一种液压传动水力喷射无限级压裂装置的制作方法

本发明涉及油气田压裂技术领域，尤其涉及一种液压传动水力喷射无限级压裂装置。

背景技术：

作为重要的能源资源，石油和天然气不仅在日常生活中扮演着重要角色，更为我国国防建设提供了强有力的保障。国民经济的飞速发展，给我国石油和天然气行业提出了更高的要求，根据《中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书(2018—2019)》，2018年中国原油加工量和石油表观消费量双破6亿吨，石油对外依存度逼近70％，天然气消费继续保持强劲增长。面临如此严峻的形势，继续加大力度提高石油天然气产量，保证我国经济稳步增长显得迫在眉睫。水力压裂作为一种重要的油气田增产措施，在老井改造、页岩气、页岩油、煤层气、致密油气等非常规石油天然气开发领域显的更加重要。

水力压裂技术是老井改造和高效开发非常规油气并维持其经济开采的必要手段。其中水力喷射分段压裂技术集水力喷砂射孔、压裂、隔离一体化，无需机械封隔即可实现一趟管柱定点压裂多个层段，为解决筛管/衬管完井、套变井、固井质量较差等难以实现常规封隔分段压裂的问题提供了一种可行的技术手段，并可节约新井射孔成本，是目前国内外油气井增产改造研究的热点之一。但受限于滑套尺寸，该技术压裂级数有限，无法满足大规模压裂作业需求。

为解决水力喷射多级压裂技术存在压裂级数有限的问题，有效加快采油，降低综合递减率，进一步增强开发水平，得到更多油气开采量，本发明人根据多年从事水力压裂施工的实践和压裂工具研发的经验，提出了本发明的一种液压传动水力喷射无限级压裂装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种液压传动水力喷射无限级压裂装置，克服现有技术中存在的压裂级数有限的问题，该装置结构简单，无须机械封隔，能定点起裂，集射孔、压裂、隔离一体化，一趟管柱作业可实现多级压裂。

本发明的目的是这样实现的，一种液压传动水力喷射无限级压裂装置，包括至少两级顺序连接的水力喷射压裂喷枪结构；各水力喷射压裂喷枪结构包括中空的喷枪本体，所述喷枪本体的侧壁上部连通设置喷嘴，所述喷枪本体内能固定且能滑动地套设中空的变径滑套，所述变径滑套能封闭喷嘴的入口且能向下滑动露出喷嘴的入口；所述喷枪本体内位于喷嘴下方设置液缸筒腔，所述液缸筒腔内密封滑动穿设液压活塞，所述液压活塞上设置轴向贯通且能与变径滑套的内腔连通的活塞孔，所述液压活塞的顶端设置能沿所述液缸筒腔的侧壁滑动的第一环体，所述变径滑套的下部密封滑动套设于所述液缸筒腔内，所述变径滑套能推动所述液压活塞下移；所述液缸筒腔的上部滑动套设能使所述变径滑套坐封镖体的复径短节套；所述第一环体的底面与所述液缸筒腔的底部之间构成密闭的排油腔，所述排油腔的底部设置出油孔，所述复径短节套的顶面与所述液缸筒腔的顶部之间构成密闭的进油腔，所述进油腔的顶部设置进油孔，所述进油孔允许液压油进入进油腔且液压油能推动所述复径短节套下移，下一级的出油孔与相邻上一级的进油孔通过液压管线连通，最底端的水力喷射压裂喷枪结构的进油孔呈能开启的密封设置，最顶端的水力喷射压裂喷枪结构的出油孔处能拆卸的连接自由端密封的缓冲液管。

在本发明的一较佳实施方式中，所述变径滑套的下部设置能径向伸缩的卡爪部，所述复径短节套能下滑收缩卡爪部，所述卡爪部径向收缩后能坐封地面投入的镖体；所述镖体能在流体作用下带动所述变径滑套下移。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷枪本体的内腔下部套设有活塞缸筒本体，所述活塞缸筒本体的底部设置直径呈减小设置的第二环体，所述液压活塞的底端密封滑动穿设通过第二环体，所述活塞缸筒本体的侧壁上设置与所述出油孔贯通的出油过孔；所述喷枪本体的内腔上部设置直径呈减小设置的第一台阶部，所述复径短节套的顶端能与所述第一台阶部轴向顶抵；所述喷枪本体内位于第一台阶部和第二环体之间的内腔构成所述液缸筒腔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述变径滑套还包括卡爪部顶端设置的直筒部，所述直筒部的外径尺寸与所述第一台阶部的内径尺寸相同设置；所述直筒部的侧壁能与所述喷枪本体的侧壁通过剪切销钉连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述卡爪部包括多个沿周向均匀分布的卡爪，各所述卡爪的底部设置向径向内侧凸出的限位台阶。

