CN116291263A - 一种水力旋转射流切割式冲砂工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力旋转射流切割式冲砂工具，包括：多功能喷头，所述多功能喷头通过螺纹连接在旋转主轴上，所述旋转主轴另一端与上端盖内壁间隙配合，下端盖与滚轮式扶正支架螺纹连接；中间壳体两端分别与上端盖和下端盖螺纹连接，扶正轴承内环与上端盖端面相抵，止推轴承与下端盖端面相抵，轴承卡套保证扶正轴承的位置，倾斜喷嘴连接在集砂筒的定位孔上，过滤筛与集砂筒内壁过渡配合，集砂筒上端通过螺纹连接在上接头上，集砂筒下端通过螺纹与上端盖连接，中心管下端与上端盖螺纹连接。该冲砂工具采用带耐磨PDC复合片的喷头，可以有效切割细化砂桥砂堵，有效减轻长水平井冲砂洗井作业中较大砂粒二次沉积对洗井效率的影响。
Description
技术领域
本发明涉及水力旋转射流切割技术领域，具体涉及一种水力旋转射流切割式冲砂工具。
背景技术
水平井是井斜角为90°，井身沿着水平方向钻进一定长度的井。在水平井生产过程中，特别是老井中底层出砂问题比较常见。在完井、修井作业中会出现堵砂、卡砂等危害工作的现象。对于长水平井来说，需冲洗的井段长，不可预测因素多。无论冲砂液携砂能力有多强，总有部分地层砂在上返途中留在井壁低边，形成砂屑床，导致摩阻增加，井下管柱悬重失真，增加了遇卡判断难度；因此必须及时利用冲洗工具对油管进行除砂工作，减少油气流动受到的阻力，提升开采效率。
无论是现有的前后向混合射流的冲砂工具，还是转速可控制的冲砂工具，在面对长水平井的时候，清洗效果依然较差，混合流体中较大的砂粒在长水平井中容易产生二次沉降，不容易将沉砂有效的冲洗排出，甚至出现了冲砂工具在清砂作业后被卡住的情况。
现有的冲砂工具在对长水平井底沉砂进行清理时，原本的砂桥或者砂堵在冲洗后，离开原来沉积的位置向冲砂工具后方移动，但过长的水平井距离导致被清理的砂粒中体积较大的部分会在冲砂工具的后方进行沉积、冲砂效果不佳甚至导致冲砂工具卡死。这种沉积在长距离水平井中尤为显著，严重影响冲砂的效果以及石油开采的效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种水力旋转射流切割式冲砂工具，具体为提供一种兼水力驱动、旋转射流及切割一体化的冲砂工具；该冲砂工具可以有效清理管道中胶结的砂桥和砂堵等杂质，从而疏通管道。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种水力旋转射流切割式冲砂工具，所述冲砂工具包括：多功能喷头，所述多功能喷头通过螺纹连接在旋转主轴上，所述旋转主轴另一端与上端盖内壁间隙配合，下端盖与滚轮式扶正支架螺纹连接；中间壳体两端分别与上端盖和下端盖螺纹连接，扶正轴承内环与上端盖端面相抵，止推轴承与下端盖端面相抵，轴承卡套保证扶正轴承的位置，倾斜喷嘴连接在集砂筒的定位孔上，过滤筛与集砂筒内壁过渡配合，集砂筒上端通过螺纹连接在上接头上，集砂筒下端通过螺纹与上端盖连接，中心管下端与上端盖螺纹连接。
在一种可能的实施方式中，所述冲砂工具还包括：依次周向均匀分布于所述滚轮式扶正支架上的滚轮连接杆、支架连杆和滚轮；其中，
所述滚轮连接杆的中间端和支架连杆的一端铰接；滚轮连接杆的一端和滚轮铰接，并且滚轮连接杆和支架连杆的另一端分别与滚轮式扶正支架铰接。
在一种可能的实施方式中，所述冲砂工具还包括：第一密封橡胶圈和第二密封橡胶圈；其中，
所述第一密封橡胶圈分别设置在上端盖和下端盖的内壁上，共有2个；
所述第二密封橡胶圈分别设置在上端盖和下端盖的外壁上，共有2个。
在一种可能的实施方式中，所述冲砂工具还包括预紧弹簧；
所述预紧弹簧设置于滚轮式扶正支架上，通过调节所述预紧弹簧可以适配不同尺寸的套管。
在一种可能的实施方式中，所述集砂筒上周向均布有8个倾斜喷嘴，并通过螺纹连接。
在一种可能的实施方式中，所述倾斜喷嘴的射流孔中心线与中心管的轴线按一定的夹角安装；所述夹角为5～45°。
在一种可能的实施方式中，所述中心管设置于所述集砂筒中心；其中，
所述中心管左端圆周开有12个直角通孔；
所述集砂筒周向分布有12个锥形孔；
所述直角通孔和所述锥形孔一一对应。
在一种可能的实施方式中，所述多功能喷头周向分布有1个直喷嘴、3个前向喷嘴、4个驱动喷嘴和6个后向喷嘴；其中，
所述直喷嘴和前向喷嘴用于对砂堵起冲散的用途；
所述驱动喷嘴用于驱使多功能喷头高速旋转；
