一種阻斷式水力脈沖生成裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種阻斷式水力脈沖生成裝置及方法，可以為水力脈沖壓裂或輔助鉆頭破巖等應(yīng)用提供水力脈沖或射流。
【背景技術(shù)】
[0002]我國的頁巖氣資源豐富，開發(fā)潛力大，但是地質(zhì)和開采條件復(fù)雜，同時具有低孔、低滲、天然裂縫發(fā)育、巖石脆性大的特點(diǎn)，長井段水平井和大排量水力壓裂是頁巖氣高效經(jīng)濟(jì)開發(fā)的主要技術(shù)和方法之一，開發(fā)成本高。目前常用的壓裂技術(shù)有多級壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復(fù)壓裂和同步壓裂等，同時，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了一系列新型壓裂技術(shù)和工藝的研宄。
[0003]目前，頁巖水力脈沖壓裂是一種新型的壓裂方式，通過間斷的流體注入，形成水力脈沖，產(chǎn)生水錘效應(yīng)，從而增加壓裂裂縫的復(fù)雜程度，該壓裂方式具有廣闊的應(yīng)用前景。但是該壓裂方式還處于試驗(yàn)階段，需要進(jìn)行深入的機(jī)理研宄。通過室內(nèi)水力脈沖生成裝置，可以進(jìn)行不同脈沖幅度、頻率、流量等條件下的水力脈沖分析，可以評價水力脈沖生成裝置的工作能力和可靠性，也可以和裂縫擴(kuò)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行裂縫擴(kuò)展分析，評價水力脈沖對壓裂裂縫形態(tài)的影響，對于改善壓裂施工參數(shù)、提高壓裂成功率，具有重要的指導(dǎo)意義。目前，針對水力脈沖生成的參數(shù)可控實(shí)驗(yàn)裝置相對較少，脈沖壓裂或破巖的效果無法進(jìn)行定量室內(nèi)評估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對目前室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和不足，本發(fā)明提出一種阻斷式水力脈沖生成裝置，該裝置可以方便地進(jìn)行水力脈沖的大小、間隔時間、頻率等設(shè)置，該實(shí)驗(yàn)裝置可以和壓裂裂縫擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)合，可以評價水力脈沖大小、間隔時間、頻率等對壓裂裂縫展布的影響。該裝置可以用于脈沖水力壓裂的水力參數(shù)優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研宄，也可以為脈沖壓裂或輔助鉆井技術(shù)提供井下水力脈沖生成裝置與方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種阻斷式水力脈沖生成裝置，包括液壓馬達(dá)、液體腔、密封腔、轉(zhuǎn)子、可更換阻斷式片槽等部分。
[0006]所述液壓馬達(dá)和調(diào)速器連接轉(zhuǎn)子，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；所述轉(zhuǎn)子可轉(zhuǎn)動地裝在密封腔內(nèi)，兩者間隙配合，在轉(zhuǎn)子內(nèi)有軸向向下通出的流體通道，轉(zhuǎn)子側(cè)壁開有徑向的流體通道，兩流體通道連通，徑向流體通道的進(jìn)口處兩側(cè)對稱開有弧形槽，弧形槽中對稱安裝有可更換阻斷片，阻斷片配置有多個不同的長度尺寸，長度小于或等于弧形槽的長度；密封腔外設(shè)置有一圈液體腔，液體腔上有外部流體注入口，外部流體通過此口充入流體腔中，密封腔上有轉(zhuǎn)子流體入口，在當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到弧形槽的空白段與密封腔的轉(zhuǎn)子流體入口對齊時，流體通過轉(zhuǎn)子的流體通道流出，形成高壓流體；當(dāng)轉(zhuǎn)子的實(shí)體部位、阻斷片與密封腔的轉(zhuǎn)子流體入口對齊時，隔斷高壓流體通過轉(zhuǎn)子通道流出，這樣通過轉(zhuǎn)子的周期性轉(zhuǎn)動就形成高壓脈沖流體。所述裝置需要先通過計算確定單個水力脈沖的頻率和所需脈沖波形，根據(jù)頻率設(shè)定液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，利用轉(zhuǎn)子上的阻斷片的形狀和尺寸，調(diào)節(jié)單個水力脈沖生成過程中的水力脈沖波形。