在本发明的一较佳实施方式中，所述镖体包括镖体柱，所述镖体柱的底部设置直径向底部渐缩的镖体锥，所述镖体锥能与所述卡爪部密封抵靠坐封；所述镖体柱的外径尺寸大于所述活塞孔的孔径尺寸。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一环体和所述卡爪部之间滑动套设挡环，所述挡环上设置能与所述活塞孔贯通的挡环过孔，所述挡环过孔的孔径尺寸小于所述镖体的外径尺寸。

在本发明的一较佳实施方式中，所述复径短节套为中空的圆筒结构，所述复径短节套的顶端设置倒角。

在本发明的一较佳实施方式中，所述出油孔和所述进油孔处均连通设置弯接头。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷枪本体的底端密封连通设置中空的连接接头，所述连接接头的两端设置连接外螺纹部；所述喷枪本体的两端设置连接螺纹孔，所述连接接头的连接外螺纹部能密封连接于所述连接螺纹孔内。

由上所述，本发明提供的一种液压传动水力喷射无限级压裂装置具有如下有益效果：

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置中，液压系统能调整水力喷射压裂喷枪结构的变径滑套的状态，镖体投入后能进行坐封，无须机械封隔，水力喷射压裂喷枪结构上设置喷嘴，通过控制排量控制镖体坐封状态及喷嘴的喷射状态，本发明能定点起裂，集射孔、压裂、隔离一体化，一趟管柱作业可实现多级压裂；

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置中，各级水力喷射压裂喷枪结构采用相同结构，通用性高，结构简单，尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性，比管外传动有更好的密封性能；

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置，施工操作简便，安全性高，由于压裂过程中不活动管柱，增加了安全系数同时施工操作简便；

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置，从远井端(前述的最底端)开始压裂，在多级压裂过程中，保证压裂有序开展；

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置，压裂级数多，可以实现一趟管柱多层位的压裂。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明的液压传动水力喷射无限级压裂装置为两级状态时的外观图。

图2：为本发明的液压传动水力喷射无限级压裂装置为两级状态时的剖视图。

图3：为本发明的水力喷射压裂喷枪结构的外观图。

图4：为变径前本发明的水力喷射压裂喷枪结构的剖视图。

图5：为图4中ⅰ处放大图。

图6：为变径后本发明的水力喷射压裂喷枪结构的剖视图。

图7：为本发明的喷枪本体的外观图。

图8：为本发明的喷枪本体的剖视图。

图9：为本发明的变径滑套的卡爪张开时的外观图。

图10：为本发明的变径滑套的卡爪张开时的剖视图。

图11：为本发明的变径滑套的卡爪回收时的外观图。

图12：为本发明的复径短节套的外观图。

图13：为本发明的复径短节套的剖视图。

图14：为本发明的活塞缸筒本体的外观图。

图15：为本发明的活塞缸筒本体的剖视图。

图16：为本发明的液压活塞的外观图。

图17：为本发明的液压活塞的剖视图。

图18：为本发明的弯接头的外观图。

图19：为本发明的弯接头的剖视图。

图20：为本发明的液压管线的剖视图。

图21：为本发明的镖体的示意图。

图22：为本发明的挡环的示意图。

图中：

100、液压传动水力喷射无限级压裂装置；

101、第一级水力喷射压裂喷枪；102、第二级水力喷射压裂喷枪；

1、喷枪本体；

11、活塞缸筒本体；111、出油过孔；12、第二环体；13、第一台阶部；14、销钉孔；15、挡环；151、挡环过孔；16、喷嘴安装孔；

2、变径滑套；

21、卡爪部；211、卡爪；212、限位台阶；22、直筒部；23、剪切销钉；

3、液缸筒腔；

31、排油腔；311、出油孔；32、进油腔；321、进油孔；33、弯接头；34、缓冲液管；

4、液压活塞；

40、活塞孔；41、第一环体；

5、复径短节套；

6、连接接头；

7、液压管线；

8、镖体；81、镖体柱；82、镖体锥；

9、喷嘴。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1至图22所示，本发明提供一种液压传动水力喷射无限级压裂装置100，包括至少两级顺序连接的水力喷射压裂喷枪结构，水力喷射压裂喷枪结构的级数根据水力喷射压裂的级数确定，例如三级水力喷射压裂顺序连接3个水力喷射压裂喷枪结构，多个水力喷射压裂喷枪结构顺序连接构成无限级压裂装置；

