CN104481442A - 一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置，它包括电磁驱动器、声辐射器和电源控制仪。所述电磁驱动器由中心杆、导杆、导磁磁轭、线圈、内外套筒、冷却水箱、隔板、端盖、预压碟簧等组成，中心杆由两端的磁导率高的材料和中心杆非导磁段材料通过螺纹连接在一起，中心杆通过自润滑轴套安装和固定在内套筒上；导杆通过自润滑轴套安装和固定在导杆孔处，中心杆穿过内套筒；中心杆在电磁力作用下上下运动，带动导杆也上下运动，中心杆的上下运动通过导杆传递到上、下声辐射器，把轴向运动转换成横向振动，形成声波作用于油层。本发明结构简单、安装方便、将电能转化为振动机械能；提高油层原油的流动性，减小“贾敏效应”，提高采收率。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置，是一种由电磁驱动器驱动井下声辐射器产生振动，作用于油层，提高原油的采收率的解堵装置。
背景技术
随着油田开发时间的不断延长，油井的产能及注水井的吸水指数都会明显下降，其主要原因是由于泥质、石蜡胶质及沥青质的沉积物、污垢、乳化液以及其他机械杂质将孔隙通道堵塞，使油层渗透率减小，油井产量下降。
早期的振动解堵采油技术基本采用大功率的起振机、电磁锤、机械式震荡器作为人工震源。但是，这些地面震源设备，能量的利用率低，易于对地面装备产生破坏。国内，邢立升的振动采油换能器专利200610169159.1，其产生的振动波频率较低，能量密度不高，作用效果有限。国内外发明的各式流体动力采油换能器和各种水力式震荡器等，如旋笛式、哈特曼式及帕尔曼式等。因为我国水资源的短缺现状，在实际油田的应用受到制约。随着材料科学的发展，美国发明研制了磁致伸缩式大功率高频声波装置和压电式换能超声装置US 6230799B1。但其在加工过程中，工艺复杂，成本高，同时其传递产生的横向振幅小，产生的谐波振幅小。
近年，国内对井下低频振源研究的很少，而通过井下振动，祛除油层套筒和地层结垢与堵塞，对提高原油采收率却具有很大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置，通过电磁直线驱动器，带动与之配合的声辐射器产生横向振动，形成声波及水力冲击波，作用于井底，对油层裂缝进行解堵，提高油层原油的流动性。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
本发明一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置，包括电磁驱动器、声辐射器和电源控制仪。所述电磁驱动器由中心杆、导杆、导磁磁轭、线圈、内外套筒、冷却水箱、隔板、端盖、预压碟簧等组成，中心杆由两端的磁导率高的材料和中心杆非导磁段材料通过螺纹连接在一起，其两端与导杆相连接；导杆连接预压碟簧，中心杆通过自润滑轴套安装和固定在内套筒上；导杆通过自润滑轴套安装和固定在导杆孔处，中心杆穿过内套筒，中心杆与内套筒之间及导杆与导杆孔之间都是间隙配合；中心杆在电磁力作用下上下运动，带动导杆也上下运动，通过导杆孔输出，输出振幅位移2mm-3mm；内套筒上部外套上冷却水箱，内套筒下部外套下冷却水箱，上、下冷却水箱通过导管导通，用于给因电磁热效应而温度升高的电磁驱动器降温。导磁磁轭由导磁硅钢片叠成或直接由导磁材料加工而成，用于形成闭合磁路，为防止端部漏磁，导磁磁轭在中心杆两个端部做成内突结构，导磁磁轭内部安装冷却水箱，上下导磁磁轭通过圆柱形带孔的隔板隔开；隔板为非导磁材料组成，用于防止上下线圈区域相互漏磁。线圈缠绕在与冷却水箱接触的线圈骨架上，导磁磁轭外装上外套筒。内、外套筒都由非导磁材料组成，用于防止电磁驱动器向外部空间漏磁。上、下端盖通过端盖圆周方向上均匀分布的八个内六角螺钉与外套筒连接固定。在端盖圆周方向上均匀开四个连杆孔，端盖为内凹结构，预压碟簧一端与导杆连接，一端与端盖连接，预压碟簧处于压缩状态，改变外套筒上的八个螺钉连接的松紧度，可以调节预压碟簧的预压力。在外套筒和导磁磁轭处开线圈引线出入口和冷却水出入口，用于线圈引线和水管的输入与输出。整个电磁驱动器通过井下夹具固定在井下油层处。
