CN111594128A - 一种旋转式井下空化发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转式井下空化发生器，包括上接头、下接头、外壳，所述外壳内设有传动轴、扶正轴承、驱动组件、止推轴承、旋转盘、整流筒、内套筒、外套筒；传动轴上端轴向设有深孔，中部径向设有与深孔相通的引流孔，下端径向设有与深孔相通的导流通道；扶正轴承、驱动组件套设在传动轴上端，所述旋转盘、内套筒、止推轴承依次套设在传动轴下端；整流筒、外套筒安装在外壳内壁，上接头、下接头分别连接在外壳的两端；旋转盘上设有与导流通道相通的旋流喷嘴，整流筒径向设有液流栅格，外壳下端径向设有旋流液出口，旋流喷嘴、液流栅格、旋流液出口的水平位置一致。本发明的能量转换效率高，空化效果的辐射半径大，增产持续时间长。

Description

一种旋转式井下空化发生器
技术领域
本发明涉及一种旋转式井下空化发生器，属于油气开发工程技术领域。
背景技术
水力压裂技术和基质酸化是重要的油藏增产措施，但上述措施存在工艺复杂、技术难度大、成本高、容易造成地层污染的缺点。近年来对油层和环境无污染的物理法采油技术得到了广泛应用，其中空化储层改造已经成为油井增渗、解堵、防堵、控水的重要技术。空化储层改造基于空化效应中的瞬态高温高压和冲击波，在地层岩石孔隙中产生微裂纹，提高岩石的渗透率，降低原油的粘度，达到增产的目的。
油气田增产的空化效应的产生，主要依靠超声空化、低频电脉冲空化和水力空化三种方式：
超声空化依靠地面的超声波发生机向井底输送大功率的脉冲电信号，由井底的超声换能器实现电信号向声波信号的转换，当超声波的能量达到一定阈值，井底流体发生空化效应，达到油藏增产的目的。但超声波空化的存在以下缺点：1.超声空化所需的能量阈值高，超声波在井底地层中衰减速度过快，导致超声空化产生的范围有限，超声空化的增产作业半径小于20m。2.超声波空化发生系统结构复杂，涉及地面超声波发射机、井下传输电缆、井底超声换能器等设备。3.超声波能量转换效率有限。4.不能在斜井中作业。
低频电脉冲空化是依靠井下放电管柱进行大电流的脉冲放电，高压储能电容在脉冲开关的控制下引爆金属丝，向地层输送强烈的冲击波，冲击波的压力和波速的突变，会在地层中液体产生空化效应，达到油藏增产的目的。但低频电脉冲空化存在以下缺点：1.施工效果受到单次脉冲能量、放电效率和金属丝的长度的限制。2.仪器寿命受到井底高温、高压和振动的影响。3.不能在斜井中作业。
水力空化发生器通常采用孔板、文丘里管、喷嘴、节流阀等结构，当液体介质通过上述机械结构时产生低压空化区。液体中产生空泡，形成“两相”混流，当液体携带着空泡进入高压区时，空泡溃灭产生的极高的压力、温度和微射流，达到油藏增产的目的。目前自振空化器和液流空化发生器在钻井的岩石破碎和近井带处理中有所应用，但仍存在以下缺点：1.水力空化发生器产生的空化效应较弱。2.流体压能的转换效率低。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种能量转换效率高的旋转式井下空化发生器。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种旋转式井下空化发生器，包括上接头、下接头、外壳，所述外壳内设有传动轴、扶正轴承、驱动组件、止推轴承、旋转盘、整流筒、内套筒、外套筒；
所述传动轴上端轴向设有深孔，中部径向设有与深孔相通的引流孔，下端径向设有与深孔相通的导流通道；
所述扶正轴承包括静环、动环，所述驱动组件包括涡轮定子、涡轮转子，所述止推轴承包括外圈、内圈和安装在外圈、内圈之间的钢球；
所述扶正轴承的动环、驱动组件的涡轮转子套设在传动轴的上端，所述旋转盘、内套筒、止推轴承的内圈依次套设在传动轴的下端；