如图3所示，各水力喷射压裂喷枪结构包括中空的喷枪本体1，喷枪本体1的侧壁上部连通设置喷嘴9，在喷枪本体的侧壁上分布有3～6个喷嘴安装孔16，用于安装喷嘴9，喷嘴9根据水力喷射压裂需要选型即可，喷嘴9的入口能与喷枪本体1的内腔连通；喷嘴9的出口朝向地层；

喷枪本体1内能固定且能滑动地套设中空的变径滑套2，变径滑套2能封闭喷嘴9的入口且能向下滑动露出喷嘴9的入口；喷枪本体1内位于喷嘴下方设置液缸筒腔3，液缸筒腔3内密封滑动穿设液压活塞4，如图16、图17所示，液压活塞4上设置轴向贯通且能与变径滑套2的内腔连通的活塞孔40，液压活塞4的顶端设置能沿液缸筒腔的侧壁滑动的第一环体41，变径滑套2的下部密封滑动套设于液缸筒腔3内，变径滑套2能推动液压活塞4下移；液缸筒腔3的上部滑动套设能使变径滑套2坐封镖体8的复径短节套5；复径短节套5下移使变径滑套2调整为坐封状态，投入镖体8，镖体8坐封后，地面泵入流体，在流体的作用力下，镖体8带动变径滑套2下移并推动液压活塞4下移，喷嘴9的入口与喷枪本体1的内腔连通后，向外喷射压裂地层，通过控制排量可以控制水力喷射压裂喷枪结构处于的坐封或喷射压裂状态；

如图2所示，第一环体41的底面与液缸筒腔3的底部之间构成密闭的排油腔31，排油腔31的底部设置出油孔311，复径短节套5的顶面与液缸筒腔的顶部之间构成密闭的进油腔32，进油腔32的顶部设置进油孔321，进油孔321允许液压油进入进油腔且液压油能推动复径短节套5下移，下一级的出油孔311与相邻上一级的进油孔321通过液压管线7连通，最底端(无限级的水力喷射压裂喷枪结构中距离井口端最远的一级)的水力喷射压裂喷枪结构的进油孔321呈能开启的密封设置，最顶端(无限级的水力喷射压裂喷枪结构中距离井口端最近的一级)的水力喷射压裂喷枪结构的出油孔311处能拆卸的密封连接自由端密封的缓冲液管34。

液压活塞4顶端的第一环体41与液缸筒腔3的底端之间构成封闭空间，形成排油腔31，组装后，排油腔31内充满液压油；复径短节套5的顶面与液缸筒腔的顶部之间构成封闭空间，形成进油腔32，组装后，除了最底端的水力喷射压裂喷枪结构外，复径短节套5的顶面与液缸筒腔的顶部呈顶抵状态，最底端的水力喷射压裂喷枪结构中，复径短节套5需要套设于变径滑套2的下部使变径滑套2的下部处于坐封状态，此时进油腔32内充满液压油，保证复径短节套5套设于变径滑套2的下部，充油后进油孔封闭。液缸筒腔3、液压活塞4、排油腔31和进油腔32均为液压传动系统的重要组成部分。各下一级的出油孔311与相邻上一级的进油孔321通过液压管线7连通，下一级的排油腔31内液压油能排出流向上一级的进油腔32，从而推动复径短节套5下滑，第一环体41的底面与液缸筒腔3的底端顶抵时，复径短节套5下滑至变径滑套2的下部使变径滑套2的下部处于坐封状态。上述的液压传动系统使得本发明的液压传动水力喷射无限级压裂装置100能够一次下井作业，通过液压系统调整变径滑套的状态，实现无限级(根据实际水力喷射压裂级数确定，无级数的限定，故而能够称为无限级)的镖体坐封，定点起裂，解决压裂级数有限的问题。本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置中，最底端的水力喷射压裂喷枪结构构成第一级水力喷射压裂喷枪，压裂过程中最早进行水力喷射压裂。