所述声辐射器由加载板、连杆、止位板、辐射板、声辐射器板组成。加载板为正六面体，与电磁驱动器的导杆接触；止位板由圆盘和正六面体形成凸台结构，止位板圆盘圆周方向均匀开四个孔；声辐射器板为圆形，中心有通孔，圆周上均匀分布四个孔；导杆从声辐射器板中心孔通过，圆柱形连杆从止位板圆盘圆周方向上的孔和声辐射器板圆周上的孔通过，辐射板为预弯曲矩形板，两端开有螺钉孔，辐射板两端通过螺钉分别连接在加载版和止位板六面体边上。声辐射器有两个，分别通过连杆与电磁驱动器的两端盖连接固定。声辐射器处在油层射孔处或油层堵塞处。所述电源控制仪位于地面，控制着水泵和线圈的通断电、电流大小和频率。线圈接在正弦的交流电源或半波脉冲电源上，电磁驱动器的上、下线圈都接在同一电源上，通过电源控制仪，上、下线圈周期性交替通断电，冷却水泵接在另一电源上，持续通电。所述电和冷却水分别通过线圈引线和水管由地面输入，冷却水系统由地面泵、水箱和水管组成循环回路。
线圈均缠绕在线圈骨架上，线圈导线之间绝缘性好，并通过线圈骨架固定安装在导磁磁轭内部。上下线圈呈现对称布置。导磁磁轭在导通上、下水箱的导管处开孔，导管从中通过，并通过隔板中心孔。
振动装置由导磁材料组成的零部件有：中心杆两端长的部分和导磁磁轭。可以由DT3等磁导率高的材料做成。其他零部件由非导磁材料组成，如端盖、内外套筒、隔板和中心杆中间段等，可以由铝合金等非导磁材料组成。
中心杆和导磁磁轭在通电线圈作用下，将形成的闭合磁场，而中心杆顶端与导磁磁轭内突结构处不存在导磁材料，根据磁阻最小化理论，再结合上下线圈交替通断电，电磁驱动器中心杆将上下运动。中心杆的上下运动通过导杆传递到上、下声辐射器，声辐射器的辐射板把轴向运动转换成横向振动，形成声波，作用于油层。
本发明与现有技术相比具有以下优点：1.装置结构简单、设计合理且安装方便、投入成本低。2.设计新颖、合理且使用操作简便，解堵过程控制方便，属于一种物理法提高采收率的方法，相比于其他各种物理、化学的方法，在设备投入，操作费用，作用面积和作用效果上，具有明显的优势。3.使用效果好，利用电磁能与机械能之间的能量转换实现井下振动，通过声辐射器把轴向振动转换成横向振动，形成谐振波加载到油层或油层堵塞处，降低原油粘度，使油气水重新分布，改变油层岩石表面的润湿性，有利于原油流动和清除油层堵塞，提高地层渗透率。4.振动频率与振动强度可任意调节，电磁驱动方式主要通过电流性质来控制，因此通过改变电流通电频率和电流电压，便可以任意调节机械振动的频率和强度，控制调整方便。5.电磁驱动方式直接将电能转换为振动机械能，省去了复杂的机械运动转换装置，因而能有效提高设备的稳定性，减小中间的能量损失，提高了能量利用率和工作效率。6.操作方便、低噪声且无污染，电磁驱动装置的唯一控制因素为通电电流，操作者只需控制通电电流调节开关即可随时改变振动参数，操作方便可靠；且该装置结构简单，工作时候噪声小，对环境无污染。7.经济效益好，实用价值高。对常规振动采油设备和方法进行改进，利用电磁驱动装置直接将电能转化为稳定频率、稳定能量的振动机械能。通过振动在油层形成谐振波，作用油层，对油层裂缝进行解堵，提高油层原油的流动性，减小“贾敏效应”，提高采收率。
附图说明
图1为本发明一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置总装示意图。
图2为本发明电磁驱动器的结构示意图。
