一種低頻等壓差強水力脈動發生器及其脈動發生方法與流程

文檔序號:18174954發布日期:2019-07-13 10:02
一種低頻等壓差強水力脈動發生器及其脈動發生方法與流程

本發明屬于煤氣層開發技術領域,具體涉及一種低頻等壓差強水力脈動發生器及其脈動發生方法。



背景技術:

甲烷主要以吸附態賦存于煤儲層中,通過水力壓裂-排水降壓是目前煤層氣開采的主要方式。氣體通過降壓方式解吸為游離氣,并通過天然孔裂隙、水力壓裂人工裂隙擴散-滲流至井筒。煤層氣開發技術與地質條件的不匹配是制約煤層氣高效開發的關鍵瓶頸,傳統的靜水力壓裂技術主要使煤層產生較為單一的寬大裂縫,并不完全有利于微孔隙的溝通及氣體流動。動態沖擊載荷可有效在煤層中產生顯微裂隙,從而提高煤儲層的微裂隙場密度,有效提高煤層滲透性。

脈動水力壓裂如同水錘,是實現儲層沖擊載荷的一種方式,但目前所見裝置一次給水量小,載荷有限,且容易造成雜質積淀、裝置堵塞等問題。一次給水量小導致載荷傳導有限,應力不能有效在儲層裂隙尖端發揮作用;雜質積淀直接影響到設備運行、維護和管理成本。



技術實現要素:

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足,提供一種低頻等壓差強水力脈動發生器及其脈動發生方法。該低頻等壓差強水力脈動發生器可使脈動水力載荷大幅提高,防止裝置堵塞,有效提高儲層裂隙密度和滲透性,實現一次給水量大、防雜質積淀、對儲層低頻率循環載荷沖擊等目的。

為解決上述技術問題,本發明采用的技術方案是:一種低頻等壓差強水力脈動發生器,其特征在于,包括缸體,所述缸體內設置有承壓組件;

所述缸體上開設有用于連接油管的開口,所述缸體上且遠離開口的一端的側壁上開設有射流口,所述開口與射流口相連通;

所述承壓組件包括承壓活塞和設置于承壓活塞下部的承壓彈簧,所述承壓活塞上開設有通孔,所述通孔正對開口且與開口相連通,所述通孔內設置有用于封堵或打開通孔的承壓復合隔板;所述承壓復合隔板上連接有用于觸發承壓復合隔板運動的觸發裝置,所述觸發裝置包括開關組件和觸發螺桿,所述開關組件包括互相配合且位于承壓復合隔板下部的第一鎖舌和第二鎖舌,所述第二鎖舌且遠離第一鎖舌的一端連接有用于帶動第二鎖舌平移的轉輪撥動裝置,觸發螺桿的一端設置有用于與所述轉輪撥動裝置螺紋連接的外螺紋,觸發螺桿的另一端固定于缸體內。

上述的一種低頻等壓差強水力脈動發生器,其特征在于,所述轉輪撥動裝置包括內轉盤和套設在內轉盤外側且與內轉盤同心設置的棘輪,所述棘輪上固定有用于撥動第二鎖舌平移的撥動頭;所述內轉盤上鉸接有用于隨內轉盤轉動的棘爪,所述棘輪上設置有與棘爪自由端嚙合的不對稱內齒。

上述的一種低頻等壓差強水力脈動發生器,其特征在于,所述內轉盤上設置有用于與觸發螺桿螺紋連接的內螺紋。

上述的一種低頻等壓差強水力脈動發生器,其特征在于,所述承壓活塞內還設置有連接螺桿和套設于連接螺桿上的擺盤;所述連接螺桿上且靠近擺盤的一端套設有連接彈簧,所述連接彈簧的一端固定于連接螺桿的桿部,所述連接彈簧的另一端固定于承壓活塞上;所述擺盤上設置有用于與第二鎖舌卡接的擺頭。

