CN114251069A - 一种机械储能的振动固井装置及其使用方法与测试装置 - Google Patents
一种机械储能的振动固井装置及其使用方法与测试装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114251069A CN114251069A CN202111682441.0A CN202111682441A CN114251069A CN 114251069 A CN114251069 A CN 114251069A CN 202111682441 A CN202111682441 A CN 202111682441A CN 114251069 A CN114251069 A CN 114251069A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vibration
- energy
- shaft
- energy storage
- pawl
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 title claims abstract description 127
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims abstract description 73
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 40
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims abstract description 37
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 96
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 90
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims description 28
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 23
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 22
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 22
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 22
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 19
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 18
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 15
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 14
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 14
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 13
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 9
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 8
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000010361 transduction Methods 0.000 claims description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims 1
- 230000026683 transduction Effects 0.000 claims 1
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 239000011440 grout Substances 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B28/00—Vibration generating arrangements for boreholes or wells, e.g. for stimulating production
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
- E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
- E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices or the like
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B50/00—Energy efficient technologies in elevators, escalators and moving walkways, e.g. energy saving or recuperation technologies
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
本发明提供了一种机械储能的振动固井装置及其使用方法与测试装置,该振动固井装置包括换能装置、储能装置、振动轴、过载保护装置和放能触发装置，换能装置用于将流体动能转换成轴的动能并带动振动轴旋转以产生振动；储能装置用于将轴的动能转换成弹性势能并储存起来；过载保护装置对储能装置起过载保护作用；在候凝时，通过放能触发装置将储能装置储存的机械势能释放产生径向振动，以实现在注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中的振动。本发明实现了在注水泥和水泥浆顶替过程中将流体动能转换成机械势能储存起来同时产生偏心振动，进一步提高了水泥浆的致密性和均匀性，且不需要改变固井工艺、无需井下电力设备，设计简单，成本低。
Description
技术领域
本发明属于油气井工程领域，尤其涉及一种机械储能的振动固井装置及其使用方法与测试装置。
背景技术
固井是油气开采工程中最为关键的部分之一，而振动固井是提高固井质量的有效手段之一，实验证明，在注水泥、水泥浆顶替和水泥浆候凝过程中进行振动都是提高固井质量的关键步骤。目前国内外振动固井工具主要分为水力脉冲式振动固井工具、声频式振动固井工具、环空水力或空气振动固井工具、机械式振动固井工具等，其中水力脉冲式振动固井工具应用最为广泛。但是，水力脉冲式振动固井工具仅能在注水泥和水泥浆顶替过程中产生振动；机械式、声频式、振动固井工具虽能在水泥浆候凝中产生振动，但需要地面电缆或其他附属设备，其改变了常规固井工艺，造成固井现场施工复杂。
井下振动固井工具可以解决无需地面电缆和附属的设备的短板，无需改变常规固井工艺，目前的井下振动固井工具按能源来源主要分为电能式和水力式，电能式通过耐高温电池提供能量基于压电效应、磁致伸缩或电机轴上添加偏心块在候凝状态下产生振动，但电能式主要在候凝状态下产生振动，且电力设备在深井中的高温、高压的恶劣环境中易出现问题，而水力式仅在注水泥和水泥浆顶替过程中将流体动能转换成机械能进而产生振动。因此迫切需要一种简易的不改变固井工艺、无需井下电力设备且可以在注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中振动的井下固井工具。
