CN109356549A - 一种自动寻优井下振动固井工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动寻优井下振动固井工具，包括：上接头组件、自动寻优控制系统、电池供电组件、电机振动组件、套筒和下接头；套筒设置在自动寻优井下振动固井工具中间位置，上接头组件设置在套筒的上端，下接头设置在套筒的下端，电池供电组件设置在套筒的内部中间位置；自动寻优控制系统设置在上接头组件的下端位置，自动寻优控制系统设置通过螺钉固定于电池供电组件上端位置；电机振动组件通过螺钉固定于电池供电组件下端位置，电机振动组件设置在下接头的上端位置。本发明能够在不改变常规固井工艺的情况下，使水泥浆在候凝阶段产生振动，实现井下自动扫频，并自动寻找最优振动频率，使得振动传播距离长，从而在环空长距离上提高固井质量。
Description
技术领域
本发明属于油气井工程领域，特别是涉及一种自动寻优井下振动固井工具。
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。现有技术中国内外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仅能在注水泥、顶替水泥浆过程中产生振动，无法在候凝过程中实现振动。实验证明，在水泥浆候凝过程中进行振动是提高固井质量的关键步骤。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虽然能够在水泥浆候凝过程中实现振动，但是需要地面线缆供电和自带附属设备，改变了常规固井工艺，造成固井现场施工复杂。一种井下振动固井工具(ZL201510445766.5)虽然是一种既不改变常规固井工艺又能在水泥浆候凝过程中实现振动的固井工具，但是由于其振动频率单一，无法实现机械共振，造成振动传播距离较短，无法在环空长距离上提高固井质量。
因此，现有技术迫切需要一种能够实现扫频振动，并自动寻找最优振动频率的固井工具，以克服现有技术中的种种缺陷。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明一种自动寻优井下振动固井工具，能够在不改变常规固井工艺的情况下，使水泥浆在候凝阶段产生振动，实现井下自动扫频，并自动寻找最优振动频率，使得振动传播距离长，从而在环空长距离上提高固井质量。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案。
一种自动寻优井下振动固井工具，其包括：上接头组件、自动寻优控制系统、电池供电组件、电机振动组件、套筒和下接头；所述套筒设置在自动寻优井下振动固井工具中间位置，所述上接头组件设置在所述套筒的上端，所述下接头设置在所述套筒的下端，所述电池供电组件设置在所述套筒的内部中间位置；所述自动寻优控制系统设置在所述上接头组件的下端位置，所述自动寻优控制系统设置通过螺钉固定于所述电池供电组件上端位置；所述电机振动组件通过螺钉固定于所述电池供电组件下端位置，所述电机振动组件设置在所述下接头的上端位置。
优选地，上接头组件包括：上接头、胶塞座和胶塞座剪销；所述上接头通过螺纹连接固定在所述套筒的上端，所述胶塞座通过胶塞座剪销固定在所述上接头的内部。
优选地，上接头组件还包括：上接头密封圈，所述上接头和所述套筒的缝隙通过所述上接头密封圈密封。
