液磁耦合攜屑工具用的內轉子液力磁芯總成的製作方法

2023-12-10 14:25:22 3

本發明涉及石油天然氣井鑽井過程中，為了抑制巖屑床形成的技術領域。具體涉及液磁耦合攜屑工具用的內轉子液力磁芯總成。

背景技術：

複雜結構井是水平井、大位移井、多分支井、多底井等井型的統稱，其特點之一是具有較長的水平段，能夠大幅度提高井眼洩油麵積，最大限度地提高單井產量。已逐漸成為海洋石油天然氣、頁巖氣開採的主要井型，在世界範圍內布井數量呈逐年增加趨勢。然而複雜結構井由於造斜段和水平段較長，在重力分量的作用下，鑽進破碎的巖屑在水平段和造斜段極易沉積形成巖屑床，現場實踐和實驗研究均表明井斜大於45度後的造斜段和水平井段鑽井液攜帶巖屑效率低，巖屑易形成巖屑床，堵塞鑽完的井眼，即使少量的巖屑床形成後也會造成鑽具拖壓，粘卡等井下安全事故，造成機械鑽速大幅度降低，非生產時間和作業成本大幅度增加，這就要求在這類井型的鑽井過程中，保持較高的井眼巖屑清潔效率，在巖屑床易於形成的井段採用必要的方法，防止巖屑床的形成，保證鑽具和井眼安全。

針對目前大斜度和水平段存在巖屑清潔困難的問題，國內主要採用增大鑽井液排量、調整鑽井液流變性能、提高鑽杆轉速(連續油管鑽井不能使用)或短起下鑽具來改善。其中鑽井液排量、流變性和鑽杆轉速參數因其他鑽進工藝要求而不能僅考慮巖屑床問題，這些參數只能適當調整，所以現場應用最普遍的清潔井眼方法是短起下鑽具和長距離倒滑眼作業，但這種方法以犧牲鑽進時間為代價，增加鑽進成本，並不是從本質上解決這類井型的井眼清潔問題。

近幾年為解決水平井、大位移井的大斜度和水平段巖屑清潔困難問題，國外逐漸開始商用帶有葉片的井眼清潔工具，這類工具基本結構是在管柱本體上加工螺旋形或v型的葉片，通過絲扣與鑽杆連接，工作時隨鑽杆旋轉，環空鑽井液在葉片旋轉作用下獲得周向誘導速度形成螺旋流，使沉積在井眼低邊的巖屑重新啟動懸浮，有效抑制巖屑床的形成，提高井眼清潔效率。但國外商用的井眼清潔工具，均依賴於管柱的旋轉，這意味鑽進至巖屑沉積嚴重的造斜段時，如使用動力鑽具滑動鑽進，因鑽杆與井眼清潔工具不旋轉，導致井眼清潔工具失效，即使是複合鑽進，由於鑽杆轉速過低，井眼清潔工具旋轉作用效果也不顯著，而配套旋轉導向工具又因成本原因並不能廣泛使用，因此依賴管柱旋轉的井眼清潔工具並不適用我國的國情。

技術實現要素：

本發明為克服現有技術中存在的技術問題而提供液磁耦合攜屑工具用的內轉子液力磁芯總成，可以提高液壓勢能轉換為旋轉動能的效率。

一種液磁耦合攜屑工具用的內轉子液力磁芯總成，包括旋轉磁芯和壓差葉片，旋轉磁芯成貫通的筒狀，壓差葉片固定安裝於旋轉磁芯的一端。

通過將壓差葉片與旋轉磁芯固定連接，可以將壓差葉片因受到徑向液體流動所產生的旋轉，傳遞給旋轉磁芯，旋轉磁芯可以將該旋轉向外輸出。因為二者直接固定安裝，可以儘可能的擴大葉片的面積，當葉片與鑽井液接觸作用面積增加之後，液壓勢能轉換為旋轉動能效率將會提高。而且，因葉片間鑽井液過流面積大，相同鑽井液排量下，葉片間鑽井液流速低，因而可減少高含砂鑽井液對葉片的衝蝕，降低鑽井固控設備要求，節約成本。

優選的技術方案，其附加技術特徵在於：壓差葉片的數量至少為3片。

通過設置至少3片的壓差葉片，可以充分利用旋轉磁芯內部的流道的面積，將較多的液體流動的動能轉化為旋轉的動能。

進一步優選的技術方案，其附加技術特徵在於：壓差葉片的根部設置在中心軸上，壓差葉片與中心軸為一整體機械加工件。

通過設置中心軸，可以將旋轉磁芯內的液體流動導向距離旋轉磁芯的軸線較遠處，液體衝擊壓差葉片，相對於旋轉磁芯的軸線可以產生較大的扭矩，從而增加了旋轉磁芯所可以接受到的扭矩的上限，相應的，也可以增加旋轉磁芯所能對外施加的扭矩的上限。而且，整體機械加工的方式來形成壓差葉片和中心軸，也可以顯著提高部件的強度，提高使用壽命。