所述整流筒、外套筒安装在外壳内壁，所述上接头、下接头分别连接在外壳的两端，并将扶正轴承的静环、驱动组件的涡轮定子、外套筒、整流筒、止推轴承的外圈压紧在外壳的内壁上；所述传动轴两端分别设有用于压紧扶正轴承的动环、驱动组件的涡轮转子的上压紧装置和用于压紧旋转盘、内套筒、止推轴承的内圈的下压紧装置；
所述旋转盘上设有与导流通道相通的旋流喷嘴，所述整流筒径向设有液流栅格，所述外壳下端径向设有旋流液出口，所述旋流喷嘴、液流栅格、旋流液出口的水平位置一致。
进一步的技术方案是，所述上压紧装置为上锁紧螺母，所述下压紧装置为下锁紧螺母。
进一步的技术方案是，所述液流栅格、旋流液出口的截面形状均为圆形。
进一步的技术方案是，所述液流栅格、旋流液出口的截面形状均为狭长缝隙。
进一步的技术方案是，所述液流栅格的截面面积大于旋流液出口的截面面积。
进一步的技术方案是，所述旋流喷嘴为收敛型喷嘴。
进一步的技术方案是，所述旋流喷嘴与液流栅格之间具有间隙。
进一步的技术方案是，所述整流筒的上端内壁设有环形凸起台阶，所述环形凸起台阶与传动轴的外壁之间具有间隙，所述内套筒外壁上设有环形台阶，所述环形台阶与整流筒内壁间也具有间隙。
本发明在作业时，由地面通过油管泵入液体，一部分液体进入到涡轮定子和涡轮转子，驱动涡轮转子转动，该部分液体驱动涡轮转子后，通过传动轴的引流孔进入到旋转盘的旋流腔中；另一部分液体经过传动轴的中心直接进入到旋转盘的旋流腔；旋转盘在涡轮转子的带动下高速旋转，旋转盘内的旋流腔将液体高速旋流，在离心力和压力的作用下从旋流喷嘴处喷出；旋流喷嘴与整流筒的液流栅格、外壳的旋流液出口水平高度一致，在涡轮的驱动下旋流盘能高速旋转，形成带环量的液流，同时在旋流喷嘴处形成低压区，液体经过旋流盘后容易产生空化。
旋流盘的高速旋转，旋流腔的旋流喷嘴周期性经过液流栅格和旋流液出口，形成高频率的液流脉动，有利于空泡的运移、溃灭，产生更有效的空化效应。空化效应能在地层中产生局部的高温、高压、微射流、冲击波效应，在坚硬的岩石上形成微裂纹。在空化效应反复和周期性的作用下，岩石的渗透率得到提高，油藏与井眼的连通性增强，实现油藏的增产。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明在低压力和低能耗的工况下形成强烈的空化效应，实现地层的增渗、解堵，达到增油控水的目的；
2、本发明的能量转换效率高，空化效果的辐射半径大，增产持续时间长；
3、本发明为物理法增产，绿色环保，安全可靠，对地层和环境无污染，对井底设备无腐蚀和伤害；
4、调控方便，配套设备和施工工艺简单，可在定向井或水平井中应用。
附图说明
图1为本发明一种旋转式井下空化发生器的结构示意图；
图2为本发明外壳的半剖结构示意图；
图3为图2所示结构的另一种形式，液流出口截面形状为狭长缝隙；
图4为本发明整流筒的半剖结构示意图；
图5为图4所示结构的另一种形式，液流栅格截面形状为狭长缝隙；
图6为本发明传动轴的半剖结构示意图；
图7为本发明旋流盘的流道截面示意图。
图中所示：1.上接头，2.下接头，3.外壳，301.旋流液出口，4.传动轴，401.深孔，402.引流孔，403.导流通道，5.涡轮定子，6.涡轮转子，701.静环，702.动环，801.外圈，802.内圈，803.钢球，9.旋转盘，901.旋流腔，902.旋流喷嘴，10.整流筒，1001.液流栅格，11.内套筒，12.外套筒，13.上锁紧螺母，14.下锁紧螺母。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图1-7所示，本发明的一种旋转式井下空化发生器，括上接头1、下接头2、外壳3，所述外壳3内设有传动轴4、两个扶正轴承、驱动组件、止推轴承、带有旋流腔901的旋转盘9、整流筒10、内套筒11、外套筒12；
