CN102787823A - 井下旋流剪切发生器 - Google Patents

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Abstract

一种井下旋流剪切发生器，包括接箍、外筒、导向座，涉及石油工程中的固井技术领域，其特征在于：外筒内设置了剪切转子，剪切转子上设有叶栅，锁丝用于固定导向定子，导向定子起导流作用，导向定子上有多个导流倾斜孔，流体通过该导流倾斜孔改变流动方向，垂直打在旋流转子上，提高能量转换效率，旋流转子产生高速转动，螺旋流体继续受到剪切搅拌作用，最后以大强度螺旋流状通过设置在外筒端部的导向座流出。本发明的有益效果是结构合理、强度高，在固井过程中安装本发明后，通过本发明的螺旋流动可以增加井壁的周向剪切驱动力，可以更有效地携带岩屑及冲刷井壁，提高界面胶结强度，水泥浆对钻井液的顶替效果提高5％～7％；水泥浆的初凝时间缩短10％～15％，固井二界面的胶结强度提高20％～30％，水泥石的抗压强度提高15％～22％，第二界面胶结质量明显好于常规固井。

Description

井下旋流剪切发生器
所属技术领域
本发明涉及石油工程中的固井技术领域，尤其是一种在旋流顶替固井技术上的井下旋流剪切发生器。
背景技术
旋流顶替技术中顶替液的螺旋运动，基周向流速给井壁增加了周向剪切驱动力，形成周向流携带与冲刷和轴向流的轴向驱替联动作用，相比单纯的轴向顶替可以有效清除岩屑，提高固井顶替效率界面胶结强度。
现有旋流顶替技术主要有以下几种：1、活动套旋流顶替固井，通过顶替过程中旋转套管实现固井流体的螺旋流动，其缺陷是由于旋转扭矩过大，转速不能太快，导致效果不理想；加大转速，则作业风险加大，尤其是大斜度井、水平井固井，这一技术更是受到限制。2、旋流套管技术，采用在钻井套管外层缠绕不锈钢丝的方式，将套管下入井内，固井时，整个固井段产生旋流，提高了钻井液的顶替效率，同时还能够在一定程度上提高水泥与套管的胶结质量，旋流套管缺点在于：固井流体在通过流道时产生的摩阻力比正常情况会大很多，如果流道旋转程度一般，固井流体通过时旋流程度不高；如果流道旋转程度很高，固井流体受到的摩阻也会增大，旋流程度也会受到很大限制，总体来说，这种固井旋流套管产生的旋流强度不会很高，效果不明显。3、固井旋流器，该旋流器主要由外管、内管和螺旋形流道组成、旋流器流道在内管上设有进液孔，在外管上设有出液孔，将内管放外管中用外管与其他管相连的螺纹顶紧。这种固井旋流器在一定程度上可以提高水泥浆的顶替效果，固井旋游器缺点在于：固井流体需要通过内管进入外管这个过程才能旋流，这一过程会消耗很多固井流体的动能，降低了固井流体的流动能力，也限制了产生的旋流强度。
发明内容
本发明的目的是针对上述已有技术的缺陷，提供一种新的设计装置，在旋流顶替固井技术上的井下旋流剪切发生器。
本发明采用通过外筒内多组转子叶栅的剪切、搅拌作用破坏循环液体的内部结构，降低钻井液的粘度和动力，钻井液处于易于流动的紊流状态，利于强化紊流替浆效果，提高顶替效率。使水泥颗粒充分均匀地分散到液流中，提高水泥浆的流变性，获得均匀分布的水泥浆，从而得到完全湿润和分散均匀的水泥石。本发明放于套管串下部，使钻井液在环空中形成旋流场，改变流动状态，改变套管柱相对井眼轴线的位置，能够冲洗井壁虚泥饼、残留的固相颗粒，冲洗井陉变化率较大的滞留的钻井液及拖泄窄边的钻井液，提高钻井液的携砂能力，降低岩屑在环空中的堆积程度，从而达到提高井眼清洗度。