一种旋转式压力脉冲转换器以及水力压裂注液装置

技术领域

本申请属于石油工程中水力压裂技术领域，具体涉及一种旋转式压力脉冲转换器以及水力压裂注液装置。

背景技术

页岩气等非常规油气资源，因其储层岩石致密，渗透率极低，油气开采困难，主要依靠水力压裂的方式在致密储层中形成尽可能复杂的人工裂缝网络，来获得工业化产量。水力压裂技术是保障低渗油气资源开发、实现经济产能的关键技术方法，也是实现非常规油气资源规模化开采的必要手段。

在非常规油气储层中，采用常规恒定排量的泵注方式压裂施工形成复杂裂缝网络通常需要较为苛刻的天然储层条件，比如储层天然裂缝发育、储层岩石本身脆度较高以及地应力差(σ

当前，我国长庆油田采用反复开停泵的方式来进行低频次循环泵注压裂，通过该方式能在储层中产生低频交变泵注压力。相对于常规恒定排量泵注压裂而言，循环泵注压裂在油田现场施工中产生了更多且更为复杂的水力裂缝，取得了平均单井产量增加30％的效果。随着该种压裂方式的推广应用，在其他油田现场也取得了大幅度的增产效果。

通常油气储层开采时所使用的脉冲压力泵，所提供的循环脉动压力幅值较低，而脉动频次也过高(>20HZ)，其使用范围仅限于煤层气储层的御压增透和增产开采，难以满足更为复杂的裂缝网路的使用要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种旋转式压力脉冲转换器以及水力压裂注液装置，通过该工具能够将常规连续泵注转换为交变脉动泵注，泵注压力变成低频高幅值的交变脉冲压力，从而更有利于在致密储层产生复杂裂缝网络，大幅度提高水力压裂的增产效果。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种旋转式压力脉冲转换器，包括内螺旋转子和外环套，所述内螺旋转子可转动地安装于所述外环套内部；所述内螺旋转子上沿周向对称设置有两个螺旋扇面体，两个所述螺旋扇面体之间的间隙构成螺旋流道；所述外环套的其中一端为进液开口、另一端设置有节流挡板，所述节流挡板上沿周向对称开设有导流孔系，所述导流孔系的总开孔面积大于两个所述螺旋扇面体的扇形总面积。

可选的，所述导流孔系包括沿周向对称设置的两个扇形的主导流孔和沿周向对称设置的两组辅助导流孔，所述主导流孔的扇形角度为α1不大于所述螺旋扇面体的扇形角度α2。

可选的，所述辅助导流孔与所述主导流孔合并为一个合并孔，所述合并孔的孔面积大于所述螺旋扇面体的扇形角度α2。

可选的，所述辅助导流孔为扇形孔，所述辅助导流孔的扇形角度α3为4°～20°；所述合并孔的扇形角度α4大于所述螺旋扇面体的扇形角度α2。

可选的，所述主导流孔与所述辅助导流孔在圆周方向上间隔设置；当所述辅助导流孔为扇形孔时，所述辅助导流孔的扇形角度α3为4°～20°；当所述辅助导流孔为非扇形孔时，所述辅助导流孔的总面积等于4°～20°扇形角度的扇形孔面积。

可选的，所述主导流孔的扇形角度为α1为85°～95°；所述螺旋扇面体的扇形角度α2为85°～95°。

可选的，所述内螺旋转子上沿周向对称设置有两组螺旋叶片阵列，两组所述螺旋叶片阵列分别位于两条所述螺旋流道中。

可选的，两组所述螺旋叶片阵列相同，均包含1片以上螺旋叶片，且当所述螺旋叶片的数量在2片以上时，2片以上螺旋叶片间隔分布。

可选的，两组所述螺旋叶片阵列均包含3～10片所述螺旋叶片，3～10片所述螺旋叶片在所述螺旋流道中呈等角度均匀分布。

基于同样的发明构思，本发明还对应提供了一种水力压裂注液装置，包含上述的旋转式压力脉冲转换器，所述旋转式压力脉冲转换器安装于所述水力压裂注液装置的注液管线内部，且所述外环套的进液开口朝向所述注液管线的注液侧。