[0007]采用本裝置，水力脈沖的通斷利用轉(zhuǎn)子、阻斷片和密封腔共同控制，利用阻斷片的尺寸可以控制單個水力脈沖的波形和通斷時間，由此可以生成不同注入壓力、注入排量、單個脈沖通斷時間條件下的水力脈沖波形，能夠?qū)旅}沖壓裂工作環(huán)境進(jìn)行地面模擬測試以實(shí)現(xiàn)對井下脈沖壓裂的工作性能作地面評估，也可以為水力脈沖壓裂或輔助鉆頭破巖等應(yīng)用提供水力脈沖或射流。
[0008]另外，本裝置的液體腔安裝在密封腔和轉(zhuǎn)子外部，可降低流體泵瞬間通斷形成的水錘效應(yīng)，起到蓄能增壓的作用，同時可以降低裝置運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)子和密封腔的溫度，增加密封圈的使用壽命，保證轉(zhuǎn)子和密封腔間的密封圈的密封性能。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明沿1-1的截面圖；
圖3是本發(fā)明通過阻斷裝置可能的注入時間與阻隔時間的關(guān)系。
[0010]在圖中:I一調(diào)速器，2—液壓馬達(dá)，3—液壓馬達(dá)與轉(zhuǎn)子連接裝置，4一密封腔，5-轉(zhuǎn)子軸承，6—液體腔，7—外部流體注入口，8—轉(zhuǎn)子流體入口，9一旋轉(zhuǎn)密封圈，10—轉(zhuǎn)子流體通道，11—轉(zhuǎn)子流體流出連接裝置，12—脈沖流體出口，13—轉(zhuǎn)子，14-弧形槽，15—阻斷片，16—轉(zhuǎn)子流體入口通道。
【具體實(shí)施方式】
[0011]以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明:
參見圖1和圖2，阻斷式水力脈沖生成裝置主要包括液壓馬達(dá)調(diào)速器1、液壓馬達(dá)2、密封腔4、液體腔6、轉(zhuǎn)子13和阻斷片等。
[0012]其中，主體為液體腔6、密封腔4和轉(zhuǎn)子13，裝置的材質(zhì)為不銹鋼。液壓馬達(dá)2和調(diào)速器I連接轉(zhuǎn)子13，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
[0013]轉(zhuǎn)子中間鉆有軸向向下通出的孔，設(shè)定為流體通道10，內(nèi)徑Φ8πιπι，轉(zhuǎn)子的的側(cè)壁開有徑向通孔，與軸向的流通通道10連通，作為轉(zhuǎn)子流體入口通道16，子流體入口通道的進(jìn)口處兩側(cè)對稱開有弧形槽14。轉(zhuǎn)子被包裹在密封腔4中間，通過兩者之間微小間隙滿足與密封腔之間密封，密封腔兩端還通過旋轉(zhuǎn)密封圈9，保證轉(zhuǎn)子與密封腔的密封性能。
[0014]密封腔4外設(shè)置有一圈液體腔6，液體腔上有外部流體注入口 7，外部流體通過此口充入流體腔中。液體腔可降低流體泵瞬間通斷形成的水錘效應(yīng)，起到蓄能增壓的作用，同時也能吸收轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)摩擦生成的熱能，降低旋轉(zhuǎn)磨損，提高密封圈壽命。
[0015]密封腔4的側(cè)壁鉆有小孔，與液體腔6相通，為轉(zhuǎn)子流體入口 8。轉(zhuǎn)子的弧形槽14空白段與密封腔的轉(zhuǎn)子流體入口 8周期性相對，高壓流體進(jìn)入轉(zhuǎn)子的流體通道流出，形成高壓脈沖流體。
[0016]為了調(diào)節(jié)生成脈沖流體波形，弧形槽14裝有阻斷片14，阻斷片可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)定尺寸，保證每個水力脈沖周期內(nèi)的流體截斷和注入時間。阻斷片采用圓弧結(jié)構(gòu)，兩塊為一對，對稱分布在轉(zhuǎn)子徑向流體通道進(jìn)口的兩側(cè)，單個阻斷片長度可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇，厚度和寬度與弧形槽的深度和寬度一致，長度1/10-1/3圓周長。調(diào)節(jié)可更換阻斷片長度，可調(diào)節(jié)生成的脈沖流體波形。
[0017]轉(zhuǎn)子流體流出連接裝置11內(nèi)安設(shè)噴嘴或設(shè)計為圓錐形結(jié)構(gòu)，以此增加脈沖出口12流體水力脈沖和脈沖射流收斂性。