3)和控向装置 (5)固定连接。
进一步地，所述弹性件(8)优选为阻尼弹簧；所述第一限位件(6)和第二限位件(9)优选为限位销。
本发明所采用的另一种技术方案：一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置的应用方法，包括如下步骤：
步骤S1，选择模式：选择射孔模式或者切缝模式；
当选择射孔模式时，将所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置送入钻孔中；
当选择切缝模式时，将所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置中的所述控向装置(5)的弹性件(8)和第一限位件(6)取出，并将所述外壳(1)上的第二限位件(9)取出；然后送入钻孔中；
步骤S2，向管路内放入低密度球(11)；
步骤S3，连接高压泵，在高压水流作用下，低密度球(11)通过管路到达所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置处，低密度球(11)卡入涡轮扇叶(3)中空位置，从而将所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置中心通道封锁；
其中，涡轮扇叶(3)中部的孔径的2倍>低密度球(11)的球径>涡轮扇叶(3) 中部的孔径；
步骤S4，在高压水流作用下通过涡轮扇叶(3)带动下端的控向装置(5)旋转，实现定向射孔或切缝：
当处于射孔模式时，在高压水流作用下，涡轮扇叶(3)带动下端的控向装置(5)旋转一定的角度并将高压水流向钻孔壁射出，实现定向射孔；
当处于切缝模式时，在高压水流作用下，涡轮扇叶(3)带动下端的控向装置(5)旋转，高压水流在钻孔壁完成360°切缝。
进一步地，当需要调节射孔个数时，通过调节水压的大小即可调节控向装置(5)的旋转角度：
具体地，步骤S4中处于射孔模式时，在高压水流作用下，通过涡轮扇叶 (3)带动下端控向装置(5)旋转，在高压水流以及外壳(1)的第二限位件(9)和控向装置(5)内的钢珠(7)、第一限位件(6)和弹性件的共同作用下，控向装置(5)旋转一定角度后停止。由于水压的不同，对弹性件的压力则不同，通过调节水压的大小可以调节控向装置(5)的旋转角度，即调节喷嘴(4)的旋转角度，通过多次调节水压并保持稳定从而可以调节射孔个数。
具体旋转角度采用如下方式调节：
利用传感器监测涡轮扇叶的转动角速度ω与高压泵扬程H，涡轮扇叶产生的力矩M为：
其中η：涡轮扇叶的效率，一般取80％；
ω：涡轮扇叶的转动角速度；
H：高压泵扬程；
Q：水流量；
对弹性件进行加载，获取弹性件轴向载荷F：
F＝Kλ
其中λ：压缩变形量；
K：弹性系数；
当弹性件固定在所述装置内部时，弹性件轴向载荷F：
F＝M/r
其中M：涡轮扇叶产生的力矩；
r：空心钢管半径；
控向装置的旋转角度θ：
其中λ：压缩变形量；
r：空心钢管半径；
由上述关系可得出旋转角度θ：
当定向射孔或切缝完成后，停泵，在水流回退的过程中在孔口回收低密度球(11)，再连接管路，开启高压泵，开始压裂。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1.本一体化装置可以根据现场实际地质条件及工程需求可以在射孔模式或切缝模式随意切换，一套一体化装置可实现两种功能，降低成本。
2.本一体化装置在射孔模式下可以通过调节注水压力，对射孔个数及射孔方向进行360°的调节在高压水射流的作用完成孔壁射孔。本一体化装置在切缝模式下，水流可通过喷头360°不间断旋转喷射，在高压水射流的作用完成孔壁切缝。
3.采用本一体化装置与压裂工具组合后无需退出孔内装置即可开始压裂，大幅度降低人员的劳动强度，提高工作效率。
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为一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置处于射孔模式的结构示意图；
图2为一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置处于切缝模式的结构示意图；