所述后向喷嘴用于加速已磨削的砂砾向后运移。
本发明的技术效果和优点：
1)本发明设计的切割式冲砂工具，采用带耐磨PDC复合片的喷头，可以有效切割细化砂桥砂堵，有效减轻长水平井冲砂洗井作业中较大砂粒二次沉积对洗井效率的影响；同时由于PDC复合片耐磨性能好，可以延长工具使用寿命。
2)本发明将射流，旋转，切割一体化，使工具机构更加简单，适用于长水平井沉砂的冲洗；同时采用斜射流可以驱使混合液绕环空旋转从而延长沙砾沉降的时间，更好的返回地面。
3)本发明的冲砂工具还设置有集砂筒，可以收集较大的砂砾，减小大沙砾沉降的可能性，防止其沉积在套管内壁上卡住冲砂工具；同时集砂筒中过滤筛的设置可以有效将大砂砾过滤，提升了较大砂粒的收集效果。
4)本发明整体采用分段设计便于维修和更换零部件，采用滚轮式扶正支架可以减小工具前进的阻力；中间壳体中的轴承组合提升了旋转喷头的使用寿命。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明示例性实施例的一种水力旋转射流切割式冲砂工具总体结构原理示意图；
图2为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具三维模型整体装配示意图；
图3为本发明示例性实施例的一种水力旋转射流切割式冲砂工具液流状态示意图；
图4a为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具前端多功能喷头三维整体外观图；
图4b为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具前端多功能喷头半剖视图；
图4c为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具前端多功能喷头中具体喷嘴位置分布图；
图4d为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具前端多功能喷头三维轴侧简图；
图5a为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具连杆滚轮支承装置三维装配结构主视图；
图5b为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具连杆滚轮支承装置三维装配结构右视图；
图6a为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具所用倾斜喷嘴结构示意简图；
图6b为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具所用倾斜喷嘴三维立体结构图；
图6c为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具所用倾斜喷嘴内部透视构造图；
图7为本发明示例性实施例的集砂筒三维结构放大示意图(及冲砂液流动方向图)；
图8a为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具轴承三维结构装配关系放大示意图；
图8b为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具轴承结构装配关系放大简图；
图中，1、多功能喷头；2、滚轮式扶正支架；3、滚轮连接杆；4、支架连杆；5、滚轮；6、预紧弹簧；7、下端盖；8、第一密封橡胶圈；9、第二密封橡胶圈；10、中间壳体；11、止推轴承；12、扶正轴承；13、轴承卡套；14、旋转主轴；15、上端盖；16、倾斜喷嘴；17、集砂筒；18、中心管；19、过滤筛；20、上接头。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的核心创新点包括带直冲、前冲、后冲和PDC磨削功能的多功能水力旋转喷头、带倾斜喷嘴和过滤筛的集砂筒以及可以减小工具前进阻力的滚轮式支架。创新点具体展开为：所设计的多功能水力旋转喷头前端装有PDC(PolycrystallineDiamond Compact，聚晶金刚石复合片)复合片，可快速磨削砂堵及砂桥；所设计的多功能水力旋转喷头具有直冲、前冲、后冲三个方向，其中直冲的直向喷嘴主要冲散工具前端较松软的砂桥，前冲的前向喷嘴主要冲散直喷嘴冲洗盲区的砂砾，后冲的后向喷嘴可对已经磨碎的砂砾提供更大的向后移动速度，防止砂砾因动力不足过早沉积，其次也可产生向前的推力，方便整个工具向前推进；所设计的冲砂工具带有集砂筒，集砂筒内安装有过滤筛且集砂筒上周向均布设有倾斜喷嘴，其作用在于制造旋流，促使磨碎砂砾和冲砂液绕环空做旋转向后运动，最终有效的将工具前方的砂堵进行切割冲洗并在集砂筒中储存部分较大的砂粒，减少砂粒二次沉积造成的影响，显著提升长水平井中洗井冲砂的效率；所设计的冲砂工具带有滚轮式支架，滚轮式支架可通过弹簧的压缩回弹适应不同尺寸的套管，滚轮将滑动摩擦变为滚动摩擦可以减少工具前进的阻力。
