一種壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，包括外管，及置于外管管腔內(nèi)的內(nèi)管，所述內(nèi)管包括上管段和下管段，所述上管段中設(shè)有活塞，下管段中設(shè)有與活塞相套接的彈簧保護套，相套接的活塞和彈簧保護套空腔內(nèi)設(shè)置有預(yù)應(yīng)力壓縮彈簧；包括所述下管段、彈簧保護套置于連接在外管管腔底部的多孔底座上。壓力流量調(diào)節(jié)器在保障擴張式封隔器坐封前提下，逐漸增加噴砂器的壓力和流量，確保在夾砂液射穿套管和水泥環(huán)瞬間，管內(nèi)壓力流量不會有劇烈波動，消除“負水錘”現(xiàn)象對管件及壓裂泵的傷害，并能獲得最大的壓力和流量完成體積壓裂。
【專利說明】一種壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于井下工具【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器。
【背景技術(shù)】
[0002]在套管井壓裂施工中，尤其是單層單段壓裂施工中，通常使用擴張式封隔器和噴砂器所組成的工具管串，其中擴張式封隔器采用通用的K344型，即液壓坐封，液壓解封，當管柱內(nèi)有足夠的壓力，封隔器的膠筒擴張隆起，封住油管和套管之間的環(huán)空，當管柱內(nèi)壓力降低，膠筒又恢復(fù)原狀。而噴砂器則采用始終敞開的若干噴嘴，夾砂或(和)夾酸的壓裂液可以在任意壓力和流量下流出噴嘴。噴砂器所完成的工作首先是噴砂射孔，射穿套管和固井水泥環(huán)，然后是加大流量完成體積壓裂。
[0003]在噴砂射孔和體積壓裂過程中，封隔器必須維持坐封狀態(tài)，即管內(nèi)壓力始終要超過封隔器的坐封壓力，亦即噴砂器噴嘴的壓力和流量起點較高，在這樣的壓力和流量下噴砂射孔一旦射穿套管和水泥環(huán)，進入地層的瞬間，由于地層對壓力和流量的吸收能力遠大于套管和水泥環(huán)，管內(nèi)的壓力和流量會發(fā)生劇烈變化，引起震動，這種現(xiàn)象，在水力學(xué)上稱為“負水錘”，具有較大的破壞力。為保障設(shè)備安全，“負水錘”現(xiàn)象必須避免。
[0004]人們很自然地會想到在封隔器和噴砂器之間安裝減壓閥或流量調(diào)節(jié)閥。目前在各領(lǐng)域中使用的壓力、流量調(diào)節(jié)裝置還沒有適用于本發(fā)明所述的工作狀況的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器滿足了套管井噴砂壓裂施工的需要，填補了單層單段壓裂施工所用擴張式封隔器一噴砂器管串安全裝置的空白。能夠在噴砂射孔和體積壓裂過程中，避免出現(xiàn)“負水錘”現(xiàn)象，保障了設(shè)備安全。
[0006]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
[0007]—種壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，包括外管，及置于外管管腔內(nèi)的內(nèi)管，所述內(nèi)管包括上管段和下管段，所述上管段中設(shè)有活塞，下管段中設(shè)有與活塞相套接的彈簧保護套，相套接的活塞和彈簧保護套空腔內(nèi)設(shè)置有預(yù)應(yīng)力壓縮彈簧；包括所述下管段、彈簧保護套置于連接在外管管腔底部的多孔底座上。
[0008]進一步地，所述內(nèi)管的上管段為中心開孔的空心圓柱體，空心圓柱體由氧化鋯陶瓷材料制成，沿空心圓柱體中心孔至外管管內(nèi)壁之間由上至下呈漸開線狀結(jié)構(gòu)，上管段的頂部為錐口狀；所述呈漸開線狀的空心圓柱管體下方為設(shè)有與其漸開線狀空心圓柱管體下部相接的幅股。
[0009]進一步地，所述幅股下端設(shè)在與上管段空心圓柱體外徑一致的空心管上，幅股沿上管段空心管壁至外管內(nèi)管壁周向?qū)ΨQ設(shè)置，幅股設(shè)有3?8條，每條幅股的形狀與呈漸開線狀的上管段實心管體下部弧線形狀一致。
[0010]進一步地，所述套接于上管段空心圓柱體中的活塞上端面設(shè)有圓柱段，圓柱段外壁上設(shè)有用于鑲裝密封圈的密封槽。[0011]進一步地，所述上管段的頂部錐口沿上管段圓柱段上端面圓周設(shè)置有突棱。
