CN109779556A - 一种机械式振动固井工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械式振动固井工具，包括受冲壳体、振击锤、启振体、传动轴、涡轮马达、弹簧挡套、弹性元件和滚轮。涡轮马达通过传动轴驱动启振体转动，启振体上端的凸轮副通过滚轮，推动振击锤轴向往复运动，振击锤同时受到弹性元件压力和水击节流压力，在凸轮副推动振击锤向上运动时，振击锤蓄积能量，在凸轮副突变时，振击锤释放能量向下冲击受冲壳体，冲击产生能量大，传播距离远，能有效提高水泥顶替效率和固井质量，可用于直井、大位移井、定向井及水平井振动固井，装置结构简单，运转可靠，施工风险小。
Description
技术领域
本发明涉及油气井下套管固井工程领域，具体涉及一种机械式振动固井工具。
背景技术
在油气井下套管固井工程领域，理论和实践均表明，在注水泥过程中套管柱或水泥浆的振动可以提高水泥石强度和水泥浆顶替效率，改善水泥环与管柱和井壁界面的胶结强度，是提高固井质量行之有效的方法。目前，国内外已发展了多种振动固井工具和技术，从技术原理上来看主要有水力脉冲式和机械偏心振动式。中国专利“一种振动固井工具（公开号CN203531840U）”和“振动固井用压力波发生装置（公开号CN201460783U）”采用了水力脉冲式振动固井技术原理，专利具体实施以水力结构或机械节流的方式，产生水泥浆压力波动，进而引起水泥浆振动，此种技术方式产生的振动压力波因为振幅和频率的特性，不能长距离传播，在实际应用中效果有限。中国专利“一种新型涡轮式井下振动固井装置（公开号CN201883999U）”和“一种井下振动固井装置（公开号CN201943619U）”采用了机械偏心振动式技术原理，专利具体实施以高压流体驱动水力装置产生旋转动力，进而驱动偏心体转动以产生振动，此种方式产生的振动能量偏小，在径向局部范围内能产生较好的效果，但沿套管轴向传播距离较短，对提高固井质量效果有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种机械式振动固井工具，置于套管柱套管鞋处，在套管下放、注前置液及替浆等固井过程中，受流体驱动工具产生轴向振动冲击，进而引起套管柱轴向振动，达到提高水泥顶替效率和固井质量的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种机械式振动固井工具，包括冲击机构和涡轮马达5，涡轮马达5包括与外壳固定的涡轮定子、与涡轮定子旋转配合的涡轮转子以及与转子连接的传动轴4，所述冲击机构包括受冲壳体1、振击锤2和启振体3。其中：
受冲壳体1是筒体结构，筒体上部设置弹性元件7，弹性元件7顶部由弹簧挡套6锁定在筒体内，筒体内部中段设置两个相互对称的凸台，凸台轴向相邻的侧面相互平行，构成振击锤的振动轨道102，凸台的上端面是冲击承冲面(104)，筒体下端与涡轮马达5的外壳连接。
振击锤2是柱体结构，柱体上端面与弹性元件7底部挤压配合，其下端设置有与振动轨道102轴向滑动配合的导轨结构(202)，在柱体内轴向设置有对称于导轨结构(202)的节流孔(203)，在导轨结构(202)两端面设置有滚轮轴(204)，滚轮轴(204)的两端安装滚轮8，导轨结构(202)两侧的柱体底面是与冲击承冲面(104)冲击配合的主冲击面(201)。
启振体3是与受冲壳体1旋转配合的园筒体结构，其上端面设置有与滚轮8旋转配合的凸轮副(301)，启振体3下端与涡轮马达5的传动轴4键槽配合。
上述方案进一步包括：
所述启振体3凸轮副(301)由低平面、连续升高的空间曲面、高平面和垂直面依次连接组成。
所述传动轴4上部是圆盘结构，圆盘上径向圆周分布多个键槽(401)；所述启振体3下端设有多个径向圆周分布的键结构(302)，启振体3与传动轴4通过键槽(401) 和键结构(302)构成键槽配合。