由上述技术方案可知，本发明提供的旋转式压力脉冲转换器，包括内螺旋转子和外环套，内螺旋转子安装于外环套内部且可在外环套内部自由转动，实际使用时外环套与注液管线固定安装、固定不动，而内螺旋转子在注入液体的冲击下自由转动。内螺旋转子上沿周向对称设置有两个螺旋扇面体，两个螺旋扇面体之间的间隙构成螺旋流道，供注入液体流通，螺旋流道的螺旋形状使得注入液体冲刷内螺旋转子时，向内螺旋转子施加旋转力矩，从而驱动内螺旋转子转动；外环套的其中一端为进液开口、另一端设置有节流挡板，节流挡板沿周向对称开设有导流孔系，导流孔系的总开孔面积大于两个螺旋扇面体的扇形总面积；当内螺旋转子转动时，螺旋流道在节流挡板的配合下实现往复遮挡和间歇开启，螺旋流道与导流孔系形成间歇性的注入液体通道。

当注入液体经过该旋转式压力脉冲转换器时，根据注入液体通道是否关闭将旋转式压力脉冲转换器的状态分为三个状态：高流量进液冲程、中间冲程和节流憋压冲程。在高流量进液冲程时，内螺旋转子转动至两个螺旋扇面体均被节流挡板覆盖，使得注入液体通道最大程度打开，注入端处于低压状态。注入液体在螺旋流道内流动时会推动内螺旋转子转动，使得内螺旋转子的螺旋流道逐渐进入外环套的节流挡板的覆盖区域，外环套的导流孔系逐渐被内螺旋转子的螺旋扇面体遮挡封闭，进入中间冲程。当进入节流憋压冲程时，内螺旋转子的螺旋扇面体将外环套的导流孔系最大程度封堵，注入液体通道大部分被切断，由于导流孔系的总开孔面积大于两个螺旋扇面体的扇形总面积，此时仍存在一定面积的注入液体通道供注入液体流通，由于节流作用，此时注入端压力迅速升高，当憋压到一定程度时，高能高压液体经过螺旋流道并从残余面积注入液体通道中流出，所形成液流推力推动内螺旋转子继续转动，当内螺旋转子转动至两个螺旋扇面体均被节流挡板覆盖的状态，即回归至高流量进液冲程状态，如此循环往复实现交变脉动泵注。

本发明提供的水力压裂注液装置，用于提供交变泵注排量以及交变泵注压力，水力压裂注液装置的注液管线内部安装有上述旋转式压力脉冲转换器，且外环套的进液开口朝向注液管线的注液侧，在采用该旋转式压力脉冲转换器进行水力压裂过程中，当压裂液经过该旋转式压力脉冲转换器时，可循环往复实现交变脉动泵注，向储层岩石提供循环脉动压力，进而最大限度形成复杂缝网，为油气进入井筒提供高导流能力的渗流通道。由于该旋转式压力脉冲转换器的脉冲完全由机械结构自主实现，通过使用该旋转式压力脉冲转换器，不需要通过反复开停泵的方式即可实现持续性的高幅值脉动压力泵注，从而更有利于在压裂施工中，使非常规油气储层形成复杂裂缝的网络，大幅度提高储层改造的效果。

附图说明

图1为本发明实施例1中旋转式压力脉冲转换器的装配结构图；

图2为图1的旋转式压力脉冲转换器中内螺旋转子的结构示意图；

图3为图1的旋转式压力脉冲转换器中外环套的结构示意图；

图4为图3的外环套的A-A向全剖结构示意图；

图5A为本发明实施例1中旋转式压力脉冲转换器处于高流量进液冲程时的结构示意图；

图5B为本发明实施例1中旋转式压力脉冲转换器处于中间冲程时的结构示意图；

图5C为本发明实施例1中旋转式压力脉冲转换器处于节流憋压冲程时的结构示意图；

图6为本发明实施例2中旋转式压力脉冲转换器的外环套的结构示意图；

图7为本发明实施例3中旋转式压力脉冲转换器的外环套的结构示意图；

图8为本发明实施例4中旋转式压力脉冲转换器的外环套的结构示意图；

图9为本发明实施例5中水力压裂注液装置的注液管线的结构示意图；

图10为图9的注液管线内部结构图；

图11为图9的水力压裂注液装置的压力变化图以及对应的冲程示意图；

图12为图9的水力压裂注液装置的流量变化图以及对应的冲程示意图。

附图标记说明：1-内螺旋转子，11-螺旋扇面体，12-螺旋流道，13-螺旋叶片阵列，131-螺旋叶片；2-外环套，21-进液开口，22-节流挡板，23-主导流孔，24-辅助导流孔，25-合并孔；3-压裂液注入主通道；4-压裂液注入辅助通道；10-旋转式压力脉冲转换器；20-注液管线。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