所述传动轴4上端轴向设有深孔401，其中部为凸起台阶，凸起台阶径向设有与深孔401相通的多个引流孔402，引流孔402沿着凸起台阶的周向方向均布；下端径向设有与深孔401相通的多个导流通道403，导流通道403沿着传动轴4的周向方向均布；
所述扶正轴承包括静环701、动环702，所述驱动组件包括涡轮定子5、涡轮转子6，所述止推轴承包括外圈801、内圈802和安装在外圈801、内圈802之间的钢球803；所述扶正轴承的动环702、驱动组件的涡轮转子6套设在传动轴4的上端，所述旋转盘9、内套筒11、止推轴承的内圈802依次套设在传动轴4的下端；
所述整流筒10、外套筒12安装在外壳3内壁，所述上接头1、下接头2分别连接在外壳3的两端，并将扶正轴承的静环701、驱动组件的涡轮定子5、外套筒12、整流筒10、止推轴承的外圈801压紧在外壳3的内壁上，不做旋转运动；
所述传动轴4的上下两端分别设有上压紧装置和下压紧装置；上压紧装置将压紧扶正轴承的动环702、驱动组件的涡轮转子6压紧在传动轴4的凸起台阶的上端面上，下压紧装置将止推轴承的内圈802、内套筒11、旋转盘9依次压紧在传动轴4的凸起台阶的下端面上，都做旋转运动，这样旋转盘9可随着涡轮转子6和传动轴4一起旋转；
所述旋转盘9上设有与导流通道403相通的多个旋流喷嘴902，所述整流筒10径向设有多个液流栅格1001，液流栅格1001沿着整流筒10的轴向方向均布；所述外壳3下端径向设有多个旋流液出口301，旋流液出口301沿着外壳3的轴向方向均布，所述旋流喷嘴902、液流栅格1001、旋流液出口301的水平位置一致。
本实施例的工作流程是：通过上接头1与油管连接，在油藏增产作业时，通过油管将地面的高压流体输送到空化发生器。当高压流体进入空化发生器后，一部分流体直接进入传动轴4的深孔401中，另一部分流体进入涡轮定子5和涡轮转子6，在高压流体的压力能作用下，驱动涡轮转子6相对于涡轮定子5转动，涡轮转子6通过传动轴4带动旋转盘9转动。
如图1、6、7所示，高压流体经过涡轮定子5和涡轮转子6后，通过引流孔402进入到传动轴4的深孔401中，高压流体通过传动轴4下部的导流通道403进入到旋流腔901。
如图7所示，旋转盘9的高速转动，旋转盘9内的旋流腔901将液体高速旋流，在离心力和压力的作用下从旋流喷嘴902处喷出，流体的高速流动和收敛型旋流喷嘴的共同作用下，旋流喷嘴902处形成低压区，流体中产生空泡。旋流喷嘴902与液流栅格1001、旋流液出口301水平高度一致，旋流盘9相对于整流筒10和外壳3高速旋转，旋流喷嘴902周期性的经过液流栅格1001和旋流液出口301，形成高频率的液流脉动，有利于空泡的运移和溃灭。
流体经旋流液出口301进入到地层中，在液流脉冲的作用下，空泡发生溃灭，在空泡的周围产生强烈的空泡效应，局部的高温、高压、微射流、冲击波效应，在地层的岩石表面产生微小裂纹，在空化效应反复和周期性的作用下，岩石发生累积损伤，裂纹数量不断增加，裂纹长度和深度增大，岩石的渗透率得到提高，油藏与井眼的连通性增强，实现油藏的增产。
如图1所示，上压紧装置和下压紧装置的具体实施方式是，所述上压紧装置为上锁紧螺母13，所述下压紧装置为下锁紧螺母14。
如图2、3、4、5、7所示，所述液流栅格1001、旋流液出口301的截面形状均为圆形或狭长缝隙，所述旋流喷嘴902为收敛型喷嘴，所述旋流喷嘴902与液流栅格1001之间具有间隙。液流栅格1001的截面面积大于旋流液出口301的截面面积，维持流体中空泡的稳定，避免空泡过早的溃灭而对空化器产生气蚀。
本实施例中如图1和6所示，为了确保外壳3与传动轴4之间的流体大部分通过引流孔402进入到传动轴4的深孔401中，因此，所述整流筒10的上端内壁设有环形凸起台阶，所述环形凸起台阶与传动轴4的外壁之间具有间隙，这样环形凸起台阶起到节流的作用。
