本发明属于深部矿山开采和水力致裂技术领域，尤其涉及一种水力驱动的高压脉冲流体输出装置及其操作方法。
背景技术
随着我国矿产资源需求量的增加和浅部资源的不断消耗，未来矿产资源和能源开采将不断向深部进军。而伴随资源和能源开采规模和深度的增加，如何实现硬质矿岩的有效致裂，提高资源的开采效率；如何转变深部有害条件为有利资源，实现资源的绿色开采是当今限制资源、能源开发的技术难题。水力致裂技术作为岩体压裂、增加渗透的有效手段，已在深部开采辅助破岩、深部油气增产等领域起到重要作用。但常规水力致裂技术采用连续流注液形式，在取得岩石有效致裂的同时，存在注液压力大，对泵源压力设备技术要求高，裂缝网络形成有限等问题。
脉冲水力压裂是通过脉冲装置将连续流体转变为脉冲流体进行岩石致裂一种优化压裂技术，近年来在室内试验和现场应用中较常规水力致裂技术取得更好效果，能够有效降低起裂压力和延伸裂缝扩展长度。但现有脉冲水力压裂装置却依旧存在性能缺陷：如脉冲转换装置性能单一，采用简单激振腔扰流形成脉冲流体，其流体脉冲压力波幅小，脉冲流体不稳定；采用转轮式脉冲发生器通过周期性改变流体界面形成脉冲流体，其脉冲频率不可控，仅非淹没射流破沿效果较好；采用脉冲泵直接进行脉冲流体输出，其脉冲频率可控但频控范围小，脉冲波形单一，流量输出不稳定。
因此，为了合理利用深部水力资源并提高致裂效率，亟待研发频控范围大、频率调节精度高、脉冲压力和流量波形可控、优化水势能利用的高压脉冲水力技术。
技术实现要素：
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种频控范围大，脉冲压力和流量波形可控，利用中压水作驱动源的水力驱动的高压脉冲流体输出装置及其操作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种水力驱动的高压脉冲流体输出装置，包括：
泵源装置，用于储存水并为水提供压力，以模拟深部中压大流量水力条件；
压裂液供应装置，用于提供连续低压压裂液；
并联设置且结构相同的两组流体脉冲发生装置，利用泵源装置输出的中压大流量水为动力源，将连续低压压裂液转变为高压脉冲流体输出；
伺服控制系统，与所述两个流体脉冲发生装置电性连接，以控制所述两个流体脉冲发生装置交替工作。
进一步的，所述流体脉冲发生装置包括脉冲增压器，所述脉冲增压器包括活塞杆相互对接的双作用快速驱动缸和单作用脉冲输出缸；
还包括用于控制中压大流量水流动方向且与伺服控制系统电性连接的伺服控制阀，所述泵源装置的输出端与所述伺服控制阀的进液口连通，所述伺服控制阀上还设有分别与所述双作用快速驱动缸的第一工作腔和第二工作腔连通的第一工作口和第二工作口，所述伺服控制阀交替控制所述伺服控制阀的进液口与所述双作用快速驱动缸的第一工作腔和第二工作腔连通，所述单作用脉冲输出缸上设有单向进液口和单向出液口，所述单向进液口与所述连续压裂液供应装置连通，所述单向出液口通过脉冲流体输出管路进行输出，所述双作用快速驱动缸活塞腔的面积大于所述单作用脉冲输出缸活塞腔的面积。
进一步的，所述泵源装置包括水箱，所述水箱的出水口通过管道依次贯通连接有出水节流阀、中压水泵和溢流阀，所述溢流阀的出口端通过第一三通接头分出回水支路和出水支路，所述回水支路与水箱上的回水口连通，所述出水支路与所述伺服控制阀的进液口连通。
进一步的，所述回水支路上设有伺服电动执行阀，所述出水支路上依次设有节流阀、流量计和中压压力计，所述伺服控制系统的信号输入端与中压压力计及流量计电性连接；所述伺服控制系统的信号输出端与伺服电动执行阀电性连接。
