一种低频等压差强水力脉动发生器及其脉动发生方法与流程

本发明属于煤气层开发技术领域，具体涉及一种低频等压差强水力脉动发生器及其脉动发生方法。

背景技术：

甲烷主要以吸附态赋存于煤储层中，通过水力压裂-排水降压是目前煤层气开采的主要方式。气体通过降压方式解吸为游离气，并通过天然孔裂隙、水力压裂人工裂隙扩散-渗流至井筒。煤层气开发技术与地质条件的不匹配是制约煤层气高效开发的关键瓶颈，传统的静水力压裂技术主要使煤层产生较为单一的宽大裂缝，并不完全有利于微孔隙的沟通及气体流动。动态冲击载荷可有效在煤层中产生显微裂隙，从而提高煤储层的微裂隙场密度，有效提高煤层渗透性。

脉动水力压裂如同水锤，是实现储层冲击载荷的一种方式，但目前所见装置一次给水量小，载荷有限，且容易造成杂质积淀、装置堵塞等问题。一次给水量小导致载荷传导有限，应力不能有效在储层裂隙尖端发挥作用；杂质积淀直接影响到设备运行、维护和管理成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种低频等压差强水力脉动发生器及其脉动发生方法。该低频等压差强水力脉动发生器可使脉动水力载荷大幅提高，防止装置堵塞，有效提高储层裂隙密度和渗透性，实现一次给水量大、防杂质积淀、对储层低频率循环载荷冲击等目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低频等压差强水力脉动发生器，其特征在于，包括缸体，所述缸体内设置有承压组件；

所述缸体上开设有用于连接油管的开口，所述缸体上且远离开口的一端的侧壁上开设有射流口，所述开口与射流口相连通；

所述承压组件包括承压活塞和设置于承压活塞下部的承压弹簧，所述承压活塞上开设有通孔，所述通孔正对开口且与开口相连通，所述通孔内设置有用于封堵或打开通孔的承压复合隔板；所述承压复合隔板上连接有用于触发承压复合隔板运动的触发装置，所述触发装置包括开关组件和触发螺杆，所述开关组件包括互相配合且位于承压复合隔板下部的第一锁舌和第二锁舌，所述第二锁舌且远离第一锁舌的一端连接有用于带动第二锁舌平移的转轮拨动装置，触发螺杆的一端设置有用于与所述转轮拨动装置螺纹连接的外螺纹，触发螺杆的另一端固定于缸体内。

上述的一种低频等压差强水力脉动发生器，其特征在于，所述转轮拨动装置包括内转盘和套设在内转盘外侧且与内转盘同心设置的棘轮，所述棘轮上固定有用于拨动第二锁舌平移的拨动头；所述内转盘上铰接有用于随内转盘转动的棘爪，所述棘轮上设置有与棘爪自由端啮合的不对称内齿。

上述的一种低频等压差强水力脉动发生器，其特征在于，所述内转盘上设置有用于与触发螺杆螺纹连接的内螺纹。

上述的一种低频等压差强水力脉动发生器，其特征在于，所述承压活塞内还设置有连接螺杆和套设于连接螺杆上的摆盘；所述连接螺杆上且靠近摆盘的一端套设有连接弹簧，所述连接弹簧的一端固定于连接螺杆的杆部，所述连接弹簧的另一端固定于承压活塞上；所述摆盘上设置有用于与第二锁舌卡接的摆头。

上述的一种低频等压差强水力脉动发生器，其特征在于，所述第二锁舌包括用于与摆头卡接的第一推动板，所述第一推动板设置于第二锁舌的靠近摆头的面上；所述拨动头通过设置于第二锁舌上的第二推动板拨动第二锁舌，所述第二推动板设置于第二锁舌的靠近拨动头的面上，所述第二锁舌的靠近摆头的面与靠近拨动头的面垂直；所述第一锁舌上套设有第一锁舌弹簧，所述第一锁舌弹簧的一端固定于第一锁舌上，所述第一锁舌弹簧的另一端固定于承压活塞上；所述第二锁舌上套设有第二锁舌弹簧，所述第二锁舌弹簧的一端固定于第二锁舌上，所述第二锁舌弹簧的另一端固定于承压活塞上。

上述的一种低频等压差强水力脉动发生器，其特征在于，所述摆盘上设置有用于与连接螺杆螺纹连接的内螺纹。

上述的一种低频等压差强水力脉动发生器，其特征在于，所述承压复合隔板下表面与第一锁舌之间设置有用于滑动连接承压复合隔板和第一锁舌的第一滚轮，所述承压复合隔板下表面与第二锁舌之间设置有用于滑动连接承压复合隔板和第二锁舌的第二滚轮；所述承压复合隔板靠近第一锁舌的一端上设置有用于将承压复合隔板与承压活塞连接的轴承杆，所述轴承杆上设置有回复弹簧，所述回复弹簧的一端固定于承压复合隔板上，所述回复弹簧的另一端固定于承压活塞上。