上述的一種低頻等壓差強水力脈動發生器,其特征在于,所述第二鎖舌包括用于與擺頭卡接的第一推動板,所述第一推動板設置于第二鎖舌的靠近擺頭的面上;所述撥動頭通過設置于第二鎖舌上的第二推動板撥動第二鎖舌,所述第二推動板設置于第二鎖舌的靠近撥動頭的面上,所述第二鎖舌的靠近擺頭的面與靠近撥動頭的面垂直;所述第一鎖舌上套設有第一鎖舌彈簧,所述第一鎖舌彈簧的一端固定于第一鎖舌上,所述第一鎖舌彈簧的另一端固定于承壓活塞上;所述第二鎖舌上套設有第二鎖舌彈簧,所述第二鎖舌彈簧的一端固定于第二鎖舌上,所述第二鎖舌彈簧的另一端固定于承壓活塞上。

上述的一種低頻等壓差強水力脈動發生器,其特征在于,所述擺盤上設置有用于與連接螺桿螺紋連接的內螺紋。

上述的一種低頻等壓差強水力脈動發生器,其特征在于,所述承壓復合隔板下表面與第一鎖舌之間設置有用于滑動連接承壓復合隔板和第一鎖舌的第一滾輪,所述承壓復合隔板下表面與第二鎖舌之間設置有用于滑動連接承壓復合隔板和第二鎖舌的第二滾輪;所述承壓復合隔板靠近第一鎖舌的一端上設置有用于將承壓復合隔板與承壓活塞連接的軸承桿,所述軸承桿上設置有回復彈簧,所述回復彈簧的一端固定于承壓復合隔板上,所述回復彈簧的另一端固定于承壓活塞上。

上述的一種低頻等壓差強水力脈動發生器,其特征在于,所述承壓復合隔板為鋼板和輕質材料的復合結構,所述承壓復合隔板的密度小于1g/cm3,所述輕質材料包括低密度泡沫。

上述的一種低頻等壓差強水力脈動發生器,其特征在于,所述承壓活塞上開設有用于容納觸發螺桿的螺桿倉。

此外,本發明還提供一種上述的低頻等壓差強水力脈動發生器的脈動發生方法,其特征在于,該方法包括以下步驟:

當由開口注入的流體的壓力大于井底壓力時,承壓復合隔板帶動承壓活塞向下運動,承壓活塞帶動轉輪撥動裝置向下運動,轉輪撥動裝置相對觸發螺桿向下運動且轉動,轉輪撥動裝置轉動帶動第二鎖舌向承壓活塞內部運動至全部進入承壓活塞內部,承壓復合隔板壓縮第一鎖舌向承壓活塞內部運動,承壓復合隔板打開,注入的流體通過開口、通孔和射流口沖擊儲煤層,形成一次脈動水力沖擊壓裂;

一次壓裂完成后,承壓彈簧回復力帶動承壓活塞向上運動,承壓活塞向上運動帶動承壓復合隔板和轉輪撥動裝置向上運動,轉輪撥動裝置相對觸發螺桿移動并轉動,直到轉輪撥動裝置脫離觸發螺桿,第一鎖舌向通孔內伸出,第二鎖舌向通孔內伸出,第一鎖舌和第二鎖舌支撐承壓復合隔板,承壓復合隔板閉合。

本發明與現有技術相比具有以下優點:

1、本發明的低頻等壓差強水力脈動發生器通過承壓彈簧推動承壓活塞和承壓復合隔板運動,承壓活塞運動帶動觸發裝置,觸發裝置觸發承壓復合隔板,實現低頻往復振動,輸出壓裂液產生低頻水力脈動,既能夠有效提高儲層裂隙密度和滲透性,又能夠防止裝置堵塞。

2、本發明的低頻等壓差強水力脈動發生器結構簡單,通過設置能承受一定載荷的承壓彈簧承受,與承壓活塞、承壓復合隔板和觸發裝置配合,能夠大幅提高脈動水力強度,實現低頻率可循環的煤儲層脈動水力壓裂作業,同時,能夠保證每次壓力作業的作用強度相同,增大單次排水量,增強單次儲層作用強度。

3、本發明的低頻等壓差強水力脈動發生器以觸發螺桿和轉輪撥動裝置作為觸發開關組件,通過內轉盤、棘爪和棘輪配合,保證當內轉盤順時針旋轉時帶動棘輪同步旋轉,當內轉盤逆時針旋轉時,棘輪處于靜止狀態;通過連接螺桿、連接彈簧、擺盤、擺頭和第一推動板的配合,保證承壓復合隔板在打開的過程中第二鎖舌不伸出,承壓復合隔板在運動至封堵通孔時第二鎖舌伸出,保證壓裂循環的順利進行。

