CN105937378B - 井下螺杆马达双向振动固井工具和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了提出一种井下螺杆马达双向振动固井工具和方法。所述井下螺杆马达双向振动固井工具包括：上接头；环形的挡板，连接在所述上接头的下方；马达总成，连接在所述挡板的下方；轴向节流阀组件，连接在所述马达总成的下方；下接头，连接在所述轴向节流阀组件的下方。本发明还提出一种井下振动固井方法，采用前面所述的井下螺杆马达双向振动固井工具。本发明在井下固井能够产生双向振动，通过调整结构参数改变振动量级和振动频率，使不同工况下的水泥浆产生最有效的振动，从而有效提高固井质量。
Description
技术领域
本发明涉及油气井工程领域，具体涉及一种井下螺杆马达双向振动固井工具和方法。
背景技术
在固井过程中，振动水泥浆是提高固井质量的有效技术手段之一。现有的振动固井工具按作用原理可分为水力脉冲式、机械式、磁致伸缩式、压电陶瓷式、声频式、地面环空水力或空气脉冲式等振动固井工具，其中水力脉冲式振动固井工具应用最为广泛。
水力脉冲式振动固井工具只产生轴向振动，且振动幅值不可控制。涡轮振动固井主要产生径向振动，偏心块结构单一，可控性差。
综上所述，现有技术中存在以下问题：水力脉冲式振动固井工具只产生轴向振动，且振动幅值不可控制。
发明内容
本发明提供一种井下螺杆马达双向振动固井工具和方法，以解决水力脉冲式振动固井工具只产生轴向振动，且振动幅值不可控制的问题。
为此，本发明提出一种井下螺杆马达双向振动固井工具，所述井下螺杆马达双向振动固井工具包括：
上接头；
环形的挡板，连接在所述上接头的下方；
马达总成，连接在所述挡板的下方；
轴向节流阀组件，连接在所述马达总成的下方；
下接头，连接在所述轴向节流阀组件的下方；其中，
所述马达总成包括：定子和转子，所述定子为管状，转子在定子的管状型腔内作平面行星运动，产生离心惯性力，从而造成工具的横向振动；
所述轴向节流阀组件包括：动阀、上护套、静阀、下护套和支撑接头；
上护套固定在转子的下端；
动阀固定在上护套和转子之间；动阀随着转子一起做平面行星运动；
静阀固定在支撑接头和下护套之间；
支撑接头上端与下护套固定连接；支撑接头下端固定在下接头上端。
进一步地，所述马达总成为单头马达或多头马达。
进一步地，所述单头马达或多头马达均为螺杆马达。
进一步地，所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化通过调节螺杆马达的公转转速来实现，螺杆马达的公转转速为：
式中：
n公——螺杆马达的公转转速
Q——流经马达的流量，即排量；
AG——马达的过流面积；
N——转子头数；
h——定子螺距。
进一步地，所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化通过调节螺杆马达的转子头数N来实现，马达总成的转子离心惯性力为：
式中：
Fg——马达总成的转子离心惯性力；
ω公——转子的公转角速度；
m——转子质量；
e——马达偏心矩。
进一步地，所述定子外径172mm，所述上接头的顶端与所述下接头的底端之间的距离为2930mm。
进一步地，所述定子与所述上接头的外径相等。
进一步地，所述转子中上部分是一根表面镀有耐磨材料的钢制螺杆。
进一步地，转子下部分为引鞋形状端头，端头内部中空，端头上部与外部导通。
进一步地，所述定子是一根在内壁硫化有橡胶衬套的钢管。
本发明还提出一种井下振动固井方法，采用前面所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，所述井下振动固井方法包括：通过动阀的横向往复移动，造成水泥浆流经轴向节流阀组件的横截面积周期变化，进而造成轴向节流阀组件下端流出的水泥浆压力周期性变化，最终造成水泥浆的轴向振动。
进一步地，所述马达总成包括单头马达或多头马达，所述单头马达或多头马达均为螺杆马达。
进一步地，所述井下振动固井方法还包括：通过调节螺杆马达的公转转速来调整所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化，螺杆马达的公转转速为：
式中：
n公——螺杆马达的公转转速；
Q——流经马达的流量，即排量；
AG——马达的过流面积；
N——转子头数；
h——定子螺距。