上述的一种低频等压差强水力脉动发生器，其特征在于，所述承压复合隔板为钢板和轻质材料的复合结构，所述承压复合隔板的密度小于1g/cm³，所述轻质材料包括低密度泡沫。

上述的一种低频等压差强水力脉动发生器，其特征在于，所述承压活塞上开设有用于容纳触发螺杆的螺杆仓。

此外，本发明还提供一种上述的低频等压差强水力脉动发生器的脉动发生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

当由开口注入的流体的压力大于井底压力时，承压复合隔板带动承压活塞向下运动，承压活塞带动转轮拨动装置向下运动，转轮拨动装置相对触发螺杆向下运动且转动，转轮拨动装置转动带动第二锁舌向承压活塞内部运动至全部进入承压活塞内部，承压复合隔板压缩第一锁舌向承压活塞内部运动，承压复合隔板打开，注入的流体通过开口、通孔和射流口冲击储煤层，形成一次脉动水力冲击压裂；

一次压裂完成后，承压弹簧回复力带动承压活塞向上运动，承压活塞向上运动带动承压复合隔板和转轮拨动装置向上运动，转轮拨动装置相对触发螺杆移动并转动，直到转轮拨动装置脱离触发螺杆，第一锁舌向通孔内伸出，第二锁舌向通孔内伸出，第一锁舌和第二锁舌支撑承压复合隔板，承压复合隔板闭合。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的低频等压差强水力脉动发生器通过承压弹簧推动承压活塞和承压复合隔板运动，承压活塞运动带动触发装置，触发装置触发承压复合隔板，实现低频往复振动，输出压裂液产生低频水力脉动，既能够有效提高储层裂隙密度和渗透性，又能够防止装置堵塞。

2、本发明的低频等压差强水力脉动发生器结构简单，通过设置能承受一定载荷的承压弹簧承受，与承压活塞、承压复合隔板和触发装置配合，能够大幅提高脉动水力强度，实现低频率可循环的煤储层脉动水力压裂作业，同时，能够保证每次压力作业的作用强度相同，增大单次排水量，增强单次储层作用强度。

3、本发明的低频等压差强水力脉动发生器以触发螺杆和转轮拨动装置作为触发开关组件，通过内转盘、棘爪和棘轮配合，保证当内转盘顺时针旋转时带动棘轮同步旋转，当内转盘逆时针旋转时，棘轮处于静止状态；通过连接螺杆、连接弹簧、摆盘、摆头和第一推动板的配合，保证承压复合隔板在打开的过程中第二锁舌不伸出，承压复合隔板在运动至封堵通孔时第二锁舌伸出，保证压裂循环的顺利进行。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的低频等压差强水力脉动发生器的结构示意图；

图2为本发明开关组件与承压复合隔板连接关系示意图；

图3为本发明转轮拨动装置的结构示意图；

图4为本发明摆盘和摆头的结构示意图。

附图标记说明

1—缸体；1-1—开口；1-2—触发螺杆；

2—承压弹簧；3—通孔；4—射流口；

5—承压活塞；5-1—螺杆仓；6—承压复合隔板；

7—第一锁舌；7-1—第一滚轮；7-2—第一弹簧挡片；

8—第二锁舌；8-1—第二滚轮；8-2—第二弹簧挡片；

8-3—第一推动板；8-4—第二推动板；9—锁舌腔；

10—第二锁舌弹簧；11—棘轮；11-1—拨动头；

11-2—内转盘；11-3—棘爪；12—连接螺杆；

13—连接弹簧；13-1—连接弹簧挡片；14—摆盘；

14-1—摆头；15—回复弹簧；16—第一锁舌弹簧；

17—弹簧仓；18—导向柱；19—导向腔。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种低频等压差强水力脉动发生器，包括缸体1，所述缸体1内设置有承压组件；

