CN112814636B - 一种低频压裂装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低频压裂装置，包括：中空的壳体，设置在壳体内的涡杆机构、调频增压机构和止回阀，壳体分为上壳体和下壳体，下壳体侧壁上开设有射孔，涡杆机构包括涡杆和传动齿轮，调频增压机构包括依次连接的调频齿轮、上腔体和下腔体，下腔体上设置有与射孔适配的内孔；当涡杆转动时，带动传动齿轮转动，传动齿轮带动调频齿轮转动，从而带动上腔体和下腔体相对于下壳体转动，当转动到预设位置时，内孔与射孔连通，射出壳体内的高压流体，以对储层进行压裂。本发明通过采用驱动套筒作为传动组件，流体在壳体内流动的过程中，不易发生堵塞，稳定性高。

Description

一种低频压裂装置

技术领域

本发明涉及石油工程中水力压裂技术领域，尤其涉及一种低频压裂装置。

背景技术

目前，随着石油工业的发展，低渗透、超低渗透的非常规油气资源逐渐成为各国油气田的生产主力，为实现其商业开发，一般均需人工压裂改造之后才具有商业价值。其中，水力压裂是油气藏储层改造、试完井井下作业的一项重要措施，其通过水的能量来破坏岩石的结构，从而达到射孔的目的，此压裂方式被广泛应用于低渗透油气藏及页岩气储层改造中，且已取得良好的增产效果。

脉冲发生工具是把水流转化为高压脉冲水流的装置，现有的压裂装置多采用单涡杆来进行驱动调频，在使用过程之中，涡杆会因为压裂液中的沙砾堵塞而停转，并且涡杆上的扭转力会激增，从而使得工具的稳定性降低，使用寿命减少，严重影响了工程的进度。

发明内容

针对现有的压裂工具容易发生堵塞、增压机构可靠性差等技术问题，本发明提供了一种具有涡杆驱动的周向低频压裂装置，以降低压裂工具使用过程中的堵塞可能性。

本发明解决上述技术问题的具体技术方案如下：一种低频压裂装置，包括：中空的壳体，设置在所述壳体内的涡杆机构、调频增压机构和止回阀；所述壳体包括上壳体和与所述上壳体可拆卸连接的下壳体，所述上壳体两端分别设置有第一固定架和第二固定架，所述下壳体侧壁上开设有射孔；所述涡杆机构包括涡杆和传动齿轮，所述涡杆两端分别固定在所述第一固定架和所述第二固定架上，所述传动齿轮与所述涡杆穿过所述第二固定架的一端键连接；所述调频增压机构包括依次连接的调频齿轮、上腔体和下腔体，所述下腔体上设置有与所述射孔适配的内孔，所述上腔体和下腔体连接形成中空腔体，所述中空腔体通过所述调频齿轮与所述传动齿轮转动连接，当所述涡杆转动时，带动所述传动齿轮转动，所述传动齿轮带动所述调频齿轮转动，从而带动所述中空腔体相对于所述下壳体转动，当所述中空腔体转动到预设位置时，所述内孔与所述射孔连通；所述止回阀设置在所述中空腔体内，以控制流体沿所述上壳体到所述下壳体方向单向流动。

可选地，所述调频增压机构还包括设置在所述调频齿轮外壁上的滑轮，所述调频齿轮通过所述滑轮与所述下壳体滑动连接。

可选地，所述调频齿轮为圆盒状结构，所述圆盒状结构的周向内壁上设有调频内齿，所述调频内齿与所述传动齿轮啮合。

可选地，所述调频内齿的齿数大于所述传动齿轮的齿数。

可选地，所述传动齿轮与所述涡杆同轴连接。

可选地，所述涡杆机构的数量为多个，多个所述涡杆机构沿所述上壳体的轴心圆周分布。

可选地，所述下腔体的外壁与所述下壳体的内壁紧密贴合。

可选地，所述上腔体靠近所述调频齿轮处设置有单向流道，所述止回阀包括上止回阀和止回支柱，所述上止回阀与所述单向流道适配，所述止回支柱两端分别与所述上止回阀和所述下腔体连接，当所述上止回阀靠近所述调频齿轮面受到的压力小于或等于所述上止回阀连接所述止回支柱面受到的压力时，所述上止回阀封堵所述单向流道。