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明由接箍、外筒、导向座组成，外筒内设置多组转子叶栅，从上到下设置了剪切转子，剪切转子上设有叶栅高速转动，对流体产生剪切搅拌作用，同时流体沿着叶栅流道流动，形成螺旋流动，锁丝用于固定导向定子，防止内部装置脱落，采用高速耐磨防水轴承提高转子旋转速度，防止轴磨损，导向定子起导流作用，导向定子上有多个导流倾斜孔，最佳为6个，流体通过该导流倾斜孔改变流动方向，垂直打在旋流转子叶栅上，提高能量转换效率，旋流转子产生高速转动，螺旋流体继续受到剪切搅拌作用，最后以大强度螺旋流状通过设置在外筒端部的导向座流出。当流体流入本发明时，利用剪切转子叶栅的转动和旋流转子的高速转动，在井眼底部环空形成旋流场，这种旋流强度大大提高，更易于携带近井壁的钻井液和冲刷井壁上的泥饼，形成周向流携带与冲刷和轴向流的轴向驱替联动作用，达到旋流环空顶替的目的提高固井顶替效率和界面胶结强度，利用转子的高速转动对钻井液和水泥浆进行剪切搅拌，降低钻井液的粘度，使水泥浆各组分的泥合均匀，提高水泥石抗压强度。本发明的工作原理是：一，钻井液以一定功能冲击剪切转子叶珊，将能量转化为转子转动的机械能，从而产生升力使剪切转子高速旋转。钻井液在通过剪切转子的过程中就会受到转子转向对其产生的剪切搅拌作用，从而有效稀释了钻井液，降低其粘度，使其流动性增强，更有利于被顶替；二，钻井液以一定角度冲击旋流转子叶栅后，不仅有随旋流转子转动产生的环向速度，还有顺着叶栅流道斜向流动的相对速度，产生螺旋流动，相比单纯的轴向流固井，更易达到紊流顶替，增加环空替效率；三，通过本发明的螺旋流动可以增加井壁的周向剪切驱动力，可以更有效地携带岩屑及冲刷井壁，提高界面胶结强度。
本发明的有益效果是结构新颖合理，在固井过程中安装本发明后，通过该装置的旋流剪切的工作运动，水泥浆对钻井液的顶替效果提高5％～7％；水泥浆的初凝时间缩短10％～15％，固井二界面的胶结强度提高20％～30％，水泥石的抗压强度提高15％～22％，第二界面胶结质量明显好于常规固井。
附图说明
附图1为本发明的剖面示意图。
其中(1)为接箍，(2)为外筒，(3)为剪切转子，(4)为锁丝，(5)为高速耐磨防水轴承，(6)为导向定子，(7)为旋流转子，(8)为导向座，(9)为叶栅，(10)为导流倾斜孔。
具体实施方式
本发明的实施例结合附图作进一步的描述：
见附图所示，该装置从上到下依次结构及功能为：接箍(1)带有标准套管扣用于与套管连接，外筒(2)上部与套管直接通过螺纹丝扣连接下部与导向座(8)相连，中间用于容纳导向定子(6)和多组转子：剪切转子(3)、旋流转子(7)，以及防止流体外漏，承担周向压力等，以固井液为动力源，当流体流入本发明时，剪切转子(3)产生高速转动，对流体产生剪切搅拌作用，同时流体沿着叶栅(9)流道流动，形成螺旋流动，锁丝(4)用于固定导向定子(6)，防止内部装置脱落，高速耐磨防水轴承(5)提高了转子旋转速度，防止轴磨损，导向定子(6)起导流作用，导向定子(6)上有设有多个导流倾斜孔(10)，流体通过该设置改变流动方向，垂直打在旋流转子(7)上，提高能量转换效率，旋流转子(7)产生高速转动，螺旋流体继续受到剪切搅拌作用，最后以大强度螺旋流状通过外筒(2)端部的导向座(8)流出，导向座(8)下部略呈半球面环型，其上部直径大于下部直径，设置于外筒(2)底部，引导套管下入。

Claims (2)

1.一种井下旋流剪切发生器，包括接箍、外筒、导向座，其特征在于：外筒内设置了剪切转子，剪切转子上设有叶栅，锁丝用于固定导向定子，导向定子起导流作用，导向定子上有多个导流倾斜孔，流体通过该导流倾斜孔改变流动方向，垂直打在旋流转子上，提高能量转换效率，旋流转子产生高速转动，螺旋流体继续受到剪切搅拌作用，最后以大强度螺旋流状通过设置在外筒端部的导向座流出。
2.根据权利要求1所述的一种井下旋流剪切发生器，其特征在于导向座下部略呈半球面环型，其上部直径大于下部直径，设置于外筒底部。
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