一种阻断式水力脉冲生成装置及方法.pdf

本发明涉及一种阻断式水力脉冲生成装置及方法，该装置主要由液压马达、调速器、液体腔、密封腔、转子和阻断片等部分组成。其中，水力脉冲的通断由转子、可更换阻断片等共同控制，利用转子上的可更换阻断片长度和液压马达的转速变化可以控制脉冲的波形和频率。采用本水力脉冲装置，水力脉冲的通断利用转子、可更换阻断式片槽和密封腔共同控制，利用弧形阻断片的长度变化可以控制单个水力脉冲的波形和通断时间，由此可以生成不同注入压力、注入排量、单个脉冲通断时间条件下的水力脉冲波形，能够对井下脉冲致裂或破岩工作环境进行地面模拟测试，也可以为水力脉冲压裂或辅助钻头破岩等应用提供水力脉冲或射流。

1.  一种阻断式水力脉冲生成装置，其特征在于，包括液压马达、调速器、液体腔、密封腔和转子；所述液压马达和调速器连接转子，控制转子转动；所述转子可转动地装在密封腔内，两者间隙配合，在转子内有轴向向下通出的流体通道，转子侧壁开有径向的流体通道，两流体通道连通，径向流体通道的进口处两侧对称开有弧形槽，弧形槽中对称安装有阻断片，阻断片配置有不同的长度，长度小于或等于弧形槽的长度；密封腔外设置有一圈液体腔，液体腔上有外部流体注入口，外部流体通过此口充入流体腔中，密封腔上有转子流体入口，在当转子转到弧形槽的空白段与密封腔的转子流体入口对齐时，流体通过转子的流体通道流出，形成高压流体；当转子的实体部位或阻断片与密封腔的转子流体入口对齐时，隔断高压流体通过转子通道流出，这样通过转子的周期性转动就形成高压脉冲流体；所述装置需要先通过计算确定单个水力脉冲的频率和所需脉冲波形，根据频率设定液压马达的转速，利用转子上的阻断片的长度变化，调节脉冲频率和设定单个水力脉冲生成过程中的水力脉冲波形。

2.  根据权利要求1所述的阻断式水力脉冲生成装置，其特征在于，所述阻断片的长度可根据实际需要选择，厚度和宽度与弧形槽的深度和宽度一致，阻断式片槽可进行拆卸和更换，片槽的长度1/10-1/3圆周长，更换不同长度尺寸的阻断式片槽，可调节生成的脉冲流体波形。

3.  根据权利要求1所述的阻断式水力脉冲生成装置，其特征在于，所述转子与密封腔之间通过间隙油脂和旋转密封圈联合密封。

4.  根据权利要求1所述的阻断式水力脉冲力生成装置，其特征在于，所述流体通道内径Φ8mm，液压马达的速度范围10-1250r/min，转动频率为0.05-60Hz。

5.  根据权利要求1所述的阻断式水力脉冲生成装置，其特征在于，转子的脉冲流体出口可设计为圆锥性结构或接喷嘴增加出口脉冲射流的收敛度，提高冲蚀能力。

6.  根据权利要求1所述的阻断式水力脉冲生成装置，其特征在于，在转子的密封腔外部设置环柱体液体腔，可降低流体泵瞬间通断形成的水锤效应，起到蓄能增压的作用，同时也能吸收转子旋转摩擦生成的热能，降低旋转磨损，提高密封圈寿命。

7.  利用权利要求1-6所述装置进行阻断式水力脉冲生成的方法，包括以下步骤：
（1）将权利要求1-6的装置的液体腔的外部流体注入口通过管线连接液体注入泵，利用注入泵向液体腔提供液体和压力；
（2）调节转子，使液体腔与转子的流体入口隔断；
（3）打开液体注入泵，利用注入泵向液体腔注入液体；
（4）当液体腔内的压力达到预定压力的90%时，调节好调速器，打开液压马达，带动转子转动；当转子的流体入口与密封腔的流体入口接通时，液体进入转子内部，从流体出口装置流出，形成水力脉冲；
（5）应用过程中，如果需要改变脉冲频率，通过液压马达、调速器，改变转子的速度；
（6）如果需要改变单个脉冲的通断时间，在把转子卸出，更换转子上的阻断片的尺寸，然后安装好水力脉冲生成装置，重复步骤（2）-（5）。

