CN117514104B - 一种用于甲烷原位燃爆的机械撞击式压电循环点火装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非常规油气开采及页岩气压裂增产技术领域，特别是涉及一种用于甲烷原位燃爆的机械撞击式压电循环点火装置，包括绝缘外壳，绝缘外壳内由上至下依次设置有撞击组件、动力组件、压电点火组件，撞击组件与动力组件传动连接，动力组件与压电点火组件固定连接；压电点火组件包括循环压电部和点火部，循环压电部滑动连接在绝缘外壳的内侧壁上，循环压电部位于点火部的上方，循环压电部与点火部接触设置，点火部的底端穿出绝缘外壳的底壁。本发明在使用时，无需填充火药等危险火工品，安全性高，激发方式可靠，可产生设定频率的循环电火花，避免一次点火失败的难题，确保能够点燃甲烷助燃剂混合气体。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气开采及页岩气压裂增产技术领域，尤其涉及一种用于甲烷原位燃爆的机械撞击式压电循环点火装置。
背景技术
页岩气的成功开采极大地改变了世界能源体系结构。对于页岩储层处于埋藏深、孔隙度低等复杂的赋存环境，传统水力压裂难以获得良好的压裂增产效果，且造成大量水资源消耗、压裂液井下污染等问题，鉴于此，提出一种新型无水压裂技术构想，即利用页岩储层原位解析出的甲烷气体与人工注入的助燃剂进行混合燃爆，利用燃爆产生的高温、高压气体冲击页岩储层，进而构造出复杂立体裂缝网络。
甲烷原位燃爆压裂技术虽然具备诸多优势，但目前仍存在较多难题有待攻克，如何实现在深部储层内成功引爆甲烷助燃剂混合气体，进而产生燃爆压裂的效果是该新型技术成功运用的前提条件。页岩储层处于4000m深度以上，其井下环境复杂，通过有线电缆方式下放通电式点火器存在操作困难，下放过程中容易出现损坏导致点火失败等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于甲烷原位燃爆的机械撞击式压电循环点火装置，以解决上述问题，达到在地面运送和井下输送过程中的安全稳定、在激发后多次产生点火操作，避免一次点火失败的风险的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于甲烷原位燃爆的机械撞击式压电循环点火装置，包括绝缘外壳，所述绝缘外壳内由上至下依次设置有撞击组件、动力组件、压电点火组件，所述撞击组件用于撞击所述动力组件并使所述动力组件运行；
所述压电点火组件包括循环压电部和点火部，所述动力组件用于推动所述循环压电部在所述绝缘外壳内滑动，所述循环压电部位于所述点火部的上方，所述循环压电部用于间隔撞击所述点火部，所述点火部的底端穿出所述绝缘外壳的底壁。
优选的，所述循环压电部包括与所述动力组件固定连接的触发机构，所述触发机构的底端固接有压力弹簧的一端，所述压力弹簧竖直设置，所述压力弹簧的另一端固定连接有叩击机构，所述叩击机构相对的两侧均滑动连接在所述绝缘外壳的内侧壁上，所述叩击机构与所述点火部接触设置。
优选的，所述叩击机构包括两个上下对应设置的上叩击台、下叩击台，所述上叩击台、下叩击台相对的两侧均滑动连接在所述绝缘外壳的内侧壁上，所述上叩击台的顶面与所述压力弹簧固定连接，所述上叩击台的底端固接有复位弹簧的一端，所述复位弹簧套设在所述下叩击台的外侧壁上，所述复位弹簧的另一端与所述下叩击台的底端固定连接，所述下叩击台的底端用于撞击所述点火部。