[0012]進一步地，所述上管段的頂部錐口上沿設(shè)有擋環(huán)。
[0013]進一步地，所述外管與上管段和下管段相接內(nèi)壁分別設(shè)有密封圈。
[0014]進一步地，所述上管段、下管段和幅股與外管之間設(shè)有減震層。
[0015]進一步地，所述上管段和下管段之間設(shè)有間隙。
[0016]進一步地，所述內(nèi)管、活塞、空心管、幅股和彈簧保護套均由氧化鋯陶瓷制成，所述多孔底座配有氧化鋯陶瓷底座內(nèi)襯。
[0017]由上可見，本發(fā)明給出了只用井口泵壓控制的可從零連續(xù)調(diào)節(jié)噴砂器壓力和流量的壓力流量調(diào)節(jié)器。它可以在保障封隔器坐封前提下，逐漸增加噴砂器的壓力和流量，確保在射穿套管和水泥環(huán)后，可增大管內(nèi)排量，達到體積壓裂的需求。最后還要保障在壓裂結(jié)束停泵后，封隔器、壓力流量調(diào)節(jié)器和噴砂器全部恢復(fù)到初始狀態(tài)，管內(nèi)壓力流量不會有劇烈波動，消除“負水錘”現(xiàn)象對管件及壓裂泵的傷害。
[0018]本發(fā)明的活塞是試過泵壓移動受彈簧支撐的活塞，而活塞周圍是逐漸擴大的管腔，活塞的位置決定了管腔的大小，管腔的大小決定了節(jié)流壓降的大小，從而決定了下游噴砂器的壓力和流量的大小，使噴砂器能夠獲得安全的壓力和流量，完成噴砂射孔。
[0019]并且本發(fā)明所有受夾砂液沖蝕的部件一內(nèi)管、活塞、幅股、彈簧的保護套及多孔底座的內(nèi)襯——全部采用氧化鋯陶瓷，從而能夠使該壓力流量調(diào)節(jié)器能獲得最大的壓力和流量完成體積壓裂。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定，在附圖中:
[0021]圖1是本發(fā)明工作原理圖(裝配圖)；
[0022]圖2是A-A截面圖；
[0023]圖3是B-B截面圖；
[0024]圖4是多孔底座模型。
[0025]圖中:1擋環(huán)、2外管(油管)、3上管段、3a下管段、4活塞、5彈簧、6幅股、7減震層、8彈簧保護套、9多孔底座、IOa密封圈、IOb上密封圈、IOc下密封圈、11底座內(nèi)襯，12圓柱段。
【具體實施方式】
[0026]下面將結(jié)合附圖以及具體實施例來詳細說明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，包括外管2、內(nèi)管、活塞4、保護套8、幅股6及多孔底座9，內(nèi)管置于外管2管腔內(nèi)，內(nèi)管包括上管段3和下管段3a，上管段3和下管段3a間設(shè)有空隙，可以保證內(nèi)管內(nèi)外兩側(cè)壓力平衡。上管段3中設(shè)有活塞4，下管段3a中設(shè)有與活塞4相套接的彈簧保護套8，相套接的活塞4和彈簧保護套8空腔內(nèi)設(shè)置有預(yù)應(yīng)力壓縮彈簧5 ;包括下管段3a、彈簧保護套8置于連接在外管2管腔底部的多孔底座9上。[0028]內(nèi)管的上管段3為中心開孔的圓柱體，沿圓柱體中心孔至外管2管內(nèi)壁之間由上至下呈漸開線狀結(jié)構(gòu)，上管段3的頂部為錐口狀。圖3出示了上管段3上段為中心開孔的實心體的結(jié)構(gòu)，沿該管段的B-B向的剖視圖顯示在該截面的上管段3管腔結(jié)構(gòu)。呈漸開線狀的實心管體下方設(shè)有與其漸開線實心圓柱體下部相接的幅股6，幅股6下端設(shè)在與上管段3空心圓柱體外徑一致的空心管上，上管段3的頂部錐口沿上管段3圓柱段12上端面圓周設(shè)置有突棱，上管段3的頂部為錐口上沿設(shè)有擋環(huán)I。上管段3中活塞4端面設(shè)有圓柱段12，圓柱段12外壁上設(shè)有用于鑲裝密封圈的密封槽，外管2與上管段3和下管段3a相接內(nèi)壁分別設(shè)有上密封圈IOa和下密封圈10b。
[0029]上管段3、下管段3a和幅股6與外管2之間設(shè)有減震層7 (見圖2、圖3)。
[0030]見圖2所示，幅股6沿上管段3管腔中心的空心管至外管2內(nèi)管壁周向?qū)ΨQ設(shè)置，幅股6設(shè)有3?8條，本實施例設(shè)為4條幅股，每條幅股6的形狀與呈漸開線狀的上管段3實心管體下部弧線形狀一致。
