CN115095309A - 一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿、油气田压裂增渗设备技术领域，涉及一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置，包括入口、射流泵、两位四通换向主阀、增压液泵、弹性蓄能系统、溢流阀；装置入口后侧与射流泵连通，通过入口、射流泵配合驱动两位四通换向主阀、增压液泵往复运动，增压液泵与弹性蓄能系统连通并向弹性蓄能系统中输送液体，弹性蓄能系统中压力随着输入液体的增多而逐步上升，弹性蓄能系统与溢流阀连通，弹性蓄能系统通过溢流阀向出口输出高压液体；该装置通过射流驱动压差下大面积比活塞的高增压和高压气体的高蓄能，实现了大幅提高单次脉冲幅值和增加作用时间的目的，进而大幅提高了高压脉冲波的致裂及增渗增透效果。

Description

一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置

技术领域：

本发明属于煤矿、油气田压裂增渗设备技术领域，涉及一种用于提高中低压下增压泵的水力压裂和增渗效果的脉冲装置，特别涉及一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置及压裂增渗方法。

背景技术：

注水压裂、增渗既是煤层注水防尘、开采瓦斯的重要手段，也是提高油气田油气采收率的有效技术。注水压裂、增渗效果可通过提高泵压来实现，但直接增加泵压有两个缺点：一是会造成施工风险，比如煤层顶板的坍塌和油气井管道的损坏；二是，高压增压泵制造、升级和施工成本高。

在现有专利技术中，公开号为CN107083922B的中国专利，公开了一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备，前部压水腔体前端设有端盖，前部压水腔体尾端与中部活塞腔体前端相连，中部活塞腔体尾端与冲击活塞加速腔体前端相连，冲击活塞加速腔体尾端设有进水气接头，端盖设有过岩屑槽、合金喷嘴球齿和合金球齿，前部压水腔体设有冲击钎头和弹簧，中部活塞腔体设有中部活塞，冲击活塞加速腔体设有冲击活塞，端盖、前部压水腔体、中部活塞腔体、冲击活塞加速腔体和进水气接头内部水道依次连通，进水气接头通过水气组合管分别连接空气压缩机和低压给水泵。公开号为CN2685528的中国专利，公开了一种井下高压水力脉冲发生器其特征是由转换接头、滑阀上限位挡圈、滑阀、滑阀弹簧、滑阀下限位挡圈、滑阀缸套、活塞缸套、活塞、活塞弹簧、弹簧支架、增压缸、壳体及高压喷管组成，增压缸、弹簧支架、活塞弹簧、活塞缸套、活塞、滑阀缸套、滑阀下限位挡圈、滑阀弹簧、滑阀和滑阀上限位挡圈由下至上顺序装入壳体内部，壳体上端连接有转换接头，下端与钻头相连，增压缸的下端出口联接有高压喷管，高压喷管伸入钻头内部，直插井底，滑阀和活塞在水击压力、惯性力和弹簧弹性力的综合作用下往复运动，在井底形成周期性的增压脉动和负压脉动，减少岩屑的“压持效应”，强化井底净化效果，提高射流破岩、辅助破岩钻进的效率。

脉冲注水压裂、增渗是目前在泵压不变下提高能效的重要技术，但对于深部原生裂纹和孔隙发育不充分的深部硬煤层和油气层，仍然存在脉冲幅值小、脉冲作用范围小的问题。要想解决这一问题，需要大幅提高单次脉冲的幅值和作用时间，达到高压脉冲应力波体积造缝进而连通原生裂缝的效果。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对现有脉冲注水压裂、增渗设备存在脉冲幅值小、脉冲作用范围小、作用时间短的不足，利用射流压差动力驱动变面积活塞增压、利用气体弹性蓄能来提高单次脉冲幅值和作用时间，设计一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其主体结构入口、射流泵、两位四通换向主阀、增压液泵、弹性蓄能系统、溢流阀、出口和壳体；壳体前端设置入口，入口后侧与射流泵的前端连通，通过入口、射流泵配合产生高压、低压两股液体，进而驱动两位四通换向主阀、增压液泵往复运动，增压液泵与弹性蓄能系统连通并向弹性蓄能系统中输送液体，弹性蓄能系统中压力随着输入液体的增多而逐步上升，弹性蓄能系统与溢流阀连通，当弹性蓄能系统中液体的压力积蓄达到溢流阀的憋压上限时，溢流阀打开，弹性蓄能系统通过溢流阀向出口输出高压液体。

本发明所述的一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置的壳体呈管状结构，壳体前部设置有入口，入口由前部的大直径管道和后部的锥形收缩管道组合构成，大直径管道压力高，大直径管道侧部与高压流体导管的前端连通，锥形收缩管道用来产生流体压能与动能1MPa-1.5MPa的能量转换，锥形收缩管道的后端与射流泵的前端连通；高压流体导管的后端分别与两位四通换向主阀的上端、导阀高压导管的前端连通，高压流体导管用来把入口的高压流体导入到两位四通换向主阀和导阀高压导管中，作为两位四通换向主阀、增压活塞运动的高压动力源；射流泵通过低压流体导管后端支管与两位四通换向主阀连通，用于产生两位四通换向主阀运动的低压动力源；两位四通换向主阀与增压液泵连通并控制增压液泵往复运动，增压液泵设置增压活塞，增压液泵与弹性蓄能系统连通，增压液泵通过增压活塞往复运动向弹性蓄能系统中输送液体，蓄能腔的后端与溢流阀的前端连通，弹性蓄能系统的后端分别与低压流体导管的后端、出口连通，漏斗状的出口设置在壳体后端，出口的宽口端对外连通。

