可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置及工作方法与流程

1.本发明涉及冲击破岩地面模拟实验技术领域，具体地说是可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置及工作方法。


背景技术：

2.我国已探明的非常规油气资源储量巨大,具有广阔的开发前景，但由于非常规油气储层具有地质构造复杂、地质储层渗透率低等特点，制约了我国对非常规油气田的高效开发。传统的单一水力压裂技术虽然可以形成一定的裂缝，但由于非常规地质储层结构的复杂性，压裂效果并不理想。目前，水力脉冲技术是实现对地层岩石的累积损伤破坏，进而产生地层裂缝并延展裂缝的新方法。但由于非常规油气储层地质结构的复杂性，水力脉冲压力过大，则会将储层原生孔隙、微小裂缝压实；脉冲压力过小，则难以压开裂缝。如何找到一个合适的脉冲压力，使得对岩石的累积损伤破坏效果达到最好，则是水力脉冲技术进一步发展突破的关键。
3.公开(公告)号：cn107024393b，公开(公告)日：2019-04-23公开了一种低渗储层可调频脉冲水力压裂改造装置，适用于低渗储层水力压裂改造室内物理模型试验，属于非常规天然气开采领域。本发明由脉冲控制箱、脉冲发生器总成、上滑阀密封器总成、下滑阀密封器总成、射流喷嘴总成、泵站和连接管路组成；所述脉冲发生器总成、上滑阀密封器总成、射流喷嘴总成、下滑密封器总成自上而下顺次连接组成装置井内部分；所述脉冲发生器总成上端通过管路连接泵站和脉冲控制箱，连接管路用于往井内输送高压液流和电信号。本发明脉冲水锤射流调频范围大，频率精准可控，且可实现脉冲射流与连续射流两种注液方式任意切换；并能形成密封-压裂-解封一体化作业。
4.公开(公告)号：cn107420033a，公开(公告)日：2017-12-01涉及一种水力冲击器，属石油、天然气开采钻井工具技术领域。它由外壳体、上接头、下接头、涡轮轴、上锤体和下锤体构成；外壳体内装有涡轮轴；涡轮轴的一端装有定位套，涡轮轴的另一端螺纹安装有转阀；下接头内侧的外壳体内装有下锤体，下锤体与转阀之间的外壳体内滑动安装有上锤体，上锤体与下锤体间歇接触连接。该水力冲击器通过使过流面积周期性改变，从而产生压力脉冲并推动上锤体冲撞下锤体，产生轴向冲击。由此实现高频轴向冲击，从而提高钻井速度，降低钻井成本，解决了现有在钻至深部硬质地层时钻进速度慢，钻井周期变长，钻井成本高的问题，对提高钻井效率、降低钻井成本具有积极的意义。
5.公开(公告)号：cn210768599u，公开(公告)日：2020-06-16公开了一种钻井用水力脉冲发生器，包括：外壳组件，其壳壁上开设有通孔；转阀，同轴设置于外壳组件中，转阀的外壁与外壳组件的内壁相对转动密封，转阀的阀壁上开设阀孔和进液孔，阀孔随着转阀的转动间歇地与通孔对应连通，进液孔连通外壳组件的流道和转阀的中心通道；动力件，设置于外壳组件中，动力件的动力输出端与转阀连接，用于驱动转阀相对外壳组件转动。与现有的通过阀周期性地增加发生器的内部压力来产生水力脉冲相比，本水力脉冲发生器通过转阀的转动实现了外壳组件的内外周期性连通，进而实现了外壳组件内部流体压力的周期性
降低和回升，产生水力脉冲，不会出现机泵管汇无法承受的高压，能够应用在不能承受高泵压的机泵管汇中。
6.总之，以上公开技术的技术方案以及所要解决的技术问题和产生的有益效果均与本发明不相同，或者技术领域或者应用场合不同，针对本发明更多的技术特征和所要解决的技术问题以及有益效果，以上公开技术文件均不存在技术启示。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷而提供可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置及工作方法，通过调节不同脉冲频率和微量脉冲压力幅值，对岩石进行地面冲击模拟实验，观察岩石在不同冲击条件下的破裂情况，找到适用于冲击破裂地层的水力脉冲压力值。
8.为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置，包括间歇传动机构、活塞泵、变流泵；