针对现有技术采用反复开停泵的方式来进行低频次循环泵注压裂所存在的问题，本发明提供了一种旋转式压力脉冲转换器，整体发明构思如下：

一种旋转式压力脉冲转换器，包括内螺旋转子和外环套，内螺旋转子可转动地安装于外环套内部；内螺旋转子上沿周向对称设置有两个螺旋扇面体，两个螺旋扇面体之间的间隙构成螺旋流道；外环套的其中一端为进液开口、另一端设置有节流挡板，节流挡板上沿周向对称开设有导流孔系，导流孔系的总开孔面积大于两个螺旋扇面体的扇形总面积。

该旋转式压力脉冲转换器构造简易、耐用，在现场压裂过程中，不需要使用反复开停泵的方式实现对非常规致密储层持续提供交变脉动泵注压力，能够将现有技术中连续性的恒定排量泵注转换成低频次的交变循环脉动泵注，使储层岩石处于循环应力加载状态，从而通过该方式来产生更为复杂的裂缝网路，从而获得更好的压裂增产效果。

下面结合几个典型实施例对该旋转式压力脉冲转换器的结构进行详细描述：

实施例1：

本发明实施例提供一种旋转式压力脉冲转换器10，其结构如图1所示，包括内螺旋转子1和外环套2，内螺旋转子1可转动地安装于外环套2内部，二者共轴，内螺旋转子1可以在外环套2内部绕轴自由旋转。

内螺旋转子1的具体结构如图2所示，内螺旋转子1上沿周向对称设置有两个螺旋扇面体11，两个螺旋扇面体11之间的间隙构成螺旋流道12，通过改变螺旋扇面体11的扇形角度α2可以获得不同冲程的冲击脉冲，本实施例中螺旋扇面体11的扇形角度α2为85°～95°。

为了提高注入液体对内螺旋转子1的螺旋扇面体11的螺旋面液动推力的均匀性，本实施例中，内螺旋转子1沿周向对称设置有两组螺旋叶片阵列13，两组螺旋叶片阵列13分别位于两条螺旋流道12中，螺旋叶片阵列13的整体螺旋方向以及螺旋线形参数与螺旋扇面体11保持一致。两组螺旋叶片阵列13所包含的螺旋叶片131数量是相等的，使得注入液体对两条螺旋流道12的液动推力所产生的扭矩相同。具体的，两组螺旋叶片阵列13均包括1片以上螺旋叶片131，且当螺旋叶片131的数量在2片以上时，2片以上螺旋叶片131间隔分布，2片以上螺旋叶片131可以采用等角度均匀分布，等差变角度间隔分布，或者任意不同角度间隔分布，螺旋叶片131的具体分布方式本发明不做限制。

作为最优实施方案，两组螺旋叶片阵列13均包括3～10片螺旋叶片131，3～10片螺旋叶片131在螺旋流道12中呈等角度均匀分布。也就是说，整个内螺旋转子1上，两个螺旋扇面体11、两条螺旋流道12以及6～20片螺旋叶片131均以内螺旋转子1的轴线为中心，呈中心对称分布。这种分布方式可以实现最优的交变循环脉冲。

外环套2的具体结构如图3和图4所示，外环套2的其中一端为进液开口21、另一端设置有节流挡板22，节流挡板22上沿周向对称开设有导流孔系，导流孔系的总开孔面积大于两个螺旋扇面体11的扇形总面积。本实施例中，导流孔系包括两个部分，即导流孔系包括沿周向对称设置的两个扇形的主导流孔23和沿周向对称设置的两组辅助导流孔24，主导流孔23的扇形角度为α1不大于螺旋扇面体11的扇形角度α2，优选α1＝α2，也即主导流孔23的扇形角度为α1同样为85°～95°，使得当内螺旋转子1在外环套2内部转动至螺旋扇面体11和主导流孔23完全重合时，可实现对管道主体流量的暂时封堵。

