一種水輪式振動固井工具的製作方法

2024-02-06 17:17:15

本發明涉及完井工具領域，特別是一種固井作業中提高固井效果的水輪式振動固井工具。

背景技術：

振動固井技術是鑽完井領域裡一項新興技術，常見的振動固井工具主要有渦輪式水力振動工具、翻板式振動工具和管內振動工具等幾種；渦輪式振動工具主要利用水力驅動渦輪帶動偏振塊以實現振動的目的，這種振動工具產生振動能量較大，但循環壓耗較高，提高了施工的整體風險，此外渦輪不能承受較高的水頭壓力，當水頭壓力超過設計最大承載能力時會發生自鎖；翻板式振動工具主要安裝在完井管柱下端，通過周期性改變循環壓力，在側面實現循環流體的振動；管內振動工具通常採用電力作為動力，使用電纜進行輸送，這種振動工具產生的振動能力較強，但需要單獨進行作業，而且這種工具開始工作時一般已完成固井作業，對固井效果的提升有限。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術存在的問題，設計了一種水輪式振動固井工具，以克服渦輪結構壓耗高和無法承受較高水頭壓力的問題，同時還可以獲得較好的振動效果；此外，水輪式振動固井工具可以在固井施工中的全部時間起到作用，且不像管內振動工具需要在固井作業完成後單獨下入，因此具有較強的實用性。

本發明的技術方案是：

一種水輪式振動固井工具，包括外套和設置在外套內的導流槽、上蓋、下蓋及葉輪，其中：導流槽被固定在外套中上部，葉輪軸周邊設有數個葉片，葉輪周邊的葉片部分加重處理構成重心偏離軸心結構，葉輪通過上、下蓋夾持在導流槽下部的外套內，葉輪與上、下蓋構成旋轉配合，上、下蓋設有軸向過流通道。

上述方案進一步包括：

上蓋的過流通道與下蓋的過流通道之間錯開90°的夾角。

葉輪與上、下蓋通過軸承構成旋轉配合。

導流槽、上蓋構成周向插接限位配合，導流槽和下蓋外側分別通過上固定環和下固定環與外套固定連接。

工具工作時水流從工具上部進入，進入導流槽後，水流從軸向流轉變為螺旋向下的周向旋流，當水流到達上蓋時，受到導流槽的約束和上蓋開孔位置的影響，水流將以較高的速度旋轉進入上蓋和下蓋之間的空間；因為下蓋的開孔位置與上蓋錯開了90度，所以上蓋和下蓋之間的液體需要周向旋轉一定位置才能流出；在導流槽、上蓋和下蓋的共同影響下，葉輪周圍的液體將以較高的速度發生旋轉，帶動葉輪轉動，因為葉輪的重心偏離其軸線位置，所以在轉動時能夠產生振動。

本發明的優點是：

工具結構簡單，可靠性高，水力利用率高；工具運轉時產生的循環磨阻小，降低了施工風險，同時可以在固井的各個環節起到作用，工具利用率高。水輪式振動固井可以有效克服常規振動固井工具的缺陷，可以在循環壓耗提高不大的情況下獲得較好的振動效果，同時解決了渦輪式振動工具受最大水頭壓力限制的問題。

附圖說明

圖1為該水輪式振動固井工具的結構示意圖。

圖2為葉輪結構放大示意圖。

圖3為圖1的半剖結構及工作方式示意圖。

圖4為上蓋在俯視情況下的過流通道位置示意圖。

圖5為下蓋在俯視情況下的過流通道位置示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行詳細說明。

本發明主要由外套1-1、上固定環1-2、導流槽1-3、上蓋1-4、葉輪1-5、下蓋1-6、下固定環1-7等幾個部分組成。

外套1-1主要起到固定內部結構及規整水流的作用，上固定環1-2和下固定環1-7通過螺紋與外套1-1連接，同時將其餘部件限定在工具中部；導流槽1-3被上固定環1-2採用內嵌及點焊的方式固定在外套1-1中部，導流槽1-3的主要功能是調整水的流動狀態，水流通過導流槽1-3時流向發生改變，由直向下的軸向流轉變為旋轉向下的旋流；上蓋1-4安裝在導流槽下部，兩個部件之間通過插槽連接，上蓋1-4主要起到限定葉輪1-5位置的作用，同時上蓋1-4留有過流通道，可以配合導流槽1-3和下蓋1-6規整水流，提高工具整體的水力利用率；葉輪1-5是工具的活動部件，負責將水流的動能轉化為振動能量，葉輪1-5被上蓋1-4和下蓋1-6限定在兩個部件之間，可以進行周向運動；下蓋1-6通過下固定環1-7固定在工具下部，起到對葉輪1-5提供限位的作用。

葉輪1-5上有7個葉片（如圖2），其中有三片相連的葉片尺寸加厚並使用重質金屬，即如鋼等密度較高的金屬作為材質，其餘四個葉片的材質為鋁合金等輕質金屬，這樣葉輪在旋轉的時候就可以產生偏心振動的效果。

當水流通過上固定環1-2的通孔後進入導流槽1-3和外套1-1形成的螺旋流道，從軸向流轉變為斜向下的周向流，之後水流從上蓋1-4的過流通道a進入，再從下蓋1-6的過流通道b流出，期間帶動葉輪1-5旋轉，從而產生轉動，水流最後從下固定環1-7的通孔流出。

上蓋1-4的流動通道和下蓋1-6的過流通道位置相差90°，該結構可以配合導流槽1-3提高葉輪對水流周向運動能量的利用率，提高振動效果。