进一步的，所述脉冲流体输出管路包括与两所述单向出液口对接的两脉冲流体输出分支管，两所述脉冲流体输出分支管通过出液汇总三通汇流后输出并关于出液汇总三通中心对称分布，所述脉冲流体输出分支管上依次设有高压压力计、微型流量计和单向阀。
进一步的，所述连续压裂液供应装置包括溶液罐，所述溶液罐的出液口与进液总管对接，所述进液总管通过第二三通接头分出两条进液支路，所述两条进液支路分别与两所述单向进液口连通。
进一步的，所述连续液体供应装置还包括用于对溶液罐内的液体增压的增压气泵，所述溶液罐上设有液位计和排污阀，所述进液总管上设有进液节流阀，所述伺服控制系统包括与泵源装置通信连接的伺服控制器、与伺服控制阀通信连接的脉冲输出伺服控制器及与所述伺服控制器和脉冲输出伺服控制器电性连接的工控机。
进一步的，所述溢流阀和第一三通接头之间设有蓄能器，所述中压压力计与所述伺服控制阀之间设有二级蓄能器，所述回水支路上还设有回路压力计和过滤器。
进一步的，两所述伺服控制阀并排集成在液压集成块上，两伺服控制阀的进液口经液压集成块连接至出水支路，两伺服控制阀的排放口经由液压集成块上的溢流阀连接至回水支路。
采用上述水力驱动的高压脉冲流体输出装置的操作方法，包括如下步骤：
第一步：关闭出水节流阀和进液节流阀，将清洁水和表观粘度0-200mpa·s的压裂液分别注入储水箱和溶液罐，待储水箱和溶液罐内液位达到设定值时，停止注水和注液，并关闭进水口和注液口；
第二步：开启出水节流阀，打开工控机、伺服控制器、中压压力计、流量计和回路压力计，调制伺服电动执行阀和节流阀为全开状态；
第三步：启动中压水泵至额定功率，通过工控机设定伺服控制器控制压力或流量为预设值后，伺服控制器控制伺服电动执行阀至额定开度，至出水支路压力或流量稳到预设值；
第四步：开启增压气泵，往溶液罐注入压缩空气至额定低压，之后开启进液节流阀，使连续流体输入管路维持稳定压力；
第五步：启动脉冲输出伺服控制器，并给高压压力计、微型流量计和两组伺服控制阀通电；通过工控机调节伺服控制器至预设压力脉冲或流量脉冲，进行信号输出；两组伺服控制阀伺服启动，脉冲增压器工作，脉冲流体输出管路输出高压脉冲流体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.频控范围大、频率调节精度高；脉冲发生器设置有两组脉冲增压器进行高压脉冲流体交替输出，能够满足较大范围内的高低频脉冲流体输出需求；装置的脉冲输出过程由伺服控制器进行伺服控制，确保脉冲流体输出过程的频率精度。
2.脉冲压力和流量波形可控；取代传统流体脉冲发生装置由连续流直接转换脉冲流输出形式，利用伺服控制器控制快速驱动缸进而控制脉冲输出缸发生脉冲吸液-排液动作，可以做到以预设压力和流量波形信号为目标，基于高压压力计和微型流量计的反馈信号对脉冲输出动作进行精确伺服控制，并可实现多种波形的可控输出。
3.利用中压水作驱动源，拓宽水势能利用途径；在室内利用泵源装置模拟中压水做驱动能量，通过脉冲发生器将中压大流量水力作用转变为高压脉冲水力效果，实现能量的合理转化和利用；并通过室内反复测试获得脉冲发生器不同脉冲高压输出效果所匹配的泵源水压和流量参数，指导矿井现场实践，进而直接将井下中压流体替换泵源装置作为动力源进行高压脉冲输出，能进一步拓宽深部水势能的利用途径。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明连续流体输入管路俯视图；
图3为本发明脉冲流体输出管路轴测图；
图4为本发明中脉冲发生器轴测图；
图5为本发明中脉冲发生器剖视图；
图6为本发明中伺服控制阀的主视图；
图7为本发明中伺服控制阀的左视图；