所述传动轴4圆盘结构上方设置有圆锥体。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：一种机械式振动固井工具，置于套管柱套管鞋处，在套管下放、注前置液及替浆等固井过程中，受流体驱动工具产生轴向振动冲击，冲击能量大，传播距离远，能有效提高水泥顶替效率和固井质量，适宜于直井、大位移井、定向井及水平井振动固井，同时，装置结构简单，运转可靠，施工风险小。
附图说明
图1是机械式振动固井工具总体结构图；
图2是图1中的受冲壳体结构图；
图3是图1中的振击锤结构图；
图4是图1中的启振体结构图；
图5是图1中的传动轴结构图；
上图中：受冲壳体1、振击锤2、启振体3、传动轴4、涡轮马达5、弹簧挡套6、弹性元件7、滚轮8、套管螺纹101、振动轨道102、挡套螺纹103、承冲面104、主冲击面201、导轨结构202、节流孔203、滚轮轴204、凸轮副301、键结构302、键槽401。
具体实施方式
实施例1，参照附图1，一种机械式振动固井工具，包括冲击机构和涡轮马达5，涡轮马达5包括与外壳固定的涡轮定子、与涡轮定子旋转配合的涡轮转子以及与转子连接的传动轴4，所述冲击机构包括受冲壳体1、振击锤2和启振体3。其中：
参照图2，受冲壳体1是筒体结构，筒体上部设置弹性元件7，弹性元件7顶部由弹簧挡套6锁定在筒体内，筒体内部中段设置两个相互对称的凸台，凸台轴向相邻的侧面相互平行，构成振击锤的振动轨道102，凸台的上端面是冲击承冲面(104)，筒体下端与涡轮马达5的外壳连接。
参照图3，振击锤2是柱体结构，柱体上端面与弹性元件7底部挤压配合，其下端设置有与振动轨道102轴向滑动配合的导轨结构(202)，在柱体内轴向设置有对称于导轨结构(202)的节流孔(203)，在导轨结构(202)两端面设置有滚轮轴(204)，滚轮轴(204)的两端安装滚轮8，导轨结构(202)两侧的柱体底面是与冲击承冲面(104)冲击配合的主冲击面(201)。
参照图4，启振体3是与受冲壳体1旋转配合的园筒体结构，其上端面设置有与滚轮8旋转配合的凸轮副(301)，启振体3下端与涡轮马达5的传动轴4键槽配合。
进一步的，所述启振体3凸轮副(301)由低平面、连续升高的空间曲面、高平面和垂直面依次连接组成。
参照图5，所述传动轴4上部是圆盘结构，圆盘上径向圆周分布多个键槽(401)；所述启振体3下端设有多个径向圆周分布的键结构(302)，启振体3与传动轴4通过键槽(401)和键结构(302)构成键槽配合。
所述传动轴4圆盘结构上方设置有圆锥体。
典型实施例，如图1所示，本发明提到的一种机械式振动固井工具，包括受冲壳体1、振击锤2、启振体3、传动轴4、涡轮马达5、弹簧挡套6、弹性元件7、滚轮8。
涡轮马达5通过传动轴4驱动启振体3转动，启振体3通过凸轮副(301)推动振击锤2轴向往复运动，振击锤2同时受到弹性元件7压力和水击节流压力，在启振体3推动振击锤向上运动时，振击锤2蓄积能量，在启振体3凸轮副突变时，振击锤2释放能量向下冲击受冲壳体1，冲击产生的振动沿套管柱轴向传播，进而引起套管柱和水泥浆的振动。
如图２所示，所述受冲壳体1是一个筒状体，筒体上端内部是套管螺纹101，紧接着是挡套螺纹(103)，筒体内部中间位置是两个相互对称的凸台，凸台轴向相邻的侧面相互平行，作为振击锤的振动轨道102，凸台的上端面是冲击承冲面(104) ，筒体下端是涡轮马达连接螺纹。
如图３所示，所述振击锤2是一个圆柱体，其下端是一个导轨结构(202)，与受冲壳体１筒内的振动轨道102相配合，限制振击锤2作轴向直线往复运动，在柱体中布置有对称于导轨结构(202)的节流孔(203)，可实现在流体通过时，始终有节流压力作用在振击锤2上端面，在导轨结构(202)下侧面布置有两个对称的滚轮轴(204)，用于安装滚轮8，柱体下部对称端面是主冲击面(201)。