图3为本发明声辐射器结构示意图。
图4为本发明声辐射器止位板的主示图。
图5为本发明声辐射器止位板的左示图。
图6为本发明声辐射器辐射板的主示图。
图7为本发明声辐射器辐射板的俯示图。
图中：1.井下夹持机构；2.井下水泥环；3.套管；4.冷却水箱；5.水泵；6.水管；7.线圈引线；8.电源控制仪；9.上声辐射器；10.油层射孔；11.电磁驱动器；12.下声辐射器；13.油层；14.隔板；15.上冷却水箱；16.线圈骨架；17.线圈；18.线圈引线入口；19.冷却水入口；20.导磁磁轭；21.预压碟簧；22.自润滑轴套；23.导杆；24.端盖；25.内六角螺钉；26.连杆孔；27.冷却水出口；28.线圈引线出口；29.外套筒；30.中心杆；31.内套筒；32.导管；33.中心杆非导磁段；34.导杆孔；35.加载版；36.连杆；37.止位板；38.辐射板；39.固定螺钉；40.声辐射器板；41.下冷却水箱。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述：
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示,本发明一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置，包括电磁驱动器11、声辐射器和电源控制仪8。所述电磁驱动器11由中心杆30、导杆23、导磁磁轭20、线圈17、内套筒31、外套筒29、冷却水箱4、隔板14、端盖24、预压碟簧21等组成，中心杆30由两端的磁导率高的材料和中心杆非导磁段33材料通过螺纹连接在一起，其两端与导杆23相连接；导杆23连接预压碟簧21，中心杆30通过自润滑轴套22安装和固定在内套筒31上；导杆23通过自润滑轴套22安装和固定在导杆孔34处，中心杆30穿过内套筒31，中心杆30与内套筒31之间及导杆23与导杆孔34之间都是间隙配合；中心杆30在电磁力作用下上下运动，带动导杆23也上下运动，通过导杆孔34输出，输出振幅位移2mm-3mm；内套筒31上部外套上冷却水箱15，内套筒31下部外套下冷却水箱41，上冷却水箱15、下冷却水箱41通过上下水箱连接的导管32导通，用于给因电磁热效应而温度升高的电磁驱动器11降温。导磁磁轭20由导磁硅钢片叠成或直接由导磁材料加工而成，内部空心，用于形成闭合磁路，为防止端部漏磁，导磁磁轭20在中心杆30两个端部做成内突结构，导磁磁轭20内部安装上冷却水箱15、下冷却水箱41，上下导磁磁轭20通过圆柱形带孔的隔板14隔开；隔板14为非导磁材料组成，用于防止上下线圈区域相互漏磁。线圈17缠绕在与冷却水箱15接触的线圈骨架16上，导磁磁轭20外装上外套筒29。内套筒31、外套筒29都由非导磁材料组成，用于防止电磁驱动器11向外部空间漏磁。上、下端盖通过端盖24圆周方向上均匀分布的八个内六角螺钉25与外套筒29连接固定。在端盖24圆周方向上均匀开四个连杆孔26，端盖24为内凹结构；预压碟簧21一端与导杆23连接，一端与端盖24连接；预压碟簧21处于压缩状态，改变外套筒上的八个螺钉25连接的松紧度，可以调节预压碟簧21的预压力。在外套筒29和导磁磁轭20处开线圈引线出口28、线圈引线入口18、冷却水出口27和冷却水入口19，用于线圈引线7和水管6的输入与输出。整个电磁驱动器通过井下夹具1固定在井下油层处。
所述声辐射器由加载板35、连杆36、止位板37、辐射板38、声辐射器板40组成。加载板35为正六面体，与电磁驱动器11的导杆23接触；止位板37由圆盘和正六面体形成凸台结构，止位板37圆盘圆周方向均匀开四个孔；声辐射器板40为圆形，中心有通孔34，圆周上均匀分布四个孔；导杆23从声辐射器板中心孔34通过，圆柱形连杆36从止位板圆盘圆周方向上的孔和声辐射器板圆周上的孔通过，辐射板38为预弯曲矩形板，两端开有螺钉孔39，辐射板38两端通过螺钉39分别连接在加载版35和止位板37六面体边上。上声辐射器9、下声辐射器12分别通过连杆36与电磁驱动器11的两端盖24连接固定；上声辐射器9、下声辐射器12分别处在油层射孔10处或油层堵塞处。