图8为本发明中伺服控制阀的右视图；
图9为本发明中脉冲输出伺服控制器控制信号示意图一；
图10为本发明中脉冲输出伺服控制器控制信号示意图二；
图11为本发明中脉冲输出伺服控制器控制信号示意图三。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
参见图1-图11，一种水力驱动的高压脉冲流体输出装置，包括泵源装置、压裂液供应装置、并联设置且结构相同的两组流体脉冲发生装置和伺服控制系统，泵源装置用于储存水并为水提供压力，以模拟深部中压大流量水力条件；压裂液供应装置用于提供连续低压压裂液；流体脉冲发生装置利用泵源装置输出的中压大流量水为动力源，将连续低压压裂液转变为高压脉冲流体输出；伺服控制系统与两个流体脉冲发生装置电性连接，以控制两个流体脉冲发生装置交替工作。泵源装置、压裂液供应装置和流体脉冲发生装置集成在工作台上。
参见图1，泵源装置由水箱1、出水节流阀2、中压水泵3、溢流阀4、蓄能器5和第一三通接头6组成；水箱包括储水箱7、进水口8、回水口9、出水口10和水位计11，储水箱容积为2-4m3；水箱1的出水口10与出水节流阀2、中压水泵3、溢流阀4、蓄能器5和第一三通接头6通过刚性高压管顺次连接。
参见图1，泵源装置还包括出水支路、回水支路；出水支路上依次设有节流阀12、流量计13、中压压力计14和二级蓄能器15；出水支路的节流阀12上游端与第一三通接头6的一个分支连接，形成完整中压流体输出路径；回水支路上依次设有伺服电动执行阀16、回路压力计17和过滤器18，回水支路伺服电动执行阀16上游端和过滤器18下游端分别与第一三通接头6另一分支和水箱1的回水口9连接，形成闭合的回流路径。
参见图1、图2、图3和图4，压裂液供应装置包括容器池、连续流体输入管路；容器池包括溶液罐21、增压气泵22、注液口23、液位计24、出液口25和排污阀26，溶液罐21容积为0.5-1m3，增压气泵22用于给溶液罐21内具有一定粘度的致裂液体提供一定输出压力；连续流体输入管路包括进液节流阀27、进液总管28、第二三通接头29和两根进液分支管30；进液节流阀27与容器池出液口25连接，液体经顺次连接的进液节流阀27、进液总管28和进液第二三通接头29分流至两根进液分支管30；两根进液分支管30长度相等，关于进液第二三通接头29呈中心对称分布，用于将连续有压液体输入给流体脉冲发生装置。
参见图4和图5，脉冲增压器39包括活塞杆通过刚性联轴器42相互对接的双作用快速驱动缸41和单作用脉冲输出缸43；整个脉冲增压器39通过支撑架40支撑连接在工作台上。还包括用于控制中压大流量水流动方向且与伺服控制系统电性连接的伺服控制阀68，泵源装置的输出端与伺服控制阀68的进液口连通，伺服控制阀68上还设有第一工作口和第二工作口，双作用快速驱动缸的第一工作腔和第二工作腔分别与第一工作口和第二工作口连通，伺服控制阀68交替控制伺服控制阀68的进液口与双作用快速驱动缸41的第一工作腔和第二工作腔连通，单作用脉冲输出缸43上设有单向进液口和单向出液口，单向进液口与脉冲流体输出管路连通，单向出液口通过脉冲流体输出管路进行输出，双作用快速驱动缸活塞腔的面积大于所述单作用脉冲输出缸活塞腔的面积。两组脉冲增压器39并排安装于支撑底座38上进行交替高压脉冲流体输出，支撑底座38为t形槽钢板制成。
伺服控制系统包括与泵源装置通信连接的伺服控制器19、与伺服控制阀通信连接的脉冲输出伺服控制器66和工控机20；伺服控制器19的信号输入端与中压压力计14、流量计13通过信号线连接；伺服控制器19的信号输出端与伺服电动执行阀16通过信号线连接；伺服控制器19的通讯端与工控机20通过信号线连接；伺服控制器19通过驱动伺服电动执行阀16动作控制回水支路流量，从而实现出水支路压力和流量控制。
