CN210370555U - 一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具 - Google Patents

Abstract

一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，包括主筒、液体阻尼减速总成、下芯轴、轴承、下接头、喷头和喷嘴，本实用新型用于处理油气井生产管柱的油垢、腊垢、锈垢或盐垢等管柱内壁附着物质。本实用新型中的旋转洗井工具一方面利用了动量守恒原理，在喷头上安装偏心喷嘴，使流体流出喷头时产生轴向、径向与周向三维速度，流体作用于喷头的周向反作用力将驱动喷头旋转；另一方面，与喷头同轴安装的阻尼装置将在喷头旋转时与通过液体相互作用，产生周向液体阻力，从而降低喷头转速、防止喷头旋转速度过快，保证清洗管壁时液流有一定的驻流时间，从而达到最优的清洗效果。

Description

一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具

技术领域

本发明属于石油与天然气钻探工程井下工具技术领域，具体地说涉及一种用于洗井作业过程中可通过液体阻尼控制转速的旋转洗井工具。

背景技术

油气井、注水井生产过程中常常出现地层出砂、结垢、结腊等问题，此外，在完井、修井及其他作业中出现的砂堵与砂卡现象。目前，连续管冲砂洗井作业已经成为现场施工的一个最基础应用，同时也是各种复杂作业中必不可少的一个重要环节。洗井类作业主要用于处理油气井生产管柱的油垢、腊垢、锈垢或盐垢等附着在管柱内壁的物质。连续管与高压水射流清洗技术结合进行管柱清洗相比传统的清洗方式，清洗效率高，操作简单且不污染环境。其基本原理是利用清洗工具射出高速射流冲击管柱内表面，与垢污发生碰撞、摩擦、剪切，以达到清洗除垢的目的。

现有的各种洗井工具基本分为多孔喷嘴、旋流喷嘴和旋转喷嘴三类冲砂洗井工具。对于多孔喷嘴工具，流体通过喷头的喷孔时产生节流，形成高速射流，达到冲洗的目的，是最基本的一类洗井形式；对于旋流喷嘴工具，工作时，流体通过造旋器，流体的轨迹发生改变，强迫流体沿着造旋器的导引方向流动，流体产生三维速度，即轴向、径向与旋转，最终流体经过喷嘴时呈锥形高速喷出，喷射出的流体呈圆锥状，其工具的通过性强，可以应用在复杂井作业中，有一定的破岩能力，清洗效果好；在旋转喷嘴工具中，由于喷嘴的偏心安装，流出流体产生反作用力驱动喷头转动，通过限速环进行速度的控制，防止喷头旋转速度过快，保证清洗管壁时有一定的驻流时间，以便达到清洗的效果。

专利CN107747484A（一种高压水动旋转射流洗井装置）公开了一种高压水动旋转射流洗井装置，包括端口段、轴承座、旋转轴、连接段和射流段。端口段上端开有内螺纹，下端开有外螺纹，端口段下端与轴承座螺纹连接，旋转轴通过轴承固定在轴承座内，旋转轴下端与连接段螺纹连接，连接段与射流段螺纹连接，在射流段头部设有侧向斜切孔及顶部中心孔。端口段、旋转轴、连接段均开有中心孔，用于液体流动。该装置在工作时，高压水管连接端口段的连接端口，高压水流向射流段后，经过射流段上的侧向斜切孔形成侧向斜切射流，依靠其反冲力驱动射流段快速旋转，冲击力强，结构紧凑简单，清洁注水井效果显著。该装置实质是一种不具有旋转限速功能的旋转喷嘴工具，在使用中可能会出现转速过快而不能保证冲洗液流在管壁的驻留时间的情况，甚至，在流体压力较大而使转速过快时，喷射出的冲洗液流将趋近于雾化状态，大大降低其冲洗能力。

专利CN202108436U（一种洗井用水力自旋转喷头）公开了一种洗井用水力自旋转喷头，由喷头总成、独立喷嘴、中心管、限速机构、单向阀等组成，其技术特征是：在喷头的特定位置开螺纹孔，通过螺纹连接安装喷嘴；中心管两端装有滚动轴承，它在输送液体的同时又起到旋转轴作用，旋转轴上的限速机构利用摩擦块实现离心限速。该自旋转喷头实质上也是一种旋转喷嘴工具，与专利CN107747484A（一种高压水动旋转射流洗井装置）不同之处在于该工具的内部设置有摩擦限速机构，克服了转速过快而不能保证冲洗液流在管壁的驻留时间的缺点。但是，改专利简单地通过摩擦制动的方式限速具有三个缺点：摩擦力固定，无法根据管柱内的流体的压力、流速等条件自动调节，适用区间狭窄；摩擦力来源于套筒和摩擦块的所产生的热量无法及时排出，势必导致套筒和摩擦块的热磨损，一方面使套筒和摩擦块都成为易损件，大大降低了工具的使用寿命、提高了使用成本和维护难度的同时；另一方面当套筒和/或摩擦块磨损到一定程度后，其间的摩擦力将相较于预设值降低，使工具的工作性能无法得到保障。