本发明所述射流泵由前部的泵入口、后部的泵出口和两侧低压腔组成，泵出口是泵入口直径的1.1-1.2倍；射流泵两侧低压腔能够在射流卷吸下产生比射流泵的泵出口低0.5MPa的压力，射流泵的泵出口压力比泵入口压力低2MPa-3MPa；低压腔与低压流体导管的前端连通，低压流体导管的后端分为上低压支导管和低压支导管。

本发明所述两位四通换向主阀呈“凸”字形结构，两位四通换向主阀包括高压活塞端、低压活塞端、通孔内流道、外侧环形流道、主阀活塞缸体和活塞杆，高压活塞端的上端部与高压流体导管的后端连通，高压活塞端下端与哑铃型的活塞杆上端连接，通孔内流道呈“L”型结构，通孔内流道上部依次竖向贯穿活塞杆、高压活塞端并与高压流体导管的后端相通，通孔内流道下部横向贯穿活塞杆下部，活塞杆的中部外侧一周圈开设槽环状结构的外侧环形流道，活塞杆的下端与低压活塞端连接，低压活塞端上端面面积是高压活塞端下端面面积的1.2倍；主阀活塞缸体的下端与导阀低压连管相连通，主阀活塞缸体的中部左侧与低压流体导管的下低压支导管连通，主阀活塞缸体的中部右侧与上游增压腔导管的前端连通，主阀活塞缸体与下低压支导管连接处和主阀活塞缸体与上游增压腔导管连接处位于同一水平位置；当活塞杆移动至主阀活塞缸体内底端，下低压支导管与上游增压腔导管通过外侧环形流道连通；主阀活塞缸体的中上部左侧与低压流体导管的上低压支导管连通，主阀活塞缸体的中上部右侧与下游增压腔导管的下增压腔支导管连通，主阀活塞缸体与上低压支导管连接处和主阀活塞缸体与下增压腔支导管连接处位于同一水平位置；当活塞杆移动至主阀活塞缸体内顶端，上低压支导管与下增压腔支导管通过外侧环形流道连通；主阀活塞缸体的上部右侧与下游增压腔导管的上增压腔支导管连通，当活塞杆移动至主阀活塞缸体内底端，高压流体导管与上增压腔支导管连通；导阀高压导管的后端与两位两通高压导阀的前端连通，两位两通高压导阀的后端与导阀低压连管中部连通，导阀低压连管的后部与两位两通低压导阀的后端连通，两位两通低压导阀的前端与导阀低压导管的前端连通，导阀低压导管的后端与低压流体导管连通，两位两通高压导阀、两位两通低压导阀通过增压活塞碰撞打开；两位四通换向主阀用于控制增压活塞两侧的高压、低压转换；高压活塞端时刻处于高压流体作用，低压活塞端处于高压和低压流体交替作用；通孔内流道用于传导高压流体，外侧环形流道用于传导低压流体。

本发明所述增压液泵包括上游增压腔、下游增压腔、增压活塞、高压腔、吸入单向阀和排出单向阀；上游增压腔导管的后端与上游增压腔连通，下游增压腔导管的后端与下游增压腔连通；上游增压腔与下游增压腔之间安放有增压活塞，增压活塞呈“T”字型，增压活塞由竖向设置的动力塞板和横向设置的增压塞杆构成，动力塞板与增压塞杆的竖向截面积比为50：1-100：1，在高压流体导管与低压流体导管存在1.5MPa-2MPa压差下，由增压塞杆压缩液体产生75MPa-200MPa的最大增压；动力塞板处于上游增压腔与下游增压腔之间，增压塞杆安放在高压腔中并能够在高压腔中往复移动，高压腔后部下侧与吸入单向阀上端连通，吸入单向阀下端与低压流体导管连通；高压腔后端口与排出单向阀的前端连通，排出单向阀的后端与弹性蓄能系统前端连通。

本发明所述弹性蓄能系统包括弹性腔、气液隔断活塞、蓄能腔和充压管，排出单向阀的后端与充压管的前端连通，充压管的后端与蓄能腔连通，蓄能腔用来储存增压后的高压流体；蓄能腔的前部设置气液隔断活塞，气液隔断活塞套装在充压管上并能够沿着充压管往复移动，气液隔断活塞前侧设置弹性腔，弹性腔内盛有20L-40L的高压气体，弹性腔能够通过气体弹性能储存压力能；气液隔断活塞将弹性腔内的高压气体与蓄能腔的液体密闭分隔开。

本发明所述的两位两通高压导阀包括阀腔、锥形活塞杆、弹簧和锥形活塞杆，两位两通高压导阀的阀腔前部与导阀高压导管的后端连通，两位两通高压导阀的阀腔中安放弹簧，弹簧的后部与锥形活塞杆的底面相连接，锥形活塞杆的尖端与两位两通高压导阀的后部端口插卡式连接，两位两通高压导阀的后部端口与导阀低压连管连通，锥形活塞杆上有撞针，两位两通高压导阀的撞针伸入到上游增压腔中，两位两通高压导阀处于常闭状态；两位两通高压导阀和两位两通高压导阀结构相同安装方向相反，两位两通高压导阀的撞针伸入到下游增压腔中，当增压活塞向左移动到上游增压腔前部时，增压活塞碰触两位两通高压导阀的撞针，两位两通高压导阀打开；当增压活塞向右移动到下游增压腔后部时，增压活塞碰触两位两通高压导阀的撞针，两位两通高压导阀打开。