脉冲流体输出管路由第一脉冲流体输出分支管31、第二脉冲流体输出分支管32和出液汇总三通33组成；第一脉冲流体输出分支管31和第二脉冲流体输出分支管32都由出液分流管34、高压压力计35、微型流量计36和单向阀37顺次连接组成，并关于出液汇总三通33中心对称分布；两脉冲流体输出分支管的单向阀37下游端连接至出液汇总三通33，脉冲流体经出液汇总三通33汇合输出。
参见图4和图5，快速驱动缸41由底座44、驱动轴45、驱动活塞46、缸套47、顶盖48、紧固螺栓49、静态密封圈50和动态密封圈51组成；底座44和顶盖48内分别设置中压进水口54和中压退水口55；中压进水口54和中压退水口55分别与伺服控制阀68的第一工作口和第二工作口连通。缸套47通过紧固螺栓49固定于底座44和顶盖48之间，在交界处设置有静态密封圈50；驱动轴45在缸套47内同轴心设置，直径小于缸套47内径，驱动轴45底端连接驱动活塞46，驱动轴45顶端穿过顶盖48中心；驱动活塞46紧贴缸套47内壁，在驱动活塞46与底座44之间设置有推进腔(第一工作腔)52，在驱动活塞46与顶盖48之间设置有后撤腔(第二工作腔)53；驱动活塞46外环和顶盖48内环均设置有动态密封圈51。
参见图4和图5，脉冲输出缸43由缸体56、密封装置57、缸盖58、往复活塞59、吸液单向阀60和排液单向阀61组成；缸体56中心设置有缸筒62，底端设置有吸液口63和排液口64，顶端连接密封装置57，并通缸盖58进行紧固密封；往复活塞59穿过缸盖58和密封装置57设置于缸筒62内；吸液单向阀60和排液单向阀61内设置抗悬浮反力装置，分别连接缸体56的吸液口63和排液口64形成单向进液口和单向出液口，并沿缸体56中心对称分布；驱动轴45和往复活塞59通过刚性联轴器42连接，驱动活塞46的面积是往复活塞59面积的2-4倍，通过驱动活塞46推动往复活塞运动59，利用大流量中压水流驱动小流量高压液流输出。
参见图1和图6，两组伺服控制阀68并排集成在液压集成块70上形成控制阀组65；伺服控制阀68为一二位四通伺服阀，两组二位四通伺服阀的进液口71经液压集成块70连接出水支路的二级蓄能器15下游端，两组二位四通伺服阀的回液口72(排放口)经由液压集成块70上的溢流阀69连接至所述回水支路的回路压力计17和过滤器18之间；伺服控制阀68与脉冲增压器之间通过中压水控制管路67连通，压水控制管路67包括第一中压进液管73、第一中压回流管74、第二中压进液管75和第二中压回流管76，四根管路长度和管径相等；第一中压进液管73和第二中压进液管75的两端分别连接两组二位四通伺服阀的推进口(第一工作口)77和两组快速驱动缸41的中压进水口54，第一中压回流管74和第二中压回流管76分别的两端连接两组二位四通伺服阀回压口(第二工作口)78和两组快速驱动缸41的中压退水口55；脉冲输出伺服控制器66反馈信号输入端与高压压力计35和微型流量计36通过信号线连接，脉冲输出伺服控制器66控制信号输出端与两组二位四通伺服阀68通过信号线连接，脉冲输出伺服控制器66的通讯信号端与工控机20通过信号线连接。
参见图1、图3、图6-图8，脉冲输出伺服控制器66能够输出波形一致、相位差半个周期的两组脉冲信号(如图7、图8及图9所示)，根据高压压力计35和微型流量计36的信号反馈，分别控制两组二位四通伺服阀68快速交替开闭动作，进而控制两组快速驱动缸41交替推进，驱动脉冲输出缸43作精准压力脉冲或流量脉冲输出，脉冲频率范围为10-2hz-102hz四个量级；脉冲输出伺服控制器66具备压力和流量脉冲波形信号编码功能，进而控制脉冲输出缸43作输出对应的正弦、方波、三角波或其他异形波形的压力脉冲或流量脉冲(如图9、图10和图11所示)；