優選的技術方案，其附加技術特徵在於：葉片切面為螺旋形、機翼形、月牙形或弓形。

採用上述類型截面的葉片，能量轉化率高，有利於儘可能的利用液體流動的能量在環空鑽井液獲得周向誘導速度形成螺旋流，以帶動巖屑運動。

進一步優選的技術方案，其附加技術特徵在於：各片壓差葉片之間為等螺距設置。

採用等螺距設置壓差葉片，相應的，各個壓差葉片相對於旋轉磁芯的周向角度也是均勻分布的，從而能夠保證，在旋轉過程中，無論壓差葉片在旋轉到任何一個角度時，都可以保持相同的轉矩輸出。

優選的技術方案，其附加技術特徵在於：葉片的外徑大於等於旋轉磁芯的內徑。

內轉子設計葉片外徑大，與鑽井液接觸作用面積大，液壓勢能轉換為旋轉動能效率更高，可通過調節葉片水力參數(如螺距角、進角、攻角等)獲得更大的扭矩。而且，因葉片間鑽井液過流面積大，相同鑽井液排量下，葉片間鑽井液流速低，因而可減少高含砂鑽井液對壓差葉片的衝蝕，降低鑽井固控設備要求，節約成本。

優選的技術方案，其附加技術特徵在於：旋轉磁芯與壓差葉片通過緊配合連接。

通過旋轉磁芯與壓差葉片進行緊配合連接，可以儘可能擴大旋轉磁芯內部的空間，充分利用旋轉磁芯內壁的空間以增加葉片間的通道直接和旋轉磁芯中空流道聯通的面積，從而儘量增加對旋轉磁芯中的液體的流動能量的利用率。

優選的技術方案，其附加技術特徵在於：旋轉磁芯由無磁合金中空管柱整體機械加工而成，旋轉磁芯外壁設有至少兩個永磁鐵鑲嵌槽，永磁鐵鑲嵌槽沿旋轉磁芯的軸向延伸，永磁鐵鑲嵌槽中用於在工作時嵌有永磁鐵，永磁鐵的磁極方向沿旋轉磁芯的徑向設置，每相鄰的兩個永磁鐵磁極相反。

通過永磁鐵鑲嵌槽嵌裝不同磁極方向的永磁鐵，通過永磁鐵的周向移動，利用磁極之間的相互吸引和排斥作用，以帶動外部的相應旋轉葉片旋轉，帶動巖屑流動。

進一步優選的技術方案，其附加技術特徵在於：旋轉磁芯的外壁兩端設置有軸承座。

通過在旋轉磁芯兩端設置軸承座，可以提高旋轉磁芯相對於周圍部件旋轉的穩定性，從而保證壓差葉片旋轉時的角度的穩定，以利於充分利用液體流動的能量。

再進一步優選的技術方案，其附加技術特徵在於：永磁鐵的斷面形狀為梯形、正方形、長方形或扇環形。

採用上述截面形狀的永磁鐵，其加工性好，且嵌入到截面中之後可以較為牢固的固定在永磁鐵鑲嵌槽中。

附圖說明

圖1是本發明實施例1的液磁耦合攜屑工具用的內轉子液力磁芯總成的結構示意圖；

圖2是圖1的右視圖；

圖3是圖2的a-a剖視圖；

圖4是實施例1從一個方向觀察的立體圖；

圖5是實施例1從另一個方向觀察的立體圖。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，並詳細說明如下：

實施例1：

圖1是本發明實施例1的液磁耦合攜屑工具用的內轉子液力磁芯總成的結構示意圖；圖2是圖1的右視圖；圖3是圖2的a-a剖視圖；圖4是實施例1從一個方向觀察的立體圖；圖5是實施例1從另一個方向觀察的立體圖。圖中，各個附圖標記表示的含義如下；1、葉片中心軸；2、壓差葉片；3、前軸承座；4、永磁鐵鑲嵌槽；5、旋轉磁芯；6、後軸承座；7、鑽井液入口；8、鑽井液出口；9、鑽井液流道。

一種液磁耦合攜屑工具用的內轉子液力磁芯總成，包括旋轉磁芯5和壓差葉片2，旋轉磁芯5成貫通的筒狀，壓差葉片2固定安裝於旋轉磁芯5的一端。

通過將壓差葉片2與旋轉磁芯5固定連接，可以將壓差葉片2因受到徑向液體流動所產生的旋轉，傳遞給旋轉磁芯5，旋轉磁芯5可以將該旋轉向外輸出。因為二者直接固定安裝，可以儘可能的擴大壓差葉片2的面積，當葉片與鑽井液接觸作用面積增加之後，液壓勢能轉換為旋轉動能效率將會提高。