所述电源控制仪8位于地面，控制着水泵5和线圈17的通断电、电流大小和频率。线圈17接在正弦的交流电源或半波脉冲电源上，电磁驱动器11的上、下线圈17都接在同一电源上，通过电源控制仪8实现上、下线圈17周期性交替通断电，冷却水泵5接在另一电源上，持续通电。所述电和冷却水分别通过线圈引线7和水管6由地面输入，冷却水系统由地面泵5、水箱4和水管6组成循环回路。
线圈17均缠绕在线圈骨架16上，线圈17导线之间绝缘性好，并通过线圈骨架16固定安装在导磁磁轭20内部。上、下线圈17呈现对称布置。导磁磁轭20在导通上、下水箱的导管处开孔，上下水箱连接的导管32从中通过，并通过隔板14中心孔。
振动装置由导磁材料组成的零部件有中心杆30两端长的部分和导磁磁轭20，可以由DT3等磁导率高的材料做成。其他零部件由非导磁材料组成，如端盖24、内套筒31、外套筒29、隔板14和中心杆非导磁段33等，可以由铝合金等非导磁材料组成。
在实际使用过程中，根据油层的深度不同选用比油层深度长50m～100m的钢丝绳，钢丝绳一端连接电磁振动装置，通过地面绞车把装置、水管6和线圈引线7下到油层13处固定，如图1所示。装置线圈17和水泵5接通电源，线圈17接在正弦的交流电源或半波脉冲电源上，驱动器的上下线圈17都接在同一电源上，通过电源控制仪8，实现上下线圈17周期性交替通断电，上下线圈17电流大小、周期和频率由地面电源控制仪8控制。冷却水泵5接在另一交流电源上，持续通电，冷却水系统由地面泵5、水箱4和水管6组成循环回路。水泵5持续工作，通过冷却水给装置降温，改善振动器的工作环境。冷却水管6连接在导磁磁轭20和外套筒29处的冷却水入口19和冷却水出口27，实现冷却水的输入与输出，同理，线圈引线7通过导磁磁轭20和外套筒29处线圈引线入口18、线圈引线出口28实现线圈电流的输入与输出。中心杆30两端长的部分和导磁磁轭20，可以由DT3等磁导率高的材料做成，其他零部件由非导磁材料组成，如端盖24、内套筒31、外套筒29、隔板14和中心杆非导磁段33等，可以由铝合金等非导磁材料组成。当上线圈通电下线圈断电时，上导磁磁轭20与中心杆30形成闭合磁回路，而中心杆30顶端与导磁磁轭20内突结构处不存在导磁材料，根据磁阻最小化理论，中心杆30会向上运动，使磁阻减小，中心杆30向上运动通过导杆23传递到声辐射器9的加载板35，如图3所示。加载版35的向上轴向运动传递给辐射板38，辐射板38端部轴向运动被转换成横向运动，如图3、图4、图5、图6、图7所示。当交替的通断电时，实现中心杆20的上下振动，进而实现辐射板38的横向振动。由于上声辐射器9、下上声辐射器12处在油层射孔10处或油层堵塞处，这种横向运动会在油层13处或油层堵塞处形成压力差，进而提高采收率。
井下低频大功率电磁式振动装置的使用步骤：
步骤一、震源井的选择：选着钻井、完井、修井、洗井、注水井或近井地带有杂质堵塞和污染的井。所选择震源井的井身为直井。本发明主要适用于水驱效果差的低渗透油藏、地下原油流动性差的稠油区块或易堵塞的油井。尤其是二次开采时，其它驱油工艺效果差，油层13近井地带存在液阻效应，渗流阻力大，原油粘度大，流动性差的油井。
步骤二、设备就位：通过井下夹持机构1固定电磁驱动器11，然后通过钢丝绳将井下振动器由上至下插入所述震源井内部，且插至油井射孔10处或油层堵塞处，固定。
步骤三、参数调整：通过电源控制仪8对通电线圈17的电流大小进行调整，使得井下电磁驱动器11的输出力和频率满足上声辐射器9、下声辐射器12的振幅要求和固有频率。