综上所述，如何提供不需要改变固井工艺、无需井下电力设备且设计简单、成本低的固井装置，以实现在注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中振动，提高水泥浆的致密性和均匀性，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种机械储能的振动固井装置，包括换能装置13、储能装置5、振动轴17、过载保护装置10和放能触发装置3，
所述换能装置13用于将流体动能转换成轴的动能并带动振动轴17旋转以产生振动；
所述储能装置5用于将轴的动能转换成弹性势能并储存起来；
所述过载保护装置10对储能装置5起过载保护作用；
在候凝时，通过放能触发装置3将储能装置5储存的机械势能释放产生径向振动，以实现在注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中的振动。
优选的，所述振动固井装置还包括套管1、胶塞座2、放能触发装置3、上支撑板4、棘轮棘爪机构6、下支撑板7、偏心块Ⅰ8、偏心块Ⅱ16、偏心块Ⅲ19、振动支撑板Ⅰ9、振动支撑板Ⅱ15、振动支撑板Ⅲ18、短传动轴11、传动齿轮Ⅰ12和传动齿轮Ⅱ14，其中，
上支撑板4与套管1通过螺钉连接；胶塞座2的下端面与上支撑板4的上端面接触；
放能触发装置3用于释放储能装置5中的弹性势能；
储能装置5通过螺钉与上支撑板4相连，储能装置5的下端与下支撑板7上端面接触并通过密封圈密封；
下支撑板7与套管1通过螺钉连接，偏心块Ⅰ8、偏心块Ⅱ16和偏心块Ⅲ19分别通过螺钉与振动轴17连接，通过轴的转动产生偏心振动进而通过振动支撑板Ⅰ9、振动支撑板Ⅱ15与振动支撑板Ⅲ18将振动传递到套管1以进一步传递到环空水泥浆中；
传动齿轮Ⅰ12和传动齿轮Ⅱ14通过轴肩和开口销轴向定位，通过键连接传递力矩；
换能装置13通过螺钉与套管1连接，一方面将流体动能转换成轴的动能，另一方面通过传动齿轮Ⅱ14带动振动轴17旋转并产生振动。
优选的，所述储能装置5包括上密封板501、密封管503、传动轴510、隔板511、末端传动轴516以及多节储能节，储能节包括卷簧上壳502、卷簧外筒504、卷簧下壳505、卷簧506，508和卷簧压板512，其中，
上密封板501与上支撑板4通过螺钉连接，并用密封圈密封；
密封管503的上部与上密封板501通过螺纹连接，下部与下支撑板7上端面配合接触并用密封圈密封；
卷簧上壳502与上密封板501之间、卷簧上壳502与卷簧外筒504之间以及卷簧外筒504与卷簧下壳505之间均通过螺钉连接；
卷簧506，508的内侧通过卷簧压板512压在传动轴510并用螺钉固连，外侧通过螺钉固连在卷簧外筒504上；
隔板511通过螺钉与密封管503固连；传动轴510与隔板511轴肩接触；
上密封板501、密封管503和下支撑板7将内部各储能节密封，避免其在水泥浆或顶替液中转动损失动能；
末端传动轴516转动带动最下端的卷簧506，508转动，当储存一定的能量带动卷簧外筒504转动进而上一节传动轴510转动，依次重复直至最后一节。
优选的，棘轮棘爪机构6包括棘爪复位板簧601、棘爪603和棘轮604，棘轮604的孔与末端传动轴516配合并通过键传递力矩，轴向由轴肩和开口销限位。
优选的，所述换能装置13包括齿轮轴Ⅰ1301、上密封盖1302、齿轮套1303、下密封盖1304、齿轮1305和齿轮轴Ⅱ1306，其中，
上密封盖1302与下密封盖1304通过螺钉与套管1固连；
齿轮套1303的上端面与上密封盖1302的下端面接触，下端面与下密封盖1304的上端面接触，并用密封圈密封；
齿轮1305周侧与齿轮套1303贴合，上下端面分别与上密封盖1302和下密封盖1304贴合。
优选的，所述放能触发装置3包括碰触杆301、牵引绳302、导块303、开关支撑架304、导架305、压紧弹簧307和棘爪垫块308，其中，
棘爪603的孔与开关支撑架304上的轴配合，棘爪603的下端面与棘爪垫块308上端面接触，棘爪603的上端面开口销限位，一侧与棘爪复位板簧601接触；
放能触发装置3的上端部分与胶塞座2接触并由牵引绳302拉紧固定；
碰触杆301上端面与胶塞座2接触，碰触杆301的下端面由牵引绳302拉紧限位；
牵引绳302上端固连在碰触杆301下端面，下端固连在棘爪垫块308的右端面；
导块303和导架305通过螺钉分别固连在胶塞座2和密封管503上，以对牵引绳302进行导向；
开关支撑架304通过螺钉固连在密封管503上；
压紧弹簧307限位于开关支撑架304的凹槽中，将棘爪垫块308压紧在开关支撑架304的轴上；
棘爪垫块308限位于开关支撑架304的凹槽中，一侧与开关支撑架304的轴接触；
所述过载保护装置10为一个剪断销轴，末端传动轴516与短传动轴11通过剪断销轴连接，剪断销轴起过载保护作用。
优选的，放能触发装置3包括开关支撑架Ⅰ301″、遇水遇油膨胀材料302″和棘爪垫块Ⅰ303″，开关支撑架Ⅰ301″通过螺钉与密封管504固连，遇水遇油膨胀材料302″置于开关支撑架Ⅰ301″的孔槽中，棘爪垫块Ⅰ303″限位于开关支撑架Ⅰ301″的凹槽中，右侧与开关支撑架Ⅰ301″上的轴配合接触，上端面与棘爪602接触压紧；密封管504外的液体通过密封管504上的小孔与遇水遇油膨胀材料302″接触，遇水遇油膨胀材料302″不断膨胀直至将棘爪垫块Ⅰ303″顶出，棘爪602下落与棘轮603错位，储能装置放能；
过载保护装置10包括上半联轴器1001、下半联轴器1002和剪断销钉1003，上半联轴器1001、下半联轴器1002轴向通过轴肩限位；剪断销钉1003通过孔轴配合连接上半联轴器1001和下半联轴器1002，通过键连接传递力矩；当储能装置5能量储存至一定程度，剪断销钉1003由于扭矩过大而剪端，对储能装置5起过载保护作用；
换能装置13包括叶轮上隔板13″、偏心叶轮14″和叶轮下隔板15″，叶轮上隔板13″与叶轮下隔板15″通过螺钉与套管1固连，偏心叶轮14″上突出端面与叶轮上隔板13″的下端面接触，偏心叶轮14″下突出端面与叶轮下隔板15″下端面接触，通过键连接与振动轴17″传递扭矩；叶轮上隔板13″、叶轮下隔板15″分别四分之一开口，安装时对角线分布，便于带动叶轮转动；偏心叶轮14″的叶面，一侧叶面厚度较薄，一侧叶面厚度较厚，转动时，一边传递扭矩储存能量，一边产生偏心振动。
优选的，放能触发装置3的下端部分的开关支撑架304或者开关支撑架Ⅰ301″通过螺钉连接于密封管503上，棘轮棘爪机构6分别安装于储能装置5中的末端传动轴516上和开关支撑架304上，使储能装置5在注水泥和水泥浆顶替过程中仅能单向储能。
本发明的目的还在于提供一种机械储能的振动固井装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1，将机械储能的振动固井装置下入到预定位置；
步骤2，在注水泥和水泥浆顶替过程中，水泥浆或顶替液经过胶塞座2、上支撑板4的孔、储能装置5与套管1形成的环空、下支撑板7的孔、振动支撑板Ⅰ9的孔，到达换能装置13上部，由于换能装置13密封，齿轮1305不转动液体不能通过，因此换能装置13上下部分形成压差，齿轮1305在压差下转动，进而带动齿轮轴Ⅰ1301和齿轮轴Ⅱ1306转动，将流体动能转换成机械动能；