一种阻断式水力脉冲生成装置及方法
技术领域
本发明涉及一种阻断式水力脉冲生成装置及方法，可以为水力脉冲压裂或辅助钻头破岩等应用提供水力脉冲或射流。
背景技术
我国的页岩气资源丰富，开发潜力大，但是地质和开采条件复杂，同时具有低孔、低渗、天然裂缝发育、岩石脆性大的特点，长井段水平井和大排量水力压裂是页岩气高效经济开发的主要技术和方法之一，开发成本高。目前常用的压裂技术有多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂和同步压裂等，同时，国内外已经进行了一系列新型压裂技术和工艺的研究。
目前，页岩水力脉冲压裂是一种新型的压裂方式，通过间断的流体注入，形成水力脉冲，产生水锤效应，从而增加压裂裂缝的复杂程度，该压裂方式具有广阔的应用前景。但是该压裂方式还处于试验阶段，需要进行深入的机理研究。通过室内水力脉冲生成装置，可以进行不同脉冲幅度、频率、流量等条件下的水力脉冲分析，可以评价水力脉冲生成装置的工作能力和可靠性，也可以和裂缝扩展室内实验进行裂缝扩展分析，评价水力脉冲对压裂裂缝形态的影响，对于改善压裂施工参数、提高压裂成功率，具有重要的指导意义。目前，针对水力脉冲生成的参数可控实验装置相对较少，脉冲压裂或破岩的效果无法进行定量室内评估。
发明内容
针对目前室内实验装置的特点和不足，本发明提出一种阻断式水力脉冲生成装置，该装置可以方便地进行水力脉冲的大小、间隔时间、频率等设置，该实验装置可以和压裂裂缝扩展实验装置结合，可以评价水力脉冲大小、间隔时间、频率等对压裂裂缝展布的影响。该装置可以用于脉冲水力压裂的水力参数优选实验研究，也可以为脉冲压裂或辅助钻井技术提供井下水力脉冲生成装置与方法。
本发明的技术方案如下：
一种阻断式水力脉冲生成装置，包括液压马达、液体腔、密封腔、转子、可更换阻断式片槽等部分。
所述液压马达和调速器连接转子，控制转子转动；所述转子可转动地装在密封腔内，两者间隙配合，在转子内有轴向向下通出的流体通道，转子侧壁开有径向的流体通道，两流体通道连通，径向流体通道的进口处两侧对称开有弧形槽，弧形槽中对称安装有可更换阻断片，阻断片配置有多个不同的长度尺寸，长度小于或等于弧形槽的长度；密封腔外设置有一圈液体腔，液体腔上有外部流体注入口，外部流体通过此口充入流体腔中，密封腔上有转子流体入口，在当转子转到弧形槽的空白段与密封腔的转子流体入口对齐时，流体通过转子的流体通道流出，形成高压流体；当转子的实体部位、阻断片与密封腔的转子流体入口对齐时，隔断高压流体通过转子通道流出，这样通过转子的周期性转动就形成高压脉冲流体。所述装置需要先通过计算确定单个水力脉冲的频率和所需脉冲波形，根据频率设定液压马达的转速，利用转子上的阻断片的形状和尺寸，调节单个水力脉冲生成过程中的水力脉冲波形。
采用本装置，水力脉冲的通断利用转子、阻断片和密封腔共同控制，利用阻断片的尺寸可以控制单个水力脉冲的波形和通断时间，由此可以生成不同注入压力、注入排量、单个脉冲通断时间条件下的水力脉冲波形，能够对井下脉冲压裂工作环境进行地面模拟测试以实现对井下脉冲压裂的工作性能作地面评估，也可以为水力脉冲压裂或辅助钻头破岩等应用提供水力脉冲或射流。
另外，本装置的液体腔安装在密封腔和转子外部，可降低流体泵瞬间通断形成的水锤效应，起到蓄能增压的作用，同时可以降低装置运行过程中的转子和密封腔的温度，增加密封圈的使用寿命，保证转子和密封腔间的密封圈的密封性能。
附图说明
    图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明沿1-1的截面图；
图3是本发明通过阻断装置可能的注入时间与阻隔时间的关系。