本发明所述的吸入单向阀包括单向阀腔、单向复位弹簧、圆台腔口和封珠，单向阀腔中安装单向复位弹簧，单向阀腔与圆台腔口一体设置并相通，圆台腔口中安放封珠，封珠一侧与弹簧相抵，封珠另一侧与圆台腔口的出口相抵；单向阀腔的尾部与高压腔连通，圆台腔口的出口与低压流体导管相连通；所述吸入单向阀与排出单向阀的结构相同，排出单向阀的单向阀腔尾部与充压管连通，排出单向阀圆台腔口的出口与高压腔相连通。

本发明所述的溢流阀包括溢流阀芯、回位弹簧、上磁体、下磁体、溢流阀口和溢流阀腔组合构成，所述溢流阀前端设置溢流阀口，溢流阀口外侧固定套装有上磁体，溢流阀口与溢流阀芯卡槽式连接；溢流阀芯由溢流阀体、溢流通道组成，溢流阀体由前部堵杆和后部底座一体设置构成，后部底座内嵌套安装有下磁体，上磁体和下磁体相对应并且极性相反相吸，后部底座中部开设有溢流通道，后部底座后侧开设有溢流阀腔，溢流阀腔中安装有回位弹簧，溢流阀腔的后端与出口连通；上磁体和下磁体接触时的磁吸力能够为蓄能腔提供80MPa-160MPa的憋压上限，回位弹簧最大弹力是上磁体和下磁体最大磁吸力的1/200以下。

本发明所述压差式活塞增压蓄能脉冲装置实现增压蓄能脉冲及压裂增渗的步骤和方法包括：设备连接、高低液压分流、高压加液、低压吸液、蓄能脉冲、脉冲增渗和低压渗流，具体为：

(1)设备连接：将所述压差式活塞增压蓄能脉冲装置的入口接入钻杆和增压泵，所述压差式活塞增压蓄能脉冲装置的出口接井底压裂、增渗工具；

(2)高低液压分流：增压泵启动后通过入口锥形收缩管道前后产生压差为1MPa-1.5MPa的高压和低压流体，高压流体由入口的前侧部向高压流体导管输送，低压流体经过射流泵进一步降压0.5MPa，最终产生压差为1.5MPa-2MPa的高压、低压两种流体；射流泵两侧低压腔能够在射流卷吸下产生比射流泵的泵出口低0.5MPa的压力；低压腔与低压流体导管的前端连通输送低压液体，泵出口与低压流体导管前端连通输送低压液体，入口与射流泵配合共同驱动两位四通换向主阀和增压活塞做往复运动；

(3)高压加液：当增压活塞左移到上游增压腔底部碰触两位两通高压导阀撞针时，两位两通高压导阀打开，低压活塞端依次通过低压流体导管、两位两通高压导阀、导阀高压导管与高压流体导管连通，低压活塞端增压，低压活塞端受力大于高压活塞端，两位四通换向主阀的活塞杆被推动至高压活塞端一侧，上游增压腔依次通过上游增压腔导管、通孔内流道与高压流体导管连通进行加压至高压状态向右移动，下游增压腔依次通过下游增压腔导管、下增压腔支导管、外侧环形流道、上低压支导管与低压流体导管相通处于低压状态，增压活塞在上游增压腔与下游增压腔压差下向右移动对高压腔内流体进行增压，增压后的流体通过排出单向阀流入蓄能腔；

(4)低压吸液：当增压活塞向右移动碰触两位两通高压导阀的撞针，两位两通高压导阀打开，低压活塞端依次通过导阀低压连管、两位两通高压导阀、导阀低压导管与低压流体导管连通，低压活塞端泄压，低压活塞端受力小于高压活塞端，两位四通换向主阀的活塞杆被推动向低压活塞端一侧，上游增压腔依次通过上游增压腔导管、外侧环形流道、下低压支导管与低压流体导管连通处于低压状态，下游增压腔依次通过下游增压腔导管、上增压腔支导管与高压流体导管相通增压至高压状态，增压活塞在上游增压腔与下游增压腔压差下向左移动对高压腔内流体进行减压，减压后吸入单向阀打开，高压腔通过吸入单向阀从低压流体导管吸入新的流体；

(5)蓄能脉冲：增压活塞往复运动20-60分钟后，增压后的流体通过排出单向阀不断流入蓄能腔；当蓄能腔中压力达到了出口阀门80MPa-160MPa的压力上限，上磁体和下磁体间距增加、磁吸力迅速减小，阀门迅速开启；蓄能腔中流体高压高速持续流出10s-30s，进而在出口处产生10s-30s、80-160MPa的高压脉冲波；当阀门前后压差降至0.4MPa-0.8MPa时，溢流阀芯在回位弹簧弹力作用下回位；

(6)脉冲增渗：高压脉冲波通过井底压裂、增渗工具传导到煤层、油层中，通过应力波、水楔作用诱导裂缝、解堵；

(7)低压渗流：高压脉冲结束后，蓄能腔出口阀门关闭、继续增压蓄能过程，同时出口处的低压流体在渗流阻力已大幅减小的煤层、油层中渗流。

本发明与现有技术相比，所设计的压差式活塞增压蓄能脉冲装置主体结构合理，通过射流驱动压差下大面积比活塞的高增压和高压气体的高蓄能，实现了大幅提高单次脉冲幅值和作用时间的目的，克服了现有装置脉冲幅值小、脉冲作用范围小的缺点，从而大幅提高了高压脉冲波的致裂及增渗增透效果。