齿轮轴Ⅰ1301带动传动齿轮Ⅰ12转动，传动齿轮Ⅰ12通过键带动短传动轴11转动，进一步的剪断销轴带动末端传动轴516转动并在偏心块Ⅰ8的作用下产生偏心振动，末端传动轴516上端通过螺钉固连带动最下端的卷簧506，508转动，当其储存一定的能量，卷簧506，508通过螺钉固连带动卷簧外筒504转动，进而卷簧上壳502与卷簧外筒504一起转动，进而上一节的传动轴510因与卷簧上壳502固连转动，进一步的带动第二节储能中的卷簧转动储能，依次重复直至最后一节；储能过程中，棘轮604每转过一定角度，棘爪603在棘爪复位板簧601的作用下复位，防止棘轮604反转进而使末端传动轴516在储能过程中仅能单方向转动，继而使储能装置5在注水泥和水泥浆顶替过程中仅储能，当储能装置5能量储存至一定程度，剪断销钉1003由于扭矩过大而剪端，对储能装置5起过载保护作用；
齿轮轴Ⅱ1306转动带动传动齿轮Ⅱ14转动，传动齿轮Ⅱ14通过键连接带动振动轴17转动，在偏心块Ⅱ16、偏心块Ⅲ19作用下产生偏心振动，进而通过振动支撑板Ⅰ9、振动支撑板Ⅱ15、振动支撑板Ⅲ18将振动传递到套管1进一步传递到环空水泥浆中；
步骤3，在水泥浆顶替完毕后，换能装置13上下压差基本相等，下端振动轴17不再产生偏心振动，上端过载保护装置10的销钉剪断，上端储能装置5与下端换能装置13分离，此时胶塞碰压胶塞座2，碰触杆301下移，牵引绳302上拉进而在牵引拉力下棘爪垫块308右移，压紧弹簧307被压缩，棘爪603在无棘爪垫块308的支撑后下移与棘轮604错位，进而棘轮604被释放，储能装置5放能，末端传动轴516转动并产生偏心振动。
本发明的目的还在于提供一种机械储能的振动固井装置的试验装置，所述试验装置包括电机泵1'、水压表2'、隔热试验箱体3'、振动工具4'、支撑座5'、加速度位移传感器6'、隔热透明玻璃观察窗7'、计算机8'、温度计9'、加热电阻丝支架10'和加热电阻丝11'，其中，电机泵1'泵入一定压力的水压，水压表2'实时检测泵入的水压值，用于模拟井下高压环境；振动工具4'约束于支撑座5'之上，加热电阻丝支架10'上的加热电阻丝11'通电产热，在隔热试验箱体3'中模拟井下高温环境，通过隔热透明玻璃观察窗7'观察隔热试验箱体3'中的温度计9'的温度示值，进而调控箱内温度；通过在振动工具4'上安装加速度位移传感器6'并将数据传输至计算机8'，通过传回的振动数据曲线可实时分析的振动固井工具所处阶段和振动能量是否符合使用要求。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明的振动固井装置实现了在注水泥和水泥浆顶替过程中将流体动能转换成机械势能储存起来同时产生偏心振动，在候凝时通过触发装置将储存的机械势能释放产生径向振动，实现在注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中振动，进一步提高了水泥浆的致密性和均匀性，且不需要改变固井工艺、无需井下电力设备，设计简单，成本低。
附图说明
图1为优选实施例1中的机械储能式井下振动固井工具的整体结构示意图；
图2-1为优选实施例1中的储能装置的结构示意图之一；
图2-2为优选实施例1中的储能装置的结构示意图之二；
图3-1为优选实施例1中的棘轮棘爪与放能触发装置结构示意图的结构示意图之一；
图3-2为优选实施例1中的棘轮棘爪与放能触发装置结构示意图的结构示意图之二；
图3-3为优选实施例1中的棘轮棘爪与放能触发装置结构示意图的结构示意图之三；
图4为优选实施例1中的上密封盖、齿轮套、下密封盖的结构示意图；
图5为优选实施例1中的换能装置的剖视图；
图6为优选实施例2中的机械储能式井下振动固井工具的整体结构示意图；
图7为优选实施例2中的放能触发装置的结构示意图；
图8为优选实施例2中的偏心叶轮的三维结构示意图
图9为优选实施例2中的叶轮上下隔板的二维结构示意图
图10为优选实施例2中的过载保护装置的结构示意图；
图11-1为本发明中的机械储能式井下振动固井工具的测试装置的结构示意图之一；
图11-2为本发明中的机械储能式井下振动固井工具的测试装置的结构示意图之二。
图中附图标记为：
1-套管、2-胶塞座、3-放能触发装置、4-上支撑板、5-储能装置、6-棘轮棘爪机构、7-下支撑板、8-偏心块Ⅰ,9-振动支撑板Ⅰ,10-过载保护装置、11-短传动轴、12-传动齿轮Ⅰ、13-换能装置、14-传动齿轮Ⅱ、15-振动支撑板Ⅱ,16-偏心块Ⅱ,17-振动轴,18-振动支撑板Ⅲ,19-偏心块Ⅲ；
501-上密封板、502-卷簧上壳、503-密封管、504-卷簧外筒、505-卷簧下壳、506，508-卷簧、510-传动轴、511-隔板、512-卷簧压板、516-末端传动轴
301-碰触杆、302-牵引绳、303-导块、304-开关支撑架、305-导架、307-压紧弹簧、308-棘爪垫块、601-棘爪复位板簧、603-棘爪、604-棘轮；
1301-齿轮轴Ⅰ、1302-上密封盖、1303-齿轮套、1304-下密封盖、1305-齿轮、1306-齿轮轴Ⅱ；
1'-电机泵、2'-水压表、3'-隔热试验箱体、4'-振动工具、5'-支撑座、6'-加速度位移传感器、7'-隔热透明玻璃观察窗、8'-计算机、9'-温度计、10'-加热电阻丝支架、11'-加热电阻丝；
301″-开关支撑架Ⅰ、302″-遇水遇油膨胀材料、303″-棘爪垫块Ⅰ；
1001-上半联轴器、1002-下半联轴器、1003-剪断销钉；
9″-末端振动轴、11″-振动支撑板Ⅳ、13″-叶轮上隔板、14″-偏心叶轮、15″-叶轮下隔板。
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。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的一个宽泛实施例中，一种机械储能的振动固井装置，包括换能装置13、储能装置5、振动轴17、过载保护装置10和放能触发装置3，
所述换能装置13用于将流体动能转换成轴的动能并带动振动轴17旋转以产生振动；
所述储能装置5用于将轴的动能转换成弹性势能并储存起来；
所述过载保护装置10对储能装置5起过载保护作用；
在候凝时，通过放能触发装置3将储能装置5储存的机械势能释放产生径向振动，以实现在注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中的振动。
优选的，所述振动固井装置还包括套管1、胶塞座2、放能触发装置3、上支撑板4、棘轮棘爪机构6、下支撑板7、偏心块Ⅰ8、偏心块Ⅱ16、偏心块Ⅲ19、振动支撑板Ⅰ9、振动支撑板Ⅱ15、振动支撑板Ⅲ18、短传动轴11、传动齿轮Ⅰ12和传动齿轮Ⅱ14，其中，
上支撑板4与套管1通过螺钉连接；胶塞座2的下端面与上支撑板4的上端面接触；
放能触发装置3用于释放储能装置5中的弹性势能；
储能装置5通过螺钉与上支撑板4相连，储能装置5的下端与下支撑板7上端面接触并通过密封圈密封；
下支撑板7与套管1通过螺钉连接，偏心块Ⅰ8、偏心块Ⅱ16和偏心块Ⅲ19分别通过螺钉与振动轴17连接，通过轴的转动产生偏心振动进而通过振动支撑板Ⅰ9、振动支撑板Ⅱ15与振动支撑板Ⅲ18将振动传递到套管1以进一步传递到环空水泥浆中；
传动齿轮Ⅰ12和传动齿轮Ⅱ14通过轴肩和开口销轴向定位，通过键连接传递力矩；
换能装置13通过螺钉与套管1连接，一方面将流体动能转换成轴的动能，另一方面通过传动齿轮Ⅱ14带动振动轴17旋转并产生振动。
优选的，所述储能装置5包括上密封板501、密封管503、传动轴510、隔板511、末端传动轴516以及多节储能节，储能节包括卷簧上壳502、卷簧外筒504、卷簧下壳505、卷簧506，508和卷簧压板512，其中，
上密封板501与上支撑板4通过螺钉连接，并用密封圈密封；
密封管503的上部与上密封板501通过螺纹连接，下部与下支撑板7上端面配合接触并用密封圈密封；
卷簧上壳502与上密封板501之间、卷簧上壳502与卷簧外筒504之间以及卷簧外筒504与卷簧下壳505之间均通过螺钉连接；
卷簧506，508的内侧通过卷簧压板512压在传动轴510并用螺钉固连，外侧通过螺钉固连在卷簧外筒504上；