使用本发明的操作方法为：
第一步：关闭出水节流阀2和进液节流阀27，将清洁水和表观粘度0-200mpa·s的压裂液分别注入储水箱7和溶液罐21，待储水箱7和溶液罐21内液位分别达到水位计和液位计四分之三量程，停止注水和注液，并关闭进水口8和注液口23；
第二步：开启出水节流阀2，打开工控机20、伺服控制器19、中压压力计14、流量计13和回路压力计17，调制伺服电动执行阀16和节流阀12为全开状态；
第三步：启动中压水泵3至额定功率，启动后，储水箱7中的水通过出水节流阀2经由刚性高压管被吸入中压水泵3并输出，大部分输出流体经过全开状态的伺服电动执行阀16高速流入回水支路至储水箱7，少部分流体进入出水支路；此时，回水支路流量最大，达到100l/min，而出水支路压力极小；然后，通过工控机20设定伺服控制器19控制压力(0-16mpa)或流量为预设值后，伺服控制器19控制伺服电动执行阀16至额定开度，此时，回水支路流量逐渐减小，出水支路压力逐渐增加，直至出水支路压力或流量稳到预设值；
第四步：开启增压气泵22，往溶液罐21注入压缩空气至额定低压，压力在2-5个大气压力；然后，开启进液节流阀27，在溶液罐21内压强作用下流体输出，使连续流体输入管路维持稳定压力；
第五步：启动脉冲输出伺服控制器66，并给高压压力计35、微型流量计36和两组二位四通伺服阀68通电；通过工控机20调节脉冲输出伺服控制器66至预设压力脉冲或流量脉冲，进行信号输出；两组二位四通伺服阀68伺服启动，其中一组二位四通伺进液口71经二位四通伺回压口78与第一中压回流管74连通，推进压力经中压退水口55进入对应脉冲增压器快速驱动缸41的后撤腔55，同时二位四通阀回液口72经二位四通伺推进口77与第一中压进液管73连通，快速驱动缸41推进腔54内流体，在压差作用下推动驱动活塞46向后运动，驱动轴45拉动脉冲输出缸43内往复活塞59后撤，致使连续流体输入管内流体从吸液单向阀60进入缸筒62；接下来，本组二位四通伺进液口71经二位四通伺推进口77与第一中压进液管73连通，推进压力进入对应脉冲增压器快速驱动缸41的推进腔54，同时二位四通阀回液口72经二位四通伺回压口78与第一中压回流管74连接，快速驱动缸41后撤腔55内流体，在压差作用下推动驱动活塞46向前运动，驱动轴45推动脉冲输出缸43内往复活塞59前进，缸筒62内流体通过排液单向阀61进入第一脉冲流体输出分支管31输出单个高压脉冲流体；另一组二位四通伺服阀68反向动作控制对应一组脉冲增压器39输出另一个高压脉冲流体，至此完成两次高压脉冲流体输出，并不断循环；脉冲增压器39利用大流量中压水流驱动小流量高压液流输出，其压力变换形式如下式所示，脉冲增压器39增压系数为驱动活塞46面积与往复活塞59面积的比值。
其中：pp为脉冲增压器39脉冲流体输出压力(mpa)，pq为输出水路中压流体压力(mpa)，rq为驱动活塞46半径(mm),rp为往复活塞59半径(mm)，sq为驱动活塞46面积(mm2),rp为往复活塞59面积(mm)。
第六步：流体输出结束，先关闭流体脉冲发生装置和脉冲输出控制系统，然后调制伺服电动执行阀16再次全开，关闭泵源装置，最后打开排污阀26排空溶液罐21。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。