附图说明：

图1为本发明涉及的压差式活塞增压蓄能脉冲装置的结构原理示意图。

图2为本发明涉及的射流泵的结构原理示意图。

图3为本发明涉及的两位四通换向主阀的结构原理示意图。

图4为本发明涉及的溢流阀的结构原理示意图。

图5为本发明涉及的高压加液过程增压液泵中液体流动方向的原理示意图。

图6为本发明涉及的低压吸液过程增压液泵中液体流动方向的原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置，如图1所示，其主体结构入口1、射流泵3、两位四通换向主阀5、增压液泵、弹性蓄能系统、溢流阀、出口26和壳体27；壳体27前端设置入口1，入口1后侧与射流泵3的前端连通，通过入口1、射流泵3配合产生高压、低压两股液体，进而驱动两位四通换向主阀5、增压液泵往复运动，增压液泵与弹性蓄能系统连通并向弹性蓄能系统中输送液体，弹性蓄能系统中压力随着输入液体的增多而逐步上升，弹性蓄能系统与溢流阀连通，当弹性蓄能系统中液体的压力积蓄达到溢流阀的憋压上限时，溢流阀打开，弹性蓄能系统通过溢流阀向出口26输出高压液体，出口26设置在壳体27的后端。

实施例2：

本实施例涉及的一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置，如图1所示，包括入口1、高压流体导管2、射流泵3、低压流体导管4、两位四通换向主阀5、导阀高压导管6、上游增压腔导管7、增压活塞8、下游增压腔导管9、高压腔10、弹性腔11、气液隔断活塞12、蓄能腔13、溢流阀芯14、回位弹簧15、低压流体导管16、两位两通高压导阀17、上游增压腔18、下游增压腔19、两位两通低压导阀20、导阀低压导管21、吸入单向阀22、排出单向阀23、上磁体24、下磁体25、出口26、壳体27、导阀低压连管28、充压管29、溢流阀口30和溢流阀腔31；管状结构的壳体27前部设置有入口1，入口1由前部的大直径管道和后部的锥形收缩管道组合构成，大直径管道压力高，大直径管道侧部与高压流体导管2的前端连通，锥形收缩管道用来产生流体压能与动能1MPa-1.5MPa的能量转换，锥形收缩管道的后端与射流泵3的前端连通；高压流体导管2的后端分别与两位四通换向主阀5的上端、导阀高压导管6的前端连通，高压流体导管2用来把入口1的高压流体导入到两位四通换向主阀5和导阀高压导管6中，作为两位四通换向主阀5、增压活塞8运动的高压动力源；射流泵3由前部的泵入口3-1、后部的泵出口3-3和两侧低压腔3-2组成，如图2所示，泵出口3-3是泵入口3-1直径的1.1-1.2倍；射流泵3两侧低压腔3-2能够在射流卷吸下产生比射流泵3泵出口3-3低0.5MPa的压力，射流泵3泵出口3-3压力比泵入口1压力低2MPa-3MPa；低压腔3-2与低压流体导管4的前端连通，低压流体导管4的后端分为上低压支导管4-1和低压支导管4-2；射流泵3通过低压流体导管4后端支管与两位四通换向主阀5连通，用于产生两位四通换向主阀5运动的低压动力源；“凸”字形结构的两位四通换向主阀5包括高压活塞端5-1、低压活塞端5-4、通孔内流道5-2、外侧环形流道5-3、主阀活塞缸体5-5和活塞杆5-6，如图3所示，高压活塞端5-1的上端部与高压流体导管2的后端连通，高压活塞端5-1下端与哑铃型的活塞杆5-6上端连接，通孔内流道5-2呈“L”型结构，通孔内流道5-2上部依次竖向贯穿活塞杆5-6、高压活塞端5-1并与高压流体导管2的后端相通，通孔内流道5-2下部横向贯穿活塞杆5-6下部，活塞杆5-6的中部外侧一周圈开设槽环状结构的外侧环形流道5-3，活塞杆5-6的下端与低压活塞端5-4连接，低压活塞端5-4上端面面积是高压活塞端5-1下端面面积的1.2倍；主阀活塞缸体5-5的下端与导阀低压连管28相连通，主阀活塞缸体5-5的中部左侧与低压流体导管4的下低压支导管4-2连通，主阀活塞缸体5-5的中部右侧与上游增压腔导管7的前端连通，主阀活塞缸体5-5与下低压支导管4-2连接处和主阀活塞缸体5-5与上游增压腔导管7连接处位于同一水平位置；当活塞杆5-6移动至主阀活塞缸体5-5内底端，下低压支导管4-2与上游增压腔导管7通过外侧环形流道5-3连通；主阀活塞缸体5-5的中上部左侧与低压流体导管4的上低压支导管4-1连通，主阀活塞缸体5-5的中上部右侧与下游增压腔导管9的下增压腔支导管9-2连通，主阀活塞缸体5-5与上低压支导管4-1连接处和主阀活塞缸体5-5与下增压腔支导管9-2连接处位于同一水平位置；当活塞杆5-6移动至主阀活塞缸体5-5内顶端，上低压支导管4-1与下增压腔支导管9-2通过外侧环形流道5-3连通；主阀活塞缸体5-5的上部右侧与下游增压腔导管9的上增压腔支导管9-1连通，当活塞杆5-6移动至主阀活塞缸体5-5内底端，高压流体导管2与上增压腔支导管9-1连通；导阀高压导管6的后端与两位两通高压导阀17的前端连通，两位两通高压导阀17的后端与导阀低压连管28中部连通，导阀低压连管28的后部与两位两通低压导阀20的后端连通，两位两通低压导阀20的前端与导阀低压导管21的前端连通，导阀低压导管21的后端与低压流体导管16连通，两位两通高压导阀17、两位两通低压导阀20通过增压活塞8碰撞打开；上游增压腔导管7的后端与上游增压腔18连通，下游增压腔导管9的后端与下游增压腔19连通；上游增压腔18与下游增压腔19之间安放有增压活塞8，增压活塞8呈“T”字型，增压活塞8由竖向设置的动力塞板8-1和横向设置的增压塞杆8-2构成，动力塞板8-1与增压塞杆8-2的竖向截面积比为50：1-100：1，在高压流体导管2与低压流体导管4存在1.5MPa-2MPa压差下，由增压塞杆8-2压缩液体产生75MPa-200MPa的最大增压；动力塞板8-1处于上游增压腔18与下游增压腔19之间，增压塞杆8-2安放在高压腔10中并能够在高压腔10中往复移动，高压腔10后部下侧与吸入单向阀22上端连通，吸入单向阀22下端与低压流体导管16连通；高压腔10后端口与排出单向阀23的前端连通，排出单向阀23的后端与弹性蓄能系统前端连通；弹性蓄能系统包括弹性腔11、气液隔断活塞12、蓄能腔13和充压管29，排出单向阀23的后端与充压管29的前端连通，充压管29的后端与蓄能腔13连通，蓄能腔13用来储存增压后的高压流体；蓄能腔13的前部设置气液隔断活塞12，气液隔断活塞12套装在充压管29上并能够沿着充压管29往复移动，气液隔断活塞12前侧设置弹性腔11，弹性腔11内盛有20L-40L的高压气体，弹性腔11能够通过气体弹性能储存压力能；气液隔断活塞12将弹性腔11内的高压气体与蓄能腔13的液体密闭分隔开；蓄能腔13的后端与溢流阀的前端连通，溢流阀的后端分别与低压流体导管16的后端、出口26连通，漏斗状的出口26设置在壳体27后端，出口26的宽口端对外连通。