隔板511通过螺钉与密封管503固连；传动轴510与隔板511轴肩接触；
上密封板501、密封管503和下支撑板7将内部各储能节密封，避免其在水泥浆或顶替液中转动损失动能；
末端传动轴516转动带动最下端的卷簧506，508转动，当储存一定的能量带动卷簧外筒504转动进而上一节传动轴510转动，依次重复直至最后一节。
优选的，棘轮棘爪机构6包括棘爪复位板簧601、棘爪603和棘轮604，棘轮604的孔与末端传动轴516配合并通过键传递力矩，轴向由轴肩和开口销限位。
优选的，所述换能装置13包括齿轮轴Ⅰ1301、上密封盖1302、齿轮套1303、下密封盖1304、齿轮1305和齿轮轴Ⅱ1306，其中，
上密封盖1302与下密封盖1304通过螺钉与套管1固连；
齿轮套1303的上端面与上密封盖1302的下端面接触，下端面与下密封盖1304的上端面接触，并用密封圈密封；
齿轮1305周侧与齿轮套1303贴合，上下端面分别与上密封盖1302和下密封盖1304贴合。
优选的，所述放能触发装置3包括碰触杆301、牵引绳302、导块303、开关支撑架304、导架305、压紧弹簧307和棘爪垫块308，其中，
棘爪603的孔与开关支撑架304上的轴配合，棘爪603的下端面与棘爪垫块308上端面接触，棘爪603的上端面开口销限位，一侧与棘爪复位板簧601接触；
放能触发装置3的上端部分与胶塞座2接触并由牵引绳302拉紧固定；
碰触杆301上端面与胶塞座2接触，碰触杆301的下端面由牵引绳302拉紧限位；
牵引绳302上端固连在碰触杆301下端面，下端固连在棘爪垫块308的右端面；
导块303和导架305通过螺钉分别固连在胶塞座2和密封管503上，以对牵引绳302进行导向；
开关支撑架304通过螺钉固连在密封管503上；
压紧弹簧307限位于开关支撑架304的凹槽中，将棘爪垫块308压紧在开关支撑架304的轴上；
棘爪垫块308限位于开关支撑架304的凹槽中，一侧与开关支撑架304的轴接触；
所述过载保护装置10为一个剪断销轴，末端传动轴516与短传动轴11通过剪断销轴连接，剪断销轴起过载保护作用。
优选的，放能触发装置3包括开关支撑架Ⅰ301″、遇水遇油膨胀材料302″和棘爪垫块Ⅰ303″，开关支撑架Ⅰ301″通过螺钉与密封管504固连，遇水遇油膨胀材料302″置于开关支撑架Ⅰ301″的孔槽中，棘爪垫块Ⅰ303″限位于开关支撑架Ⅰ301″的凹槽中，右侧与开关支撑架Ⅰ301″上的轴配合接触，上端面与棘爪602接触压紧；密封管504外的液体通过密封管504上的小孔与遇水遇油膨胀材料302″接触，遇水遇油膨胀材料302″不断膨胀直至将棘爪垫块Ⅰ303″顶出，棘爪602下落与棘轮603错位，储能装置放能；
过载保护装置10包括上半联轴器1001、下半联轴器1002和剪断销钉1003，上半联轴器1001、下半联轴器1002轴向通过轴肩限位；剪断销钉1003通过孔轴配合连接上半联轴器1001和下半联轴器1002，通过键连接传递力矩；当储能装置5能量储存至一定程度，剪断销钉1003由于扭矩过大而剪端，对储能装置5起过载保护作用；
换能装置13包括叶轮上隔板13″、偏心叶轮14″和叶轮下隔板15″，叶轮上隔板13″与叶轮下隔板15″通过螺钉与套管1固连，偏心叶轮14″上突出端面与叶轮上隔板13″的下端面接触，偏心叶轮14″下突出端面与叶轮下隔板15″下端面接触，通过键连接与振动轴17″传递扭矩；叶轮上隔板13″、叶轮下隔板15″分别四分之一开口，安装时对角线分布，便于带动叶轮转动；偏心叶轮14″的叶面，一侧叶面厚度较薄，一侧叶面厚度较厚，转动时，一边传递扭矩储存能量，一边产生偏心振动。
优选的，放能触发装置3的下端部分的开关支撑架304或者开关支撑架Ⅰ301″通过螺钉连接于密封管503上，棘轮棘爪机构6分别安装于储能装置5中的末端传动轴516上和开关支撑架304上，使储能装置5在注水泥和水泥浆顶替过程中仅能单向储能。
本发明的目的还在于提供一种机械储能的振动固井装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1，将机械储能的振动固井装置下入到预定位置；
步骤2，在注水泥和水泥浆顶替过程中，水泥浆或顶替液经过胶塞座2、上支撑板4的孔、储能装置5与套管1形成的环空、下支撑板7的孔、振动支撑板Ⅰ9的孔，到达换能装置13上部，由于换能装置13密封，齿轮1305不转动液体不能通过，因此换能装置13上下部分形成压差，齿轮1305在压差下转动，进而带动齿轮轴Ⅰ1301和齿轮轴Ⅱ1306转动，将流体动能转换成机械动能；
齿轮轴Ⅰ1301带动传动齿轮Ⅰ12转动，传动齿轮Ⅰ12通过键带动短传动轴11转动，进一步的剪断销轴带动末端传动轴516转动并在偏心块Ⅰ8的作用下产生偏心振动，末端传动轴516上端通过螺钉固连带动最下端的卷簧506，508转动，当其储存一定的能量，卷簧506，508通过螺钉固连带动卷簧外筒504转动，进而卷簧上壳502与卷簧外筒504一起转动，进而上一节的传动轴510因与卷簧上壳502固连转动，进一步的带动第二节储能中的卷簧转动储能，依次重复直至最后一节；储能过程中，棘轮604每转过一定角度，棘爪603在棘爪复位板簧601的作用下复位，防止棘轮604反转进而使末端传动轴516在储能过程中仅能单方向转动，继而使储能装置5在注水泥和水泥浆顶替过程中仅储能，当储能装置5能量储存至一定程度，剪断销钉1003由于扭矩过大而剪端，对储能装置5起过载保护作用；
齿轮轴Ⅱ1306转动带动传动齿轮Ⅱ14转动，传动齿轮Ⅱ14通过键连接带动振动轴17转动，在偏心块Ⅱ16、偏心块Ⅲ19作用下产生偏心振动，进而通过振动支撑板Ⅰ9、振动支撑板Ⅱ15、振动支撑板Ⅲ18将振动传递到套管1进一步传递到环空水泥浆中；
步骤3，在水泥浆顶替完毕后，换能装置13上下压差基本相等，下端振动轴17不再产生偏心振动，上端过载保护装置10的销钉剪断，上端储能装置5与下端换能装置13分离，此时胶塞碰压胶塞座2，碰触杆301下移，牵引绳302上拉进而在牵引拉力下棘爪垫块308右移，压紧弹簧307被压缩，棘爪603在无棘爪垫块308的支撑后下移与棘轮604错位，进而棘轮604被释放，储能装置5放能，末端传动轴516转动并产生偏心振动。
本发明的目的还在于提供一种机械储能的振动固井装置的试验装置，所述试验装置包括电机泵1'、水压表2'、隔热试验箱体3'、振动工具4'、支撑座5'、加速度位移传感器6'、隔热透明玻璃观察窗7'、计算机8'、温度计9'、加热电阻丝支架10'和加热电阻丝11'，其中，电机泵1'泵入一定压力的水压，水压表2'实时检测泵入的水压值，用于模拟井下高压环境；振动工具4'约束于支撑座5'之上，加热电阻丝支架10'上的加热电阻丝11'通电产热，在隔热试验箱体3'中模拟井下高温环境，通过隔热透明玻璃观察窗7'观察隔热试验箱体3'中的温度计9'的温度示值，进而调控箱内温度；通过在振动工具4'上安装加速度位移传感器6'并将数据传输至计算机8'，通过传回的振动数据曲线可实时分析的振动固井工具所处阶段和振动能量是否符合使用要求。
下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
优选实施例1
图1为一种机械储能的振动固井装置的结构示意图。该装置包括：套管1、胶塞座2、放能触发装置3、上支撑板4、储能装置5、棘轮棘爪机构6、下支撑板7、偏心块Ⅰ8、偏心块Ⅱ16和偏心块Ⅲ19、振动支撑板Ⅰ9、振动支撑板Ⅱ15、振动支撑板Ⅲ18、剪断销轴10、短传动轴11、传动齿轮Ⅰ12、换能装置13、传动齿轮Ⅱ14、振动轴17。将机械储能式井下振动固井工具下入到油气井内预设位置，注水泥与水泥浆顶替过程中换能装置13一方面将流体动能转换成轴的动能，另一方面通过传动齿轮Ⅱ14带动振动轴17旋转并产生振动；储能装置5将轴的动能储存为机械势能，待进入水泥浆候凝状态，放能触发装置3将储能装置5中的弹性势能释放，使得工具在水泥浆候凝时继续振动。