下面結合附圖和實施例,對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本發明的低頻等壓差強水力脈動發生器的結構示意圖;

圖2為本發明開關組件與承壓復合隔板連接關系示意圖;

圖3為本發明轉輪撥動裝置的結構示意圖;

圖4為本發明擺盤和擺頭的結構示意圖。

附圖標記說明

1—缸體; 1-1—開口; 1-2—觸發螺桿;

2—承壓彈簧; 3—通孔; 4—射流口;

5—承壓活塞; 5-1—螺桿倉; 6—承壓復合隔板;

7—第一鎖舌; 7-1—第一滾輪; 7-2—第一彈簧擋片;

8—第二鎖舌; 8-1—第二滾輪; 8-2—第二彈簧擋片;

8-3—第一推動板; 8-4—第二推動板; 9—鎖舌腔;

10—第二鎖舌彈簧; 11—棘輪; 11-1—撥動頭;

11-2—內轉盤; 11-3—棘爪; 12—連接螺桿;

13—連接彈簧; 13-1—連接彈簧擋片; 14—擺盤;

14-1—擺頭; 15—回復彈簧; 16—第一鎖舌彈簧;

17—彈簧倉; 18—導向柱; 19—導向腔。

具體實施方式

如圖1所示,本發明的一種低頻等壓差強水力脈動發生器,包括缸體1,所述缸體1內設置有承壓組件;

所述缸體1上開設有用于連接油管的開口1-1,所述缸體1上且遠離開口1-1的一端的側壁上開設有射流口4,所述開口1-1與射流口4相連通;

所述承壓組件包括承壓活塞5和設置于承壓活塞5下部的承壓彈簧2,所述承壓活塞5上開設有通孔3,所述通孔3正對開口1-1且與開口1-1相連通,所述通孔3內設置有用于封堵或打開通孔3的承壓復合隔板6;所述承壓復合隔板6上連接有用于觸發承壓復合隔板6運動的觸發裝置,所述觸發裝置包括開關組件和觸發螺桿1-2,所述開關組件包括互相配合且位于承壓復合隔板6下部的第一鎖舌7和第二鎖舌8,所述第二鎖舌8且遠離第一鎖舌7的一端連接有用于帶動第二鎖舌8平移的轉輪撥動裝置,觸發螺桿1-2的一端設置有用于與所述轉輪撥動裝置螺紋連接的外螺紋,觸發螺桿1-2的另一端固定于缸體1內。承壓活塞5嵌套在缸體1內,承壓活塞5在缸體1內上下滑動;封堵通孔3時,承壓復合隔板6處于關閉狀態,承壓復合隔板6平行正對開口1-1且垂直于通孔3內壁面;打開通孔3時,承壓復合隔板6處于打開狀態,承壓復合隔板6遠離觸發裝置的一端靠近通孔3的遠離觸發裝置一側的內壁面;由開口1-1注入的流體給承壓活塞5施加壓力,當承壓活塞5受到壓力向下運動時,承壓彈簧2受到承壓活塞5施加的向下的力而壓縮,可根據承壓彈簧2承受的載荷和預定壓縮量選擇承壓彈簧2;承壓彈簧2設置于用于容置承壓彈簧2且可用于承壓活塞上下滑動的彈簧倉17內,承壓復合隔板6將開口1-1、通孔3、彈簧倉17外壁和射流口4所組成的通道腔分割成上下兩部分,下部分與井底相通,壓力與井底壓力相同,上部分連接油管,壓力與流體注入的壓力相同;當流體注入壓力大于井底壓力時,關閉狀態的承壓復合隔板6帶動承壓活塞5向下移動,承壓活塞5壓縮承壓彈簧2,承壓彈簧2達到預定壓縮量時,開關組件被啟動而使承壓復合隔板6打開,通孔3打開,注入的流體通過通孔3、射流口4產生水錘,水錘沖擊作用在煤儲層,形成一次脈動水力沖擊壓裂。缸體1內設置有導向柱18,導向柱18平行于缸體1側壁面且貫穿彈簧倉17,承壓活塞5上開設有與導向柱18配套的導向腔19,導向柱18貫穿彈簧倉17的一端穿入導向腔19,承壓活塞5向承壓彈簧2運動時,導向腔19向靠近導向柱18的方向運動。導向柱18和導向腔19能夠保證承壓活塞相對缸體1上下運動時不脫離缸體1內壁面。