为此，本发明示例性实施例提供了的一种水力旋转射流切割式冲砂工具，图1为本发明示例性实施例的一种水力旋转射流切割式冲砂工具总体结构原理示意图；图2为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具三维模型整体装配示意图；结合图1和图2可知，本发明的特征结构在于多功能喷头1通过螺纹连接在旋转主轴14上，其带动旋转主轴14一起旋转，旋转主轴14另一端与上端盖15内壁间隙配合，下端盖7与滚轮式扶正支架2螺纹连接，支架连杆4、滚轮连接杆3、滚轮5依次连接在滚轮式扶正支架2上，该滚轮式扶正支架2上还设置有1个预紧弹簧6，通过调节预紧弹簧6可以适配不同尺寸的套管，中间壳体10两端分别与上端盖15和下端盖7螺纹连接，扶正轴承12内环与上端盖15端面相抵，止推轴承11与下端盖7端面相抵，轴承卡套13保证扶正轴承12的位置，倾斜喷嘴16连接在集砂筒17的定位孔上，过滤筛19与集砂筒17内壁过渡配合，集砂筒17上端通过螺纹连接在上接头20上，集砂筒17下端通过螺纹与上端盖15连接，中心管18下端与上端盖15螺纹连接，中心管18上部分的直角通孔要与集砂筒17的漏斗锥形孔对应。为了防止轴承段中的油泄露，也为了防止冲砂液和磨碎的细小砂砾进入轴承中，因此分别在上端盖15和下端盖7的内壁上共设置有2个第一密封橡胶圈8，分别在上端盖15和下端盖7的外壁上共设置有2个第二密封橡胶圈9，可以有效将充油的轴承环境与外界环境分隔开。
图3为本发明示例性实施例的一种水力旋转射流切割式冲砂工具液流状态示意图；如图3箭头所示，上接头20接油管，冲砂液由地面加压装置输送到油管后到达上接头20，冲砂液的运动轨迹为沿着箭头所示的流动方向，首先通过内中心管18到达钻头射流孔，在驱动喷嘴的作用下产生反作用力，从而带动钻头开始转动并且开始冲击切削砂堵，图3中套管内壁与工具外壁的向左箭头为从钻头处喷射出来的冲砂液带动着砂砾混合物的运动方向，随后在套管和冲砂工具外壁形成的外环空中进行着反方向的运动，直到运动到漏斗型孔周围时，由于中心管18外壁和集砂筒17内壁所形成的内环空中的冲砂液的流速更快，导致内环空压强较小，由于内外环空压力差的作用，砂砾混合物逆向运动到接近轴向分布的漏斗孔处时，会被吸入到集砂筒17中，之后流经过滤筛19后只有冲砂液能出集砂筒17，被吸入的砂砾则被留在集砂筒17中。未被吸入的微小砂砾则随冲砂液一起返回到地面净化装置，净化后的冲砂液再被地面加压装置输送到油管到达冲砂工具的多功能喷头1，从而达到连续循环冲砂的效果。
图4a为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具前端多功能喷头三维整体外观图；图4b为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具前端多功能喷头半剖视图；图4c为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具前端多功能喷头中具体喷嘴位置分布图；图4d为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具前端多功能喷头三维轴侧简图；如图4a-4d所示，其中周向分布的1个直喷嘴和3个前向喷嘴先对砂堵进行冲散作用，4个驱动喷嘴由于冲砂液的反作用力产生力矩，驱使多功能喷头高速旋转，当遇到较硬的胶结砂堵或砂桥时，多功能喷头1侧翼的PDC复合片就会将其轻松磨削成小沙砂，6个周后分布的后向喷嘴则会加速已经磨削的砂砾，使它更快的向后运移。