图2-1与图2-2所示，储能装置5包括：上密封板501、卷簧上壳502、卷簧外筒504、卷簧下壳505、密封管503、卷簧506，508、传动轴510、隔板511、卷簧压板512、末端传动轴516。当末端传动轴516转动，带动最下端的卷簧506，508转动，当其储存一定的能量带动卷簧外筒504转动进而上一节传动轴510转动，依次重复直至最后一节，如图2-1所示，由卷簧上壳502、卷簧外筒504、卷簧下壳505、卷簧506，508、和卷簧压板512组成的储能节有6节但可根据实际需求进行更改。
图3-1、图3-2与图3-3所示，所示放能触发装置3和棘轮棘爪机构6包括：碰触杆301、牵引绳302、导块303、开关支撑架304、导架305、压紧弹簧307、棘爪垫块308、棘爪复位板簧601、棘爪603、棘轮604。棘轮604每转过一定角度，棘爪603在棘爪复位板簧601的作用下复位，防止棘轮604反转，继而使储能装置在注水泥和水泥浆顶替过程中仅储能；当水泥浆顶替完毕，胶塞碰压胶塞座2，碰触杆301下移，牵引绳302上拉进而在牵引拉力下棘爪垫块308右移，压紧弹簧307被压缩，棘爪603在无棘爪垫块308的支撑后下移与棘轮604错位，进而棘轮604被释放，末端传动轴516转动，储能装置5放能。
图4所示为上密封盖1302、齿轮套1303、下密封盖1304的结构示意图。
图5所示，换能装置13包括：齿轮轴Ⅰ1301、上密封盖1302、齿轮套1303、下密封盖1304、齿轮1305、齿轮轴Ⅱ1306。当水泥浆或顶替液经过换能装置13时，由于换能装置13密封，齿轮1305不转动液体不能通过，因此换能装置13上下部分形成压差，齿轮1305在压差下转动，进而带动齿轮轴Ⅰ1301和齿轮轴Ⅱ1306转动，将流体动能转换成机械动能。
一种机械储能的振动固井装置，应用于石油钻井过程中的振动固井阶段，首先，将机械储能的振动固井装置下入到预定位置；在注水泥和水泥浆顶替过程中，水泥浆或顶替液经过胶塞座2、上支撑板4的孔、储能装置5与套管1形成的环空、下支撑板7的孔、振动支撑板Ⅰ9的孔，到达换能装置13上部，由于换能装置13密封，齿轮1305不转动液体不能通过，因此换能装置13上下部分形成压差，齿轮在压差下转动，进而带动齿轮轴Ⅰ1301和齿轮轴Ⅱ1306转动，将流体动能转换成机械动能；
进一步的，齿轮轴Ⅰ1301带动传动齿轮Ⅰ12转动，传动齿轮Ⅰ12通过键带动短传动轴11转动，进一步的通过剪断销轴带动末端传动轴516转动并在偏心块Ⅰ8的作用下产生偏心振动，末端传动轴516上端通过螺钉固连带动最下端的卷簧506，508转动，当其储存一定的能量，卷簧506，508通过螺钉固连带动卷簧外筒504转动，卷簧外筒504与卷簧上壳502通过螺钉固连，进而卷簧上壳502与卷簧外筒504一起转动，进而上一节传动轴510因与卷簧上壳502固连转动，进一步的带动第二节储能中的卷簧转动储能，依次重复直至最后一节；储能过程中棘轮604通过键与末端传动轴516连接，棘轮604每转过一定角度，棘爪603在棘爪复位板簧601的作用下复位，防止棘轮604反转进而使末端传动轴516在储能过程中仅能单方向转动，继而使储能装置5在注水泥和水泥浆顶替过程中仅储能，当储能装置5能量储存至一定程度，剪断销钉103由于扭矩过大而剪端，对储能装置5起过载保护作用；
进一步的，齿轮轴Ⅱ1306转动带动传动齿轮Ⅱ14转动，传动齿轮Ⅱ14通过键连接带动振动轴17转动，在偏心块Ⅱ16和偏心块Ⅲ19作用下产生偏心振动，进而通过振动支撑板Ⅰ9、振动支撑板Ⅱ15与振动支撑板Ⅲ18将振动传递到套管1进一步传递到环空水泥浆中。
在水泥浆顶替完毕后，换能装置13上下压差基本相等，下端振动轴17不再产生偏心振动，上端过载保护装置10的销钉剪断，上端储能装置5与下端换能装置13分离，此时胶塞碰压胶塞座2，碰触杆301下移，牵引绳302上拉进而在牵引拉力下棘爪垫块308右移，压紧弹簧307被压缩，棘爪603在无棘爪垫块308的支撑后下移与棘轮604错位，进而棘轮604被释放，末端传动轴516转动并产生偏心振动，储能装置5放能。
优选实施例2
图6所示一种机械储能的井下振动固井工具的另一种结构形式，其不同点在于放能触发装置3、过载保护装置与能量转换装置具有不同的结构。主要包括：套管1、胶塞座2、放能触发装置3、上支撑板4、储能装置5、棘轮棘爪机构6、下支撑板7、偏心块8、末端振动轴9、过载保护装置10、振动支撑板11、振动轴12、换能装置。其原理与图1结构所示相同，此处不再细述，仅补充放能触发装置、过载保护装置与能量转换装置。
图7所示放能触发装置3主要由开关支撑架301、遇水遇油膨胀材料302、棘爪垫块303、螺钉304。密封管504外的液体通过密封管504上的小孔与遇水遇油膨胀材料302接触，遇水遇油膨胀材料302不断膨胀直至将棘爪垫块303顶出，棘爪602下落与棘轮603错位，储能装置放能。
图8是偏心叶轮的三维结构示意图。换能装置包括：叶轮上隔板13、偏心叶轮14、叶轮下隔板15。叶轮上隔板13、叶轮下隔板15分别四分之一开口，安装时对角线分布，便于带动叶轮转动，偏心叶轮的12叶面，一侧叶面厚度较薄，一侧叶面厚度较厚，因此转动时，一边传递扭矩，储存能量，一边产生偏心振动。
图9是叶轮上下隔板的二维结构示意图。叶轮上隔板13、叶轮下隔板15分别四分之一开口，安装时对角线分布，便于带动叶轮转动。
图10所示的过载保护装置10包括：由上半联轴器1001、下半联轴器1002、剪断销钉1003、键1004。当储能装置5能量储存至一定程度，剪断销钉1003由于扭矩过大而剪断，对储能装置5起过载保护作用。
需要指出的是，放能触发装置3不限于优选实施例1与2中的胶塞碰拉式与膨胀材料顶出式，还包括RFID射频信号激活，化学材料溶解，材料相变激活等。
如图11-1与图11-2所示，本发明还提供了一种机械储能式井下振动固井工具的测试装置，包括：电机泵1'、水压表2'、隔热试验箱体3'、振动工具4'、支撑座5'、加速度位移传感器6'、隔热透明玻璃观察窗7'、计算机8'、温度计9'、加热电阻丝支架10'、加热电阻丝11'。电机泵1'泵入一定压力的水压，水压表2'实时检测泵入的水压值，用于模拟井下高压环境；振动工具4'约束于支撑座5'之上，加热电阻丝支架10'上的加热电阻丝11'通电产热，在隔热试验箱体3'中模拟井下高温环境，通过隔热透明玻璃观察窗7'观察隔热试验箱体3'中的温度计9'的温度示值，进而调控箱内温度；通过在振动工具4'上安装加速度位移传感器6'并将数据传输至计算机8'，通过传回的振动数据曲线可实时分析的振动固井工具所处阶段振动储能中、能量储满过载保护触发、能量释放和振动能量是否符合使用要求。
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)
1.一种机械储能的振动固井装置，包括换能装置(13)、储能装置(5)、振动轴(17)、过载保护装置(10)和放能触发装置(3)，其特征在于，
所述换能装置(13)用于将流体动能转换成轴的动能并带动振动轴(17)旋转以产生振动；
所述储能装置(5)用于将轴的动能转换成弹性势能并储存起来；
所述过载保护装置(10)对储能装置(5)起过载保护作用；
在候凝时，通过放能触发装置(3)将储能装置(5)储存的机械势能释放产生径向振动，以实现在注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中的振动。
2.根据权利要求1所述的一种机械储能的振动固井装置，其特征在于，所述振动固井装置还包括套管(1)、胶塞座(2)、放能触发装置(3)、上支撑板(4)、棘轮棘爪机构(6)、下支撑板(7)、偏心块Ⅰ(8)、偏心块Ⅱ(16)、偏心块Ⅲ(19)、振动支撑板Ⅰ(9)、振动支撑板Ⅱ(15)、振动支撑板Ⅲ(18)、短传动轴(11)、传动齿轮Ⅰ(12)和传动齿轮Ⅱ(14)，其中，