可选地，所述上止回阀包括止回活塞和止回弹簧，所述止回活塞的外侧壁与所述上腔体的内侧壁紧密贴合，所述止回活塞通过所述止回弹簧与所述止回支柱连接，所述止回活塞上还设置有与所述单向流道尺寸匹配的凸起，在初始状态下，所述止回弹簧的回复力作用于所述止回活塞，使得所述凸起与所述单向流道卡接。

可选地，所述涡杆机构还包括轴承，所述轴承绕所述上壳体的轴心设置，所述轴承的外圈与所述第一固定架和所述第二固定架连接，所述轴承的内圈与所述涡杆固定。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：通过采用驱动套筒作为传动组件，流体在壳体内流动的过程中，仅会通过涡柱及止回阀，由此在使用过程中不易发生堵塞，稳定性良好；同时，通过采用从动套筒与壳体滑套式错位密封的密封方式，密封可靠性较好，增压效果良好；此外，多涡杆结构增加了低频压裂装置的结构稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中低频压裂装置的立体结构示意图；

图2是图1中剖面A-A的剖视图；

图3是图1中壳体的结构示意图；

图4是图1中省略壳体后的立体结构示意图；

图5是图4中低频压裂装置省略涡杆机构后的立体结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-壳体、2-涡杆机构、3-调频增压机构、4-止回阀、11-上壳体、111-第一固定架、112-第二固定架、12-下壳体、121-射孔、21-涡杆、2-传动齿轮、31-调频齿轮、311-调频内齿、32-滑轮、33-上腔体、34-下腔体、341-内孔、41-上止回阀、411-单向流道、412-止回活塞、413-止回弹簧、42-止回支柱。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语均属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。

随着油气勘探与开发进程的不断发展，低渗透、页岩、致密等难开采油气藏在勘探开发中所占比例越来越大，这些油气藏的特点是低渗，需要较高的射孔压力才能达到目标的产能。目前使用的多种压裂方法之中，水力压裂是最常用的方法，然而现有的压裂装置多采用单涡杆进行驱动调频，在使用过程中，单涡杆易因为压裂液中的沙砾堵塞而停转，且涡杆上的扭转力会激增，从而降低了脉冲发生工具的使用稳定性。

为解决上述问题，本发明提供了一种涡杆驱动周向低频压裂装置，通过设置调频增压机构，采用驱动中空腔体形成的套筒作为传动组件，使得流体(例如压裂液)在脉冲发生工具内的流动过程中，不易发生堵塞，提高了工具的使用稳定性。

具体地，结合图1-5所示，本发明提供了一种低频压裂装置，包括：中空的壳体1，设置在壳体1内的涡杆机构2、调频增压机构3和止回阀4；壳体1包括上壳体11和与上壳体11可拆卸连接的下壳体12，上壳体11两端分别设置有第一固定架111和第二固定架112，下壳体12侧壁上开设有射孔121；涡杆机构2包括涡杆21和传动齿轮22，涡杆21两端分别固定在第一固定架111和第二固定架112上，传动齿轮22与涡杆21穿过第二固定架112的一端键连接；调频增压机构3包括依次连接的调频齿轮31、上腔体33和下腔体34，下腔体34上设置有与射孔121适配的内孔341，上腔体33和下腔体34连接形成中空腔体，中空腔体通过调频齿轮31与传动齿轮22转动连接，当涡杆21转动时，带动传动齿轮22转动，传动齿轮22带动调频齿轮31转动，从而带动中空腔体相对于下壳体12转动，当中空腔体转动到预设位置时，内孔341与射孔121连通；止回阀4设置在中空腔体内，以控制流体沿上壳体11到下壳体12方向单向流动。

可以看出，本发明通过创新性地采用调频齿轮31作为传动组件，且利用上腔体33、下腔体34和下壳体12滑套式的错位密封方式，同时配合设置止回阀4，控制流体的单向流动，使得流体在壳体1内的流动中，仅流经不易发生堵塞的涡杆21和止回阀4，即可从下壳体12中流出，极大程度上减轻了低频压裂装置使用中的堵塞风险，提高了工作稳定性。