图5a为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具连杆滚轮支承装置三维装配结构主视图；图5b为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具连杆滚轮支承装置三维装配结构右视图；如图5a-5b所示，其中预紧弹簧6设置于滚轮式扶正支架2上，数量为1个，通过调节该预紧弹簧6的收缩和恢复即可改变滚轮连接杆3的张合大小，即可适应不同大小的套管，该装置中三根滚轮连接杆3的中间端分别和三根支架连杆4的一端铰接、滚轮连接杆3的一端分别铰接三个滚轮5，并且三根滚轮连接杆3和三根支架连杆4的另一端分别与滚轮式扶正支架2铰接，并周向均匀分布在滚轮式扶正支架2上。
图6a为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具所用倾斜喷嘴结构示意简图；图6b为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具所用倾斜喷嘴三维立体结构图；图6c为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具所用倾斜喷嘴内部透视构造图；如图6a-6c所示，倾斜喷嘴16周向均布在集砂筒17上，共有8个，并通过螺纹和集砂筒17连接，其安装时射流孔中心线不与中心管18的轴线平行，而是有一定的夹角，该夹角为5～45°，其目的是为了增强旋流，防止砂砾沉积。
图7为本发明示例性实施例的集砂筒三维结构放大示意图及冲砂液流动方向图；集砂筒17中心有一根中心管18，中心管18上套装有过滤器19，中心管18右端(下端)与上端盖15通过螺纹连接，集砂筒17右端与上端盖15通过螺纹连接。中心管18左端圆周开有12个直角通孔，分别对应集砂筒17周向分布的12个锥形孔。当冲砂液进入中心管18一段时间后，12个直角通孔出口处将高速在中心管18外壁和集砂筒17内壁所形成的内环空中的射流，使得内环空的压力大大减小，途径集砂筒17锥形孔周围的砂砾会被吸入到内环空中，从而实现砂砾的收集。
图8a为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具轴承三维结构装配关系放大示意图；图8b为本发明示例性实施例的水力旋转射流切割式冲砂工具轴承结构装配关系放大简图；如图8a-8b所示，上端盖15和下端盖7分别和中间壳体10通过螺纹连接，旋转主轴14上套装有两个扶正轴承12，一个止推轴承11，其下端通过螺纹和多功能喷头1相连。为了延长工具的寿命，轴承段要充油密封，第一密封橡胶圈8和第二密封橡胶圈9将隔绝轴承充油环境和外部冲砂液、砂砾环境，避免冲砂液和砂砾进入轴承腐蚀和磨损轴承。PDC复合片随水力喷头旋转切割喷嘴前方的砂堵。胶结的砂堵或砂桥被切割为较小的砂粒，较小的砂粒被后喷嘴射流到后方。由于复合片已经将砂堵切削成较小的沙砾，相同的射流条件下，较小的沙砾更容易被集砂筒17上的倾斜喷嘴的射流运送的到更远的地方，使其不容易产生二次沉降，间接提升了运屑能力，原本前后射流工具后向运屑能力弱的缺点得到了改善，集砂筒17利用伯努利原理，尽可能吸收较大的砂粒，进一步减少了砂粒二次沉降的可能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种水力旋转射流切割式冲砂工具，其特征在于，所述冲砂工具包括：多功能喷头(1)，所述多功能喷头(1)通过螺纹连接在旋转主轴(14)上，所述旋转主轴(14)另一端与上端盖(15)内壁间隙配合，下端盖(7)与滚轮式扶正支架(2)螺纹连接；中间壳体(10)两端分别与上端盖(15)和下端盖(7)螺纹连接，扶正轴承(12)内环与上端盖(15)端面相抵，止推轴承(11)与下端盖(7)端面相抵，轴承卡套(13)保证扶正轴承(12)的位置，倾斜喷嘴(16)连接在集砂筒(17)的定位孔上，过滤筛(19)与集砂筒(17)内壁过渡配合，集砂筒(17)上端通过螺纹连接在上接头(20)上，集砂筒(17)下端通过螺纹与上端盖(15)连接，中心管(18)下端与上端盖(15)螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的水力旋转射流切割式冲砂工具，其特征在于，所述冲砂工具还包括：依次周向均匀分布于所述滚轮式扶正支架(2)上的滚轮连接杆(3)、支架连杆(4)和滚轮(5)；其中，
所述滚轮连接杆(3)的中间端和支架连杆(4)的一端铰接；滚轮连接杆(3)的一端和滚轮(5)铰接，并且滚轮连接杆(3)和支架连杆(4)的另一端分别与滚轮式扶正支架(2)铰接。