本实施例涉及的两位四通换向主阀5用于控制增压活塞8两侧的高压、低压转换；高压活塞端5-1时刻处于高压流体作用，低压活塞端5-4处于高压和低压流体交替作用；通孔内流道5-2用于传导高压流体，外侧环形流道5-3用于传导低压流体。

本实施例涉及的两位两通高压导阀17包括阀腔、锥形活塞杆、弹簧和锥形活塞杆，两位两通高压导阀17的阀腔前部与导阀高压导管6的后端连通，两位两通高压导阀17的阀腔中安放弹簧，弹簧的后部与锥形活塞杆的底面相连接，锥形活塞杆的尖端与两位两通高压导阀17的后部端口插卡式连接，两位两通高压导阀17的后部端口与导阀低压连管28连通，锥形活塞杆上有撞针，两位两通高压导阀17的撞针伸入到上游增压腔18中，两位两通高压导阀17处于常闭状态；两位两通高压导阀17和两位两通高压导阀20结构相同安装方向相反，两位两通高压导阀20的撞针伸入到下游增压腔19中，当增压活塞8向左移动到上游增压腔18前部时，增压活塞8碰触两位两通高压导阀17的撞针，两位两通高压导阀17打开；当增压活塞8下行到下游增压腔19后部时，增压活塞8碰触两位两通高压导阀20的撞针，两位两通高压导阀20打开。

本实施例涉及的吸入单向阀22包括单向阀腔、单向复位弹簧、圆台腔口和封珠，单向阀腔中安装单向复位弹簧，单向阀腔与圆台腔口一体设置并相通，圆台腔口中安放封珠，封珠一侧与弹簧相抵，封珠另一侧与圆台腔口的出口相抵；单向阀腔的尾部与高压腔10连通，圆台腔口的出口与低压流体导管16相连通；所述吸入单向阀22与排出单向阀23的结构相同，排出单向阀23的单向阀腔尾部与充压管29连通，排出单向阀23圆台腔口的出口与高压腔10相连通。

本实施例涉及的溢流阀包括溢流阀芯14、回位弹簧15、上磁体24、下磁体25、溢流阀口30和溢流阀腔31组合构成，如图4所示，所述溢流阀前端设置溢流阀口30，溢流阀口30外侧固定套装有上磁体24，溢流阀口30与溢流阀芯14卡槽式连接；溢流阀芯14由溢流阀体14-1、溢流通道14-2组成，溢流阀体14-1由前部堵杆和后部底座一体设置构成，后部底座内嵌套安装有下磁体25，上磁体24和下磁体25相对应并且极性相反相吸，后部底座中部开设有溢流通道14-2，后部底座后侧开设有溢流阀腔31，溢流阀腔31中安装有回位弹簧15，溢流阀腔31的后端与出口26连通；上磁体24和下磁体25接触时的磁吸力能够为蓄能腔13提供80MPa-160MPa的憋压上限，回位弹簧15最大弹力是上磁体24和下磁体25最大磁吸力的1/200以下；蓄能腔13达到憋压上限后，上磁体24和下磁体25间距增加、磁吸力迅速减小，阀门迅速开启；蓄能腔13能够泄流10s-30s，当阀门前后压差降至0.4MPa-0.8MPa时，溢流阀芯14在回位弹簧15弹力作用下回位。

本实施例涉及的压差式活塞增压蓄能脉冲装置实现增压蓄能脉冲及压裂增渗的步骤和方法包括：设备连接、高低液压分流、高压加液、低压吸液、蓄能脉冲、脉冲增渗和低压渗流，具体为：