具体地，结合图1-2所示，上壳体11与下壳体12均为一端开口的中空圆柱状结构，二者可以通过卡接、扣接等多种可拆卸方式组装成中空壳体1，且形成的内部空腔为圆柱形，此连接方式提高了低频压裂装置的组装、维修便利性。上壳体11内部上端设置有第一固定架111，内部下端设置第二固定架112，第一固定架111与第二固定架112结构相同。下壳体12侧壁上开设有射孔121，在预设状态下，流体从射孔121射出。

结合图3所示，涡杆机构2包括涡杆21和传动齿轮22，涡杆21的上端固定在第一固定架111上，涡杆21的下端固定在第二固定架112上，涡杆21的下端设置有键销，该键销与传动齿轮22的中心轴孔的形状相匹配。传动齿轮22设置在第二固定架112下方，也即在使用过程中，涡杆21的键销穿过第二固定架112，插入传动齿轮22的中心轴孔内，固定连接涡杆21与传动齿轮22，从而保证涡杆21固定在上壳体11内，且能带动传动齿轮22转动。

此设置使得涡杆21与传动齿轮22同轴连接，减小了低频压裂装置使用过程中涡杆21所承受的力矩，可以一定程度上延长涡杆21的使用寿命。

此外，涡杆机构2的数量可以为多个，也即可以设置多个涡杆21与多个传动齿轮22，多个涡杆机构2沿上壳体11的轴心圆周分布。在本发明实施例中，优选地，涡杆机构2的数量为三个，三个涡杆21分别与三杆传动齿轮22固定连接，且三个涡杆21绕上壳体11的轴心分布于壳体1内，相邻的两个涡杆21之间的距离相等。通过设置多个涡杆机构2，进一步降低了单个涡杆21所承受的力矩，可以有效提高低频压裂装置的结构稳定性，延长使用寿命。

当然，为提高低频压裂装置的整体结构强度，优选地，涡杆机构2还包括轴承(图中未示出)，轴承绕上壳体11的轴心设置，轴承的外圈同时与与第一固定架111和第二固定架112连接，轴承的内圈与涡杆21固定。

结合图3-5所示，调频增压机构3整体设置在壳体1内，且与涡杆机构2传动连接，当涡杆21转动带动传动齿轮22转动，传动齿轮22带动调频增压机构3相对于下壳体12转动，随着调频增压机构3内的压力的变化，从而形成有规律的脉冲波。

调频增压机构3包括从上到下依次连接的调频齿轮31、上腔体33和下腔体34，调频齿轮31位于上壳体11内，且设置在第二固定架112下方，上腔体33与下腔体34位于下壳体12内。调频齿轮31为开口朝向第二固定架112方向的圆盒状结构，圆盒状结构的周向内壁上设有调频内齿311，调频内齿311与传动齿轮22啮合。也即，在安装完成状态下，传动齿轮22位于圆盒状结构的内部，且传动齿轮22的底端与调频齿轮31底面接触，调频齿轮31的上端面与第二固定架112接触，传动齿轮22转动可带动调频齿轮31转动。

结合图4所示，上腔体33顶端与调频齿轮31的底端固定连接，同时，下腔体34与上腔体33可拆卸连接，上腔体33与下腔体34均为一端开口的中空结构，且下腔体34的侧壁上设置有与射孔121形状匹配的内孔341，二者组装可形成容纳流体的中空腔体，其中，止回阀4位于中空腔体内。通过将上腔体33和下腔体34设置为可拆卸连接，可以进一步提高低频压裂装置的组装便利性。

可以理解的是，本发明提供的低频压裂装置，采用上腔体33、下腔体34和下壳体12滑套式的错位密封方式，也即，上腔体33、下腔体34的外壁均与下壳体12的内壁紧密贴合，同时上腔体33、下腔体34均可以相对于下壳体12转动。由此，当涡杆21带动传动齿轮22转动，传动齿轮22经过调频齿轮31后带动上腔体33和下腔体34转动，在下腔体34转动的过程中，当下腔体34转动到预设位置时，下腔体34上的内孔341与下壳体12上的射孔121连通，下腔体34内的高压流体经过内孔341和射孔121后射出，以对储层进行压裂。

进一步地，为提高中空腔体内流体的蓄压时间，调频内齿311的齿数大于传动齿轮22的齿数，在本发明实施例中，优选地，调频齿轮31的齿数为传动齿轮22齿数的三倍，这样，通过设置齿数配置，可以控制上腔体33相对于传动齿轮22的转数，从而控制上腔体33和下腔体34内流体的蓄压时间，提高射出的流体的冲击力，增强低频压裂装置的使用效果。