进一步地，所述井下振动固井方法还包括：通过调节螺杆马达的转子头数N来调整所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化，马达总成的转子离心惯性力为：
式中：
Fg——马达总成的转子离心惯性力；
ω公——转子的公转角速度；
m——转子质量；
e——马达偏心矩。
进一步地，所述井下振动固井方法还包括：通过调节动阀和静阀之间的重合面积来调整所述井下螺杆马达双向振动固井工具的轴向振动幅值。
本发明的井下螺杆马达双向振动固井工具，能够产生双向振动，通过调整结构参数改变振动量级和振动频率，使不同工况下的水泥浆产生最有效的振动，从而有效提高固井质量。因此，本发明解决了水力脉冲式振动固井工具只产生轴向振动，且振动幅值不可控制的问题。进而，本发明还解决了涡轮振动固井主要产生径向振动，偏心块结构单一，可控性差的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的井下螺杆马达双向振动固井工具的结构示意图；
图2为图1中A-A处剖面结构。
附图标号说明：
1-上接头，
2-挡板，
3-定子，
4-转子，
5-动阀，
6-上护套，
7-密封圈，
8-静阀，
9-下护套，
10-支撑接头，
11-下接头
20-外管
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
如图1和图2所示，本发明实施例的井下螺杆马达双向振动固井工具包括：
上接头1，起连接作用；
环形的挡板2，连接在所述上接头1的下方，起对马达总成定位的作用；
马达总成，连接在所述挡板的下方；
轴向节流阀组件，连接在所述马达总成的下方；
下接头11，连接在所述轴向节流阀组件的下方；其中，马达总成和轴向节流阀组件均设置在外管20中；外管20连接在上接头1与下接头11之间，外管20与上接头1以及下接头11的外径平齐；
所述马达总成包括：定子3和转子4，如图2所示，所述定子3为管状，转子4中上部分是一根表面镀有耐磨材料的钢制螺杆，转子4下部分为引鞋形状端头，端头内部中空，端头上部与外部导通；定子3是一根在内壁硫化有橡胶衬套的钢管，以具有较好的耐腐蚀效果，橡胶衬套内孔为一个螺旋曲面的型腔；转子4在定子3的管状型腔内作平面行星运动，产生离心惯性力，从而造成工具的横向振动；
所述轴向节流阀组件包括：动阀5、上护套6、静阀8、下护套9和支撑接头10；
上护套6固定在转子4的下端；例如，上护套通过螺纹连接固定在转子的下端；
动阀5固定在上护套6和转子4之间；动阀5随着转子4一起做平面行星运动；
静阀8固定在支撑接头10和下护套9之间；静阀8外径和下护套9内径之间通过密封圈7密封；
支撑接头10上端与下护套9例如通过螺纹固定连接；支撑接头10下端通过螺纹连接固定在下接头1上端。通过动阀5的横向往复移动，造成水泥浆流经轴向节流阀组件的横截面积周期变化，进而造成轴向节流阀组件下端流出的水泥浆压力周期性变化，最终造成水泥浆的轴向振动。
在注入水泥浆工艺过程中，高压水泥浆驱动马达总成产生旋转，转子4在定子3型腔内作平面行星运动，产生离心惯性力，从而造成工具的横向振动。转子4带动轴向节流阀对水泥浆的过流面积进行连续调节，过流面积的连续变化产生水击现象，进而造成轴向节流阀组件下端流出的水泥浆压力周期性变化，最终造成水泥浆的轴向振动。因此，本发明的井下螺杆马达双向振动固井工具，能够产生双向振动，本发明解决了水力脉冲式振动固井工具只产生轴向振动，且振动幅值不可控制的问题。进而，本发明还解决了涡轮振动固井主要产生径向振动，偏心块结构单一，可控性差的问题。
进一步地，根据转子头数，所述马达总成为单头马达或多头马达。单头马达，N＝1；多头马达，N≥2，其中，N为转子头数。采用单头马达，成本低，结构简单，安装方便。使用多头马达，效率高。
进一步地，所述单头马达或多头马达均为螺杆马达，这样，能够使用井下振动固井需要。
进一步地，所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化通过调节螺杆马达的公转转速来实现，螺杆马达的公转转速为：
式中：
n公——螺杆马达的公转转速
Q——流经马达的流量，即排量；
AG——马达的过流面积；
N——转子头数；
h——定子螺距。
对公称外径相同、螺距h相同的螺杆马达，在相同排量Q下，其转子头数N越大，螺杆马达的公转转速n公就越低，工具的横向振动频率也会越低；同理，由于轴向节流阀组件中动阀随着转子一起产生平面行星运动，水泥浆的轴向振动频率也会越低；因此，马达总成转速可通过结构参数的调整来改变，转速改变就会造成工具频率的改变，可以实现双向振动的调整，使不同工况下的水泥浆产生最有效的振动，从而有效提高固井质量。