(1)设备连接：将所述压差式活塞增压蓄能脉冲装置的入口1接入钻杆和增压泵，所述压差式活塞增压蓄能脉冲装置的出口26接井底压裂、增渗工具；

(2)高低液压分流：增压泵启动后通过入口1锥形收缩管道前后产生压差为1MPa-1.5MPa的高压和低压流体，高压流体由入口1的前侧部向高压流体导管2输送，低压流体经过射流泵3进一步降压0.5MPa，最终产生压差为1.5MPa-2MPa的高压、低压两种流体；射流泵3两侧低压腔3-2能够在射流卷吸下产生比射流泵3的泵出口3-3低0.5MPa的压力；低压腔3-2与低压流体导管4的前端连通输送低压液体，泵出口3-3与低压流体导管16前端连通输送低压液体，入口1与射流泵3配合共同驱动两位四通换向主阀5和增压活塞8做往复运动；

(3)高压加液：如图5所示，当增压活塞8左移到上游增压腔18底部碰触两位两通高压导阀17撞针时，两位两通高压导阀17打开，低压活塞端5-4依次通过低压流体导管16、两位两通高压导阀17、导阀高压导管6与高压流体导管2连通，低压活塞端5-4增压，低压活塞端5-4受力大于高压活塞端5-1，两位四通换向主阀5的活塞杆5-6被推动至高压活塞端5-1一侧，上游增压腔18依次通过上游增压腔导管7、通孔内流道5-2与高压流体导管2连通进行加压至高压状态向右移动，下游增压腔19依次通过下游增压腔导管9、下增压腔支导管9-2、外侧环形流道5-3、上低压支导管4-1与低压流体导管4相通处于低压状态，增压活塞8在上游增压腔18与下游增压腔19压差下向右移动对高压腔10内流体进行增压，增压后的流体通过排出单向阀23流入蓄能腔13；

(4)低压吸液：如图6所示，当增压活塞8向右移动碰触两位两通高压导阀20的撞针，两位两通高压导阀20打开，低压活塞端5-4依次通过导阀低压连管28、两位两通高压导阀20、导阀低压导管21与低压流体导管16连通，低压活塞端5-4泄压，低压活塞端5-4受力小于高压活塞端5-1，两位四通换向主阀5的活塞杆5-6被推动向低压活塞端5-4一侧，上游增压腔18依次通过上游增压腔导管7、外侧环形流道5-3、下低压支导管4-2与低压流体导管4连通处于低压状态，下游增压腔19依次通过下游增压腔导管9、上增压腔支导管9-1与高压流体导管2相通增压至高压状态，增压活塞8在上游增压腔18与下游增压腔19压差下向左移动对高压腔10内流体进行减压，减压后吸入单向阀22打开，高压腔10通过吸入单向阀22从低压流体导管16吸入新的流体；

(5)蓄能脉冲：增压活塞8往复运动20-60分钟后，增压后的流体通过排出单向阀23不断流入蓄能腔13；当蓄能腔13中压力达到了出口阀门80MPa-160MPa的压力上限，上磁体24和下磁体25间距增加、磁吸力迅速减小，阀门迅速开启；蓄能腔13中流体高压高速持续流出约10s-30s，进而在出口26处产生10s-30s、80-160MPa的高压脉冲波；当阀门前后压差降至0.4MPa-0.8MPa时，溢流阀芯14在回位弹簧15弹力作用下回位；

(6)脉冲增渗：高压脉冲波通过井底压裂、增渗工具传导到煤层、油层中，通过应力波、水楔作用等诱导裂缝、解堵；

(7)低压渗流：高压脉冲结束后，蓄能腔13出口阀门关闭、继续增压蓄能过程，同时出口26处的低压流体在渗流阻力已大幅减小的煤层、油层中渗流。

本发明的工作原理为：

射流前后可产生1.5MPa-2MPa的压差，通过该压差可驱动大面积比的活塞往复运动，实现100MPa左右的流体增压；增压后的高压流体能量通过高压气体弹性储存，从而可实现高压能量的大量储存和释放；增压蓄能过程中发明装置出口流体压力降低，蓄能后高压力能释放过程中发明装置出口流体压力升高，前者时间是后者的100倍以上，从而相当于把长时间的部分流动能量转移到短时间的高压脉冲能量中，实现了对发明装置出口流动能量的大幅度高低分配。

Claims (10)

1.一种压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：主体结构入口、射流泵、两位四通换向主阀、增压液泵、弹性蓄能系统、溢流阀、出口和壳体；壳体前端设置入口，入口后侧与射流泵的前端连通，通过入口、射流泵配合产生高压、低压两股液体，进而驱动两位四通换向主阀、增压液泵往复运动，增压液泵与弹性蓄能系统连通并向弹性蓄能系统中输送液体，弹性蓄能系统中压力随着输入液体的增多而逐步上升，弹性蓄能系统与溢流阀连通，当弹性蓄能系统中液体的压力积蓄达到溢流阀的憋压上限时，溢流阀打开，弹性蓄能系统通过溢流阀向出口输出高压液体。

2.根据权利要求1所述的压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：所述压差式活塞增压蓄能脉冲装置的壳体呈管状结构，壳体前部设置有入口，入口由前部的大直径管道和后部的锥形收缩管道组合构成，大直径管道压力高，大直径管道侧部与高压流体导管的前端连通，锥形收缩管道用来产生流体压能与动能1MPa-1.5MPa的能量转换，锥形收缩管道的后端与射流泵的前端连通；高压流体导管的后端分别与两位四通换向主阀的上端、导阀高压导管的前端连通，高压流体导管用来把入口的高压流体导入到两位四通换向主阀和导阀高压导管中，作为两位四通换向主阀、增压活塞运动的高压动力源；射流泵通过低压流体导管后端支管与两位四通换向主阀连通，用于产生两位四通换向主阀运动的低压动力源；两位四通换向主阀与增压液泵连通并控制增压液泵往复运动，增压液泵设置增压活塞，增压液泵与弹性蓄能系统连通，增压液泵通过增压活塞往复运动向弹性蓄能系统中输送液体，蓄能腔的后端与溢流阀的前端连通，弹性蓄能系统的后端分别与低压流体导管的后端、出口连通，漏斗状的出口设置在壳体后端，出口的宽口端对外连通。