本實施例中,如圖3所示,所述轉輪撥動裝置包括內轉盤11-2和套設在內轉盤11-2外側且與內轉盤11-2同心設置的棘輪11,所述棘輪11上固定有用于撥動第二鎖舌8平移的撥動頭11-1;所述內轉盤11-2上鉸接有用于隨內轉盤11-2轉動的棘爪11-3,所述棘輪11上設置有與棘爪11-3自由端嚙合的不對稱內齒。當內轉盤11-2順時針旋轉時,棘輪11在棘爪11-3的帶動下同時旋轉;當內轉盤11-2逆時針旋轉時,則棘爪11-3不帶動棘輪11旋轉;完成一次壓裂后,通道腔與井底連通,通道腔內流體壓力穩定,承壓彈簧2在恢復力的作用下推動承壓活塞5向上運動,承壓活塞5帶動承壓復合隔板6向封堵通孔3的位置運動,內轉盤11-2向遠離觸發螺桿1-2的方向運動且相對觸發螺桿1-2逆時針旋轉至二者脫離,棘爪11-3劃過棘輪11的內齒11-2,不帶動棘輪11轉動,承壓復合隔板6遠離第一鎖舌7的一端以靠近第一鎖舌7的一端為軸轉動,第一鎖舌7向通孔3伸出,第二鎖舌8在擺頭14-1的阻擋下不會向通孔3伸出。

本實施例中,所述內轉盤11-2上設置有用于與觸發螺桿1-2螺紋連接的內螺紋。

如圖1、圖2和圖4所示,本實施例中,所述承壓活塞5內還設置有連接螺桿12和套設于連接螺桿12上的擺盤14;所述連接螺桿12上且靠近擺盤14的一端套設有連接彈簧13,所述連接彈簧13的一端固定于連接螺桿12的桿部,所述連接彈簧13的另一端固定于承壓活塞5上;所述擺盤14上設置有用于與第二鎖舌8卡接的擺頭14-1。所述連接螺桿12且遠離擺盤14的一端正對閉合狀態的承壓復合隔板6,所述連接螺桿12上且與連接彈簧13連接處還設置有連接彈簧擋片13-1。

本實施例中,如圖2和圖3所示,所述第二鎖舌8包括用于與擺頭14-1卡接的第一推動板8-3,所述第一推動板8-3設置于第二鎖舌8的靠近擺頭14-1的面上;所述撥動頭11-1通過設置于第二鎖舌8上的第二推動板8-4撥動第二鎖舌8,所述第二推動板8-4設置于第二鎖舌8的靠近撥動頭11-1的面上,所述第二鎖舌8的靠近擺頭14-1的面與靠近撥動頭11-1的面垂直;所述第一鎖舌7上套設有第一鎖舌彈簧16,所述第一鎖舌彈簧16的一端固定于第一鎖舌7上,所述第一鎖舌彈簧16的另一端固定于承壓活塞5上;所述第二鎖舌8上套設有第二鎖舌彈簧10,所述第二鎖舌彈簧10的一端固定于第二鎖舌8上,所述第二鎖舌彈簧10的另一端固定于承壓活塞5上。所述承壓活塞5上固定有鎖舌腔9,鎖舌腔9內設置有彈簧擋片,第一鎖舌7穿出鎖舌腔9向通孔3伸出,第二鎖舌8穿出鎖舌腔9向通孔3伸出,所述彈簧擋片包括固定在第一鎖舌7上的第一彈簧擋片7-2和固定在第二鎖舌8上的第二彈簧擋片8-2。當承壓復合隔板6打開,承壓復合隔板6與連接螺桿12分離,連接螺桿12在連接彈簧13的作用下彈出,連接螺桿12帶動擺盤14轉動,擺頭14-1擋住第一推動板8-3,防止第二鎖舌8向油管腔3回彈,如圖4中位置①所示。當承壓復合隔板6回到封堵通孔3的位置時,探出的連接螺桿12被擠入承壓活塞5,帶動擺盤14的擺頭14-1逆時針轉動遠離第二鎖舌8,不卡接阻擋第二鎖舌8,如圖4中位置②所示;第二鎖舌8向通孔3方向伸出,與第一鎖舌7支撐承壓復合隔板6,承載下一次注入壓力。