所述缸体1上开设有用于连接油管的开口1-1，所述缸体1上且远离开口1-1的一端的侧壁上开设有射流口4，所述开口1-1与射流口4相连通；

所述承压组件包括承压活塞5和设置于承压活塞5下部的承压弹簧2，所述承压活塞5上开设有通孔3，所述通孔3正对开口1-1且与开口1-1相连通，所述通孔3内设置有用于封堵或打开通孔3的承压复合隔板6；所述承压复合隔板6上连接有用于触发承压复合隔板6运动的触发装置，所述触发装置包括开关组件和触发螺杆1-2，所述开关组件包括互相配合且位于承压复合隔板6下部的第一锁舌7和第二锁舌8，所述第二锁舌8且远离第一锁舌7的一端连接有用于带动第二锁舌8平移的转轮拨动装置，触发螺杆1-2的一端设置有用于与所述转轮拨动装置螺纹连接的外螺纹，触发螺杆1-2的另一端固定于缸体1内。承压活塞5嵌套在缸体1内，承压活塞5在缸体1内上下滑动；封堵通孔3时，承压复合隔板6处于关闭状态，承压复合隔板6平行正对开口1-1且垂直于通孔3内壁面；打开通孔3时，承压复合隔板6处于打开状态，承压复合隔板6远离触发装置的一端靠近通孔3的远离触发装置一侧的内壁面；由开口1-1注入的流体给承压活塞5施加压力，当承压活塞5受到压力向下运动时，承压弹簧2受到承压活塞5施加的向下的力而压缩，可根据承压弹簧2承受的载荷和预定压缩量选择承压弹簧2；承压弹簧2设置于用于容置承压弹簧2且可用于承压活塞上下滑动的弹簧仓17内，承压复合隔板6将开口1-1、通孔3、弹簧仓17外壁和射流口4所组成的通道腔分割成上下两部分，下部分与井底相通，压力与井底压力相同，上部分连接油管，压力与流体注入的压力相同；当流体注入压力大于井底压力时，关闭状态的承压复合隔板6带动承压活塞5向下移动，承压活塞5压缩承压弹簧2，承压弹簧2达到预定压缩量时，开关组件被启动而使承压复合隔板6打开，通孔3打开，注入的流体通过通孔3、射流口4产生水锤，水锤冲击作用在煤储层，形成一次脉动水力冲击压裂。缸体1内设置有导向柱18，导向柱18平行于缸体1侧壁面且贯穿弹簧仓17，承压活塞5上开设有与导向柱18配套的导向腔19，导向柱18贯穿弹簧仓17的一端穿入导向腔19，承压活塞5向承压弹簧2运动时，导向腔19向靠近导向柱18的方向运动。导向柱18和导向腔19能够保证承压活塞相对缸体1上下运动时不脱离缸体1内壁面。

本实施例中，如图3所示，所述转轮拨动装置包括内转盘11-2和套设在内转盘11-2外侧且与内转盘11-2同心设置的棘轮11，所述棘轮11上固定有用于拨动第二锁舌8平移的拨动头11-1；所述内转盘11-2上铰接有用于随内转盘11-2转动的棘爪11-3，所述棘轮11上设置有与棘爪11-3自由端啮合的不对称内齿。当内转盘11-2顺时针旋转时，棘轮11在棘爪11-3的带动下同时旋转；当内转盘11-2逆时针旋转时，则棘爪11-3不带动棘轮11旋转；完成一次压裂后，通道腔与井底连通，通道腔内流体压力稳定，承压弹簧2在恢复力的作用下推动承压活塞5向上运动，承压活塞5带动承压复合隔板6向封堵通孔3的位置运动，内转盘11-2向远离触发螺杆1-2的方向运动且相对触发螺杆1-2逆时针旋转至二者脱离，棘爪11-3划过棘轮11的内齿11-2，不带动棘轮11转动，承压复合隔板6远离第一锁舌7的一端以靠近第一锁舌7的一端为轴转动，第一锁舌7向通孔3伸出，第二锁舌8在摆头14-1的阻挡下不会向通孔3伸出。

本实施例中，所述内转盘11-2上设置有用于与触发螺杆1-2螺纹连接的内螺纹。

如图1、图2和图4所示，本实施例中，所述承压活塞5内还设置有连接螺杆12和套设于连接螺杆12上的摆盘14；所述连接螺杆12上且靠近摆盘14的一端套设有连接弹簧13，所述连接弹簧13的一端固定于连接螺杆12的杆部，所述连接弹簧13的另一端固定于承压活塞5上；所述摆盘14上设置有用于与第二锁舌8卡接的摆头14-1。所述连接螺杆12且远离摆盘14的一端正对闭合状态的承压复合隔板6，所述连接螺杆12上且与连接弹簧13连接处还设置有连接弹簧挡片13-1。