步骤四、采用谐振波进行井下振动解堵：对线圈17进行通电处理，上声辐射器9的辐射板38横向振动，电磁振动器11将电能直接转换为振动机械能。振动过程中所产生的谐振波直接加载在油层射孔处10或油层堵塞处，将能量通过射孔10传递到油层13，解除油层13堵塞和增加新的油层裂缝，提高原油采收率。
Claims (3)
1.一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置，包括电磁驱动器(11)、声辐射器和电源控制仪(8)，其特征在于：所述电磁驱动器(11)由中心杆(30)、导杆(23)、导磁磁轭(20)、线圈(17)、内套筒(31)、外套筒(29)、冷却水箱(4)、隔板(14)、端盖(24)、预压碟簧(21)等组成；中心杆(30)由两端的磁导率高的材料和中心杆非导磁段(33)材料通过螺纹连接在一起，其两端与导杆(23)相连接；导杆(23)连接预压碟簧(21)，中心杆(30)通过自润滑轴套(22)安装和固定在内套筒(31)上；导杆(23)通过自润滑轴套(22)安装和固定在导杆孔(34)处，中心杆(30)穿过内套筒(31)，中心杆(30)与内套筒(31)之间及导杆(23)与导杆孔(34)之间都是间隙配合；中心杆(30)在电磁力作用下上下运动，带动导杆(23)也上下运动，通过导杆孔(34)输出，输出振幅位移2mm-3mm；内套筒(31)上部外套上冷却水箱(15)，内套筒(31)下部外套下冷却水箱(41)，上冷却水箱(15)、下冷却水箱(41)通过上下水箱连接的导管(32)导通，用于给因电磁热效应而温度升高的电磁驱动器(11)降温；导磁磁轭(20)由导磁硅钢片叠成或直接由导磁材料加工而成，内部空心，用于形成闭合磁路，为防止端部漏磁；导磁磁轭(20)在中心杆(30)两个端部做成内突结构，导磁磁轭(20)内部安装上冷却水箱(15)、下冷却水箱(41)；上下导磁磁轭(20)通过圆柱形带孔的隔板(14)隔开；隔板(14)为非导磁材料组成，用于防止上下线圈区域相互漏磁；线圈(17)缠绕在与冷却水箱(15)接触的线圈骨架(16)上；导磁磁轭(20)外装上外套筒(29)；内套筒(31)、外套筒(29)都由非导磁材料组成，用于防止电磁驱动器(11)向外部空间漏磁；预压碟簧(21)一端与导杆(23)连接，一端与端盖(24)连接；预压碟簧(21)处于压缩状态，改变外套筒上的八个螺钉(25)连接的松紧度，可以调节预压碟簧(21)的预压力；在外套筒(29)和导磁磁轭(20)处开线圈引线出口(28)、线圈引线入口(18)、冷却水出口(27)和冷却水入口(19)，用于线圈引线(7)和水管(6)的输入与输出；整个电磁驱动器通过井下夹具(1)固定在井下油层处；所述声辐射器由加载板(35)、连杆(36)、止位板(37)、辐射板(38)、声辐射器板(40)组成。
2.根据权利要求1所述的一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置，其特征在于：在端盖(24)圆周方向上均匀开四个连杆孔(26)，端盖(24)为内凹结构；线圈(17)导线之间绝缘性好，并通过线圈骨架(16)固定安装在导磁磁轭(20)内部。
3.根据权利要求1所述的一种井下低频大功率电磁式振动解堵装置，其特征在于：振动装置由导磁材料组成的零部件有中心杆(30)两端长的部分和导磁磁轭(20)，可以由DT3等磁导率高的材料做成；其他零部件由非导磁材料组成，如端盖(24)、内套筒(31)、外套筒(29)、隔板(14)和中心杆中间部分(33)，可以由铝合金等非导磁材料组成。
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