優選的，壓差葉片2的數量至少為3片。

通過設置至少3片的壓差葉片2，可以充分利用旋轉磁芯5內部的鑽井液流道9的面積，將較多的液體流動的動能轉化為旋轉的動能。

進一步優選的，壓差葉片2的根部設置在中心軸1上，壓差葉片2與中心軸1為一整體機械加工件。

通過設置中心軸1，中心軸的具體直徑，可以為旋轉磁芯內壁直徑的1/5～1/3，可以將旋轉磁芯5內的液體流動導向距離旋轉磁芯5的軸線較遠處，液體衝擊壓差葉片2，相對於旋轉磁芯5的軸線可以產生較大的扭矩，從而增加了旋轉磁芯5所可以接受到的扭矩的上限，相應的，也可以增加旋轉磁芯5所能對外施加的扭矩的上限。而且，整體機械加工的方式來形成壓差葉片2和中心軸1，也可以顯著提高部件的強度，提高使用壽命。

優選的，葉片切面為螺旋形、機翼形、月牙形或弓形。

採用上述類型截面的葉片，能量轉化率高，有利於儘可能的利用液體流動的能量在環空鑽井液獲得周向誘導速度形成螺旋流，以帶動巖屑運動。

進一步優選的，各片壓差葉片2之間為等螺距設置。

採用等螺距設置壓差葉片2，相應的，各個壓差葉片2相對於旋轉磁芯5的周向角度也是均勻分布的，從而能夠保證，在旋轉過程中，無論壓差葉片2在旋轉到任何一個角度時，都可以保持相同的轉矩輸出。

優選的，葉片的外徑大於等於旋轉磁芯5的內徑。

內轉子設計葉片外徑大，與鑽井液接觸作用面積大，液壓勢能轉換為旋轉動能效率更高，可通過調節葉片水力參數(如螺距角、進角、攻角等)獲得更大的扭矩。而且，因葉片間鑽井液過流面積大，相同鑽井液排量下，葉片間鑽井液流速低，因而可減少高含砂鑽井液對葉片的衝蝕，降低鑽井固控設備要求，節約成本。

優選的，旋轉磁芯5與壓差葉片2通過緊配合連接。

通過旋轉磁芯5與壓差葉片2進行緊配合連接，可以儘可能擴大旋轉磁芯5內部的空間，充分利用旋轉磁芯5內壁的空間以增加葉片間的通道直接和旋轉磁芯5中空流道聯通的面積，即擴大鑽井液入口7處的截面積，從而儘量增加對旋轉磁芯5中的液體的流動能量的利用率。

優選的，旋轉磁芯5由無磁合金中空管柱整體機械加工而成，旋轉磁芯5外壁設有至少兩個永磁鐵鑲嵌槽4，永磁鐵鑲嵌槽4沿旋轉磁芯5的軸向延伸，每個永磁鐵鑲嵌槽4中均嵌有永磁鐵，永磁鐵的磁極方向沿旋轉磁芯5的徑向設置，每相鄰的兩個永磁鐵磁極相反。

通過永磁鐵鑲嵌槽4嵌裝不同磁極方向的永磁鐵，通過永磁鐵的周向移動，利用磁極之間的相互吸引和排斥作用，以帶動外部的相應旋轉葉片旋轉，帶動巖屑流動。

具體說來，可以在工作時把永磁鐵鑲嵌在槽內，並且做注膠防震保護。旋轉磁芯5在滿足強度的情況下，永磁鐵鑲嵌數量優先取上限，優點是每相鄰兩永磁鐵形成的周期性變化磁場沿周向分布較密集，使外側旋轉葉片受到的周向力變化相對較小，旋轉時扭矩更加均勻，有助於保護軸承，減緩軸承磨損。

進一步優選的，旋轉磁芯5的外壁兩端設置有軸承座。其中，在鑽井液入口7處的為前軸承座3，在鑽井液出口8處的為後軸承座6。

通過在旋轉磁芯5兩端設置軸承座，可以提高旋轉磁芯5相對於周圍部件旋轉的穩定性，從而保證壓差葉片2旋轉時的角度的穩定，以利於充分利用液體流動的能量。

再進一步優選的，永磁鐵的斷面形狀為梯形、正方形、長方形或扇環形。

採用上述截面形狀的永磁鐵，其加工性好，且嵌入到截面中之後可以較為牢固的固定在永磁鐵鑲嵌槽4中。

儘管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以作出很多形式，例如：①除了實施例中所列舉的壓差葉片與旋轉磁芯之間是通過緊配合連接的，實際上還可以通過鍵槽配合進行連接。這些均屬於本發明的保護範圍之內。