优选地，所述自动寻优控制系统包括：电路板支架Ⅰ、电路板支架Ⅱ、加速度电路板、小电路板支架、开关支架Ⅰ、开关支架Ⅱ、电源开关、扫频电路板、功率电阻和低通滤波用电阻；所述电路板支架Ⅱ通过螺纹连接固定在所述电路板支架Ⅰ的上端面；所述加速度电路板通过所述小电路板支架固定在所述电路板支架Ⅱ背面；所述电源开关通过所述开关支架Ⅰ和所述开关支架Ⅱ固定在所述电路板支架Ⅰ正面的上部；所述扫频电路板固定在所述电路板支架Ⅰ正面的下部；所述功率电阻和所述低通滤波电阻通过螺钉固定在所述电路板支架Ⅱ背面。
优选地，所述自动寻优控制系统还包括：所述定位螺钉、所述限位垫片、所述减振垫、所述T型减振垫和所述限位螺钉；所述扫频电路板通过所述定位螺钉、所述限位垫片、所述减振垫、所述T型减振垫和所述限位螺钉固定在所述电路板支架Ⅰ正面的下部。
优选地，所述电池供电组件包括：开关杆、电池组上盖、弹簧、开关杆压盖、垫块、电池组和电池组外套；所述开关杆穿过所述电池组上盖的内部；所述弹簧安装在所述开关杆和所述电池组上盖中间；所述开关杆压盖通过螺钉固定在所述开关杆的下端；所述电池组上盖通过螺纹连接固定在所述电池组外套的上部；所述垫块通过螺钉固定在所述电池组外套的内部，位于所述电路板支架Ⅰ的下端面；所述电池组固定在所述垫块和所述电机振动组件之间。
优选地，所述电池供电组件还包括：开关杆密封圈、电池组上盖挡圈和电池组上盖密封圈；所述开关杆与所述电池组上盖的内部孔之间是间隙配合，所述开关杆和所述电池组上盖的缝隙通过所述开关杆密封圈密封，所述电池组上盖和所述电池组外套的缝隙通过所述电池组上盖密封圈和所述电池组上盖挡圈密封。
优选地，电机振动组件包括：电机、电机外套、联轴器外套、联轴器、轴承座、偏心块、转轴、偏心块外套和轴承；所述电机安装在所述电机外套的内部，所述电机的下部通过螺钉固定在所述电机外套的下部；所述电机外套通过螺纹连接固定在所述电池组外套的下部；所述联轴器外套通过螺纹连接固定在所述电机外套的下部；所述转轴与所述电机之间通过所述联轴器传递扭矩；所述轴承座通过螺钉固定在所述联轴器外套的下部；所述偏心块外套通过螺纹连接固定在所述联轴器外套的下部；所述偏心块通过键连接固定在所述转轴中部；所述轴承分别安装在所述轴承座内部和所述偏心块外套的下部。
优选地，电机振动组件还包括：电机外套挡圈、电机外套密封圈、联轴器外套密封圈、偏心块外套挡圈和偏心块外套密封圈；所述电机外套和所述电池组外套的缝隙通过所述电机外套挡圈和所述电机外套密封圈密封，所述联轴器外套和所述电机外套的缝隙通过所述联轴器外套密封圈密封，所述偏心块外套和所述联轴器外套的缝隙通过所述偏心块外套挡圈和所述偏心块外套密封圈密封。
优选地，所述自动寻优井下振动固井工具，外径为180mm，长度为2412mm；所述扫频电路板通过所述减振垫和所述T型减振垫设计进行减振；所述电池组是圆柱体；所述自动寻优控制系统、所述电池供电组件和所述电机振动组件是一个的密封的腔体。
本发明的自动寻优井下振动固井工具的有益效果是：
本发明结构简单合理，套筒内部安装上接头组件、自动寻优控制系统、电池供电组件、电机振动组件和下接头，当常规胶塞下行到上接头组件时，在胶塞座位置碰压，剪断胶塞座剪销，开关杆下行，使自动寻优控制系统中电路导通，控制电机转速范围为30r/min～600r/min，通过加速度电路板测试工具的振动幅值。通过算法设计，在扫频范围内寻找最佳振动频率，并在该频率点持续振动。自动寻优控制系统可以根据工具使用现场的要求进行振动时间的设置。
附图说明
附图1是本发明的自动寻优井下振动固井工具的结构示意图。
附图2是本发明的自动寻优井下振动固井工具的上接头组件的结构图。
附图3是本发明的自动寻优井下振动固井工具的自动寻优控制系统的结构图。
附图4是本发明的自动寻优井下振动固井工具的电池供电组件的结构图。
附图5是本发明的自动寻优井下振动固井工具的电机振动组件的结构图。