作为旋转冲洗井工具，以上两个专利提供了具有一定价值的设计思路，但是在转速控制、转速自调节和可靠性方面均有很大的缺陷，无法做到在限速驻流的基础上实现转速的自动调节，从而难以最大化发挥工具的冲洗井的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，用于处理油气井生产管柱的油垢、腊垢、锈垢或盐垢等管柱内壁附着物质。本工具中，一方面利用了动量守恒原理，在喷头上安装偏心喷嘴，使流体流出喷头时产生轴向、径向与周向三维速度，流体作用于喷头的周向反作用力将驱动喷头旋转；另一方面，与喷头同轴安装的阻尼装置将在喷头旋转时与通过液体相互作用，产生周向液体阻力，从而降低喷头转速、防止喷头旋转速度过快，保证清洗管壁时液流有一定的驻流时间，从而达到最优的清洗效果。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，包括主筒、液体阻尼减速总成、下芯轴、轴承、下接头、喷头和喷嘴，其中，所述液体阻尼减速总成包括上芯轴、安装在上芯轴的套筒和阻尼叶片、用于限制叶片和套筒周向转动的键、用于限制叶片和套筒轴向移动的弹簧垫圈和端帽，下接头与主筒固定连接，下芯轴与上芯轴固定连接，下芯轴与喷头固定连接，下芯轴上开设有下芯轴中心流道和旁通流道，喷头上开设有与所述下芯轴中心流道连通的喷头中心流道，喷头上开设有与喷头中心流道相连的水孔，喷嘴固定于喷头上的水孔内。

本发明中，压力液体自主筒上端流入，通过主筒与上芯轴之间的环空之后，经下芯轴旁通流道流入下芯轴中心流道。由于下芯轴与喷头固定连接，下芯轴中心流道与喷头中心流道自然连通，压力液体经下芯轴中心流道流出后将直接流入喷头，最后从固定于喷头水孔内的喷嘴流出。

作为优选，所述喷头上开设有至少两个水孔，且至少有一个所述水孔轴线与所述喷头轴线异面。

上述方案中，通过设置水孔轴线与喷头轴线异面（即水孔为偏心水孔，在喷头俯视图或仰视图上表现为水孔轴线与喷头轴线之间存在偏移距），可以使压力液体流出喷嘴（喷嘴固定于水孔内，其轴线与水孔轴线重合）时，产生沿喷头周向的速度分量，根据动量守恒定律和牛顿第三定律，自偏心水孔射出的液流将产生推动喷头绕自身轴线旋转的周向推力，并通过偏心距形成扭矩，即旋转洗井工具的旋转驱动力（力矩）。另一方面，由于阻尼叶片、上芯轴、下芯轴和喷头之间均为固定连接，所以阻尼叶片将会随喷头做同轴转动。又，阻尼叶片在空间位置上处于上芯轴和主筒的环空之内，因此周向旋转的阻尼叶片将与原本沿工具轴线方向流经环空的压力液体接触，轴向流动的液体势必会干涉周向旋转的阻尼叶片，即液流将会对阻尼叶片施加与叶片旋转方向相反的轴向作用力（旋转阻力），从而阻碍叶片的转动。根据流体力学分析结果，在阻尼叶片的尺寸和数量一定的情况下，旋转阻力受到液体流速和叶片转速的共同影响，其影响规律为：旋转阻力与液体流速和叶片转速均成正相关关系。

由此可知，喷头转速越快，叶片转速越快；叶片转速越快，则叶片所受旋转阻力越大，从而叶片降速越快。在喷头的旋转驱动力和叶片所受的旋转阻力共同作用下，喷头的转速将稳定在特定的水平。在实际操作过程中，可根据特定的流量，通过调整叶片的尺寸和数量来调整喷头的稳定旋转速度，使喷头旋转速度降低到适宜的区间，在实现旋转射流的基础上，保证冲洗液流在管壁的驻留时间，避免喷射出的冲洗液流因转速过快而大大降低其冲洗能力。

进一步地，所述喷头上开设有偶数（大于或等于2）个水孔，且每两个水孔均相对于工具轴线呈中心对称布置。

上述方案中，通过对称布置喷头水孔，可使喷头所受的旋转驱动力关于工具轴线平衡，从而降低不平衡力对工具内部轴承以及其他机械零件带来的不利影响。

作为优选，所述水孔轴线与所述喷头轴线之间的夹角在10°至150°之间。

上述方案中，在水孔轴线与喷头轴线已经异面的条件下，0°到90°范围内，射流覆盖喷头以下的空间（正向），且夹角越大，旋转驱动力越大；90°到150°范围内，射流覆盖喷头以上的空间（反向），且夹角越大，旋转驱动力越小。