此外，调频增压机构3还包括设置在调频齿轮31外壁上的滑轮32，调频齿轮31通过滑轮32与上壳体11滑动连接。具体地，滑轮32突出设置在调频齿轮31外壁上，且可相对于调频齿轮31转动，同时滑轮32与上壳体11内壁紧密贴合。在转动齿轮带动调频齿轮31转动过程中，调频齿轮31可以通过滑轮32与上壳体11转动，由此，增大了调平齿轮与上壳体11之间的滑动顺畅性；同时，由于滑轮32设置在调频齿轮31与上壳体11之间，也即调频齿轮31与上壳体11内壁之间具有一定的缝隙，流体可通过此缝隙进入上腔体33内，从而保证流体流动过程中，仅通过涡杆21及止回阀4，即可进入下腔体34。滑轮32的结构为现有技术中常规的滚动装置，在此不再作具体描述。

止回阀4设置于上腔体33的腔体内，用于防止高压流体倒流，也即避免中空腔体内的流体倒流入上壳体11内，使得带有泥沙的流体堵塞涡杆机构2。为实现此功能，结合图2-5所示，具体地，上腔体33顶端靠近调频齿轮31处设置有单向流道411，流体只能通过单向流道411进入上腔体33内，止回阀4包括上止回阀41和止回支柱42，上止回阀41与单向流道411适配，止回支柱42两端分别与上止回阀41和下腔体34连接，当上止回阀41靠近调频齿轮31面受到的压力小于或等于上止回阀41连接止回支柱42面受到的压力时，也即当上壳体11内压力小于或等于上腔体33内压力时，上止回阀41封堵单向流道411。

由此，通过设置单向流道411和上止回阀41，实现只有当上止回阀41受到的压力大于上腔体33内压力时，上止回阀41才与单向流道411分离，流体才可以通过单向流道411进入上腔体33内，从而保证上腔体33内的流体不会发生倒流。

上止回阀41可以为具有弹性的挡板，或则具有伸缩功能的挡块，只要能实现在上止回阀41上表面受到的压力小于或等于上表面受到的压力时，封堵单向流道411即可。

在本发明实施例中，优选地：上止回阀41包括止回活塞412和止回弹簧413，止回活塞412的外侧壁与上腔体33的内侧壁紧密贴合，止回活塞412通过止回弹簧413与止回支柱42连接，止回活塞412上还设置有与单向流道411尺寸匹配的凸起，在初始状态下，止回弹簧413的回复力作用于止回活塞412，使得凸起与单向流道411卡接，也即止回活塞412通过设置在表面的凸起来封堵单向流道411。

为了更好地理解本发明，以下结合图1-5所示，对本发明提供的低频压裂装置的工作过程进行详细说明：首先将低频压裂装置顺着钻杆下入到待压裂的井段，接着将高压压裂液从上壳体11上端注入壳体1内，压裂液首先进入上壳体11，之后经过涡杆21后进入上腔体33和下腔体34内，当压裂液流入上腔体33表面时，产生作用于止回活塞412上的压力，从而使止回弹簧413收缩，从而止回活塞412与单向流道411分离，压裂液通过单向流道411进入上腔体33下端，当止回活塞412上下的压力平衡时，在止回弹簧413的回复力作用下，止回活塞412重新封堵单向流道411。可以看出，在止回阀4的作用下，压裂液只能进入上腔体33和下腔体34内而不能倒流，上腔体33和下腔体34内压裂液的压力也会逐渐增大。同时，在压裂液经过涡杆21时，压裂液会带动涡杆21转动，涡杆21带动传动齿轮22转动，传动齿轮22经过调频齿轮31后带动上腔体33和下腔体34转动，在下腔体34转动的过程中，当内孔341与射孔121连通时，下腔体34内经过蓄压后的高压压裂液通过内孔341和射孔121后射出，对储层进行压裂动作。

综上所述，本发明通过采用调频齿轮31作为传动组件，流体在壳体1内流动的过程中，仅会通过不易发生堵塞的涡杆21及止回阀4，因此，本装置在使用过程中不易发生堵塞，稳定性良好；同时，本发明采用下腔体34、上腔体33与下壳体12滑套式错位密封的密封方式，密封可靠性较好，增压效果良好；而且本发明采用增加涡杆21数量的方式，提高了结构的稳定性；且传动齿轮22与涡杆21同轴固定，减小了涡杆21所承受的力矩，使得本发明提供的低频压裂装置拥有较长的使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低频压裂装置，其特征在于，包括：中空的壳体(1)，设置在所述壳体(1)内的涡杆机构(2)、调频增压机构(3)和止回阀(4)；