图3为一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置处于压裂模式的结构示意图。
附图中，1-外壳；2-控向喷射装置；3-涡轮扇叶；4-喷嘴；5-控向装置； 6-第一限位件；7-钢珠；8-弹性件；9-第二限位件；10-滚珠轴承；11-低密度球。
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1：
一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置，包括外壳1和设于所述外壳1 内部的控向喷射装置2，所述控向喷射装置2上设有喷嘴4，对应喷嘴4的所述外壳1相应位置环向开设有槽；
所述控向喷射装置2包括涡轮扇叶3和与所述涡轮扇叶3固定连接的控向装置5，所述控向装置5包括控向装置5本体以及均设于控向装置5本体内部的弹性件8、钢珠7和第一限位件6，所述外壳1设有第二限位件9，所述弹性件一端与所述钢珠7抵接，另一端与所述第二限位件9抵接，所述钢珠7 的另一端与所述第一限位件6抵接。
为了使控向喷射装置2在高压水流作用下沿其轴向转动，在涡轮扇叶3 外部设置滚珠轴承10，通过滚珠轴承10实现涡轮扇叶3与外壳1的连接；在控向装置5本体环向设置卡槽，通过卡槽与外壳1连接。
为了便于控向喷射装置2沿外壳1转动，将控向喷射装置2整体设置成中空圆柱状；为了便于卡入低密度球11，将涡轮扇叶3和控向装置5均设置为中空圆柱状，并通过空心钢管将涡轮扇叶3和控向装置5固定连接。
弹性件8可以为阻尼弹簧，第一限位件6和第二限位件9可以为限位销。
实施例2：
一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置的应用方法，包括如下步骤：
步骤S1，选择模式：选择射孔模式或者切缝模式；
当选择射孔模式时，将所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置送入钻孔中；
当选择切缝模式时，将所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置中的所述控向装置5的弹性件8和第一限位件6取出，并将所述外壳1上的第二限位件9取出；然后送入钻孔中；
步骤S2，向管路内放入低密度球11；
步骤S3，连接高压泵，在高压水流作用下，低密度球11通过管路到达所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置处，低密度球11卡入涡轮扇叶3中空位置，从而将所述装置中心通道封锁；
其中，涡轮扇叶3中部的孔径的2倍>低密度球11的球径>涡轮扇叶3中部的孔径；
步骤S4，在高压水流作用下通过涡轮扇叶3带动下端的控向装置5旋转，实现定向射孔或切缝：
当处于射孔模式时，在高压水流作用下，涡轮扇叶3带动下端的控向装置5旋转一定的角度并将高压水流向钻孔壁射出，实现定向射孔；
当处于切缝模式时，在高压水流作用下，涡轮扇叶3带动下端的控向装置5旋转，高压水流在钻孔壁完成360°切缝。
在射孔模式时，在高压水流作用下，通过涡轮扇叶3带动下端控向装置5 旋转，在高压水流以及外壳1的第二限位件9和控向装置5内的钢珠7、第一限位件6和弹性件的共同作用下，控向装置5旋转一定角度后停止。钢珠7 在第一限位件6、第二限位件9的作用下向弹性件施加压力。由于水压的不同，对弹性件的压力则不同，通过调节水压的大小即可调节控向装置5的旋转角度，进而调节喷嘴4的旋转角度，通过多次调节水压并保持稳定从而可以调节射孔个数。
当需要调节旋转角度时，可以通过调节水压来实现，具体可以采用如下公式计算出的喷嘴旋转角度θ：
其中η：涡轮扇叶的效率，一般取80％；
ω：涡轮扇叶的转动角速度；
H：高压泵扬程；
Q：水流量；
r：空心钢管半径。
当定向射孔或切缝完成后，停泵，在水流回退的过程中在孔口回收低密度球，再连接管路，开启高压泵开始压裂。