优选的，所述点火部包括固定连接在所述绝缘外壳的内部底壁上的压电陶瓷，所述下叩击台用于撞击所述压电陶瓷的顶端，所述压电陶瓷的侧壁上固接有磷铜片，所述磷铜片与所述压电陶瓷电性连接，所述磷铜片电性连接有高压引线，所述高压引线穿出所述绝缘外壳的底面。
优选的，所述撞击组件包括固定连接在所述绝缘外壳内部顶壁上的上接头，所述上接头的顶端穿出所述绝缘外壳且与外部输油管连通，所述上接头的正下方设置有撞击部，所述撞击部与所述动力组件固定连接。
优选的，所述撞击部包括若干水平设置的稳定销钉，若干所述稳定销钉周向固定连接在所述绝缘外壳的内侧壁上，若干所述稳定销钉的顶端卡接有撞击平台，所述撞击平台位于所述上接头的正下方，所述撞击平台的底端固定连接有连接杆，若干所述稳定销钉相互靠近的一端形成通孔，所述连接杆的底端穿出所述通孔且与所述动力组件固定连接。
优选的，所述动力组件包括与所述连接杆固定连接的导电连通片，所述绝缘外壳的内侧壁上固定连接有导电外壳，所述导电外壳位于所述导电连通片的正下方，所述导电外壳内固接有电池、微型电机，所述电池与所述微型电机电性连接，所述导电外壳的底端固接有竖直设置的伸缩推杆，所述微型电机与所述伸缩推杆传动连接，所述伸缩推杆的底端与所述触发机构固定连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明通过投棒/投球在油管内下落积累一定动能，机械撞击的方式作为井下点火装置的触发条件，可实现无电缆式的精准触发，安全可靠，有效减少上千米电缆的投放成本和避免下放过程中的破损等风险；点火装置内不填充火药等危险火工品，避免地面运输和地下投放过程中的误触风险，安全性高；能够通过设定循环冲击频率实现特定频率的循环点火操作，确保甲烷助燃剂混合气体的成功燃爆。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明中点火装置整体结构示意图。
其中，1、上接头；2、绝缘外壳；3、稳定销钉；4、撞击平台；5、导电连通片；6、电池；7、导电外壳；8、微型电机；9、伸缩推杆；10、触发机构；11、压力弹簧；12、叩击机构；13、复位弹簧；14、磷铜片；15、压电陶瓷；16、高压引线；1201、上叩击台；1202、下叩击台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，本发明提供一种用于甲烷原位燃爆的机械撞击式压电循环点火装置，包括绝缘外壳2，绝缘外壳2内由上至下依次设置有撞击组件、动力组件、压电点火组件，撞击组件用于撞击动力组件并使动力组件运行；
压电点火组件包括循环压电部和点火部，动力组件用于推动循环压电部在绝缘外壳2内滑动，循环压电部位于点火部的上方，循环压电部用于间隔撞击点火部，点火部的底端穿出绝缘外壳2的底壁。
本发明通过投棒/投球在油管内下落积累一定动能，机械撞击的方式作为井下点火装置的触发条件，可实现无电缆式的精准触发，安全可靠，有效减少上千米电缆的投放成本和避免下放过程中的破损等风险；点火装置内不填充火药等危险火工品，避免地面运输和地下投放过程中的误触风险，安全性高；能够通过设定循环冲击频率实现特定频率的循环点火操作，确保甲烷助燃剂混合气体的成功燃爆。
绝缘外壳2起到对点火器内部装置的保护作用，避免井液等环境对装置的损坏。
进一步优化方案，循环压电部包括与动力组件固定连接的触发机构10，触发机构10的底端固接有压力弹簧11的一端，压力弹簧11竖直设置，压力弹簧11的另一端固定连接有叩击机构12，叩击机构12相对的两侧均滑动连接在绝缘外壳2的内侧壁上，叩击机构12与点火部接触设置。