所述壳体(1)包括上壳体(11)和与所述上壳体(11)可拆卸连接的下壳体(12)，所述上壳体(11)与下壳体(12)组装形成的内部空腔为圆柱形，所述上壳体(11)两端分别设置有第一固定架(111)和第二固定架(112)，所述下壳体(12)侧壁上开设有射孔(121)；

所述涡杆机构(2)包括涡杆(21)和传动齿轮(22)，所述涡杆(21)两端分别固定在所述第一固定架(111)和所述第二固定架(112)上，所述传动齿轮(22)与所述涡杆(21)穿过所述第二固定架(112)的一端键连接；

所述调频增压机构(3)包括依次连接的调频齿轮(31)、上腔体(33)和下腔体(34)，所述下腔体(34)上设置有与所述射孔(121)适配的内孔(341)，所述上腔体(33)和所述下腔体(34)连接形成中空腔体，所述中空腔体通过所述调频齿轮(31)与所述传动齿轮(22)转动连接，所述调频齿轮(31)为圆盒状结构，所述圆盒状结构的周向内壁上设有调频内齿(311)，所述调频内齿(311)与所述传动齿轮(22)啮合，且所述调频内齿(311)的齿数大于所述传动齿轮(22)的齿数；当所述涡杆(21)转动时，带动所述传动齿轮(22)转动，所述传动齿轮(22)带动所述调频齿轮(31)转动，从而带动所述中空腔体相对于所述下壳体(12)转动，当所述中空腔体转动到预设位置时，所述内孔(341)与所述射孔(121)连通；

所述止回阀(4)设置在所述中空腔体内，以控制流体沿所述上壳体(11)到所述下壳体(12)方向单向流动。

2.根据权利要求1所述的低频压裂装置，其特征在于，所述调频增压机构(3)还包括设置在所述调频齿轮(31)外壁上的滑轮(32)，所述调频齿轮(31)通过所述滑轮(32)与所述下壳体(12)滑动连接。

3.根据权利要求1所述的低频压裂装置，其特征在于，所述传动齿轮(22)与所述涡杆(21)同轴连接。

4.根据权利要求3所述的低频压裂装置，其特征在于，所述涡杆机构(2)的数量为多个，多个所述涡杆机构(2)沿所述上壳体(11)的轴心圆周分布。

5.根据权利要求1所述的低频压裂装置，其特征在于，所述下腔体(34)的外壁与所述下壳体(12)的内壁紧密贴合。

6.根据权利要求1所述的低频压裂装置，其特征在于，所述上腔体(33)靠近所述调频齿轮(31)处设置有单向流道(411)，所述止回阀(4)包括上止回阀(41)和止回支柱(42)，所述上止回阀(41)与所述单向流道(411)适配，所述止回支柱(42)两端分别与所述上止回阀(41)和所述下腔体(34)连接，当所述上止回阀(41)靠近所述调频齿轮(31)面受到的压力小于或等于所述上止回阀(41)连接所述止回支柱(42)面受到的压力时，所述上止回阀(41)封堵所述单向流道(411)。

7.根据权利要求6所述的低频压裂装置，其特征在于，所述上止回阀(41)包括止回活塞(412)和止回弹簧(413)，所述止回活塞(412)的外侧壁与所述上腔体(33)的内侧壁紧密贴合，所述止回活塞(412)通过所述止回弹簧(413)与所述止回支柱(42)连接，所述止回活塞(412)上还设置有与所述单向流道(411)尺寸匹配的凸起，在初始状态下，所述止回弹簧(413)的回复力作用于所述止回活塞(412)，使得所述凸起与所述单向流道(411)卡接。

8.根据权利要求1所述的低频压裂装置，其特征在于，所述涡杆机构(2)还包括轴承，所述轴承绕所述上壳体(11)的轴心设置，所述轴承的外圈与所述第一固定架(111)和所述第二固定架(112)连接，所述轴承的内圈与所述涡杆(21)固定。

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