CN110485928A - 非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器 - Google Patents
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Abstract
非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，包括上接头、周期机械振动模块、非周期流体振动模块和下接头；上接头通过锥螺纹与液压缸一端相连，液压缸另一端与密封底座一端通过管螺纹连接，密封底座另一端与涡街振动腔室外壳体一端通过螺纹连接，涡街振动腔室外壳体另一端通过锥螺纹与附壁振动腔室外壳体一端连接，附壁振动腔室外壳体另一端与下接头通过锥螺纹连接。本发明通过各个部件之间的周期性振动、非周期性振动的瞬时耦合效应来产生持续可靠的振动将连续油管与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，以削减连续油管与井壁之间的磨阻、甚至解除连续油管“锁死”现象，减阻器轴向振动与径向振动的耦合效应，提高了减阻器综合减阻效果。
Description
技术领域
本发明涉及减阻器技术领域，特别涉及非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器。
背景技术
我国具有丰富的页岩气，但研究较晚。页岩气成藏条件及物性特殊，开采难度大，需要采用新的钻井技术及开采工艺。
目前，连续管技术已经广泛应用在石油勘探与开发领域中，显示出了良好的发展前景，成为石油工程技术的特色技术之一。近年来，随着水平井、大位移井和多分支井数量的逐渐增加以及小井眼钻井技术的发展，连续管技术在这些井中作业的优势越来越明显，用途也越来越广。但由于连续管具有尺寸相对小、柔性相对大、不旋转以及加压困难等特点，导致其与井壁之间的摩擦阻力较大，传递到钻头上的有效钻压很小。在连续管入井过程中，在注入力和井底摩擦力的共同作用下，容易发生屈曲，甚至造成连续管的“锁死”，从而限制了连续管在大位移井和水平井中的应用。连续油管减阻器作为连续管井下工具组合之一，它的应用可以有效减小连续管与井壁间的摩擦阻力，提高机械钻速，缩短作业周期，提高连续管钻井效率，延长连续油管的下入延伸尺寸。目前，国外已研制出多种连续管井下减阻器，且在连续管实际作业中取得了良好的应用效果，而国内的该项研究处于起步阶段，因此对于连续管井下减阻器的研究具有现实意义。
应用于连续油管作业的减阻器按其减阻振动方向可分为：轴向减阻器、径向减阻器；按其工作原理可分为：机械振动减阻器、流体振动减阻器。目前，在油田应用比较广泛的减阻器有以下几种。滚轮减阻器，利用滚轮将静摩擦转化为动摩擦，但滚轮易磨损，需定期检查更换。水力减阻器，利用变流阀使流经钻柱的液流体积产生改变，从而形成液压脉冲，但受钻井液性质影响较大。E-line Agitator，由National Oilwell Varco公司研发的连续管钻井减阻工具，由大口径钻井中使用的减阻器改进而来，钻井液的压力影响较大。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，通过各个部件之间的周期性振动、非周期性振动的瞬时耦合效应来产生持续可靠的振动将连续油管与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，以削减连续油管与井壁之间的磨阻、甚至解除连续油管“锁死”现象，减阻器轴向振动与径向振动的耦合效应，提高了减阻器综合减阻效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，包括上接头1、周期机械振动模块、非周期流体振动模块和下接头16；
所述的上接头1通过锥螺纹与液压缸2一端相连，液压缸2另一端与密封底座7一端通过管螺纹连接，密封底座7另一端与涡街振动腔室外壳体9一端通过螺纹连接，涡街振动腔室外壳体9另一端通过锥螺纹与附壁振动腔室外壳体12一端连接，附壁振动腔室外壳体12另一端与下接头16通过锥螺纹连接。
所述的周期性机械振动模块包括液压缸2，液压缸2内部中空，在液压缸2内部环形空间内布置有活塞4，活塞4与液压缸2内壁过盈配合，并通过O型密封圈进行密封，在液压缸2内壁上布置有两个控压阀6和四个进压孔5，控压阀6焊接于液压缸2内壁上，密封底座7两端为螺纹，密封底座7布置有允许活塞杆8通过的环形通槽，并布置有O型密封圈。
所述控压阀6包括锥体17、碟簧18、阀体19，锥体17与阀体19的锥形槽之间通过间隙配合进行装配，碟簧18置于阀体19的圆柱槽内。
所述的非周期流体振动模块包括附壁振动腔室和涡街振动腔室。
所述涡街振动腔室包括空心轴11和涡街激发柱体10，涡街激发柱体10共三个，通过过盈配合和胶结的方式固定于空心轴11上，所述的空心轴11与涡街激发柱体10悬空、不约束置于涡街振动腔室外壳体9内。
所述的涡街激发柱体10由圆柱橡胶棒制成，其尺寸接近于涡街振动腔室外壳体9的内径。
所述附壁振动腔室包括仿生蜗壳13和轴15，仿生蜗壳13通过胶结方式固定于轴15上，轴15由空心支撑14在两端进行固定约束。