3.根据权利要求1或2所述的水力旋转射流切割式冲砂工具，其特征在于，所述冲砂工具还包括：第一密封橡胶圈(8)和第二密封橡胶圈(9)；其中，
所述第一密封橡胶圈(8)分别设置在上端盖(15)和下端盖(7)的内壁上，共有2个；
所述第二密封橡胶圈(9)分别设置在上端盖(15)和下端盖(7)的外壁上，共有2个。
4.根据权利要求1或2所述的水力旋转射流切割式冲砂工具，其特征在于，所述冲砂工具还包括预紧弹簧(6)；
所述预紧弹簧(6)设置于滚轮式扶正支架(2)上，通过调节所述预紧弹簧(6)可以适配不同尺寸的套管。
5.根据权利要求1所述的水力旋转射流切割式冲砂工具，其特征在于，所述集砂筒(17)上周向均布有8个倾斜喷嘴(16)，并通过螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的水力旋转射流切割式冲砂工具，其特征在于，所述倾斜喷嘴(16)的射流孔中心线与中心管(18)的轴线按一定的夹角安装；所述夹角为5～45°。
7.根据权利要求1所述的水力旋转射流切割式冲砂工具，其特征在于，所述中心管(18)设置于所述集砂筒(17)中心；其中，
所述中心管(18)左端圆周开有12个直角通孔；
所述集砂筒周向分布有12个锥形孔；
所述直角通孔和所述锥形孔一一对应。
8.根据权利要求1所述的水力旋转射流切割式冲砂工具，其特征在于，所述多功能喷头(1)周向分布有1个直喷嘴、3个前向喷嘴、4个驱动喷嘴和6个后向喷嘴；其中，
所述直喷嘴和前向喷嘴用于对砂堵起冲散的用途；
所述驱动喷嘴用于驱使多功能喷头(1)高速旋转；
所述后向喷嘴用于加速已磨削的砂砾向后运移。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310274329.6A CN116291263A (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一种水力旋转射流切割式冲砂工具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310274329.6A CN116291263A (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一种水力旋转射流切割式冲砂工具 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116291263A true CN116291263A (zh) | 2023-06-23 |
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ID=86792192
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310274329.6A Pending CN116291263A (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一种水力旋转射流切割式冲砂工具 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116988747A (zh) * | 2023-09-26 | 2023-11-03 | 山东兆鑫石油工具有限公司 | 一种具有自动除砂功能的抽油泵用等径冲砂器 |
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2023
- 2023-03-20 CN CN202310274329.6A patent/CN116291263A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116988747A (zh) * | 2023-09-26 | 2023-11-03 | 山东兆鑫石油工具有限公司 | 一种具有自动除砂功能的抽油泵用等径冲砂器 |
| CN116988747B (zh) * | 2023-09-26 | 2023-11-24 | 山东兆鑫石油工具有限公司 | 一种具有自动除砂功能的抽油泵用等径冲砂器 |
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