结合该旋转式压力脉冲转换器10的具体工作方式，辅助导流孔24优选为扇形孔，两个扇形的主导流孔23和两个扇形的辅助导流孔24以外环套2的轴线为中心对称轴，呈中心对称分布，并且两个扇形的主导流孔23的对称线与两个扇形的辅助导流孔24的对称轴相互垂直。进一步的，辅助导流孔24的扇形角度应满足小于两片螺旋叶片131之间夹角，使得当外环套2的主导流孔23被螺旋内转子的螺旋扇面体11彻底封堵时，外环套2的辅助导流孔24处于开启状态，低流量下可使内螺旋转子1朝某一方向继续转动，实现流量循环节流作用，通过间歇节流憋压，进而在压裂时提供循环脉冲压力，本实施例中，辅助导流孔24的扇形角度α3为4°～20°。

实施例2：

基于同样的发明构思，本发明实施例提供一种旋转式压力脉冲转换器10，包括内螺旋转子1和外环套2，内螺旋转子1可转动地安装于外环套2内部，二者共轴，内螺旋转子1可以在外环套2内部绕轴自由旋转。本实施例的旋转式压力脉冲转换器10中，内螺旋转子1的结构同实施例1，仅外环套2的结构与实施例1不同，故而相同的部分此处不再赘述。

参见图6，本实施例中，外环套2的其中一端为进液开口21、另一端设置有节流挡板22，节流挡板22上沿周向对称开设有导流孔系，导流孔系的总开孔面积大于两个螺旋扇面体11的扇形总面积。本实施例中，导流孔系包括两个部分，即导流孔系包括沿周向对称设置的两个扇形的主导流孔23和沿周向对称设置的两组辅助导流孔24，主导流孔23的扇形角度为α1不大于螺旋扇面体11的扇形角度α2，优选α1＝α2，也即主导流孔23的扇形角度为α1同样为85°～95°，使得当内螺旋转子1在外环套2内部转动至螺旋扇面体11和主导流孔23完全重合时，可实现对管道主体流量的暂时封堵。

辅助导流孔24为除扇形孔外的任意其他形状的孔或者孔组，但是两个辅助导流孔24仍为对称结构，两个扇形的主导流孔23和两个扇形的辅助导流孔24以外环套2的轴线为中心对称轴，呈中心对称分布，并且两个扇形的主导流孔23的对称线与两个扇形的辅助导流孔24的对称轴相互垂直。本实施例中，辅助导流孔24的总面积应当与4°～20°扇形角度的扇形孔面积均等，从而实现实施例1的循环脉冲压力。

实施例3：

基于同样的发明构思，本发明实施例提供一种旋转式压力脉冲转换器10，包括内螺旋转子1和外环套2，内螺旋转子1可转动地安装于外环套2内部，二者共轴，内螺旋转子1可以在外环套2内部绕轴自由旋转。本实施例的旋转式压力脉冲转换器10中，内螺旋转子1的结构同实施例1，仅外环套2的结构与实施例1不同，故而相同的部分此处不再赘述。

参见图7，本实施例中，外环套2的其中一端为进液开口21、另一端设置有节流挡板22，节流挡板22上沿周向对称开设有导流孔系，导流孔系的总开孔面积大于两个螺旋扇面体11的扇形总面积。本实施例中，导流孔系为两个对称的合并孔25，即辅助导流孔24与主导流孔23合并为一个合并孔25，合并孔25的孔面积大于螺旋扇面体11的扇形角度α2。

具体的，结合该旋转式压力脉冲转换器10的具体工作方式，辅助导流孔24优选为扇形孔，辅助导流孔24与主导流孔23合并为一个扇形孔，该扇形孔的扇形角度α4大于螺旋扇面体11的扇形角度α2，超出角度为4°～20°，从而实现实施例1的循环脉冲压力。

实施例4：

基于同样的发明构思，本发明实施例提供一种旋转式压力脉冲转换器10，包括内螺旋转子1和外环套2，内螺旋转子1可转动地安装于外环套2内部，二者共轴，内螺旋转子1可以在外环套2内部绕轴自由旋转。本实施例的旋转式压力脉冲转换器10中，内螺旋转子1的结构同实施例1，仅外环套2的结构与实施例1不同，故而相同的部分此处不再赘述。

参见图8，本实施例中，外环套2的其中一端为进液开口21、另一端设置有节流挡板22，节流挡板22上沿周向对称开设有导流孔系，导流孔系的总开孔面积大于两个螺旋扇面体11的扇形总面积。本实施例中，导流孔系为两个对称的合并孔25，即辅助导流孔24与主导流孔23合并为一个合并孔25，合并孔25的孔面积大于螺旋扇面体11的扇形角度α2。