[0031]見圖4所示，多孔底座9為設(shè)有外延和開孔的擋圈結(jié)構(gòu)，多孔底座9配有氧化鋯陶瓷內(nèi)襯11。
[0032]該壓力流量調(diào)節(jié)器的內(nèi)管、空心管、幅股6和彈簧保護套8均由氧化鋯陶瓷制成。
[0033]構(gòu)成壓力流量調(diào)節(jié)器應(yīng)滿足如下幾部分要求:
[0034]1、外管一兩端帶螺紋的油管，與管串相連。
[0035]2、內(nèi)管一由耐磨且有韌性的材料構(gòu)成，兩端限定在外管內(nèi)，中間可斷開為兩段，內(nèi)管和外管間端頭加O型圈密封，其間隙填充減震材料。這樣設(shè)計是使內(nèi)管的內(nèi)外兩側(cè)壓力平衡，并防止在外力作用下震壞內(nèi)管。內(nèi)管的內(nèi)側(cè)表面由3段組成，第一段是上部錐口狀、中部母線為漸開線的腔體的上管段3上部；第二段是連接有幅股6的圓柱形空腔，上管段3下部，空腔體中分布有3-8個與上管段3的漸開線的腔體相接的幅股6 ;第三段是下管段3a，為大直徑的圓柱面；第三段可與第二段斷開，第二段與第一段為一體。
[0036]活塞——由活塞頭和活塞筒構(gòu)成，活塞頭上沒有密封圈，活塞筒和保護套內(nèi)設(shè)有預(yù)應(yīng)力壓縮彈簧。
[0037]保護套一與活塞筒配合保護彈簧免受夾砂液沖蝕。
[0038]幅股一與內(nèi)管連成一體，若干幅股(3?8)呈放射狀，為活塞定位用。幅股材料也與內(nèi)管相同。
[0039]本發(fā)明所述的壓力流量調(diào)節(jié)器是安裝在擴張式封隔器和噴砂器之間的，且上游為封隔器，下游為噴砂器?；钊?在預(yù)應(yīng)力彈簧5的作用下，抵在內(nèi)管3的喉口部位，通過密封圈IOa與內(nèi)管密封。彈簧的預(yù)應(yīng)力可設(shè)計成與封隔器坐封壓力相當，即當井口泵壓增加到封隔器坐封壓力時，噴砂器的壓力和流量為零。當井口泵壓逐漸增加，彈簧開始壓縮，活塞下移，活塞與內(nèi)管形成的環(huán)空面積逐漸擴大，噴砂器的壓力和流量也相應(yīng)增加，這樣，可保證在較小的壓力和流量下，射穿套管和水泥環(huán)，由于節(jié)流壓降較大，負水錘作用便不能向上游傳遞，保障了管路和壓裂泵的安全。在射孔及射孔的壓力波動結(jié)束后，可繼續(xù)加大泵壓，加大排量，活塞頂部可達到A-A截面位置，此時達到最大排量，以便實現(xiàn)體積壓裂。達到最大排量時，活塞已經(jīng)下移至多孔底座9，但活塞仍保持在幅股6的中心位置。
[0040]在壓裂結(jié)束、停泵后，壓力流量調(diào)節(jié)器及上游的擴張式封隔器都恢復(fù)原狀。
[0041]由于內(nèi)管3，活塞4，幅股6和保護套8全部采用耐磨且有韌性的材料，在夾砂液強力沖蝕下，可保證本調(diào)節(jié)器有足夠的使用壽命。
[0042]在ISO/API 標準中，選 41// 油管(外徑 114.3_，壁厚 8.56mm,內(nèi)徑 97.18mm) 一段，鋼級為N80，端部加工平式油管扣，用變扣短節(jié)與管串相連。
[0043]內(nèi)管、幅股、活塞、保護套、底座內(nèi)襯全部采用氧化鋯陶瓷。氧化鋯陶瓷的機械性能優(yōu)越，具有高硬度、高強度和高韌性。氧化鋯陶瓷的加工工藝比較復(fù)雜，但都屬于公知技術(shù)，無須贅述，本發(fā)明根據(jù)其構(gòu)件特點，選擇如下工藝:選粒度均勻的氧化鋯微粉，添加氧化釔作為穩(wěn)定劑，采用干壓法成型，在1200°C溫度下燒結(jié)成四方相的Y-PSZ氧化鋯陶瓷。
[0044]組裝過程為:將密封圈IOb裝入圖示的位置，用玻璃纖維襯于外管內(nèi)作為減震層7，裝入內(nèi)管上管段3a大直徑段，將底座內(nèi)襯II裝入多孔底座9，用螺釘將保護套8與多孔底座9相連，將多孔底座9旋入外管一端的螺紋，將彈簧5裝入保護套8中，加力把活塞4套在保護套外，將內(nèi)管3從上方裝入外管，最后，旋緊擋環(huán)I。
[0045]內(nèi)管入口處加工成錐口是為了減小流體阻力，減小沖蝕，錐口下方的突棱是為了
定位活塞。