本实施例中，如图2和图3所示，所述第二锁舌8包括用于与摆头14-1卡接的第一推动板8-3，所述第一推动板8-3设置于第二锁舌8的靠近摆头14-1的面上；所述拨动头11-1通过设置于第二锁舌8上的第二推动板8-4拨动第二锁舌8，所述第二推动板8-4设置于第二锁舌8的靠近拨动头11-1的面上，所述第二锁舌8的靠近摆头14-1的面与靠近拨动头11-1的面垂直；所述第一锁舌7上套设有第一锁舌弹簧16，所述第一锁舌弹簧16的一端固定于第一锁舌7上，所述第一锁舌弹簧16的另一端固定于承压活塞5上；所述第二锁舌8上套设有第二锁舌弹簧10，所述第二锁舌弹簧10的一端固定于第二锁舌8上，所述第二锁舌弹簧10的另一端固定于承压活塞5上。所述承压活塞5上固定有锁舌腔9，锁舌腔9内设置有弹簧挡片，第一锁舌7穿出锁舌腔9向通孔3伸出，第二锁舌8穿出锁舌腔9向通孔3伸出，所述弹簧挡片包括固定在第一锁舌7上的第一弹簧挡片7-2和固定在第二锁舌8上的第二弹簧挡片8-2。当承压复合隔板6打开，承压复合隔板6与连接螺杆12分离，连接螺杆12在连接弹簧13的作用下弹出，连接螺杆12带动摆盘14转动，摆头14-1挡住第一推动板8-3，防止第二锁舌8向油管腔3回弹，如图4中位置①所示。当承压复合隔板6回到封堵通孔3的位置时，探出的连接螺杆12被挤入承压活塞5，带动摆盘14的摆头14-1逆时针转动远离第二锁舌8，不卡接阻挡第二锁舌8，如图4中位置②所示；第二锁舌8向通孔3方向伸出，与第一锁舌7支撑承压复合隔板6，承载下一次注入压力。

本实施例中，所述摆盘14上设置有用于与连接螺杆12螺纹连接的内螺纹。

本实施例中，如图2所示，所述承压复合隔板6下表面与第一锁舌7之间设置有用于滑动连接承压复合隔板6和第一锁舌7的第一滚轮7-1，所述承压复合隔板6下表面与第二锁舌8之间设置有用于滑动连接承压复合隔板6和第二锁舌8的第二滚轮8-1；所述承压复合隔板6靠近第一锁舌7的一端上设置有用于将承压复合隔板6与承压活塞5连接的轴承杆，所述轴承杆上设置有回复弹簧15，所述回复弹簧15的一端固定于承压复合隔板6上，所述回复弹簧15的另一端固定于承压活塞5上。当承压复合隔板6打开时，承压复合隔板6通过轴承杆仍与承压活塞5连接。当油管和井底流体压力相同时，承压复合隔板6远离轴承杆的一端在浮力及回复弹簧15的回复力作用下运动，承压活塞5在承压弹簧2作用下运动，承压复合隔板6关闭，等待下次流体通过油管注入。

本实施例中，所述承压复合隔板6为钢板和轻质材料的复合结构，总体密度小于1g/cm³，所述轻质材料包括低密度泡沫。

本实施例中，如图1所示，所述承压活塞5上开设有用于容纳触发螺杆1-2的螺杆仓5-1。

本发明的低频等压差强水力脉动发生器的脉动发生方法包括以下步骤：

当由开口1-1注入的流体的压力大于井底压力时，承压复合隔板6带动承压活塞5向下运动，承压活塞5带动内转盘11-2沿螺杆仓5-1向下运动到套设到触发螺杆1-2上，内转盘11-2相对触发螺杆1-2向下且顺时针旋转，内转盘11-2上的棘爪11-3带动棘轮11同步旋转，棘轮11上的拨动头11-1推动第二推动板8-4，第二推动板8-4带动第二锁舌8向承压活塞5内部运动至全部进入承压活塞5内部，第二锁舌弹簧10被压缩，承压复合隔板6打开，连接螺杆12向承压活塞5外部伸出，带动摆盘14顺时针转动至摆头14-1垂直且挡住第一推动板8-3，阻止第二锁舌8向通孔3内伸出；承压复合隔板6远离轴承杆的一端相对轴承杆转动至第一锁舌7所在的通孔3的壁面，压缩第一锁舌7，第一锁舌7被推入承压活塞5内部，注入的流体通过开口1-1、通孔3和射流口4冲击储煤层，形成一次脉动水力冲击压裂；

一次压裂完成后，当由开口1-1注入的流体的压力等于井底压力时，承压弹簧2的回复力带动承压活塞5向上运动，承压活塞5向上运动带动承压复合隔板6和内转盘11-2向上运动，内转盘11-2相对触发螺杆1-2向上且逆时针转动直至脱离触发螺杆1-2，承压复合隔板6远离轴承杆的一端相对轴承杆转动至远离第一锁舌7所在的通孔3壁面，第一锁舌7在第一锁舌弹簧16回复力的作用下向通孔3内伸出，承压复合隔板6向上运动并转动到封堵通孔3，承压复合隔板6触发连接螺杆12向承压活塞5内部运动，带动摆盘14转动，摆盘14转动带动摆头14-1逆时针转动至远离第一推动板8-3，与第一推动板8-3分开，第二锁舌8在第二锁舌弹簧10回复力的作用下向通孔3内伸出，与第一锁舌7支撑承压复合隔板6，承压复合隔板6闭合，承载下一次注入压力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。