10.所述间歇传动机构的动力输出端与活塞泵的动力输入端连接；
11.所述活塞泵自身内部的活塞腔末端与变流泵的大变流腔连通。
12.进一步地，所述间歇传动机构采用间歇式槽轮运动装置；
13.所述间歇式槽轮运动装置包括主动拨盘、从动槽轮；所述主动拨盘的边缘设置圆销，所述从动槽轮开设四个径向槽，所述主动拨盘的圆销在跟随主动拨盘旋转过程中依次间歇式进入径向槽进而间歇式拨转从动槽轮；所述主动拨盘上设置外凸圆弧，从动槽轮上设置内凹圆弧，所述主动拨盘上的外凸圆弧与从动槽轮上的内凹圆弧间歇式旋转滑动锁止定位。
14.进一步地，还包括无级变速电机；
15.所述无级变速电机动力输出轴与主动拨盘中心孔连接固定。
16.进一步地，所述活塞泵包括螺旋式活塞柱、活塞泵筒、活塞泵大活塞；
17.所述活塞泵大活塞装配于活塞泵筒内的活塞腔内；
18.所述螺旋式活塞柱外壁开设外螺纹，活塞泵筒轴向前半段中心开设内丝孔，螺旋式活塞柱装配于所述内丝孔，且螺旋式活塞柱轴向左端与从动槽轮的中心孔连接固定，螺旋式活塞柱轴向右端与活塞泵大活塞连接。
19.进一步地，所述活塞泵筒开设有与活塞腔连通的第一进水孔，第一进水孔通过第一管线连接第一储水槽，第一管线上安装第一阀门。
20.进一步地，所述变流泵包括变流泵筒、变流泵大活塞、变流泵小活塞、活塞杆柱；
21.所述变流泵筒内部轴向左半段开设大直径的大径变流腔，变流泵筒内部轴向右半段开设小直径的小径变流腔；
22.所述变流泵大活塞装配于大径变流腔，所述变流泵小活塞装配于小径变流腔；
23.所述活塞杆柱左端与变流泵大活塞连接，活塞杆柱右端与变流泵小活塞连接。
24.进一步地，所述活塞泵的活塞腔与变流泵的大径变流腔通过桥接管线连接，桥接管线上安装有连接阀门；
25.所述变流泵的小径变流腔轴向右端与变压输出管线连通，变压输出管线上设置连接阀门。
26.进一步地，所述变流泵筒开设有与大径变流腔连通的第二进水孔，第二进水孔通过第二管线连接第二储水槽，第二管线上安装第二阀门；
27.所述变流泵筒开设有与小径变流腔连通的第三进水孔，第三进水孔通过第三管线连接第三储水槽，第三管线上安装第三阀门。
28.进一步地，还包括压力传感采集系统，所述压力传感采集系统包括压力传感器、pl c处理器、显示屏，所述压力传感器、显示屏分别与plc处理器电连接，所述压力传感器通过连接管线与变压输出管线连通。
29.为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案：
30.可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置的工作方法，包括以下步骤：
31.无级变速电机带动主动拨盘转动，进而带动圆销驱动从动槽轮转动；连接着从动槽轮的螺旋式活塞柱被驱动，活塞泵筒内的压力增大，液体排出并进入变流泵，推动变流泵大活塞向前运动，带动变流泵小活塞轴向运动，变流泵小活塞进而推动变流泵筒内后段的液体经连接管线排出；
32.由于主动拨盘上的圆销嵌入从动槽轮内的径向槽中时，带动从动槽轮运动；当主动拨盘上的外凸圆弧卡住从动槽轮的内凹圆弧时，从动槽轮被锁住，无法转动；这两个过程实现了从动槽轮的间歇运动，进而最终实现排出液体的压力呈现周期性变化；
33.由于无级变速电机通过调节其转速，实现改变液体压力变化周期时间的长短即脉冲频率的范围；
34.由于变流泵中变流泵大活塞的直径大于变流泵小活塞的直径；当活塞泵连接在变流泵中活塞直径较大的一端时，活塞泵中的液体进入变流泵中推动变流泵大活塞向前运动，在活塞杆柱连接下较小直径的变流泵小活塞进而向前推动液体排出，成功实现将活塞泵中排出的较大流量液体经变流泵后，减至微量流量的液体。
35.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
36.(1)所采用的间歇式槽轮运动装置实现排出液体的压力呈现周期性变化。间歇式槽轮运动装置可以通过调节无级变速电机的转速来调节水力脉冲压力的周期大小。
37.(2)所采用的“工”型变流泵，由于“工”型活塞杆柱两端的变流泵大活塞的直径大于变流泵小活塞的直径，经过“工”型变流泵的液体由较大流量减小至微量流量，可用于微观驱替可视化、微观岩石冲击损伤等实验。