所述的仿生蜗壳13由橡胶制成，为锥形结构。
所述的空心支撑14中间开有圆环形的孔，轴15穿过孔，位于孔的周围等间距设置有圆孔。
本发明的有益效果：
(1)本设计基于流体力学中卡门涡街效应、附壁效应，创新性地设计了结构简单、振动原理可靠的非周期流体振动腔室，即涡街振动腔室和附壁振动腔室。
(2)附壁振动腔室设计中采用了仿生“蜗壳”设计方案，涡街振动腔室设计中采用了非均布、多列绕流柱体设计。
(3)周期机械振动模块产生的轴向振动与非周期流体振动腔室产生的轴向振动发生耦合，提供减阻器进行减阻的主要动力；附壁振动腔室激发的径向振动与涡街振动腔室激发的径向振动进行耦合，提供减阻器进行减阻的辅助动力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为本发明周期性机械振动模块示意图。
图3为本发明控压阀结构示意图。
图4为本发明涡街振动腔室示意图。
图5为本发明附壁振动腔室示意图。
图6为本发明空心支承结构示意图。
图7为本发明周期性机械振动模块方案流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1图2所示：非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器主要由上接头1、周期机械振动模块2-8、非周期流体振动模块9-15(包括附壁振动腔室12-15和涡街振动腔室9-11)、下接头16组成。
所述的上接头1与周期性机械振动模块的液压缸2通过锥螺纹连接，液压缸2与密封底座7通过管螺纹连接，密封底座7与涡街振动腔室外壳体9通过螺纹连接，涡街振动腔室外壳体9通过锥螺纹与附壁振动腔室外壳体12连接，下接头16与附壁振动腔室外壳体12通过锥螺纹连接。
所述周期性机械振动模块由液压缸2、碟形弹簧3、密封底座7、活塞4、活塞杆8、控压阀6组成。液压缸2内部中空，在液压缸2内部环形空间内布置有活塞4，活塞4与液压缸2内壁过盈配合，并通过O型密封圈进行密封，在液压缸2内壁上布置有两个控压阀6和四个进压孔5，控压阀6焊接于液压缸2内壁上，密封底座7两端为螺纹，起到密封和连接的作用，密封底座7布置有允许活塞杆8通过的环形通槽，并布置有O型密封圈，以防止压力泄露。
如图3所示：所述控压阀6由锥体17、碟簧18、阀体19组成。锥体17与阀体19的锥形槽之间通过间隙配合进行装配，碟簧18置于阀体19的圆柱槽内。
如图4所示：所述涡街振动腔室9-11由涡街振动腔室外壳体9、涡街激发柱体10、空心轴11组成。涡街激发柱体10由圆柱橡胶棒制成，其尺寸接近于涡街振动腔室外壳体9的内径，涡街激发柱体10共三个，通过过盈配合和胶结的方式固定于空心轴11上。空心轴11与涡街激发柱体10悬空、不约束置于涡街振动腔室外壳体9内。
如图5所示：所述附壁振动腔室12-15由附壁振动腔室外壳体12、仿生蜗壳13、空心支承14、轴15组成。仿生蜗壳13由橡胶制成，根据实际蜗壳进行一定比例放大制成，通过胶结方式固定于轴15上，轴15由空心支撑14在两端进行固定约束。空心支承的具体结构如图6所示。
(1)上接头1、下接头16
由于连续油管在工作过程中不能旋转，且实际作业中的连续油管规格各有不同，因此，必须配置不同规格的特制连续油管接头，以便于与连续油管进行连接。本设计中的连续油管减阻器配置了不同规格的上接头1、下接头16，使得本减阻器的适用性大大提高。
(2)周期机械振动模块
周期机械振动模块主要由液压缸2、活塞杆8、控压阀6等三部分组成。通过液压缸2、控压阀6、活塞杆8等在压差的作用下，产生周期性的机械振动。液压缸2主要依靠井内流体进行驱动，井内流体在液压缸2内产生压力作为机械振动部分的驱动动力。控压阀6是周期机械振动模块压力调节、控制储能和泄压的核心工作机构。控压阀6的主要作用是控制液压缸内流体压力的增大与瞬间骤减。液压缸2在井内流体介质作用下憋压，当液体压力达到阈值时，控压阀6的锥体17开启，瞬间泄掉压力，由碟形弹簧3将动能传递给活塞杆8。活塞杆8主要的作用是将液压缸2产生的冲击力传递到壳体上，流体在液压缸内产生压力，经控压阀6进行泄压后，产生压力差，碟形弹簧3将压缩过程积累的动能释放于活塞杆8上，由活塞杆8传递到壳体8上。
周期机械振动模块主要利用控压阀的开启、闭合产生压力差，在压力差的作用下，驱动机械结构产生周期性的振动，具体原理如图7所示。井内流体由进压孔5进入液压缸2内，随着流体地不断流入，液压缸2内压力持续升高，推动活塞上行，开始压缩碟形弹簧3，弹簧被压缩至极限位置时，储存能量最大。当流体压力达到控压阀6泄压压力阈值时，控压阀6开启，井内流体从控压阀6流出，液压缸2内压力骤降，碟形弹簧3开始释放存贮的能量，作用于活塞4和活塞杆8上，转化为活塞杆8的动能，活塞杆8冲击壳体9，产生轴向冲击。控压阀6泄掉液压缸2内压力后，活塞杆8完成一次冲击之后，一个工作循环结束，此时进压孔5进入流体，开始重复下一个工作循环，产生周期性的持续轴向冲击。
(3)非周期流体振动模块
非周期性流体振动模块主要由附壁振动腔室、涡街振动腔室两部分组成。创新性地利用流体力学中的附壁振动效应、卡门涡街振动效应设计了两个振动腔室，通过两个流体振动腔室产生耦合振动。