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置中，液压系统能调整水力喷射压裂喷枪结构的变径滑套的状态，镖体投入后能进行坐封，无须机械封隔，水力喷射压裂喷枪结构上设置喷嘴，通过控制排量控制镖体坐封状态及喷嘴的喷射状态，本发明能定点起裂，集射孔、压裂、隔离一体化，一趟管柱作业可实现多级压裂；各级水力喷射压裂喷枪结构采用相同结构，通用性高，结构简单，尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性，比管外传动有更好的密封性能；本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置，施工操作简便，安全性高，由于压裂过程中不活动管柱，增加了安全系数同时施工操作简便；本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置，从远井端(前述的最底端)开始压裂，在多级压裂过程中，保证压裂有序开展；本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置，压裂级数多，可以实现一趟管柱多层位的压裂。

进一步，如图2、图4、图6、图9、图10和图11所示，变径滑套2的下部设置能径向伸缩的卡爪部21，复径短节套5能下滑收缩卡爪部21，卡爪部21径向收缩后能坐封地面投入的镖体8；镖体8能在流体作用下带动变径滑套2下移。正常状态下卡爪部21的外径尺寸大于上部的外径尺寸，形成变径状态。

进一步，如图2、图4、图6、图7、图8、图14、图15和图22所示，喷枪本体1的内腔下部套设有活塞缸筒本体11，活塞缸筒本体11的底部设置直径呈减小设置的第二环体12，液压活塞4的底端密封滑动穿设通过第二环体12，活塞缸筒本体11的侧壁上设置与出油孔311贯通的出油过孔111；活塞缸筒本体11为薄壁圆筒，活塞缸筒本体11的顶面构成复径短节套5的下限位部；喷枪本体1的内腔上部设置直径呈减小设置的第一台阶部13，复径短节套5的顶端能与第一台阶部13轴向顶抵；喷枪本体1内位于第一台阶部13和第二环体12之间的内腔构成前述的液缸筒腔3。

进一步，如图2、图4、图6、图9、图10和图11所示，变径滑套2还包括卡爪部21顶端设置的直筒部22(中空的圆柱)，直筒部22的外径尺寸与第一台阶部13的内径尺寸相同设置，直筒部22的外壁上还设置密封槽，密封槽内卡设密封圈，保证与第一台阶部13上方的喷枪本体1内壁密封滑动抵靠；直筒部22的侧壁能与喷枪本体1的侧壁通过剪切销钉23连接，在本发明的一具体实施例中，在喷枪本体1的上部侧壁上沿周向均匀设置6～12个销钉孔14，直筒部22的侧壁上相应地设置销钉连接槽孔，各销钉孔14和对应的销钉连接槽孔内设置剪切销钉23。当镖体8坐封变径滑套2后，地面泵入流体，当流体作用于镖体8顶端的作用力大于剪切销钉23的剪切力，剪切销钉23被剪断，镖体8在流体的作用力下带动变径滑套2下移。

进一步，如图9、图10和图11所示，卡爪部21包括多个沿周向均匀分布的卡爪211，各卡爪211的底部设置向径向内侧凸出的限位台阶212。卡爪能径向张开或径向闭合，卡爪211闭合时，可实现镖体8限位，实现坐封。

进一步，如图21所示，镖体8包括镖体柱81(实心结构)，镖体柱81的底部设置直径向底部渐缩的镖体锥82(实心结构)，镖体锥82能与卡爪部21密封抵靠坐封；镖体柱81的外径尺寸大于活塞孔40的孔径尺寸。

进一步，如图2、图4、图6和图8所示，第一环体41和卡爪部21之间滑动套设挡环15(中空的圆柱体)，挡环15上设置能与活塞孔贯通的挡环过孔151，挡环过孔151的孔径尺寸小于镖体8的外径尺寸。挡环15安装于液压活塞4的上方，变径滑套2和镖体8的轴向作用力通过挡环15传递给液压活塞4，从而推动液压活塞4下移。

进一步，如图12、图13所示，复径短节套5为中空的圆筒结构，复径短节套5的顶端设置倒角。复径短节套5的倒角和喷枪本体1的内壁、第一台阶部13之间构成环形的缓冲槽道，使得进油孔进入的液压油能较为顺利地推动复径短节套5。

进一步，如图1图2、图3、图4、图5和图6所示，出油孔311和进油孔321处均连通设置弯接头33。如图18、图19、图20所示，弯接头33为直角接头，能够较顺利地连接液压管线7。

进一步，如图1、图2、图3、图4、图6所示，喷枪本体1的底端密封连通设置中空的连接接头6，连接接头6的两端设置连接外螺纹部，实现两级水力喷射压裂喷枪结构的密封连通；连接接头6的上部密封套设在喷枪本体1内，连接接头6的顶面能构成活塞缸筒本体11的限位面。喷枪本体1的两端设置连接螺纹孔，连接接头6的连接外螺纹部能密封连接于连接螺纹孔内。