上支撑板(4)与套管(1)通过螺钉连接；胶塞座(2)的下端面与上支撑板(4)的上端面接触；
放能触发装置(3)用于释放储能装置(5)中的弹性势能；
储能装置(5)通过螺钉与上支撑板(4)相连，储能装置(5)的下端与下支撑板(7)上端面接触并通过密封圈密封；
下支撑板(7)与套管(1)通过螺钉连接，偏心块Ⅰ(8)、偏心块Ⅱ(16)和偏心块Ⅲ(19)分别通过螺钉与振动轴(17)连接，通过轴的转动产生偏心振动进而通过振动支撑板Ⅰ(9)、振动支撑板Ⅱ(15)与振动支撑板Ⅲ(18)将振动传递到套管(1)以进一步传递到环空水泥浆中；
传动齿轮Ⅰ(12)和传动齿轮Ⅱ(14)通过轴肩和开口销轴向定位，通过键连接传递力矩；
换能装置(13)通过螺钉与套管(1)连接，一方面将流体动能转换成轴的动能，另一方面通过传动齿轮Ⅱ(14)带动振动轴(17)旋转并产生振动。
3.根据权利要求2所述的一种机械储能的振动固井装置，其特征在于，所述储能装置(5)包括上密封板(501)、密封管(503)、传动轴(510)、隔板(511)、末端传动轴(516)以及多节储能节，储能节包括卷簧上壳(502)、卷簧外筒(504)、卷簧下壳(505)、卷簧(506)，(508)和卷簧压板(512)，其中，
上密封板(501)与上支撑板(4)通过螺钉连接，并用密封圈密封；
密封管(503)的上部与上密封板(501)通过螺纹连接，下部与下支撑板(7)上端面配合接触并用密封圈密封；
卷簧上壳(502)与上密封板(501)之间、卷簧上壳(502)与卷簧外筒(504)之间以及卷簧外筒(504)与卷簧下壳(505)之间均通过螺钉连接；
卷簧(506)，(508)的内侧通过卷簧压板(512)压在传动轴(510)并用螺钉固连，外侧通过螺钉固连在卷簧外筒(504)上；
隔板(511)通过螺钉与密封管(503)固连；传动轴(510)与隔板(511)轴肩接触；
上密封板(501)、密封管(503)和下支撑板(7)将内部各储能节密封，避免其在水泥浆或顶替液中转动损失动能；
末端传动轴(516)转动带动最下端的卷簧(506)，(508)转动，当储存一定的能量带动卷簧外筒(504)转动进而上一节传动轴(510)转动，依次重复直至最后一节。
4.根据权利要求3所述的一种机械储能的振动固井装置，其特征在于，棘轮棘爪机构(6)包括棘爪复位板簧(601)、棘爪(603)和棘轮(604)，棘轮(604)的孔与末端传动轴(516)配合并通过键传递力矩，轴向由轴肩和开口销限位。
5.根据权利要求4所述的一种机械储能的振动固井装置，其特征在于，所述换能装置(13)包括齿轮轴Ⅰ(1301)、上密封盖(1302)、齿轮套(1303)、下密封盖(1304)、齿轮(1305)和齿轮轴Ⅱ(1306)，其中，
上密封盖(1302)与下密封盖(1304)通过螺钉与套管(1)固连；
齿轮套(1303)的上端面与上密封盖(1302)的下端面接触，下端面与下密封盖(1304)的上端面接触，并用密封圈密封；
齿轮(1305)周侧与齿轮套(1303)贴合，上下端面分别与上密封盖(1302)和下密封盖(1304)贴合。
6.根据权利要求5所述的一种机械储能的振动固井装置，其特征在于，所述放能触发装置(3)包括碰触杆(301)、牵引绳(302)、导块(303)、开关支撑架(304)、导架(305)、压紧弹簧(307)和棘爪垫块(308)，其中，
棘爪(603)的孔与开关支撑架(304)上的轴配合，棘爪(603)的下端面与棘爪垫块(308)上端面接触，棘爪(603)的上端面开口销限位，一侧与棘爪复位板簧(601)接触；
放能触发装置(3)的上端部分与胶塞座(2)接触并由牵引绳(302)拉紧固定；
碰触杆(301)上端面与胶塞座(2)接触，碰触杆(301)的下端面由牵引绳(302)拉紧限位；
牵引绳(302)上端固连在碰触杆(301)下端面，下端固连在棘爪垫块(308)的右端面；
导块(303)和导架(305)通过螺钉分别固连在胶塞座(2)和密封管(503)上，以对牵引绳(302)进行导向；
开关支撑架(304)通过螺钉固连在密封管(503)上；
压紧弹簧(307)限位于开关支撑架(304)的凹槽中，将棘爪垫块(308)压紧在开关支撑架(304)的轴上；
棘爪垫块(308)限位于开关支撑架(304)的凹槽中，一侧与开关支撑架(304)的轴接触；
所述过载保护装置(10)为一个剪断销轴，末端传动轴(516)与短传动轴(11)通过剪断销轴连接，剪断销轴起过载保护作用。
7.根据权利要求5所述的一种机械储能的振动固井装置，其特征在于，放能触发装置(3)包括开关支撑架Ⅰ(301″)、遇水遇油膨胀材料(302″)和棘爪垫块Ⅰ(303″)，开关支撑架Ⅰ(301″)通过螺钉与密封管(504)固连，遇水遇油膨胀材料(302″)置于开关支撑架Ⅰ(301″)的孔槽中，棘爪垫块Ⅰ(303″)限位于开关支撑架Ⅰ(301″)的凹槽中，右侧与开关支撑架Ⅰ(301″)上的轴配合接触，上端面与棘爪(602)接触压紧；密封管(504)外的液体通过密封管(504)上的小孔与遇水遇油膨胀材料(302″)接触，遇水遇油膨胀材料(302″)不断膨胀直至将棘爪垫块Ⅰ(303″)顶出，棘爪(602)下落与棘轮(603)错位，储能装置放能；
过载保护装置(10)包括上半联轴器(1001)、下半联轴器(1002)和剪断销钉(1003)，上半联轴器(1001)、下半联轴器(1002)轴向通过轴肩限位；剪断销钉(1003)通过孔轴配合连接上半联轴器(1001)和下半联轴器(1002)，通过键连接传递力矩；当储能装置(5)能量储存至一定程度，剪断销钉(1003)由于扭矩过大而剪端，对储能装置(5)起过载保护作用；
换能装置(13)包括叶轮上隔板(13″)、偏心叶轮(14″)和叶轮下隔板(15″)，叶轮上隔板(13″)与叶轮下隔板(15″)通过螺钉与套管(1)固连，偏心叶轮(14″)上突出端面与叶轮上隔板(13″)的下端面接触，偏心叶轮(14″)下突出端面与叶轮下隔板(15″)下端面接触，通过键连接与振动轴(17″)传递扭矩；叶轮上隔板(13″)、叶轮下隔板(15″)分别四分之一开口，安装时对角线分布，便于带动叶轮转动；偏心叶轮(14″)的叶面，一侧叶面厚度较薄，一侧叶面厚度较厚，转动时，一边传递扭矩储存能量，一边产生偏心振动。
8.根据权利要求6或者7任一所述的一种机械储能的振动固井装置，其特征在于，放能触发装置(3)的下端部分的开关支撑架(304)或者开关支撑架Ⅰ(301″)通过螺钉连接于密封管(503)上，棘轮棘爪机构(6)分别安装于储能装置(5)中的末端传动轴(516)上和开关支撑架(304)上，使储能装置(5)在注水泥和水泥浆顶替过程中仅能单向储能。
9.根据权利要求1-6任一所述的一种机械储能的振动固井装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，将机械储能的振动固井装置下入到预定位置；
步骤(2)，在注水泥和水泥浆顶替过程中，水泥浆或顶替液经过胶塞座(2)、上支撑板(4)的孔、储能装置(5)与套管(1)形成的环空、下支撑板(7)的孔、振动支撑板Ⅰ(9)的孔，到达换能装置(13)上部，由于换能装置(13)密封，齿轮(1305)不转动液体不能通过，因此换能装置(13)上下部分形成压差，齿轮(1305)在压差下转动，进而带动齿轮轴Ⅰ(1301)和齿轮轴Ⅱ(1306)转动，将流体动能转换成机械动能；