附图标记说明：1-上接头组件，2-自动寻优控制系统，3-电池供电组件，4-电机振动组件，5-套筒，6-下接头。101-上接头，102-胶塞座，103-上接头密封圈，104-胶塞座剪销，201-电路板支架Ⅰ，202-电路板支架Ⅱ，203-加速度电路板，204-小电路板支架，205-开关支架Ⅰ，206-开关支架Ⅱ，207-电源开关，208-扫频电路板，209-定位螺钉，210-限位垫片，211-减振垫，212-T型减振垫，213-限位螺钉，214-功率电阻，215-低通滤波用电阻，301-开关杆，302-电池组上盖，303-弹簧，304-开关杆密封圈，305-开关杆压盖，306-电池组上盖挡圈，307-电池组上盖密封圈，308-垫块，309-电池组，310-电池组外套，401-电机，402-电机外套，403-电机外套挡圈，404-电机外套密封圈，405-联轴器外套，406-联轴器外套密封圈，407-联轴器，408-轴承座，409-偏心块外套挡圈，410-偏心块外套密封圈，411-偏心块，412-轴承，413-偏心块外套，414-转轴。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1至图5所示，本发明是一种适用井下扫频振动，并自动寻找最佳振动频率的固井工具，其包含有外部购入器件(加速度传感器、高温直流伺服电机、电源开关、功率电阻、高温电池、弹簧、螺钉等)以及用于安装外部购入器件的电路板支架、开关支架、电池组外套、电机外套等；所述的外部购入器件中的加速度传感器用于测试工具的振动加速度；所述的外部购入器件中的高温直流伺服电机用于驱动偏心块旋转；所述的外部购入器件中的电源开关用于自动寻优控制系统电路的导通；所述的外部购入器件中的功率电阻用于激活电池，提高可靠性；所述的外部购入件高温电池用于对高温直流伺服电机供电；
参见图1，一种自动寻优井下振动固井工具，包括上接头组件1，自动寻优控制系统2，电池供电组件3，电机振动组件4，套筒5和下接头6；上接头组件1位于套筒5上端，自动寻优控制系统2位于上接头组件1的下部位置，通过螺钉固定于电池供电组件3上部位置，电池供电组件3位于自动寻优控制系统2下部位置，电机振动组件4通过螺钉固定于电池供电组件3下部位置，下接头6位于套筒5下端。
参见图2，上接头组件1的结构组成为：上接头101、胶塞座102、上接头密封圈103和胶塞座剪销104。上接头101通过螺纹连接固定在套筒5的上端，上接头101和套筒5的缝隙通过上接头密封圈103密封；胶塞座102通过胶塞座剪销104固定在上接头101的内部。
参见图3，自动寻优控制系统2的结构组成为：电路板支架Ⅰ201、电路板支架Ⅱ202、加速度电路板203、小电路板支架204、开关支架Ⅰ205、开关支架Ⅱ206、电源开关207、扫频电路板208、定位螺钉209、限位垫片210、减振垫211、T型减振垫212、限位螺钉213、功率电阻214和低通滤波用电阻215。电路板支架Ⅱ202通过螺纹连接固定在电路板支架Ⅰ201的上端面；加速度电路板203通过小电路板支架204固定在电路板支架Ⅱ202背面；电源开关207通过开关支架Ⅰ205和开关支架Ⅱ206固定在电路板支架Ⅰ201正面的上部；扫频电路板208通过定位螺钉209、限位垫片210、减振垫211、T型减振垫212和限位螺钉213固定在电路板支架Ⅰ201正面的下部；功率电阻214和低通滤波电阻215通过螺钉固定在电路板支架Ⅱ202背面。