进一步优化方案，叩击机构12包括两个上下对应设置的上叩击台1201、下叩击台1202，上叩击台1201、下叩击台1202相对的两侧均滑动连接在绝缘外壳2的内侧壁上，上叩击台1201的顶面与压力弹簧11固定连接，上叩击台1201的底端固接有复位弹簧13的一端，复位弹簧13套设在下叩击台1202的外侧壁上，复位弹簧13的另一端与下叩击台1202的底端固定连接，下叩击台1202的底端用于撞击点火部。
触发机构10受到动力组件的冲击压力，通过压力弹簧11将冲击压力传递至叩击机构12，进而下叩击台1202对压电陶瓷15产生冲压作用，复位弹簧13保证下叩击台1202对压电陶瓷15造成一次冲压作用后能够使得机构复位，进而产生循环冲击的效果。
进一步优化方案，点火部包括固定连接在绝缘外壳2的内部底壁上的压电陶瓷15，下叩击台1202用于撞击压电陶瓷15的顶端，压电陶瓷15的侧壁上固接有磷铜片14，磷铜片14与压电陶瓷15电性连接，磷铜片14电性连接有高压引线16，高压引线16穿出绝缘外壳2的底面。
绝缘外壳2的底端设置有微孔，用于高压引线16的穿透埋设。
进一步优化方案，撞击组件包括固定连接在绝缘外壳2内部顶壁上的上接头1，上接头1的顶端穿出绝缘外壳2且与外部输油管连通，上接头1的正下方设置有撞击部，撞击部与动力组件固定连接。
上接头1用于连接输送油管，完成装置的投送和后续投棒/投球触发。
进一步优化方案，撞击部包括若干水平设置的稳定销钉3，若干稳定销钉3周向固定连接在绝缘外壳2的内侧壁上，若干稳定销钉3的顶端卡接有撞击平台4，撞击平台4位于上接头1的正下方，撞击平台4的底端固定连接有连接杆，若干稳定销钉3相互靠近的一端形成通孔，连接杆的底端穿出通孔且与动力组件固定连接。
稳定销钉3为铜销，强度主要取决于作业深度与投球质量。在投棒/投球之前，所述稳定销钉3对撞击平台4形成位移限制，稳定销钉3的强度具体要保证撞击平台4受到的冲击压力大于预先设定的稳定销钉3强度极限之和。
进一步优化方案，动力组件包括与连接杆固定连接的导电连通片5，绝缘外壳2的内侧壁上固定连接有导电外壳7，导电外壳7位于导电连通片5的正下方，导电外壳7内固接有电池6、微型电机8，电池6与微型电机8电性连接，导电外壳7的底端固接有竖直设置的伸缩推杆9，微型电机8与伸缩推杆9传动连接，伸缩推杆9的底端与触发机构10固定连接。
导电外壳7位于导电连通片5的正下方，在投棒/投球激发之前，导电连通片5与导电外壳7不接触，由电池6、导电外壳7、微型电机8、伸缩推杆9连接而成的动力机构处电路于断开状态；当投棒/投球激发之后，导电连通片5与导电外壳7接触闭合，动力机构电路接通。动力机构中伸缩推杆9以预设的一定频率做循环伸缩运动，伸缩推杆9的伸缩速度为不小于100m/s，伸缩频率为不少于30次/s，具体频率取决于现场具体情况。伸缩推杆9的循环冲击运动最终导致压电陶瓷15受到循环冲压作用，进而在高压引线16末端产生一定频率的循环电火花。
本发明的工作过程如下：
下入封隔器形成待燃爆区间，在对待燃爆区间内甲烷助燃剂预混完成后，依靠投棒或投球在油管内下落积累一定动能，撞击在点火装置内的撞击平台4上，撞击平台4受到的冲击压力大于预先设定的稳定销钉3强度极限之和时，稳定销钉3被冲击折断，撞击平台4带动导电连通片5沿着绝缘外壳2移动至与导电外壳7接触时，包含电池6、微型电机8、伸缩推杆9在内的电路接通触发，伸缩推杆9按照预先设定的频率进行往复伸缩运动，并对触发机构10造成一定频率循环撞击运动，通过压力弹簧11带动叩击件1201对压电陶瓷15进行撞击，复位弹簧13能够保证形成设定频率的循环撞击，压电陶瓷15受到循环撞击后通过高压引线16在其末端产生一定频率的循环电火花，对待燃爆空间内的甲烷助燃剂混合气体实现引爆。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种用于甲烷原位燃爆的机械撞击式压电循环点火装置，其特征在于，包括绝缘外壳（2），所述绝缘外壳（2）内由上至下依次设置有撞击组件、动力组件、压电点火组件，所述撞击组件用于撞击所述动力组件并使所述动力组件运行；