在图中：1—调速器，2—液压马达，3—液压马达与转子连接装置，4—密封腔，5—转子轴承，6—液体腔，7—外部流体注入口，8—转子流体入口，9—旋转密封圈，10—转子流体通道，11—转子流体流出连接装置，12—脉冲流体出口，13—转子，14-弧形槽，15—阻断片,16—转子流体入口通道。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明：
参见图1和图2，阻断式水力脉冲生成装置主要包括液压马达调速器1、液压马达2、密封腔4、液体腔6、转子13和阻断片等。
其中，主体为液体腔6、密封腔4和转子13，装置的材质为不锈钢。液压马达2和调速器1连接转子13，控制转子转动。
转子中间钻有轴向向下通出的孔，设定为流体通道10，内径Φ8mm，转子的的侧壁开有径向通孔，与轴向的流通通道10连通，作为转子流体入口通道16，子流体入口通道的进口处两侧对称开有弧形槽14。转子被包裹在密封腔4中间，通过两者之间微小间隙满足与密封腔之间密封，密封腔两端还通过旋转密封圈9，保证转子与密封腔的密封性能。
    密封腔4外设置有一圈液体腔6，液体腔上有外部流体注入口7，外部流体通过此口充入流体腔中。液体腔可降低流体泵瞬间通断形成的水锤效应，起到蓄能增压的作用，同时也能吸收转子旋转摩擦生成的热能，降低旋转磨损，提高密封圈寿命。
密封腔4的侧壁钻有小孔，与液体腔6相通，为转子流体入口8。转子的弧形槽14空白段与密封腔的转子流体入口8周期性相对，高压流体进入转子的流体通道流出，形成高压脉冲流体。
为了调节生成脉冲流体波形，弧形槽14装有阻断片14，阻断片可以根据实验要求，设定尺寸，保证每个水力脉冲周期内的流体截断和注入时间。阻断片采用圆弧结构，两块为一对，对称分布在转子径向流体通道进口的两侧，单个阻断片长度可根据实验需要选择，厚度和宽度与弧形槽的深度和宽度一致，长度1/10-1/3圆周长。调节可更换阻断片长度，可调节生成的脉冲流体波形。
转子流体流出连接装置11内安设喷嘴或设计为圆锥形结构，以此增加脉冲出口12流体水力脉冲和脉冲射流收敛性。
液压马达2可以根据液压马达调速器进行电机转子的旋转速度，速度范围为10-1250r/min，通过调节，水力脉冲生成装置的频率范围为0.5-60Hz；液压马达的转子和脉冲压裂生成装置的转子通过连接装置进行连接，利用液压马达的动力为转子提供转动动力，带动转子的转动从而生成水力脉冲。
图3表示的是不同条件下的脉冲流体的示意图，脉冲流体的注入量主要通过转子上的弧形槽和可更换阻断片共同控制，可更换阻断片的尺寸较长时，注入的脉冲流体时间段，但是流量大，可更换阻断片的尺寸较少时，注入的脉冲流体注入时间长，但流量变小。
本实验装置也可除去液压马达调速器、液压马达，在转子与液压马达接口处接液压转动装置，通过改变装置尺寸，利用液压驱动转子转动，脉冲流体出口改为外部流体注入口，外部流体注入口变为脉冲流体出口，可把本装置改进为一种井下脉冲射流生成装置，进一步研究可用于井下水力脉冲压裂或辅助钻井。
本发明的水力脉冲生成装置的工作流程如下：
（1）将水力脉冲生成装置的液体腔6的外部流体注入口7通过管线连接液体注入泵，利用注入泵向液体腔提供液体和压力；
（2）调节转子13，使液体腔6与转子的流体入口隔断；
（3）打开液体注入泵，利用注入泵向液体腔6注入液体；
（4）当液体腔内的压力达到预定压力的90%时，调节好调速器，打开液压马达，带动转子转动；当转子的弧形槽14空白段与密封腔的转子流体入口8接通时，液体进入转子内部，从流体出口装置12流出，形成水力脉冲；
（5）应用过程中，如果需要改变脉冲频率，通过液压马达、调速器，改变转子的速度；
（6）如果需要改变单个脉冲的通断时间，在把转子卸出，更换转子上的阻断片15的尺寸，然后安装好水力脉冲生成装置，重复步骤（2）-（5）。