齿轮轴Ⅰ(1301)带动传动齿轮Ⅰ(12)转动，传动齿轮Ⅰ(12)通过键带动短传动轴(11)转动，进一步的剪断销轴带动末端传动轴(516)转动并在偏心块Ⅰ(8)的作用下产生偏心振动，末端传动轴(516)上端通过螺钉固连带动最下端的卷簧(506)，(508)转动，当其储存一定的能量，卷簧(506)，(508)通过螺钉固连带动卷簧外筒(504)转动，进而卷簧上壳(502)与卷簧外筒(504)一起转动，进而上一节的传动轴(510)因与卷簧上壳(502)固连转动，进一步的带动第二节储能中的卷簧转动储能，依次重复直至最后一节；储能过程中，棘轮(604)每转过一定角度，棘爪(603)在棘爪复位板簧(601)的作用下复位，防止棘轮(604)反转进而使末端传动轴(516)在储能过程中仅能单方向转动，继而使储能装置(5)在注水泥和水泥浆顶替过程中仅储能，当储能装置(5)能量储存至一定程度，剪断销钉(1003)由于扭矩过大而剪端，对储能装置(5)起过载保护作用；
齿轮轴Ⅱ(1306)转动带动传动齿轮Ⅱ(14)转动，传动齿轮Ⅱ(14)通过键连接带动振动轴(17)转动，在偏心块Ⅱ(16)、偏心块Ⅲ(19)作用下产生偏心振动，进而通过振动支撑板Ⅰ(9)、振动支撑板Ⅱ(15)、振动支撑板Ⅲ(18)将振动传递到套管(1)进一步传递到环空水泥浆中；
步骤(3)，在水泥浆顶替完毕后，换能装置(13)上下压差基本相等，下端振动轴(17)不再产生偏心振动，上端过载保护装置(10)的销钉剪断，上端储能装置(5)与下端换能装置(13)分离，此时胶塞碰压胶塞座(2)，碰触杆(301)下移，牵引绳(302)上拉进而在牵引拉力下棘爪垫块(308)右移，压紧弹簧(307)被压缩，棘爪(603)在无棘爪垫块(308)的支撑后下移与棘轮(604)错位，进而棘轮(604)被释放，储能装置(5)放能，末端传动轴(516)转动并产生偏心振动。
10.根据权利要求6或者7任一所述的一种机械储能的振动固井装置的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括电机泵(1')、水压表(2')、隔热试验箱体(3')、振动工具(4')、支撑座(5')、加速度位移传感器(6')、隔热透明玻璃观察窗(7')、计算机(8')、温度计(9')、加热电阻丝支架(10')和加热电阻丝(11')，其中，电机泵(1')泵入一定压力的水压，水压表(2')实时检测泵入的水压值，用于模拟井下高压环境；振动工具(4')约束于支撑座(5')之上，加热电阻丝支架(10')上的加热电阻丝(11')通电产热，在隔热试验箱体(3')中模拟井下高温环境，通过隔热透明玻璃观察窗(7')观察隔热试验箱体(3')中的温度计(9')的温度示值，进而调控箱内温度；通过在振动工具(4')上安装加速度位移传感器(6')并将数据传输至计算机(8')，通过传回的振动数据曲线可实时分析的振动固井工具所处阶段和振动能量是否符合使用要求。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111682441.0A CN114251069B (zh) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 一种机械储能的振动固井装置及其使用方法与测试装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111682441.0A CN114251069B (zh) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 一种机械储能的振动固井装置及其使用方法与测试装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114251069A true CN114251069A (zh) | 2022-03-29 |
| CN114251069B CN114251069B (zh) | 2022-08-30 |
Family
ID=80799262
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111682441.0A Active CN114251069B (zh) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 一种机械储能的振动固井装置及其使用方法与测试装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114251069B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114934746A (zh) * | 2022-06-20 | 2022-08-23 | 中国农业大学 | 喷射法下表层导管后的振动固表层导管工具及其试验装置 |
| CN114991703A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-09-02 | 铜陵有色金属集团股份有限公司 | 一种矿山探水钻孔裂缝用注浆封堵装置 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2465019A1 (en) * | 2004-01-20 | 2005-07-20 | Dhr Solutions, Inc. | Well tubing/casing vibrator apparatus |
| WO2011150223A2 (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-01 | Cooke Claude E | Method and apparatus for maintaining pressure in well cement during curing |
| CA2857692A1 (en) * | 2013-07-30 | 2015-01-30 | National Oilwell DHT, L.P. | Downhole shock assembly and method of using same |
| WO2015017568A2 (en) * | 2013-07-30 | 2015-02-05 | Weatherford/Lamb, Inc. | Centralizer |
| US20160076341A1 (en) * | 2014-09-16 | 2016-03-17 | Wild Well Control, Inc. | Cementing system for riserless abandonment operation |
| WO2016127383A1 (en) * | 2015-02-13 | 2016-08-18 | National Oilwell Varco Petroleum Equipment (Shanghai) Co., Ltd. | A pump and a valve assembly therefor |
| CN106837245A (zh) * | 2015-12-03 | 2017-06-13 | 中国石油化工股份有限公司 | 用于井下作业的蓄能器及其使用方法 |
| CN109356549A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-02-19 | 中国农业大学 | 一种自动寻优井下振动固井工具 |
| CN109779555A (zh) * | 2017-11-13 | 2019-05-21 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | 一种阀式振动固井工具 |
| CN113605852A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-05 | 中国农业大学 | 一种多用途振动固井工具及其使用方法与试验装置 |
-
2021