进一步地，所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化通过调节螺杆马达的转子头数N来实现，马达总成的转子离心惯性力为：
式中：
Fg——马达总成的转子离心惯性力；
ω公——转子的公转角速度；
m——转子质量；
e——马达偏心矩；
Q——流经马达的流量，即排量；
AG——马达的过流面积；
N——转子头数；
h——定子螺距。
对公称外径相同、螺距h相同的螺杆马达，相同排量Q下，其转子头数N越大，转子离心惯性力Fg就越小，工具的横向振动幅值也会越小；因此，可以使不同工况下的水泥浆产生最有效的振动，从而有效提高固井质量。
进一步地，所述定子外径172mm，所述上接头的顶端与所述下接头的底端之间的距离为2930mm。这个尺寸适合井下振动固井，适合定子、转子的安装配合以及达到较好的双向振动效果。
进一步地，所述定子与所述上接头的外径相等，以适合安装连接以及井下螺杆马达双向振动固井工具整体的平齐。
本发明还提出一种井下振动固井方法，采用前面所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，所述井下振动固井方法包括：通过动阀的横向往复移动，造成水泥浆流经轴向节流阀组件的横截面积周期变化，进而造成轴向节流阀组件下端流出的水泥浆压力周期性变化，最终造成水泥浆的轴向振动。
进一步地，所述马达总成包括单头马达或多头马达，所述单头马达或多头马达均为螺杆马达。
进一步地，所述井下振动固井方法还包括：通过调节螺杆马达的公转转速来调整所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化，螺杆马达的公转转速为：
式中：
n公——螺杆马达的公转转速；
Q——流经马达的流量，即排量；
AG——马达的过流面积；
N——转子头数；
h——定子螺距。
进一步地，所述井下振动固井方法还包括：通过调节螺杆马达的转子头数N来调整所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化，马达总成的转子离心惯性力为：
式中：
Fg——马达总成的转子离心惯性力；
ω公——转子的公转角速度；
m——转子质量；
e——马达偏心矩。
上述轴向节流阀组件的轴向振动幅值与过流截面面积有关，可通过调节动阀和静阀之间的重合面积来调教轴向振动幅值。通过调整结构参数改变振动量级和振动频率，使不同工况下的水泥浆产生最有效的振动，从而有效提高固井质量。
本发明一个较佳实施例的使用过程如下：
在注入水泥浆工艺过程中，高压水泥浆驱动马达总成产生旋转，转子4在定子3型腔内作平面行星运动，产生离心惯性力，从而造成工具的横向振动。转子4带动轴向节流阀对水泥浆的过流面积进行连续调节，过流面积的连续变化产生水击现象，进而造成轴向节流阀组件下端流出的水泥浆压力周期性变化，最终造成水泥浆的轴向振动。马达总成转速可通过结构参数的调整来改变，转速改变就会造成工具频率的改变。螺杆马达公转转速为：
式中：
Q——流经马达的流量，即排量；
AG——马达的过流面积；
N——转子头数；
h——定子螺距。
对公称外径相同、螺距h相同的螺杆马达，相同排量Q下，其转子头数N越大，螺杆马达的公转转速n公就越低，工具的横向振动频率也会越低。同理，由于轴向节流阀组件中动阀随着转子一起产生平面行星运动，水泥浆的轴向振动频率也会越低。
上述马达总成的转子离心惯性力为：
式中：
m——转子质量；
e——马达偏心矩。
对公称外径相同、螺距h相同的螺杆马达，相同排量Q下，其转子头数N越大，转子离心惯性力Fg就越小，工具的横向振动幅值也会越小。
上述轴向节流阀组件的轴向振动幅值与过流截面面积有关，可通过调节动阀和静阀之间的重合面积来调教轴向振动幅值。通过调整结构参数改变振动量级和振动频率，使不同工况下的水泥浆产生最有效的振动，从而有效提高固井质量。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (15)
1.一种井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，所述井下螺杆马达双向振动固井工具包括：
上接头；
环形的挡板，连接在所述上接头的下方；
马达总成，连接在所述挡板的下方；