38.(3)所采用的压力传感器可以实时监测水力脉冲的周期和压力幅值的变化。
39.(4)所采用的可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置结构简单、设计合理且安装使用方便、工作性能可靠、使用效果好，并且适用面广。适用于对岩石进行不同频率、不同微量高压脉冲的冲击破岩地面模拟实验。
附图说明
40.图1为本发明可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置的结构示意图；
41.图2为间歇式槽轮运动装置结构示意图。
42.图中：1-无级变速电机；2-圆销；3-主动拨盘；4-从动槽轮；5-径向槽；6-螺旋式活塞柱；7-活塞泵筒；8-活塞泵大活塞；9-阀门；10-储水槽；11-连接阀门；12
-“
工”型变流泵筒；13-变流泵大活塞；14-变流泵小活塞；15
-“
工”型活塞杆柱；16-阀门；17-储水槽；18-储
水槽；19-阀门；20-连接阀门；21-连接管线；22-压力传感器；23-显示屏。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.实施例1：
45.请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：
46.可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置，包括间歇传动机构、活塞泵、变流泵；
47.所述间歇传动机构的动力输出端与活塞泵的动力输入端连接；
48.所述活塞泵自身内部的活塞腔末端与变流泵的大变流腔连通。
49.进一步地，所述间歇传动机构采用间歇式槽轮运动装置；
50.所述间歇式槽轮运动装置包括主动拨盘3、从动槽轮4；所述主动拨盘的边缘设置圆销，所述从动槽轮开设四个径向槽5，所述主动拨盘的圆销在跟随主动拨盘旋转过程中依次间歇式进入径向槽进而间歇式拨转从动槽轮；所述主动拨盘上设置外凸圆弧，从动槽轮上设置内凹圆弧，所述主动拨盘上的外凸圆弧与从动槽轮上的内凹圆弧间歇式旋转滑动锁止定位。其实间歇式槽轮运动装置作为上位概念本身属于现有技术，有很多种变形结构，原理大同小异，本领域技术人员对此都是清楚的，应用其他变形结构也属于本发明的保护范围内。
51.进一步地，还包括无级变速电机1；
52.所述无级变速电机动力输出轴与主动拨盘中心孔连接固定。
53.进一步地，所述活塞泵包括螺旋式活塞柱6、活塞泵筒7、活塞泵大活塞8；
54.所述活塞泵大活塞装配于活塞泵筒内的活塞腔内；
55.所述螺旋式活塞柱外壁开设外螺纹，活塞泵筒轴向前半段中心开设内丝孔，螺旋式活塞柱装配于所述内丝孔，且螺旋式活塞柱轴向左端与从动槽轮的中心孔连接固定，螺旋式活塞柱轴向右端与活塞泵大活塞连接。虽然图纸没有详细到绘制出内丝孔，但本领域技术人员是清楚的。
56.进一步地，所述活塞泵筒开设有与活塞腔连通的第一进水孔，第一进水孔通过第一管线连接第一储水槽10，第一管线上安装第一阀门9。
57.进一步地，所述变流泵包括变流泵筒12、变流泵大活塞13、变流泵小活塞14、活塞杆柱15；
58.所述变流泵筒内部轴向左半段开设大直径的大径变流腔，变流泵筒内部轴向右半段开设小直径的小径变流腔；
59.所述变流泵大活塞装配于大径变流腔，所述变流泵小活塞装配于小径变流腔；
60.所述活塞杆柱左端与变流泵大活塞连接，活塞杆柱右端与变流泵小活塞连接。
61.进一步地，所述活塞泵的活塞腔与变流泵的大径变流腔通过桥接管线连接，桥接管线上安装有连接阀门11；
62.所述变流泵的小径变流腔轴向右端与变压输出管线连通，变压输出管线上设置连
接阀门。
63.进一步地，所述变流泵筒开设有与大径变流腔连通的第二进水孔，第二进水孔通过第二管线连接第二储水槽，第二管线上安装第二阀门；
64.所述变流泵筒开设有与小径变流腔连通的第三进水孔，第三进水孔通过第三管线连接第三储水槽，第三管线上安装第三阀门。
65.进一步地，还包括压力传感采集系统，所述压力传感采集系统包括压力传感器22、plc处理器、显示屏23，所述压力传感器、显示屏分别与plc处理器电连接，所述压力传感器通过连接管线与变压输出管线连通。虽然图纸并未绘制出plc处理器，但压力传感采集系统属于现有技术，直接购买这种系统总成，连接在本发明管线上即可，也就是图纸显示的压力传感器22其实是在壳体内集成了传感器本身以及plc处理器等，只不过显示器外露外连接在壳体外部而已。所以本技术领域技术人员对压力采集系统是清楚的。
66.总体来说，根据图纸，可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置，包括间歇式槽轮运动装置部分、活塞泵部分、“工”型变流泵部分、压力传感器部分以及各种连接管线和阀门组成。
67.所述间歇式槽轮运动装置部分包括无级变速电机、主动拨盘、从动槽轮和机架组成。所述主动拨盘具有一个向外突出的圆销。所述从动槽轮具有一个内凹的径向槽。无级变速电机带动主动拨盘旋转，此时圆销也在旋转时会卡进从动槽轮的径向槽，进而驱动从动槽轮运动。
68.所述活塞泵部分包括工作泵筒、螺旋式活塞柱、储水槽和阀门组成。所述螺旋式活塞柱在从动槽轮的带动下螺旋推进，进而泵中压力增加，工作泵筒的液体被驱出。所述电机每带动主动拨盘旋转一圈，则脉冲压力变化两个周期，从动槽轮旋转1/2圈，带动螺旋式活塞柱前进2mm，即从动槽轮每旋转1/4周，螺旋式活塞柱进尺1mm。
69.所述“工”型变流泵部分包括变流泵筒、“工”型活塞杆柱和连接管线组成。所述“工”型活塞杆柱的两端为直径不同的变流泵大活塞和变流泵小活塞。活塞泵中被驱出的液体经连接管线进入变流泵筒后，驱动“工”型活塞杆柱向前运动。经活塞泵排出较大流量的液体经“工”型变流泵减小至微量液体。经实验检测，通过“工”型变流泵的液体流量最低可至80ml/min，最高可至300ml/min。
70.所述压力传感器部分包括压力采集元件、数据线、显示器和压力传感系统。通过压力传感器部分的液体经压力采集元件收集并传输给压力传感系统，最后在显示器输出压力周期图像。
71.所述无级变速电机1带动主动拨盘3转动，进而带动圆销2驱动从动槽轮4转动；阀门9关闭后，连接着从动槽轮4的螺旋式活塞柱6被驱动，活塞泵筒7内的压力增大，液体排出并进入“工”型变流泵12，推动变流泵大活塞13向前运动，同时变流泵小活塞14进而推动变流泵筒12内后段的液体经连接管线排出，压力传感器22的压力采集元件收集排出液体压力，经过压力传感系统处理后，投射到显示器23上。
72.所述间歇式槽轮运动装置中，当主动拨盘3上的圆销2嵌入从动槽轮4内的径向槽5中时，带动从动槽轮4运动；当主动拨盘3上的外凸圆弧卡住从动槽轮4的内凹圆弧时，从动槽轮4被锁住，无法转动。这两个过程实现了从动槽轮4的间歇运动，进而最终实现排出液体的压力呈现周期性变化。
73.所述无级变速电机1，通过调节其转速，实现改变液体压力变化周期时间的长短即脉冲频率的范围。
74.所述“工”型变流泵12中变流泵大活塞13的直径大于变流泵小活塞14的直径。当活塞泵连接在“工”型变流泵12中活塞直径较大的一端时，活塞泵中的液体进入“工”型变流泵12中推动变流泵大活塞13向前运动，在“工”型活塞杆柱15连接下较小直径的变流泵小活塞14进而向前推动液体排出，成功实现将活塞泵中排出的较大流量液体经“工”型变流泵12后，减至微量流量的液体。
75.实施例2：
76.请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：
77.可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置，包括间歇传动机构、活塞泵、变流泵；
78.所述间歇传动机构的动力输出端与活塞泵的动力输入端连接；
79.所述活塞泵自身内部的活塞腔末端与变流泵的大变流腔连通。
80.进一步地，所述间歇传动机构采用间歇式槽轮运动装置；
81.所述间歇式槽轮运动装置包括主动拨盘3、从动槽轮4；所述主动拨盘的边缘设置圆销，所述从动槽轮开设四个径向槽5，所述主动拨盘的圆销在跟随主动拨盘旋转过程中依次间歇式进入径向槽进而间歇式拨转从动槽轮；所述主动拨盘上设置外凸圆弧，从动槽轮上设置内凹圆弧，所述主动拨盘上的外凸圆弧与从动槽轮上的内凹圆弧间歇式旋转滑动锁止定位。其实间歇式槽轮运动装置作为上位概念本身属于现有技术，有很多种变形结构，原理大同小异，本领域技术人员对此都是清楚的，应用其他变形结构也属于本发明的保护范围内。
82.进一步地，还包括无级变速电机1；
83.所述无级变速电机动力输出轴与主动拨盘中心孔连接固定。
84.进一步地，所述活塞泵包括螺旋式活塞柱6、活塞泵筒7、活塞泵大活塞8；
85.所述活塞泵大活塞装配于活塞泵筒内的活塞腔内；
86.所述螺旋式活塞柱外壁开设外螺纹，活塞泵筒轴向前半段中心开设内丝孔，螺旋式活塞柱装配于所述内丝孔，且螺旋式活塞柱轴向左端与从动槽轮的中心孔连接固定，螺旋式活塞柱轴向右端与活塞泵大活塞连接。虽然图纸没有详细到绘制出内丝孔，但本领域技术人员是清楚的。
87.进一步地，所述活塞泵筒开设有与活塞腔连通的第一进水孔，第一进水孔通过第一管线连接第一储水槽10，第一管线上安装第一阀门9。
88.进一步地，所述变流泵包括变流泵筒12、变流泵大活塞13、变流泵小活塞14、活塞杆柱15；
89.所述变流泵筒内部轴向左半段开设大直径的大径变流腔，变流泵筒内部轴向右半段开设小直径的小径变流腔；
90.所述变流泵大活塞装配于大径变流腔，所述变流泵小活塞装配于小径变流腔；
91.所述活塞杆柱左端与变流泵大活塞连接，活塞杆柱右端与变流泵小活塞连接。
92.进一步地，所述活塞泵的活塞腔与变流泵的大径变流腔通过桥接管线连接，桥接管线上安装有连接阀门11；
93.所述变流泵的小径变流腔轴向右端与变压输出管线连通，变压输出管线上设置连
接阀门。
94.进一步地，所述变流泵筒开设有与大径变流腔连通的第二进水孔，第二进水孔通过第二管线连接第二储水槽，第二管线上安装第二阀门；
95.所述变流泵筒开设有与小径变流腔连通的第三进水孔，第三进水孔通过第三管线连接第三储水槽，第三管线上安装第三阀门。
96.实施例3：
97.请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：
98.可控变频微量高压水力脉冲发生实验装置，包括间歇传动机构、活塞泵、变流泵；
99.所述间歇传动机构的动力输出端与活塞泵的动力输入端连接；
100.所述活塞泵自身内部的活塞腔末端与变流泵的大变流腔连通。
101.进一步地，所述间歇传动机构采用间歇式槽轮运动装置；
102.所述间歇式槽轮运动装置包括主动拨盘3、从动槽轮4；所述主动拨盘的边缘设置圆销，所述从动槽轮开设四个径向槽5，所述主动拨盘的圆销在跟随主动拨盘旋转过程中依次间歇式进入径向槽进而间歇式拨转从动槽轮；所述主动拨盘上设置外凸圆弧，从动槽轮上设置内凹圆弧，所述主动拨盘上的外凸圆弧与从动槽轮上的内凹圆弧间歇式旋转滑动锁止定位。其实间歇式槽轮运动装置作为上位概念本身属于现有技术，有很多种变形结构，原理大同小异，本领域技术人员对此都是清楚的，应用其他变形结构也属于本发明的保护范围内。
103.进一步地，还包括无级变速电机1；
104.所述无级变速电机动力输出轴与主动拨盘中心孔连接固定。
105.虽然以上所有的实施例均使用图1至图2，但作为本领域的技术人员可以很清楚的知道，不用给出单独的图纸来表示，只要实施例中缺少的零部件或者结构特征在图纸中拿掉即可。这对于本领域技术人员来说是清楚的。当然部件越多的实施例，只是最优实施例，部件越少的实施例为基本实施例，但是也能实现基本的本发明目的，所以所有这些变形实施例都在本发明的保护范围内。
106.本技术中凡是没有展开论述的零部件本身、本技术中的各零部件连接方式均属于本技术领域的公知技术，不再赘述。比如焊接、丝扣式连接等。
107.在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”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在本发明中的具体含义。
108.本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
109.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以
合适的方式结合。
110.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。