本實施例中,所述擺盤14上設置有用于與連接螺桿12螺紋連接的內螺紋。

本實施例中,如圖2所示,所述承壓復合隔板6下表面與第一鎖舌7之間設置有用于滑動連接承壓復合隔板6和第一鎖舌7的第一滾輪7-1,所述承壓復合隔板6下表面與第二鎖舌8之間設置有用于滑動連接承壓復合隔板6和第二鎖舌8的第二滾輪8-1;所述承壓復合隔板6靠近第一鎖舌7的一端上設置有用于將承壓復合隔板6與承壓活塞5連接的軸承桿,所述軸承桿上設置有回復彈簧15,所述回復彈簧15的一端固定于承壓復合隔板6上,所述回復彈簧15的另一端固定于承壓活塞5上。當承壓復合隔板6打開時,承壓復合隔板6通過軸承桿仍與承壓活塞5連接。當油管和井底流體壓力相同時,承壓復合隔板6遠離軸承桿的一端在浮力及回復彈簧15的回復力作用下運動,承壓活塞5在承壓彈簧2作用下運動,承壓復合隔板6關閉,等待下次流體通過油管注入。

本實施例中,所述承壓復合隔板6為鋼板和輕質材料的復合結構,總體密度小于1g/cm3,所述輕質材料包括低密度泡沫。

本實施例中,如圖1所示,所述承壓活塞5上開設有用于容納觸發螺桿1-2的螺桿倉5-1。

本發明的低頻等壓差強水力脈動發生器的脈動發生方法包括以下步驟:

當由開口1-1注入的流體的壓力大于井底壓力時,承壓復合隔板6帶動承壓活塞5向下運動,承壓活塞5帶動內轉盤11-2沿螺桿倉5-1向下運動到套設到觸發螺桿1-2上,內轉盤11-2相對觸發螺桿1-2向下且順時針旋轉,內轉盤11-2上的棘爪11-3帶動棘輪11同步旋轉,棘輪11上的撥動頭11-1推動第二推動板8-4,第二推動板8-4帶動第二鎖舌8向承壓活塞5內部運動至全部進入承壓活塞5內部,第二鎖舌彈簧10被壓縮,承壓復合隔板6打開,連接螺桿12向承壓活塞5外部伸出,帶動擺盤14順時針轉動至擺頭14-1垂直且擋住第一推動板8-3,阻止第二鎖舌8向通孔3內伸出;承壓復合隔板6遠離軸承桿的一端相對軸承桿轉動至第一鎖舌7所在的通孔3的壁面,壓縮第一鎖舌7,第一鎖舌7被推入承壓活塞5內部,注入的流體通過開口1-1、通孔3和射流口4沖擊儲煤層,形成一次脈動水力沖擊壓裂;

一次壓裂完成后,當由開口1-1注入的流體的壓力等于井底壓力時,承壓彈簧2的回復力帶動承壓活塞5向上運動,承壓活塞5向上運動帶動承壓復合隔板6和內轉盤11-2向上運動,內轉盤11-2相對觸發螺桿1-2向上且逆時針轉動直至脫離觸發螺桿1-2,承壓復合隔板6遠離軸承桿的一端相對軸承桿轉動至遠離第一鎖舌7所在的通孔3壁面,第一鎖舌7在第一鎖舌彈簧16回復力的作用下向通孔3內伸出,承壓復合隔板6向上運動并轉動到封堵通孔3,承壓復合隔板6觸發連接螺桿12向承壓活塞5內部運動,帶動擺盤14轉動,擺盤14轉動帶動擺頭14-1逆時針轉動至遠離第一推動板8-3,與第一推動板8-3分開,第二鎖舌8在第二鎖舌彈簧10回復力的作用下向通孔3內伸出,與第一鎖舌7支撐承壓復合隔板6,承壓復合隔板6閉合,承載下一次注入壓力。

以上所述,僅是本發明的較佳實施例,并非對本發明做任何限制,凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化,均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。

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