轴向节流阀组件，连接在所述马达总成的下方；
下接头，连接在所述轴向节流阀组件的下方；其中，
所述马达总成包括：定子和转子，所述定子为管状，转子在定子的管状型腔内作平面行星运动，产生离心惯性力，从而造成工具的横向振动；
所述轴向节流阀组件包括：动阀、上护套、静阀、下护套和支撑接头；
上护套固定在转子的下端；
动阀固定在上护套和转子之间；动阀随着转子一起做平面行星运动；
静阀固定在支撑接头和下护套之间；
支撑接头上端与下护套固定连接；支撑接头下端固定在下接头上端。
2.如权利要求1所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，所述马达总成为单头马达或多头马达。
3.如权利要求2所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，所述单头马达或多头马达均为螺杆马达。
4.如权利要求2所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化通过调节螺杆马达的公转转速来实现，螺杆马达的公转转速为：
式中：
n公——螺杆马达的公转转速；
Q——流经马达的流量，即排量；
AG——马达的过流面积；
N——转子头数；
h——定子螺距。
5.如权利要求4所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化通过调节螺杆马达的转子头数N来实现，马达总成的转子离心惯性力为：
式中：
Fg——马达总成的转子离心惯性力；
ω公——转子的公转角速度；
m——转子质量；
e——马达偏心矩；
π——圆周率。
6.如权利要求4所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，所述定子外径172mm，所述上接头的顶端与所述下接头的底端之间的距离为2930mm。
7.如权利要求4所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，所述定子与所述上接头的外径相等。
8.如权利要求4所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，所述转子中上部分是一根表面镀有镀铬层的钢制螺杆。
9.如权利要求4所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，转子下部分为引鞋形状端头，端头内部中空，端头上部与外部导通。
10.如权利要求4所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，其特征在于，所述定子是一根在内壁硫化有橡胶衬套的钢管。
11.一种井下振动固井方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的井下螺杆马达双向振动固井工具，所述井下振动固井方法包括：通过动阀的横向往复移动，造成水泥浆流经轴向节流阀组件的横截面积周期变化，进而造成轴向节流阀组件下端流出的水泥浆压力周期性变化，最终造成水泥浆的轴向振动。
12.如权利要求11所述的井下振动固井方法，其特征在于，所述马达总成包括单头马达或多头马达，所述单头马达或多头马达均为螺杆马达。
13.如权利要求12所述的井下振动固井方法，其特征在于，所述井下振动固井方法还包括：通过调节螺杆马达的公转转速来调整所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化，螺杆马达的公转转速为：
式中：
n公——螺杆马达的公转转速；
Q——流经马达的流量，即排量；
AG——马达的过流面积；
N——转子头数；
h——定子螺距。
14.如权利要求13所述的井下振动固井方法，其特征在于，所述井下振动固井方法还包括：通过调节螺杆马达的转子头数N来调整所述井下螺杆马达双向振动固井工具的振动频率变化，马达总成的转子离心惯性力为：
式中：
Fg——马达总成的转子离心惯性力；
ω公——转子的公转角速度；
m——转子质量；
e——马达偏心矩
π——圆周率。
15.如权利要求13所述的井下振动固井方法，其特征在于，所述井下振动固井方法还包括：通过调节动阀和静阀之间的重合面积来调整所述井下螺杆马达双向振动固井工具的轴向振动幅值。
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