附壁振动腔室主要依据流体力学中附壁效应原理设计，由于附壁振动腔室壳体12表面曲率在不断变化，流体流经所设计的附壁效应振动腔室时，贴附于腔室表面流动，流经曲率变化处时，流体速度大小和方向便会发生变化，腔室表面曲率在一直变化，流体速度便会一直变化，诱发持续的振动；另外，附壁振动腔室设计中仿生蜗壳13锥形结构，因此流体流经腔室压力也会发生变化，使得附壁效应产生的振动更为显著。
涡街振动腔室主要依据流体力学中卡门涡街原理进行设计，井内流体绕过涡街诱发柱体10时，涡街诱发柱体10两侧会非周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。流体流经涡街诱发柱体时，非周期性地产生漩涡、漩涡脱落，便会激发非周期性的轴向振动，振动传递到减阻器壳体上，达到减阻的目的。
(4)非周期性耦合振动原理
“非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器”能够产生、诱发结构振动的机构主要有“周期机械振动模块”、“附壁振动腔室”、“涡街振动腔室”。
“周期性机械振动模块”主要靠机械机构产生周期性的轴向振动。“附壁振动腔室”主要靠流体在曲率变化的附壁效应振动腔室内表面作用下产生轴向振动、微弱的径向振动。“涡街振动腔室”主要利用卡门涡街效应产生漩涡、漩涡脱落时的压力变化激发轴向振动、径向振动。
“非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器”存在三个层次的耦合振动：周期机械振动模块产生的轴向振动与非周期流体振动腔室产生的轴向震动的耦合，这是减阻器进行减阻的主要动力；附壁振动腔室激发的径向振动与涡街振动腔室激发的径向振动的耦合，这是减阻器进行减阻的辅助动力；减阻器轴向振动与径向振动的耦合效应，这是减阻器减阻效果的综合体现。
Claims (9)
1.非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，其特征在于，包括上接头(1)、周期机械振动模块、非周期流体振动模块和下接头(16)；
所述的上接头(1)通过锥螺纹与液压缸(2)一端相连，液压缸(2)另一端与密封底座(7)一端通过管螺纹连接，密封底座(7)另一端与涡街振动腔室外壳体(9)一端通过螺纹连接，涡街振动腔室外壳体(9)另一端通过锥螺纹与附壁振动腔室外壳体(12)一端连接，附壁振动腔室外壳体(12)另一端与下接头(16)通过锥螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，其特征在于，所述的周期性机械振动模块包括液压缸(2)，液压缸(2)内部中空，在液压缸(2)内部环形空间内布置有活塞(4)，活塞(4)与液压缸(2)内壁过盈配合，并通过O型密封圈进行密封，在液压缸(2)内壁上布置有两个控压阀(6)和四个进压孔(5)，控压阀(6)焊接于液压缸(2)内壁上，密封底座(7)两端为螺纹，密封底座(7)布置有允许活塞杆(8)通过的环形通槽，并布置有O型密封圈。
3.根据权利要求2所述的非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，其特征在于，所述控压阀(6)包括锥体(17)、碟簧(18)、阀体(19)，锥体(17)与阀体(19)的锥形槽之间通过间隙配合进行装配，碟簧(18)置于阀体(19)的圆柱槽内。
4.根据权利要求1所述的非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，其特征在于，所述的非周期流体振动模块包括附壁振动腔室和涡街振动腔室。
5.根据权利要求4所述的非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，其特征在于，所述涡街振动腔室包括空心轴(11)和涡街激发柱体(10)，涡街激发柱体(10)共三个，通过过盈配合和胶结的方式固定于空心轴(11)上，所述的空心轴(11)与涡街激发柱体(10)悬空、不约束置于涡街振动腔室外壳体(9)内。
6.根据权利要求5所述的非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，其特征在于，所述的涡街激发柱体(10)由圆柱橡胶棒制成，其尺寸接近于涡街振动腔室外壳体(9)的内径。
7.根据权利要求4所述的非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，其特征在于，所述附壁振动腔室包括仿生蜗壳(13)和轴(15)，仿生蜗壳(13)通过胶结方式固定于轴(15)上，轴(15)由空心支撑(14)在两端进行固定约束。
8.根据权利要求7所述的非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，其特征在于，所述的仿生蜗壳(13)由橡胶制成，为锥形结构。
9.根据权利要求7所述的非周期性耦合水力诱振式连续油管减阻器，其特征在于，所述的空心支撑(14)中间开有圆环形的孔，轴(15)穿过孔，位于孔的周围等间距设置有圆孔。
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