参见图4，电池供电组件3的结构组成为：开关杆301、电池组上盖302、弹簧303、开关杆密封圈304、开关杆压盖305、电池组上盖挡圈306、电池组上盖密封圈307、垫块308、电池组309和电池组外套310。开关杆301穿过电池组上盖302的内部，开关杆301与电池组上盖302的内部孔之间是间隙配合，开关杆301和电池组上盖302的缝隙通过开关杆密封圈304密封；弹簧303安装在开关杆301和电池组上盖302中间；开关杆压盖305通过螺钉固定在开关杆301的下端；电池组上盖302通过螺纹连接固定在电池组外套310的上部，电池组上盖302和电池组外套310的缝隙通过电池组上盖挡圈306和电池组上盖密封圈307密封；垫块308通过螺钉固定在电池组外套310的内部，位于电路板支架Ⅰ201的下端面；电池组309固定在垫块308和电机振动组件4之间。
参见图5，电机振动组件4的结构组成为：电机401、电机外套402、电机外套挡圈403、电机外套密封圈404、联轴器外套405、联轴器外套密封圈406、联轴器407、轴承座408、偏心块外套挡圈409、偏心块外套密封圈410、偏心块411、轴承412、偏心块外套413和转轴414。电机401安装在电机外套402的内部，电机401的下部通过螺钉固定在电机外套402的下部；电机外套402通过螺纹连接固定在电池组外套310的下部，电机外套402和电池组外套310的缝隙通过电机外套挡圈403和电机外套密封圈404密封；联轴器外套405通过螺纹连接固定在电机外套402的下部，联轴器外套405和电机外套402的缝隙通过联轴器外套密封圈406密封；转轴414与电机401之间通过联轴器407传递扭矩；轴承座408通过螺钉固定在联轴器外套405的下部；偏心块外套413通过螺纹连接固定在联轴器外套405的下部，偏心块外套413和联轴器外套405的缝隙通过偏心块外套挡圈409和偏心块外套密封圈410密封；偏心块411通过键连接固定在转轴414中部；轴承412分别安装在轴承座408内部和偏心块外套413的下部。
本发明最佳实施例的使用过程：在注入水泥浆工艺过程中，当常规胶塞下行到上接头组件1时，在胶塞座102位置碰压，剪断胶塞座剪销104，开关杆301下行，使自动寻优控制系统2中电路导通，电池供电组件3提供给自动寻优控制系统2和电机振动组件4电能，进而控制电机401转速范围为30r/min～600r/min。电机401带动偏心块411转动，产生径向振动，通过加速度电路板203测试工具的振动幅值。运用扫频电路板208中的算法设计，在扫频范围内寻找最佳振动频率，并在该频率点持续振动。自动寻优控制系统2可以根据工具使用现场的要求进行振动时间的设置，该工具无需地面线缆供电就可在井下完成水泥浆候凝阶段的振动，并自动寻找最优振动频率。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种自动寻优井下振动固井工具，其特征在于包括：上接头组件、自动寻优控制系统、电池供电组件、电机振动组件、套筒和下接头；所述套筒设置在自动寻优井下振动固井工具中间位置，所述上接头组件设置在所述套筒的上端，所述下接头设置在所述套筒的下端，所述电池供电组件设置在所述套筒的内部中间位置；所述自动寻优控制系统设置在所述上接头组件的下端位置，所述自动寻优控制系统设置通过螺钉固定于所述电池供电组件上端位置；所述电机振动组件通过螺钉固定于所述电池供电组件下端位置，所述电机振动组件设置在所述下接头的上端位置。
2.根据权利要求1所述的自动寻优井下振动固井工具，其特征在于，上接头组件包括：上接头、胶塞座和胶塞座剪销；所述上接头通过螺纹连接固定在所述套筒的上端，所述胶塞座通过胶塞座剪销固定在所述上接头的内部。