- 2021-12-30 CN CN202111682441.0A patent/CN114251069B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2465019A1 (en) * | 2004-01-20 | 2005-07-20 | Dhr Solutions, Inc. | Well tubing/casing vibrator apparatus |
| WO2011150223A2 (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-01 | Cooke Claude E | Method and apparatus for maintaining pressure in well cement during curing |
| CA2857692A1 (en) * | 2013-07-30 | 2015-01-30 | National Oilwell DHT, L.P. | Downhole shock assembly and method of using same |
| WO2015017568A2 (en) * | 2013-07-30 | 2015-02-05 | Weatherford/Lamb, Inc. | Centralizer |
| US20160076341A1 (en) * | 2014-09-16 | 2016-03-17 | Wild Well Control, Inc. | Cementing system for riserless abandonment operation |
| WO2016127383A1 (en) * | 2015-02-13 | 2016-08-18 | National Oilwell Varco Petroleum Equipment (Shanghai) Co., Ltd. | A pump and a valve assembly therefor |
| CN106837245A (zh) * | 2015-12-03 | 2017-06-13 | 中国石油化工股份有限公司 | 用于井下作业的蓄能器及其使用方法 |
| CN109779555A (zh) * | 2017-11-13 | 2019-05-21 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | 一种阀式振动固井工具 |
| CN109356549A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-02-19 | 中国农业大学 | 一种自动寻优井下振动固井工具 |
| CN113605852A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-05 | 中国农业大学 | 一种多用途振动固井工具及其使用方法与试验装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 丁倩: "低频脉动注水井增注技术研究与评价", 《石化技术》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114934746A (zh) * | 2022-06-20 | 2022-08-23 | 中国农业大学 | 喷射法下表层导管后的振动固表层导管工具及其试验装置 |
| CN114991703A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-09-02 | 铜陵有色金属集团股份有限公司 | 一种矿山探水钻孔裂缝用注浆封堵装置 |
| CN114991703B (zh) * | 2022-06-30 | 2023-09-19 | 安徽铜冠产业技术研究院有限责任公司 | 一种矿山探水钻孔裂缝用注浆封堵装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114251069B (zh) | 2022-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114251069B (zh) | 一种机械储能的振动固井装置及其使用方法与测试装置 | |
| EP3461989B1 (en) | Jarring apparatus | |
| EP2681408B1 (en) | Mechanical force generator for a downhole excitation apparatus | |
| WO2008153698A1 (en) | Hydraulic pump-drive downhole fluids pump with linear driver | |
| US5319610A (en) | Hydraulic acoustic wave generator system for drillstrings | |
| WO2019164404A1 (en) | Jarring device and method | |
| US8640786B2 (en) | Percussive augmenter of rotary drills for operating as a rotary-hammer drill | |
| CN103372851B (zh) | 手持式工具机及其控制方法 | |
| US7584783B2 (en) | Surface activated downhole spark-gap tool | |
| CN108278097B (zh) | 电动式桥塞坐封系统及其桥塞坐封方法 | |
| CN105978401B (zh) | 一种输油管道监测系统供电装置 | |
| EP1149980A2 (en) | Downhole hydraulic power unit | |
| CN204575863U (zh) | 一种地震波触发设备及地震波触发、检测系统 | |
| RU2280148C2 (ru) | Способ контроля установки электроуправляемого пакера и устройство для его осуществления | |
| CN108386130B (zh) | 一种电力安装用打孔装置 | |
| KR100852285B1 (ko) | 콘크리트 바이브레이터 플렉시블 샤프트의 절손방지장치 | |
| CN201351469Y (zh) | 油井磁共振解堵增油装置 | |
| RU156847U1 (ru) | Скважинный сейсмоисточник | |
| CN114412401B (zh) | 一种振动固井工具和其性能测试室内试验装置及使用方法 | |
| RU2802537C1 (ru) | Скважинный сейсмоисточник | |
| US2830442A (en) | Rotary means for facilitating the driving or extraction of piles or the like | |
| SU713982A1 (ru) | Колонковый снар д | |
| SU1101697A1 (ru) | Устройство дл испытани грунта | |
| CN117007199A (zh) | 一种大体积混凝土温度监测装置及监测方法 | |
| CN206114597U (zh) | 用于ps测井一发双收探头的超磁致伸缩贴壁发射振子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |