有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱技术领域
本实用新型涉及有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱，主要适用于水平井体积
压裂多级分簇射孔压裂管柱中。
背景技术
水平井体积压裂技术是目前长庆油田增储上产的主流改造技术，实施这项技术的
关键工具串为多级拖动/多级不动管柱水力喷射压裂管柱，由于高泵压、大排量、大液量、大
砂量流体流动下，携砂液在长水平段容易出现砂液分离、颗粒砂沉积现象，这样降低了进入
上、下游喷射器处的砂浓度、砂量，导致上、下游喷射器射孔效果不佳，使产生的射孔通道
（宽度、长度）达不到理论计算值和数值模拟结果，不利于多级分簇射孔，给后续压裂起裂造
成一定的困难。
为此，公司自主研发了双螺旋分流短节，通过现场试验和室内实验，取得了良好的
实验效果。实验发现，高速携砂液流经一段等直管时，颗粒砂从管路底部运动到管路中心部
位，越来越多的颗粒砂向管路中心部位聚集，并沿管路液流方向运动，砂浓度沿管路高度分
布规律为“管路中心处高，管路上、下壁处低”，但流经双螺旋分流短节时，高速携砂液以旋
流状态迅速混合均匀并以螺旋式向前运动，经过双螺旋分流短节后，高速携砂液仍然以螺
旋式旋流状态向前运动，而且运动位移较长。
根据上述现象和原理，创新提出是否可以在管柱的不同位置处连接这种双螺旋分
流短节，组成有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱，正好解决目前水平井体积压裂长水
平段砂液分离、颗粒砂沉积的问题，为此，设计了有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱。
实用新型内容
本实用新型通过在多级分簇喷射压裂管柱不同的位置（一定油管长度）增加双螺
旋短节，使高速携砂液流经第一级双螺旋短节时产生螺旋旋流运动状态，经过双螺旋短节
后高速携砂液仍然以螺旋旋流状态向前运动，而且运动的位移恰好为每两级双螺旋短节之
间的油管长度，从而始终保持高速携砂液在长水平段中以螺旋旋流状态运动，直至运动到
分簇射孔上、下游喷射器处，有效进行射孔和后续压裂，解决目前水平井长水平段砂液分
离、颗粒砂沉积问题，确保水平井体积压裂多级分簇射孔压裂工艺施工成功率。
本实用新型要解决的技术问题是提供有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱，使
大液量、高流速携砂液以螺旋旋流状态沿管柱长度方向运动，保证颗粒砂和液体实时混合
均匀，据此提高水平井长水平段携砂液中砂浓度、砂量的稳定性，达到有效射孔和压裂的效
果。
本实用新型采用的技术方案为：
有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱，包括从井口到井底依次连接的第一级油
管、和第n级油管，所述第一级油管与第n级油管之间设置有多个双螺旋短节和油管，所述的
双螺旋短节和油管交替连接；所述第n级油管下端依次连接有上双螺旋短节和上水力喷射
器，所述上水力喷射器下端依次连接有下双螺旋短节和下水力喷射器，所述下水力喷射器
下端连接有伸缩补偿器，所述伸缩补偿器下端连接有底封拖动压裂封隔器。
所述上双螺旋短节与第n级油管之间连接有上调整短节，所述上调整短节与第n级
油管通过安全接头连接。
所述下双螺旋短节与上水力喷射器之间通过下调整短节连接。
所述下水力喷射器与伸缩补偿器之间设置有单流阀。
上述多个双螺旋短节长度均为2500mm，外径80mm，内径40mm，螺旋线沿顺时针方
向，螺旋角45°，双螺旋螺距120mm，双螺旋线间距30mm。
所述的多个双螺旋短节内设有螺旋梯形槽，其螺旋梯形槽长120mm，槽深5mm，槽底
部宽度10mm，梯形角60° ，所述的螺旋梯形槽内镀有抗耐磨材料。
所述第一级油管与第n级油管之间设置有个双螺旋短节和个油管，所述的双螺旋
短节和油管交替连接；第一级油管与第n级油管之间依次连接有第一级双螺旋短节、第二级
油管、第二级双螺旋短节，第三级油管、第三级双螺旋短节、第四级油管、第四级双螺旋短
节。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型在双螺旋短节双螺旋梯形槽内镀有抗耐磨材料，防止了双螺旋流道的
局部冲蚀，提高了双螺旋流道的旋流效果。通过在多级分簇喷射压裂管柱不同的位置（一定
油管长度）增加双螺旋短节，使高速携砂液流经第一级双螺旋短节时产生螺旋旋流运动状
态，经过双螺旋短节后高速携砂液仍然以螺旋旋流状态向前运动，而且运动的位移恰好为
每两级双螺旋短节之间的油管长度，始终保持高速携砂液在长水平段中以螺旋旋流状态运
动，直至运动到分簇射孔上、下游喷射器处，有效进行射孔和压裂，应用效果显著，实用性
强，解决了目前水平井长水平段砂液分离、颗粒砂沉积问题，提高了水平井体积压裂多级分
簇射孔压裂工艺施工成功率。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1为有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱示意图；
图2 双螺旋短节顺时针双螺旋线展开图；
图3 双螺旋短节顺时针双螺旋槽俯视图。
图中，附图标记为：1-第一级油管；2-第1级双螺旋短节；3-第2级油管；4-第2级双
螺旋短节；5-第3级油管；6-第3级双螺旋短节；7-第四级油管；8-第四级双螺旋短节；9-第n
级油管；10-安全接头；11-上调整短节；12-上双螺旋短节；13-上水力喷射器；14-下调整短
节；15-下双螺旋短节；16-下水力喷射器；17-单流阀；18-伸缩补偿器；19-底封拖动压裂封
隔器。
具体实施方式
实施例1：
本实用新型提供一种如图1所示的限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱，本实用
新型通过在多级分簇喷射压裂管柱不同的位置（一定油管长度）增加双螺旋短节，使高速携
砂液流经第一级双螺旋短节时产生螺旋旋流运动状态，经过双螺旋短节后高速携砂液仍然
以螺旋旋流状态向前运动，而且运动的位移恰好为每两级双螺旋短节之间的油管长度，从
而始终保持高速携砂液在长水平段中以螺旋旋流状态运动，直至运动到分簇射孔上、下游
喷射器处，有效进行射孔和后续压裂，解决目前水平井长水平段砂液分离、颗粒砂沉积问
题，确保水平井体积压裂多级分簇射孔压裂工艺施工成功率。
本实用新型要解决的技术问题是提供有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱，使
大液量、高流速携砂液以螺旋旋流状态沿管柱长度方向运动，保证颗粒砂和液体实时混合
均匀，据此提高水平井长水平段携砂液中砂浓度、砂量的稳定性，达到有效射孔和压裂的效
果。
有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱，包括从井口到井底依次连接的第一级油
管1、和第n级油管9，所述第一级油管1与第n级油管9之间设置有多个双螺旋短节和油管，所
述的双螺旋短节和油管交替连接；所述第n级油管9下端依次连接有上双螺旋短节12和上水
力喷射器13，所述上水力喷射器13下端依次连接有下双螺旋短节15和下水力喷射器16，所
述下水力喷射器16下端连接有伸缩补偿器18，所述伸缩补偿器18下端连接有底封拖动压裂
封隔器19。
本实施例中根据现场的需要，确定所述第n级油管9中n的值，在每两级双螺旋短节
之间的油管的长度应等于携砂液通过上一级双螺旋短节后仍然以螺旋旋流状态运动的位
移，保证大液量、高流速携砂液的螺旋旋流状态连续有效。这样确定好油管长度，最终确定
需要几节双螺旋短节，多个双螺旋短节便于在施工作业中调配和更换。
本实用新型是实现井底砂液重新混配的重要工具，改变了进入水平井长水平段携
砂液中颗粒砂、液体的运动流态，使原本受重力作用迫使下沉的颗粒砂和沿管柱直径方向
流动的液体在双螺旋旋流和离心力作用下充分混合，保证了高速流动下携砂液的有效砂浓
度，从而保持了进入多级分簇射孔上、下游喷射器处砂浓度的稳定状态，确保了正常射孔及
后续压裂，适合应用于水平井体积压裂多级分簇射孔压裂管柱中。其他水平井体积压裂多
级不动/拖动水力喷射压裂管柱结构可以在上述管柱图中适当增加或更换相应工具，但第n
级双螺旋短节以上的管柱保持不变。
本实用新型涉改变了进入水平井长水平段携砂液中颗粒砂、液体的运动流态，使
原本受重力作用迫使下沉的颗粒砂和沿管柱直径方向流动的液体在双螺旋旋流和离心力
作用下充分混合，保证了高速流动下携砂液的有效砂浓度，从而保持了进入多级分簇射孔
上、下游喷射器处砂浓度的稳定状态，确保了正常射孔及后续压裂，适合应用于水平井体积
压裂多级分簇射孔压裂管柱中。
实施例2：
基于上述实施例的基础上，本实施例中，所述上双螺旋短节12与第n级油管9之间
连接有上调整短节11，所述上调整短节11与第n级油管9通过安全接头10连接。
所述下双螺旋短节15与上水力喷射器13之间通过下调整短节14连接。
所述下水力喷射器16与伸缩补偿器18之间设置有单流阀17。
所述的第一级油管1和第n级油管9结构相同，均为Φ73mm油管。
所述的上调整短节11和下调整短节14结构相同，均为Φ73mm调整短节。
如图2和图3所示，上述多个双螺旋短节长度均为2500mm，外径80mm，内径40mm，螺
旋线沿顺时针方向，螺旋角45°，双螺旋螺距120mm，双螺旋线间距30mm。
所述的多个双螺旋短节内设有螺旋梯形槽，其螺旋梯形槽长120mm，槽深5mm，槽底
部宽度10mm，梯形角60° ，所述的螺旋梯形槽内镀有抗耐磨材料。
所述第一级油管1与第n级油管9之间设置有4个双螺旋短节和4个油管，所述的双
螺旋短节和油管交替连接；第一级油管1与第n级油管9之间依次连接有第一级双螺旋短节
2、第二级油管3、第二级双螺旋短节4，第三级油管5、第三级双螺旋短节6、第四级油管7、第
四级双螺旋短节8。
有限级间断式双螺旋井底砂液混配管柱，其特征在于从井口到水平井底：其中，每
一级双螺旋短节内腔根据阿基米德双螺旋线原理设计加工双螺旋梯形槽，并在双螺旋梯形
槽表面镀有耐磨材料，以防止双螺旋流道的局部冲蚀。可以使大液量、高流速携砂液沿螺旋
线流道以螺旋旋流状态运动，将水平段携砂液中的颗粒砂和液体充分混合均匀，始终保持
混合均匀的高速携砂液运动到分簇射孔上、下游喷射器处，提高上、 下游喷射器射孔效果。
本实用新型中每两级双螺旋短节之间的油管的长度应等于携砂液通过上一级双
螺旋短节后仍然以螺旋旋流状态运动的位移，保证大液量、高流速携砂液的螺旋旋流状态
连续有效。
本实用新型中双螺旋短节的上、下部螺纹扣型为2-7/8"EUE，每英寸8牙，锥度1:
16。
本实用新型的连接方式为油管螺纹连接，以便于拆卸和更换。
本实用新型中的双螺旋短节长度2500mm，外径80mm，内径40mm，螺旋线沿顺时针方
向，螺旋角45°，双螺旋螺距120mm，双螺旋线间距30mm，螺旋梯形槽长120mm，槽深5mm，槽底
部宽度10mm，梯形角60° 。
本实用新型中的其他工具的结构参数与常规工具参数一致，按尺寸要求选用即
可，其中底封拖动压裂封隔器19为机械压缩式封隔器。
本实用新型中的多个双螺旋短节其本体均采用35CrMo材料，经热处理硬度达197~
235HB，内腔根据阿基米德双螺旋线原理特殊加工双螺旋梯形槽，并在双螺旋梯形槽表面镀
有镍基合金材料以防止流体由于旋向的改变而引起螺旋梯形槽局部冲蚀。该双螺旋短节双
螺旋梯形槽加工不允许有裂纹、气孔等缺陷，螺旋过渡平缓光滑。
本实用新型的连接方式为油管螺纹连接，以便于拆卸和更换。
本实用新型的应用方式为：
1. 首先油气井进行水平井体积压裂多级拖动（不动）管柱分簇喷射压裂施工前，
根据施工管柱结构图，将双螺旋短节安装在压裂管柱的不同位置，组装连接好压裂管柱。
2. 将上述压裂管柱下入到设计井深位置，然后井口释放管柱悬重，坐封底封拖动
压裂封隔器19，实现压裂管柱的可靠密封和定位。
3. 上述压裂管柱入井坐封锚定后，利用泵车以排量0.6～1.0 m3/min清水循环洗
井，保证井筒机械杂质含量小于0.2%，井筒清洁干净。
4. 然后提高泵车排量至1.0~2.0m3/min，将砂浓度为130~145kg/m3携砂液沿压裂
管柱泵入，当高速携砂液流经多个双螺旋短节到第n级双螺旋短节和下双螺旋短节12与下
双螺旋短节15时，由于双螺旋结构使高速携砂液产生螺旋旋流运动状态，将携砂液中的颗
粒砂和液体充分混合均匀，保持整个水平段压裂管柱内高速携砂液始终以螺旋旋流状态运
动，直至运动到上、下游上水力喷射器13和下水力喷射器16处，达到射孔目的，形成井筒与
地层连通通道。
5. 射开孔道后，泵车以排量2.0m3/min注入顶替液，将压裂管柱内携砂液替入地
层，然后冲洗压裂管柱。
6. 冲洗完毕后，套管环空提高排量至3.6~4.0m3/min开始进行环空压裂，同时，压
裂管柱内以排量1.0m3/min伴注平衡压力，按照施工设计要求压裂后，再以排量4.0m3/min注
入顶替液，将压裂管柱中压裂液全部替入地层，以完成储层压裂改造。
7. 待第一段射孔压裂完成后，井口上提管柱解封底封拖动压裂封隔器19，按照施
工设计泵注程序上提至规定井深位置，释放悬重二次坐封底封拖动压裂封隔器19，然后依
据上述水力射孔、压裂步骤继续完成第2段的喷射压裂施工。
8. 完成设计段数水力喷射压裂施工后，将压裂管柱起出井口，重新下入采油气管
柱完井，装井口装置，并且及时拆卸、检查多个交替连接的油管和双螺旋短节到第n级双螺
旋短节和上双螺旋短节12与下双螺旋短节15（检查外壁和双螺旋内腔）使用情况，用于保养
或更换多个交替连接的油管和双螺旋短节到第n级双螺旋短节和上双螺旋短节12与下双螺
旋短节15，以便后续再次进行水力喷射压裂施工。