3.根据权利要求2所述的自动寻优井下振动固井工具，其特征在于，上接头组件还包括：上接头密封圈，所述上接头和所述套筒的缝隙通过所述上接头密封圈密封。
4.根据权利要求3所述的自动寻优井下振动固井工具，其特征在于，所述自动寻优控制系统包括：电路板支架Ⅰ、电路板支架Ⅱ、加速度电路板、小电路板支架、开关支架Ⅰ、开关支架Ⅱ、电源开关、扫频电路板、功率电阻和低通滤波用电阻；所述电路板支架Ⅱ通过螺纹连接固定在所述电路板支架Ⅰ的上端面；所述加速度电路板通过所述小电路板支架固定在所述电路板支架Ⅱ背面；所述电源开关通过所述开关支架Ⅰ和所述开关支架Ⅱ固定在所述电路板支架Ⅰ正面的上部；所述扫频电路板固定在所述电路板支架Ⅰ正面的下部；所述功率电阻和所述低通滤波电阻通过螺钉固定在所述电路板支架Ⅱ背面。
5.根据权利要求4所述的自动寻优井下振动固井工具，其特征在于，所述自动寻优控制系统还包括：所述定位螺钉、所述限位垫片、所述减振垫、所述T型减振垫和所述限位螺钉；所述扫频电路板通过所述定位螺钉、所述限位垫片、所述减振垫、所述T型减振垫和所述限位螺钉固定在所述电路板支架Ⅰ正面的下部。
6.根据权利要求5所述的自动寻优井下振动固井工具，其特征在于，所述电池供电组件包括：开关杆、电池组上盖、弹簧、开关杆压盖、垫块、电池组和电池组外套；所述开关杆穿过所述电池组上盖的内部；所述弹簧安装在所述开关杆和所述电池组上盖中间；所述开关杆压盖通过螺钉固定在所述开关杆的下端；所述电池组上盖通过螺纹连接固定在所述电池组外套的上部；所述垫块通过螺钉固定在所述电池组外套的内部，位于所述电路板支架Ⅰ的下端面；所述电池组固定在所述垫块和所述电机振动组件之间。
7.根据权利要求6所述的自动寻优井下振动固井工具，其特征在于，所述电池供电组件还包括：开关杆密封圈、电池组上盖挡圈和电池组上盖密封圈；所述开关杆与所述电池组上盖的内部孔之间是间隙配合，所述开关杆和所述电池组上盖的缝隙通过所述开关杆密封圈密封，所述电池组上盖和所述电池组外套的缝隙通过所述电池组上盖密封圈和所述电池组上盖挡圈密封。
8.根据权利要求7所述的自动寻优井下振动固井工具，其特征在于，电机振动组件包括：电机、电机外套、联轴器外套、联轴器、轴承座、偏心块、转轴、偏心块外套和轴承；所述电机安装在所述电机外套的内部，所述电机的下部通过螺钉固定在所述电机外套的下部；所述电机外套通过螺纹连接固定在所述电池组外套的下部；所述联轴器外套通过螺纹连接固定在所述电机外套的下部；所述转轴与所述电机之间通过所述联轴器传递扭矩；所述轴承座通过螺钉固定在所述联轴器外套的下部；所述偏心块外套通过螺纹连接固定在所述联轴器外套的下部；所述偏心块通过键连接固定在所述转轴中部；所述轴承分别安装在所述轴承座内部和所述偏心块外套的下部。
9.根据权利要求8所述的自动寻优井下振动固井工具，其特征在于，电机振动组件还包括：电机外套挡圈、电机外套密封圈、联轴器外套密封圈、偏心块外套挡圈和偏心块外套密封圈；所述电机外套和所述电池组外套的缝隙通过所述电机外套挡圈和所述电机外套密封圈密封，所述联轴器外套和所述电机外套的缝隙通过所述联轴器外套密封圈密封，所述偏心块外套和所述联轴器外套的缝隙通过所述偏心块外套挡圈和所述偏心块外套密封圈密封。
10.根据权利要求1所述的自动寻优井下振动固井工具，其特征在于，所述自动寻优井下振动固井工具，外径为180mm，长度为2412mm；所述扫频电路板通过所述减振垫和所述T型减振垫设计进行减振；所述电池组是圆柱体；所述自动寻优控制系统、所述电池供电组件和所述电机振动组件是一个的密封的腔体。
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