[0046]本發(fā)明壓力流量調(diào)節(jié)器的作用機理可作如下描述:
[0047]當井口泵壓上升時，由于預(yù)應(yīng)力彈簧的作用，調(diào)節(jié)器并未形成通路，此時上游的擴張式封隔器開始坐封。管壓繼續(xù)增加時，活塞開始下移，下游的噴砂器開始接受較小的管壓和流量，下游管壓和流量由井上泵壓控制，同時接受調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，可以確保在相對溫和的壓力和流量下完成噴砂射孔，完成射孔后，可以加大壓力和流量，實現(xiàn)體積壓裂。
[0048]停泵后，封隔器、壓力流量調(diào)節(jié)器、噴砂器都將恢復(fù)原狀。
[0049]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，包括外管(2)，及置于外管(2)管腔內(nèi)的內(nèi)管，其特征在于，所述內(nèi)管包括上管段(3)和下管段(3a)，所述上管段(3)中設(shè)有活塞(4)，下管段(3a)中設(shè)有與活塞(4)相套接的彈簧保護套(8)，相套接的活塞(4)和彈簧保護套(8)空腔內(nèi)設(shè)置有預(yù)應(yīng)力壓縮彈簧(5);包括所述下管段(3a)、彈簧保護套(8)置于連接在外管(2)管腔底部的多孔底座(9)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述內(nèi)管的上管段(3)為中心開孔的空心圓柱體，空心圓柱體由氧化鋯陶瓷材料制成，沿空心圓柱體中心孔至外管(2)管內(nèi)壁之間由上至下呈漸開線狀結(jié)構(gòu)，上管段(3)的頂部為錐口狀；所述呈漸開線狀的空心圓柱管體下方為設(shè)有與其漸開線狀空心圓柱管體下部相接的幅股(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述幅股(6)下端設(shè)在與上管段(3)空心圓柱體外徑一致的空心管上，幅股(6)沿上管段(3)空心管壁至外管(2)內(nèi)管壁周向?qū)ΨQ設(shè)置，幅股(6)設(shè)有3~8條，每條幅股(6)的形狀與呈漸開線狀的上管段(3)實心管體下部弧線形狀一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述套接于上管段(3)空心圓柱體中的活塞(4)上端面設(shè)有圓柱段(12)，圓柱段(12)外壁上設(shè)有用于鑲裝密封圈的密封槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述上管段(3)的頂部錐口沿上管段(3)圓柱段(12)上端面圓周設(shè)置有突棱。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述上管段(3)的頂部錐口上沿設(shè)有擋環(huán)(1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述外管(2)與上管段(3)和下管段(3a)相接內(nèi)壁分別設(shè)有密封圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述上管段(3)、下管段(3a)和幅股(6)與外管(2)之間設(shè)有減震層(7)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述上管段(3)和下管段(3a)之間設(shè)有間隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的壓裂施工中的壓力流量調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述內(nèi)管、活塞(4)、空心管、幅股(6)和彈簧保護套(8)均由氧化鋯陶瓷制成，所述多孔底座(9)配有氧化鋯陶瓷底座內(nèi)襯(11)。
【文檔編號】E21B43/26GK103939076SQ201410165890
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】詹保平, 袁新, 沈晶鑫 申請人:西安威盛電子儀器有限公司