作为优选，所述喷嘴最小内径在2mm至20mm之间。

上述方案中，喷嘴内径会直接影响洗井工具的流量和射流速度。在一定的射流速度的条件下，小流量采用较小内经的喷嘴，经测试，2mm内径下限的喷嘴可满足目前多数小流量的工程使用情况；反之，大尺寸、大流量的洗井工具则需要采用较大内径的喷嘴，20mm内径上限的喷嘴可满足目前多数大流量的工程使用情况。

作为优选，所述套筒和阻尼叶片通过键周向固定于上芯轴，通过弹簧垫圈和端帽固定于上芯轴。

上述方案中，上芯轴和阻尼叶片、套筒之间通过键连接和端帽、垫圈相对固定，其中键连接用于限制叶片和套筒周向转动，弹簧垫圈和端帽用于限制叶片和套筒轴向移动。

作为优选，阻尼叶片与套筒可间隔布置，或多个阻尼叶片紧邻布置。

上述方案中，阻尼叶片的作用在于产生周向阻力以降低喷头转速，套筒的作用在于填充阻尼叶片在上芯轴空出的多余轴向空间，配合阻尼叶片使用，起到自由调节叶片数量和叶片排布方式的作用。阻尼叶片与套筒间隔布置，即：叶片-套筒-叶片（余类推）的排布方式；多个叶片紧邻布置即多个相邻叶片之间不安装套筒，而剩余轴向空间全部采用套筒填充。阻尼的档位调节通过不同的排布方式的组合实现，例如上芯轴一共提供7个安装位，1档阻尼即为在7个安装位中的任一位置；3档可设置为“套筒1-叶片1-套筒2-叶片2-套筒3-叶片3-套筒4”的形式，也可设置为“叶片1-叶片2-叶片3-套筒1套筒2-套筒3-套筒4”以及其他更多形式；4档可设置为“叶片1-套筒1-叶片2-套筒2-叶片3-套筒3-叶片4”的形式，也可设置为“套筒1-套筒2-套筒3-叶片1-叶片2-叶片3-叶片4”以及其他更多形式；7档则只能设置为“叶片1-……-叶片7”密布的形式。

作为优选，所述轴承安装在主筒和下芯轴之间。

上述方案中，轴承安装在主筒和下接头之间，而在上芯轴上端（端帽处）不设置轴承，使得上芯轴上端作为自由端，目的在于增大工具的流体通过率，因为若在上芯轴上端设置了轴承，则在此处必须多设置一道旁通流道，而旁通流道的存在势必会损耗流体动能。因此仅将轴承系统设置在工具下端有利于流体通过，特别是在要求大排量的应用情景下，这样的设计更有优势。

进一步地，轴承可为单个滚动轴承、单个串列轴承、或多个滚动轴承串联而成的轴承组。

上述方案中，由于轴承仅设置在工具下端，实质是旋转部件处于单支撑状态，因此必须考虑工具在工作过程中因液力作用而径向摆动的情况。在轻载工况下，若摆动不明显，则可仅设置一个轴承（如深沟球轴承或角接触轴承）即可；若载荷较大或径向摆动不可忽视，则须布置多个常规轴承使其串联称轴承组，或者直接布置一套串列轴承，从而提高上芯轴、下芯轴等旋转部件在工具内的稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）采用液力阻尼对旋转喷头进行减速，而不是常规的摩擦环等减速机制，巧妙地实现了“转速越快，阻尼越大”的反馈式调节机制，使旋转洗井工具在工作过程中速度始终稳定在一定水平，便于控制射流在管壁的驻留时间，大大提升了工具的洗井效果；

（2）避开利用摩擦力减速的形式，工具内部不存在大量摩擦生热的部件，一方面旋转阻力不因使用时间长摩擦组件损耗而降低，另一方面也使工具内部不因避免热磨损产生易损件，从基本原理上提升了工具使用寿命；