为了确保旋流喷嘴902喷出的流体能从经过液流栅格1001和旋流液出口301进入到地层中，因此，所述内套筒11外壁上设有起节流作用的环形台阶。又为了使得止推轴承得到有效的润滑，因此，所述环形台阶与整流筒10内壁间也具有间隙，这样少许的流体可通过间隙流体止推轴承内，起到润滑止推轴承的作用。
本发明旋流式井下空化发生器可通过油管送入井底，可以在不同井段进行重复作业，有效克服了现有空化技术中，能量转化效率低和空化效应弱的缺陷。本发明为物理法增产，绿色环保安全可靠，对地层和环境无污染，对井底设备无腐蚀和伤害。旋转式的空化发生器的能量转换效率高，空化效果的辐射半径大，增产持续时间长。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种旋转式井下空化发生器，包括上接头(1)、下接头(2)、外壳(3)，其特征在于，所述外壳(3)内设有传动轴(4)、扶正轴承、驱动组件、止推轴承、旋转盘(9)、整流筒(10)、内套筒(11)、外套筒(12)；
所述传动轴(4)上端轴向设有深孔(401)，中部径向设有与深孔(401)相通的引流孔(402)，下端径向设有与深孔(401)相通的导流通道(403)；
所述扶正轴承包括静环(701)、动环(702)，所述驱动组件包括涡轮定子(5)、涡轮转子(6)，所述止推轴承包括外圈(801)、内圈(802)和安装在外圈(801)、内圈(802)之间的钢球(803)；
所述扶正轴承的动环(702)、驱动组件的涡轮转子(6)套设在传动轴(4)的上端，所述旋转盘(9)、内套筒(11)、止推轴承的内圈(802)依次套设在传动轴(4)的下端；
所述整流筒(10)、外套筒(12)安装在外壳(3)内壁，所述上接头(1)、下接头(2)分别连接在外壳(3)的两端，并将扶正轴承的静环(701)、驱动组件的涡轮定子(5)、外套筒(12)、整流筒(10)、止推轴承的外圈(801)压紧在外壳(3)的内壁上；所述传动轴(4)两端分别设有用于压紧扶正轴承的动环(702)、驱动组件的涡轮转子(6)的上压紧装置和用于压紧旋转盘(9)、内套筒(11)、止推轴承的内圈(802)的下压紧装置；
所述旋转盘(9)上设有与导流通道(403)相通的旋流喷嘴(902)，所述整流筒(10)径向设有液流栅格(1001)，所述外壳(3)下端径向设有旋流液出口(301)，所述旋流喷嘴(902)、液流栅格(1001)、旋流液出口(301)的水平位置一致。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式井下空化发生器，其特征在于，所述上压紧装置为上锁紧螺母(13)，所述下压紧装置为下锁紧螺母(14)。
3.根据权利要求1所述的一种旋转式井下空化发生器，其特征在于，所述液流栅格(1001)、旋流液出口(301)的截面形状均为圆形。
4.根据权利要求1所述的一种旋转式井下空化发生器，其特征在于，所述液流栅格(1001)、旋流液出口(301)的截面形状均为狭长缝隙。
5.根据权利要求3或4所述的一种旋转式井下空化发生器，其特征在于，所述液流栅格(1001)的截面面积大于旋流液出口(301)的截面面积。
6.根据权利要求1所述的一种旋转式井下空化发生器，其特征在于，所述旋流喷嘴(902)为收敛型喷嘴。
7.根据权利要求6所述的一种旋转式井下空化发生器，其特征在于，所述旋流喷嘴(902)与液流栅格(1001)之间具有间隙。
8.根据权利要求1所述的一种旋转式井下空化发生器，其特征在于，所述整流筒(10)的上端内壁设有环形凸起台阶，所述环形凸起台阶与传动轴(4)的外壁之间具有间隙，所述内套筒(11)外壁上设有环形台阶，所述环形台阶与整流筒(10)内壁间也具有间隙。
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