3.根据权利要求2所述的压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：所述射流泵由前部的泵入口、后部的泵出口和两侧低压腔组成，泵出口是泵入口直径的1.1-1.2倍；射流泵两侧低压腔能够在射流卷吸下产生比射流泵的泵出口低0.5MPa的压力，射流泵的泵出口压力比泵入口压力低2MPa-3MPa；低压腔与低压流体导管的前端连通，低压流体导管的后端分为上低压支导管和低压支导管。

4.根据权利要求3所述的压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：所述两位四通换向主阀呈“凸”字形结构，两位四通换向主阀包括高压活塞端、低压活塞端、通孔内流道、外侧环形流道、主阀活塞缸体和活塞杆，高压活塞端的上端部与高压流体导管的后端连通，高压活塞端下端与哑铃型的活塞杆上端连接，通孔内流道呈“L”型结构，通孔内流道上部依次竖向贯穿活塞杆、高压活塞端并与高压流体导管的后端相通，通孔内流道下部横向贯穿活塞杆下部，活塞杆的中部外侧一周圈开设槽环状结构的外侧环形流道，活塞杆的下端与低压活塞端连接，低压活塞端上端面面积是高压活塞端下端面面积的1.2倍；主阀活塞缸体的下端与导阀低压连管相连通，主阀活塞缸体的中部左侧与低压流体导管的下低压支导管连通，主阀活塞缸体的中部右侧与上游增压腔导管的前端连通，主阀活塞缸体与下低压支导管连接处和主阀活塞缸体与上游增压腔导管连接处位于同一水平位置；当活塞杆移动至主阀活塞缸体内底端，下低压支导管与上游增压腔导管通过外侧环形流道连通；主阀活塞缸体的中上部左侧与低压流体导管的上低压支导管连通，主阀活塞缸体的中上部右侧与下游增压腔导管的下增压腔支导管连通，主阀活塞缸体与上低压支导管连接处和主阀活塞缸体与下增压腔支导管连接处位于同一水平位置；当活塞杆移动至主阀活塞缸体内顶端，上低压支导管与下增压腔支导管通过外侧环形流道连通；主阀活塞缸体的上部右侧与下游增压腔导管的上增压腔支导管连通，当活塞杆移动至主阀活塞缸体内底端，高压流体导管与上增压腔支导管连通；导阀高压导管的后端与两位两通高压导阀的前端连通，两位两通高压导阀的后端与导阀低压连管中部连通，导阀低压连管的后部与两位两通低压导阀的后端连通，两位两通低压导阀的前端与导阀低压导管的前端连通，导阀低压导管的后端与低压流体导管连通，两位两通高压导阀、两位两通低压导阀通过增压活塞碰撞打开；两位四通换向主阀用于控制增压活塞两侧的高压、低压转换；高压活塞端时刻处于高压流体作用，低压活塞端处于高压和低压流体交替作用；通孔内流道用于传导高压流体，外侧环形流道用于传导低压流体。

5.根据权利要求4所述的压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：所述增压液泵包括上游增压腔、下游增压腔、增压活塞、高压腔、吸入单向阀和排出单向阀；上游增压腔导管的后端与上游增压腔连通，下游增压腔导管的后端与下游增压腔连通；上游增压腔与下游增压腔之间安放有增压活塞，增压活塞呈“T”字型，增压活塞由竖向设置的动力塞板和横向设置的增压塞杆构成，动力塞板与增压塞杆的竖向截面积比为50：1-100：1，在高压流体导管与低压流体导管存在1.5MPa-2MPa压差下，由增压塞杆压缩液体产生75MPa-200MPa的最大增压；动力塞板处于上游增压腔与下游增压腔之间，增压塞杆安放在高压腔中并能够在高压腔中往复移动，高压腔后部下侧与吸入单向阀上端连通，吸入单向阀下端与低压流体导管连通；高压腔后端口与排出单向阀的前端连通，排出单向阀的后端与弹性蓄能系统前端连通。

6.根据权利要求5所述的压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：所述弹性蓄能系统包括弹性腔、气液隔断活塞、蓄能腔和充压管，排出单向阀的后端与充压管的前端连通，充压管的后端与蓄能腔连通，蓄能腔用来储存增压后的高压流体；蓄能腔的前部设置气液隔断活塞，气液隔断活塞套装在充压管上并能够沿着充压管往复移动，气液隔断活塞前侧设置弹性腔，弹性腔内盛有20L-40L的高压气体，弹性腔能够通过气体弹性能储存压力能；气液隔断活塞将弹性腔内的高压气体与蓄能腔的液体密闭分隔开。

7.根据权利要求6所述的压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：所述两位两通高压导阀包括阀腔、锥形活塞杆、弹簧和锥形活塞杆，两位两通高压导阀的阀腔前部与导阀高压导管的后端连通，两位两通高压导阀的阀腔中安放弹簧，弹簧的后部与锥形活塞杆的底面相连接，锥形活塞杆的尖端与两位两通高压导阀的后部端口插卡式连接，两位两通高压导阀的后部端口与导阀低压连管连通，锥形活塞杆上有撞针，两位两通高压导阀的撞针伸入到上游增压腔中，两位两通高压导阀处于常闭状态；两位两通高压导阀和两位两通高压导阀结构相同安装方向相反，两位两通高压导阀的撞针伸入到下游增压腔中，当增压活塞向左移动到上游增压腔前部时，增压活塞碰触两位两通高压导阀的撞针，两位两通高压导阀打开；当增压活塞向右移动到下游增压腔后部时，增压活塞碰触两位两通高压导阀的撞针，两位两通高压导阀打开。