（3）阻尼叶片与套筒配合安装，使得工具内部旋转阻力可按需调节，通过不同的组合方式，可得到各个不同档位调节的阻力，使得工具的易用性、扩展性极佳，适用范围宽广；

（4）轴承结构设置在工具下部，以单轴承支撑的形式让工具旋转，而将主筒内部环空空间完全释放，使工具内部液流通畅，节流阻力较小，更有利于排量较大的工作场合；

（5）工具的旋转驱动力与阻力发生结构简单直接，制造工艺简单且使用、维护也很方便。

附图说明：

图1为本发明实施例一、实施例六的结构示意图；

图2为本发明实施例二中喷头与其上水孔的位置关系仰视图；

图3为本发明实施例三中喷头与其上水孔的位置关系主视图；

图4为本发明实施例四中阻尼叶片的安装结构示意图；

图5为本发明实施例五中阻尼叶片的安装结构示意图。

具体实施方式：

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例一：

如图1至图5所示，一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，包括主筒（1）、液体阻尼减速总成（2）、下芯轴（3）、轴承（4）、下接头（5）、喷头（6）和喷嘴（7），所述液体阻尼减速总成（2）包括上芯轴（21）、安装在上芯轴（21）的套筒（22）和阻尼叶片（23）、键（24）、弹簧垫圈（25）和端帽（26），下接头（5）与所述主筒（1）固定连接，下芯轴（3）与上芯轴（21）固定连接，下芯轴（3）与喷头（6）固定连接，下芯轴（3）上开设有下芯轴中心流道（31）和旁通流道（32），喷头（6）上开设有与下芯轴中心流道连通的喷头中心流道（61），喷头（6）上开设有与喷头中心流道（61）相连的水孔（62），喷嘴（7）固定于喷头（6）上的水孔（62）内。

实施例二：

如图2所示，一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，喷头（6）上开设有6个水孔（62），且全部6个水孔（62）轴线与所述喷头轴线异面。其中，图中所示e1、e2、e3为不同水孔轴线相对喷头轴线的偏心距。

实施例三：

如图3所示，一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，喷头（6）上开设有6个水孔（62），其中：喷头底端两个水孔（62）轴线与喷头（6）轴线之间的夹角为30°，如图3（a）所示；喷头中部两个水孔（62）轴线与喷头（6）轴线之间的夹角为60°，如图3（b）所示；喷头上部两个水孔（62）轴线与喷头（6）轴线之间的夹角为90°，如图3（c）所示。

实施例四：

如图4所示，一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，套筒（22）和阻尼叶片（23）通过键（24）周向固定于上芯轴（21），通过弹簧垫圈（25）和端帽（26）轴向固定于上芯轴（21）。其中，上芯轴（21）上固定有四个阻尼叶片（23）和三个套筒（22），阻尼叶片（23）和套筒（22）间隔布置。

实施例五：

如图5所示，一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，套筒（22）和阻尼叶片（23）通过键（24）周向固定于上芯轴（21），通过弹簧垫圈（25）和端帽（26）轴向固定于上芯轴（21）。其中，上芯轴（21）上固定有七个阻尼叶片（23），阻尼叶片（23）紧邻布置。

实施例六：

如图1所示，一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，轴承（4）为串列深沟球轴承，且安装在主筒（1）和下芯轴（3）之间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，其特征在于：包括主筒（1）、液体阻尼减速总成（2）、下芯轴（3）、轴承（4）、下接头（5）、喷头（6）和喷嘴（7），所述液体阻尼减速总成（2）包括上芯轴（21）、安装在上芯轴（21）的套筒（22）和阻尼叶片（23）、键（24）、弹簧垫圈（25）和端帽（26），所述下接头（5）与所述主筒（1）固定连接，所述下芯轴（3）与所述上芯轴（21）固定连接，所述下芯轴（3）与所述喷头（6）固定连接，所述下芯轴（3）上开设有下芯轴中心流道（31）和旁通流道（32），所述喷头（6）上开设有与所述下芯轴中心流道（31）连通的喷头中心流道（61）以及与喷头中心流道（61）相连的水孔（62），所述喷嘴（7）固定于喷头（6）上的水孔（62）内。

2.根据权利要求1所述的一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，其特征在于：所述喷头（6）开设有至少两个所述水孔（62），且至少有一个所述水孔（62）轴线与所述喷头（6）的轴线异面。

3.根据权利要求1所述的一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，其特征在于：所述水孔（62）轴线与所述喷头（6）轴线之间的夹角在10°至150°之间。

4.根据权利要求1所述的一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，其特征在于：所述喷嘴（7）最小内径在2mm至20mm之间。

5.根据权利要求1所述的一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，其特征在于：所述套筒（22）和阻尼叶片（23）通过键（24）周向固定于上芯轴（21），通过弹簧垫圈（25）和端帽（26）轴向固定于上芯轴（21）。

6.根据权利要求1所述的一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，其特征在于：所述上芯轴（21）上固定有至少一个阻尼叶片（23）。

7.根据权利要求1所述的一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，其特征在于：所述至少一个阻尼叶片（23）与所述至少一个套筒（22）可间隔布置，或所述至少两个阻尼叶片（23）紧邻布置。

8.根据权利要求1所述的一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，其特征在于：所述轴承（4）安装在所述主筒（1）和所述下芯轴（3）之间。

9.根据权利要求1所述的一种具有液体阻尼减速装置的旋转洗井工具，其特征在于：所述轴承（4）可为单个滚动轴承、单个串列轴承、或多个滚动轴承串联而成的轴承组。

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