所述压电点火组件包括循环压电部和点火部，所述动力组件用于推动所述循环压电部在所述绝缘外壳（2）内滑动，所述循环压电部位于所述点火部的上方，所述循环压电部用于间隔撞击所述点火部，所述点火部的底端穿出所述绝缘外壳（2）的底壁；
所述循环压电部包括与所述动力组件固定连接的触发机构（10），所述触发机构（10）的底端固接有压力弹簧（11）的一端，所述压力弹簧（11）竖直设置，所述压力弹簧（11）的另一端固定连接有叩击机构（12），所述叩击机构（12）相对的两侧均滑动连接在所述绝缘外壳（2）的内侧壁上，所述叩击机构（12）与所述点火部接触设置；
所述叩击机构（12）包括两个上下对应设置的上叩击台（1201）、下叩击台（1202），所述上叩击台（1201）、下叩击台（1202）相对的两侧均滑动连接在所述绝缘外壳（2）的内侧壁上，所述上叩击台（1201）的顶面与所述压力弹簧（11）固定连接，所述上叩击台（1201）的底端固接有复位弹簧（13）的一端，所述复位弹簧（13）套设在所述下叩击台（1202）的外侧壁上，所述复位弹簧（13）的另一端与所述下叩击台（1202）的底端固定连接，所述下叩击台（1202）的底端用于撞击所述点火部；
所述撞击组件包括固定连接在所述绝缘外壳（2）内部顶壁上的上接头（1），所述上接头（1）的顶端穿出所述绝缘外壳（2）且与外部输油管连通，所述上接头（1）的正下方设置有撞击部，所述撞击部与所述动力组件固定连接；
所述撞击部包括若干水平设置的稳定销钉（3），若干所述稳定销钉（3）周向固定连接在所述绝缘外壳（2）的内侧壁上，若干所述稳定销钉（3）的顶端卡接有撞击平台（4），所述撞击平台（4）位于所述上接头（1）的正下方，所述撞击平台（4）的底端固定连接有连接杆，若干所述稳定销钉（3）相互靠近的一端形成通孔，所述连接杆的底端穿出所述通孔且与所述动力组件固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于甲烷原位燃爆的机械撞击式压电循环点火装置，其特征在于，所述点火部包括固定连接在所述绝缘外壳（2）的内部底壁上的压电陶瓷（15），所述下叩击台（1202）用于撞击所述压电陶瓷（15）的顶端，所述压电陶瓷（15）的侧壁上固接有磷铜片（14），所述磷铜片（14）与所述压电陶瓷（15）电性连接，所述磷铜片（14）电性连接有高压引线（16），所述高压引线（16）穿出所述绝缘外壳（2）的底面。
3.根据权利要求1所述的一种用于甲烷原位燃爆的机械撞击式压电循环点火装置，其特征在于，所述动力组件包括与所述连接杆固定连接的导电连通片（5），所述绝缘外壳（2）的内侧壁上固定连接有导电外壳（7），所述导电外壳（7）位于所述导电连通片（5）的正下方，所述导电外壳（7）内固接有电池（6）、微型电机（8），所述电池（6）与所述微型电机（8）电性连接，所述导电外壳（7）的底端固接有竖直设置的伸缩推杆（9），所述微型电机（8）与所述伸缩推杆（9）传动连接，所述伸缩推杆（9）的底端与所述触发机构（10）固定连接。
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