本发明的角度可控定向射孔及切缝一体化装置，实现了射孔模式或切缝模式随意切换，降低了生产成本；且通过调节高压泵扬程和高压水流量，对射孔个数及射孔方向进行360°的调节在高压水射流的作用完成孔壁射孔。本装置在切缝模式下，水流可通过喷头360°不间断旋转喷射，在高压水射流的作用完成孔壁切缝。采用本装置与压裂工具组合后无需退出孔内装置即可开始压裂，大幅度降低人员的劳动强度，提高工作效率。
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 (10)
1.一种角度可控定向射孔及切缝一体化装置，包括外壳(1)和设于所述外壳(1)内部的控向喷射装置(2)，所述控向喷射装置(2)上设有喷嘴(4)，对应喷嘴(4)的所述外壳(1)相应位置环向开设有槽；
其特征在于：所述控向喷射装置(2)包括涡轮扇叶(3)和与所述涡轮扇叶(3)固定连接的控向装置(5)，所述控向装置(5)包括控向装置本体以及均设于控向装置本体内部的弹性件(8)、钢珠(7)和第一限位件(6)，所述外壳(1)设有第二限位件(9)，所述弹性件一端与所述钢珠(7)抵接，另一端与所述第二限位件(9)抵接，所述钢珠(7)的另一端与所述第一限位件(6)抵接。
2.根据权利要求1所述的角度可控定向射孔及切缝一体化装置，其特征在于：涡轮扇叶(3)外部设置滚珠轴承(10)，通过滚珠轴承(10)实现涡轮扇叶(3)与外壳(1)的连接。
3.根据权利要求2所述的角度可控定向射孔及切缝一体化装置，其特征在于：在控向装置本体环向设置卡槽，通过卡槽与外壳(1)连接。
4.根据权利要求3所述的角度可控定向射孔及切缝一体化装置，其特征在于：涡轮扇叶(3)和控向装置(5)均设置为中空圆柱状。
5.根据权利要求4所述的角度可控定向射孔及切缝一体化装置，其特征在于：通过空心钢管将涡轮扇叶(3)和控向装置(5)固定连接。
6.根据权利要求5所述的角度可控定向射孔及切缝一体化装置，其特征在于：弹性件为阻尼弹簧；所述第一限位件(6)和第二限位件(9)为限位销。
7.权利要求5所述的角度可控定向射孔及切缝一体化装置的应用方法，包括如下步骤：
步骤S1，选择模式：选择射孔模式或者切缝模式；
当选择射孔模式时，将所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置送入钻孔中；
当选择切缝模式时，将所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置中的所述控向装置(5)的弹性件(8)和第一限位件(6)取出，并将所述外壳(1)上的第二限位件(9)取出；然后送入钻孔中；
步骤S2，向管路内放入低密度球(11)；
步骤S3，连接高压泵，在高压水流作用下，低密度球(11)通过管路到达所述角度可控定向射孔及切缝一体化装置处，低密度球(11)卡入涡轮扇叶(3)中空位置，将所述装置中心通道封锁；
步骤S4，在高压水流作用下通过涡轮扇叶(3)带动下端的控向装置(5)旋转，实现定向射孔或切缝：
当处于射孔模式时，在高压水流作用下，涡轮扇叶(3)带动下端的控向装置(5)旋转一定的角度并将高压水流向钻孔壁射出，实现定向射孔；
当处于切缝模式时，在高压水流作用下，涡轮扇叶(3)带动下端的控向装置(5)旋转，高压水流在钻孔壁完成360°切缝。
8.根据权利要求7所述的角度可控定向射孔及切缝一体化装置的应用方法，其特征在于：步骤S4中处于射孔模式时，当需要调节射孔个数时，通过调节水压的大小即可调节控向装置(5)的旋转角度进而调节射孔个数。
9.根据权利要求8所述的角度可控定向射孔及切缝一体化装置的应用方法，其特征在于：步骤S4中处于射孔模式时，在高压水流作用下，通过涡轮扇叶(3)带动下端控向装置(5)旋转，在高压水流以及外壳(1)的第二限位件(9)和控向装置(5)内的钢珠(7)、第一限位件(6)和弹性件的共同作用下，控向装置(5)旋转一定角度后停止，通过多次调节水压并保持稳定从而调节射孔个数。
10.根据权利要求8所述的角度可控定向射孔及切缝一体化装置的应用方法，其特征在于：所述旋转角度θ为：
其中η：涡轮扇叶的效率，一般取80％；
ω：涡轮扇叶的转动角速度；
H：高压泵扬程；
Q：水流量；
r：空心钢管半径；
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