8.根据权利要求7所述的压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：所述吸入单向阀包括单向阀腔、单向复位弹簧、圆台腔口和封珠，单向阀腔中安装单向复位弹簧，单向阀腔与圆台腔口一体设置并相通，圆台腔口中安放封珠，封珠一侧与弹簧相抵，封珠另一侧与圆台腔口的出口相抵；单向阀腔的尾部与高压腔连通，圆台腔口的出口与低压流体导管相连通；所述吸入单向阀与排出单向阀的结构相同，排出单向阀的单向阀腔尾部与充压管连通，排出单向阀圆台腔口的出口与高压腔相连通。

9.根据权利要求8所述的压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：所述溢流阀包括溢流阀芯、回位弹簧、上磁体、下磁体、溢流阀口和溢流阀腔组合构成，所述溢流阀前端设置溢流阀口，溢流阀口外侧固定套装有上磁体，溢流阀口与溢流阀芯卡槽式连接；溢流阀芯由溢流阀体、溢流通道组成，溢流阀体由前部堵杆和后部底座一体设置构成，后部底座内嵌套安装有下磁体，上磁体和下磁体相对应并且极性相反相吸，后部底座中部开设有溢流通道，后部底座后侧开设有溢流阀腔，溢流阀腔中安装有回位弹簧，溢流阀腔的后端与出口连通；上磁体和下磁体接触时的磁吸力能够为蓄能腔提供80MPa-160MPa的憋压上限，回位弹簧最大弹力是上磁体和下磁体最大磁吸力的1/200以下。

10.根据权利要求9所述的压差式活塞增压蓄能脉冲装置，其特征在于：所述压差式活塞增压蓄能脉冲装置实现增压蓄能脉冲及压裂增渗的步骤和方法包括：设备连接、高低液压分流、高压加液、低压吸液、蓄能脉冲、脉冲增渗和低压渗流，具体为：

(1)设备连接：将所述压差式活塞增压蓄能脉冲装置的入口接入钻杆和增压泵，所述压差式活塞增压蓄能脉冲装置的出口接井底压裂、增渗工具；

(2)高低液压分流：增压泵启动后通过入口锥形收缩管道前后产生压差为1MPa-1.5MPa的高压和低压流体，高压流体由入口的前侧部向高压流体导管输送，低压流体经过射流泵进一步降压0.5MPa，最终产生压差为1.5MPa-2MPa的高压、低压两种流体；射流泵两侧低压腔能够在射流卷吸下产生比射流泵的泵出口低0.5MPa的压力；低压腔与低压流体导管的前端连通输送低压液体，泵出口与低压流体导管前端连通输送低压液体，入口与射流泵配合共同驱动两位四通换向主阀和增压活塞做往复运动；

(3)高压加液：当增压活塞左移到上游增压腔底部碰触两位两通高压导阀撞针时，两位两通高压导阀打开，低压活塞端依次通过低压流体导管、两位两通高压导阀、导阀高压导管与高压流体导管连通，低压活塞端增压，低压活塞端受力大于高压活塞端，两位四通换向主阀的活塞杆被推动至高压活塞端一侧，上游增压腔依次通过上游增压腔导管、通孔内流道与高压流体导管连通进行加压至高压状态向右移动，下游增压腔依次通过下游增压腔导管、下增压腔支导管、外侧环形流道、上低压支导管与低压流体导管相通处于低压状态，增压活塞在上游增压腔与下游增压腔压差下向右移动对高压腔内流体进行增压，增压后的流体通过排出单向阀流入蓄能腔；

(4)低压吸液：当增压活塞向右移动碰触两位两通高压导阀的撞针，两位两通高压导阀打开，低压活塞端依次通过导阀低压连管、两位两通高压导阀、导阀低压导管与低压流体导管连通，低压活塞端泄压，低压活塞端受力小于高压活塞端，两位四通换向主阀的活塞杆被推动向低压活塞端一侧，上游增压腔依次通过上游增压腔导管、外侧环形流道、下低压支导管与低压流体导管连通处于低压状态，下游增压腔依次通过下游增压腔导管、上增压腔支导管与高压流体导管相通增压至高压状态，增压活塞在上游增压腔与下游增压腔压差下向左移动对高压腔内流体进行减压，减压后吸入单向阀打开，高压腔通过吸入单向阀从低压流体导管吸入新的流体；

(5)蓄能脉冲：增压活塞往复运动20-60分钟后，增压后的流体通过排出单向阀不断流入蓄能腔；当蓄能腔中压力达到了出口阀门80MPa-160MPa的压力上限，上磁体和下磁体间距增加、磁吸力迅速减小，阀门迅速开启；蓄能腔中流体高压高速持续流出10s-30s，进而在出口处产生10s-30s、80-160MPa的高压脉冲波；当阀门前后压差降至0.4MPa-0.8MPa时，溢流阀芯在回位弹簧弹力作用下回位；

(6)脉冲增渗：高压脉冲波通过井底压裂、增渗工具传导到煤层、油层中，通过应力波、水楔作用诱导裂缝、解堵；

(7)低压渗流：高压脉冲结束后，蓄能腔出口阀门关闭、继续增压蓄能过程，同时出口处的低压流体在渗流阻力已大幅减小的煤层、油层中渗流。

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