如图1、图2所示，本发明的一具体实施例中，液压传动水力喷射无限级压裂装置100包括两级水力喷射压裂喷枪结构，位于底端的水力喷射压裂喷枪结构为第一级水力喷射压裂喷枪101，第一级水力喷射压裂喷枪101的上方连接第二级水力喷射压裂喷枪102，以此实施例为例对液压传动水力喷射无限级压裂装置100的使用方法说明如下：

步骤a、第一级水力喷射压裂喷枪101组装后，通过其进油孔321连接的弯接头33向进油腔32内注入液压油，复径短节套5在液压油的作用下下移套设在卡爪部21上，各卡爪211径向回收，卡爪部21达到坐封镖体8的状态；通过其出油孔311连接的弯接头33向排油腔31内注入液压油，液压油的注入量满足液压活塞4位置要求；

第一级水力喷射压裂喷枪101的两端均连接连接接头6，上端的连接接头6实现两级水力喷射压裂喷枪结构的密封连通；第二级水力喷射压裂喷枪102组装后，其卡爪部21处于径向张开状态，通过液压管线7连接第一级水力喷射压裂喷枪101的出油孔311和第二级水力喷射压裂喷枪102的进油孔321；通过其出油孔311连接的弯接头33向排油腔31内注入液压油，液压油的注入量满足液压活塞4位置要求，之后在出油孔311处能拆卸的密封连接自由端密封的缓冲液管34；通过第二级水力喷射压裂喷枪102向第一级水力喷射压裂喷枪101内投入镖体8；

步骤b、将液压传动水力喷射无限级压裂装置100连接于油管下方，通过油管将液压传动水力喷射无限级压裂装置100下放至井内，到达指定压裂地层后，停止下放；

步骤c、自地面开始泵送流体，镖体8坐封于第一级水力喷射压裂喷枪101内的卡爪部21内；

步骤d、增大地面排量，增大井下压力，在高压作用下，剪断第一级水力喷射压裂喷枪101内变径滑套2的剪切销钉23，在高压流体作用下，镖体8带动变径滑套2和挡环15向下运动，露出喷嘴9；

步骤e、挡环15推动液压活塞4向下运动，在液压活塞4作用下，第一级水力喷射压裂喷枪101的排油腔31内液压油通过弯接头33及液压管线7进入第二级水力喷射压裂喷枪102的进油腔32(连通的液压系统作用下)，第二级水力喷射压裂喷枪102内部复径短节套5向下运动，第二级水力喷射压裂喷枪102内变径滑套2的卡爪闭合；

步骤f、地面泵压开始增加，高压流体通过喷嘴9喷射进入地层，在地层内形成增压，控制环空压力，实现地层起裂，完成第一级的喷射压裂作业；

步骤g、第一级的喷射压裂结束后，向第二级水力喷射压裂喷枪102投入镖体8，自地面开始泵送流体，镖体8坐封于第二级水力喷射压裂喷枪102内的卡爪部21内；

步骤h、地面压力再次升高，重复上面的步骤d；

步骤i、挡环15推动液压活塞4向下运动，在液压活塞4作用下，第二级水力喷射压裂喷枪102的排油腔31内液压油进入缓冲液管34；

步骤j、地面泵压开始增加，高压流体通过喷嘴9喷射进入第二级地层，在地层内形成增压，控制环空压力，实现地层起裂，完成第二级的喷射压裂作业。

由上所述，本发明提供的一种液压传动水力喷射无限级压裂装置具有如下有益效果：

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置中，液压系统能调整水力喷射压裂喷枪结构的变径滑套的状态，镖体投入后能进行坐封，无须机械封隔，水力喷射压裂喷枪结构上设置喷嘴，通过控制排量控制镖体坐封状态及喷嘴的喷射状态，本发明能定点起裂，集射孔、压裂、隔离一体化，一趟管柱作业可实现多级压裂；

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置中，各级水力喷射压裂喷枪结构采用相同结构，通用性高，结构简单，尤其在复杂的井下条件下，简单的结构能够保证工具的可靠性，比管外传动有更好的密封性能；

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置，施工操作简便，安全性高，由于压裂过程中不活动管柱，增加了安全系数同时施工操作简便；

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置，从远井端(前述的最底端)开始压裂，在多级压裂过程中，保证压裂有序开展；

本发明提供的液压传动水力喷射无限级压裂装置，压裂级数多，可以实现一趟管柱多层位的压裂。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。