如图4所示，所述启振体3是一筒体，上端面是凸轮副(301)，凸轮副(301)由高平面、低平面和连续升高的的空间曲面和突然跌落的垂直面连接组成，凸轮副的位置变化，控制振击锤的能量蓄积和释放，启振体3下端是多个径向圆周分布的键结构(302)，用于传递扭矩和支撑启振体3。
如图5所示，所述传动轴4，其顶端是圆锥体，用于减少流体阻力，接着是一个圆盘结构，圆盘上径向圆周分布多个键槽(401)，与启振体3键结构(302)相配合，其内侧的空间是流体通道，传动轴4下端是内螺纹结构，用于连接涡轮马达5转子传递扭矩。
该机械式振动固井工具使用过程如下:工具通过套管螺纹连接在套管柱上，在套管下放、注前置液及替浆等固井过程中，流体驱动涡轮马达5转动，进而驱动启振体3转动，启振体3上端的凸轮副(301)通过滚轮８，推动振击锤2轴向往复运动，振击锤２同时受到弹性元件７压力和水击节流压力，在凸轮副(301)推动振击锤２向上运动时，蓄积能量，在凸轮副(301)位置突变时，振击锤２释放能量向下冲击受冲壳体１，冲击产生的振动沿套管柱轴向传播，进而引起套管柱和水泥浆的振动，达到达到提高水泥顶替效率和固井质量的目的。
Claims (4)
1.一种机械式振动固井工具，包括冲击机构和涡轮马达（5），涡轮马达（5）包括与外壳固定的涡轮定子、与涡轮定子旋转配合的涡轮转子以及与转子连接的传动轴（4），其特征是：所述冲击机构包括受冲壳体（1）、振击锤（2）和启振体（3）；
受冲壳体（1）是筒体结构，筒体上部设置弹性元件（7），弹性元件（7）顶部由弹簧挡套（6）锁定在筒体内，筒体内部中段设置两个相互对称的凸台，凸台轴向相邻的侧面相互平行，构成振击锤的振动轨道（102），凸台的上端面是冲击承冲面(104)，筒体下端与涡轮马达（5）的外壳连接；
振击锤（2）是柱体结构，柱体上端面与弹性元件（7）底部挤压配合，其下端设置有与振动轨道（102）轴向滑动配合的导轨结构(202)，在柱体内轴向设置有对称于导轨结构(202)的节流孔(203)，在导轨结构(202)两端面设置有滚轮轴(204)，滚轮轴(204)的两端安装滚轮（8），导轨结构(202)两侧的柱体底面是与冲击承冲面(104)冲击配合的主冲击面(201)；
启振体（3）是与受冲壳体（1）旋转配合的园筒体结构，其上端面设置有与滚轮（8）旋转配合的凸轮副(301)，启振体（3）下端与涡轮马达（5）的传动轴（4）键槽配合。
2.根据权利要求1所述的机械式振动固井工具,其特征是：所述启振体（3）凸轮副(301)由低平面、连续升高的空间曲面、高平面和垂直面依次连接组成。
3.根据权利要求1或2所述的机械式振动固井工具，其特征是：所述传动轴（4）上部是圆盘结构，圆盘上径向圆周分布多个键槽(401)；所述启振体（3）下端设有多个径向圆周分布的键结构(302)，启振体（3）与传动轴（4）通过键槽(401) 和键结构(302)构成键槽配合。
4.根据权利要求3所述的机械式振动固井工具，其特征是：所述传动轴（4）圆盘结构上方设置有圆锥体。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111765207A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-10-13 | 中石化石油机械股份有限公司 | 低摩擦力的花键传动结构及采用该结构的水力振荡器 |
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2017
- 2017-11-13 CN CN201711116132.0A patent/CN109779556A/zh not_active Withdrawn
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