具体的，本实施例中，辅助导流孔24为除扇形孔外的任意其他形状的孔，通过在主导流孔23的边部开孔，开的孔即构成辅助导流孔24，辅助导流孔24的孔面积应当与4°～20°扇形角度的扇形孔面积均等，从而实现实施例1的循环脉冲压力。

实施例5：

基于同样的发明构思，本实施例提供一种水力压裂注液装置，用于提供交变泵注排量以及交变泵注压力，该水力压裂注液装置配置有上述实施例1-4中任一旋转式压力脉冲转换器10，其结构如图9和图10所示，旋转式压力脉冲转换器10安装于水力压裂注液装置的注液管线20内部，且外环套2的进液开口21朝向注液管线20的注液侧。为了缓解压裂液注入通道反复关停所带来的对管线冲击作用，可在旋转式压力脉冲转换器10的上游段安装钢制壳体空气包，利用空气的高压缩性吸收瞬态的液压冲击作用力。

以采用实施例1的旋转式压力脉冲转换器10为例，在采用该水力压裂注液装置进行水力压裂过程中，将该旋转式压力脉冲转换器10放置在压裂注液管线20的内部，其中外转套敞口的一端为压裂液进液端，当压裂液经过该旋转式压力脉冲转换器10时，根据压裂液主要通道是否关闭将旋转式压力脉冲转换器10的状态分为三个状态：高流量进液冲程、中间冲程和节流憋压冲程。

参见图5A，在高流量进液冲程时，小尺寸的辅助导流孔24被外环套2节流挡板22遮挡，内螺旋转子1的螺旋叶片阵列13转动到与外环套2主导流孔23重叠，压裂液注入通道也最大程度打开，即压裂液注入主通道3完全打开、压裂液注入辅助通道4完全关闭，注入端处于低压状态。

压裂液在螺旋流道12内的流动，会推动内螺旋转子1的转动，使得内螺旋转子1的螺旋叶片阵列13逐渐进入外环套2节流挡板22的内部，外环套2主导流孔23逐渐被内螺旋转子1的螺旋扇面体11遮挡封闭，进入中间冲程，如图5B所示，此冲程中压裂液注入主通道3和/或压裂液注入辅助通道4部分打开。

当进入节流憋压冲程时，螺旋叶片阵列13旋转至小尺寸辅助导流孔24处，同时内螺旋转子1的螺旋扇面体11将外环套2主导流孔23完全封住，压裂液注入通道大部分被切断，只有小尺寸辅助导流孔24有少量流通，处于节流憋压冲程，如图5C所示，即此冲程中压裂液注入主通道3完全关闭、压裂液注入辅助通道4完全打开。

由于节流作用，此时注入端压力迅速升高，当憋压到一定程度时，高能高压液体经过螺旋流道12并从外环套2辅助导流孔24流出所形成液流推力推动内螺旋转子1的继续转动。逐渐使得内螺旋转子1的螺旋叶片阵列13重新转动到与外环套2主导流孔23重叠的状态，即回归至高流量进液冲程状态，如此循环往复实现交变脉动泵注，向地层提供循环脉动压力，该水力压裂注液装置所产生的压力、流量变化图以及对应的冲程示意图如图11和图12所示。

通过上述实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

1)本发明提供的旋转式压力脉冲转换器，通过设置特殊结构的内螺旋转子安装在特殊结构的外环套内部，二者共轴，内螺旋转子可以在外环套内部绕轴自由旋转，能够将连续性恒定排量泵注转换成低频次的交变循环脉动泵注，使储层岩石处于循环应力加载状态，从而产生更为复杂水力裂缝网络，大幅度提高水力压裂的增产效果。

2)本发明提供的旋转式压力脉冲转换器，通过设置多片间隔分布的螺旋叶片，可将螺旋流道分隔为多条小螺旋流道，提高注入液体对内螺旋转子的螺旋扇面体的螺旋面的液动推力作用的均匀性。

3)本发明提供的水力压裂注液装置，使用旋转式压力脉冲转换器产生循环脉冲压力，不需要通过反复开停泵的方式即可实现持续性的高幅值脉动压力泵注，从而更有利于在压裂施工中，在储层中形成复杂裂缝的网络，大幅度提高储层改造的效果。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。