CN210977391U - 旋流发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种旋流发生器，主要由中心轴、单向阀、外壳体、转子、定子、导流体组成；其中：所述中心轴外周设有环形凹槽，上部设有旁通孔，中心轴下部设有泄流孔；所述外壳体包裹在中心轴的环形凹槽上，并与中心轴构成旋转配合，外壳体与中心轴之间形成环状驱动腔，该环状驱动腔上下分别与旁通孔、泄流孔导通；所述单向阀设在旁通孔内；所述转子和定子设置在外壳体与中心轴之间形成环状驱动腔内，且转子固定在外壳体内壁上，定子固定在中心轴外壁上；所述导流体设置在外壳体外表面上。旋流发生器能够完全满足国内直井、定向井、水平井复杂结构井的固井工艺要求，是一种结构简单、操作方便、成本低廉、安全可靠的新型工具。

Description

旋流发生器

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等行业领域的一种井下工具，尤其是一种旋流发生器。

背景技术

钻完井作业完成后，为了确保井眼稳定性及后续施工作业的安全性和通畅性，都要在井眼中下入套管，并在套管与井壁之间的环空内注入水泥，待水泥凝固后，就形成了一个稳定的井筒。在固井过程中，当套管下入井眼后，从套管口注入水泥浆，并从套管底部返出进入套管与井壁之间的环空，随着水泥浆的不断注入，水泥浆将环空内的钻井液顶替出井眼，传统方式是一维轴向流顶替，常规方式存在的不足：（1）环空近井壁区域流速较低，而钻井液又具有较高的粘附力，高粘附要求高流速顶替，高流速顶替必要求高能耗，而高能耗又受到泵压和地层承压能力的限制；（2）井眼不规则，井壁呈锯齿状凹凸不平，常规一维轴向流动易引发钻井液回流，导致钻井液滞留；（3）下部套管柱往往由于顶替量不足，使得替净难度较大。

针对上述问题，国内外开展了大量研究工作，提出了多种顶替方法并研制了相应的工具，主要目的就是要克服一维轴向流在顶替中的缺点。螺旋流顶替法是在一维轴向流顶替的基础上再施加周向剪切携带的作用，有利于将井眼环空内的钻井液驱替干净。产生螺旋流的常规方法：

一是注入水泥浆的同时旋转套管柱，但需要较高的旋转扭矩，现场施工难度大，风险高。例如：中国专利公开号CN2406060Y公开的液体旋流发生器。此种旋流发生器由本体、旋流 导向带、导向槽和固定螺栓组成，本体上沿圆周均布地焊装有4 个导向槽，每一导向槽上嵌装有旋流导向带，本体上、下端的 各3个螺孔内分别旋装有固定螺栓。使用时，将该装置本体上、 下固定螺栓旋松后套在套管本体外，然后将螺栓拧紧即可随套 管柱一起下至井径较大部位下端，使旋流片与井壁接触，形成一 个旋流流道，当液体通过时，即可使液体形成旋转流动来充分 带动井眼内的液体，形成旋流作用，达到提高顶替效率的目的。 为保证本旋流发生器在井眼中处于居中位置，其上、下可各带 一个扶正器。该旋流发生器有φ177.8和139.7两种规格，工作 时可形成的旋流长度一般为20-40m。固井作业时可根据井径 和井眼中大井径井段的长度大小选用1-6个相应规格的旋流发 生器。

二是使用旋流扶正器，虽然使用方便，风险较低，但旋流能量小，能够产生旋流效果的井眼长度较短，顶替钻井液能力有限。例如：中国专利公开号CN109138861A公开的《一种水泥浆旋流发生器泥饼刮削型旋流式扶正工具》，包括外套筒外壁上固定有橡胶螺旋翼座和刚性螺旋翼，所述橡胶螺旋翼座上固定有橡胶螺旋翼。所述橡胶螺旋翼座和刚性螺旋翼均为4个，间隔固定在外套筒上。所述橡胶螺旋翼座包括左底座和右底座，左底座和右底座截面为L形，对称焊接在外套筒上组成滑道；所述橡胶螺旋翼截面为T形，其底边置于滑道内并由螺钉固定。

因此，急需研制一种既符合常规固井工艺要求，又能够产生较大能量螺旋流，从而充分发挥螺旋流顶替钻井液技术优势的旋流发生器，同时还要具有安全可靠、结构简单、维护方便的特点。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了充分发挥螺旋流顶替钻井液的技术优势，提供一种在不改变现有固井工艺和设备的条件下，进一步提高固井质量，产生较大能量螺旋流的，充分发挥螺旋流顶替钻井液作用的旋流发生器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种旋流发生器，主要由中心轴、单向阀、外壳体、转子、定子、导流体组成；其中：所述中心轴外周设有环形凹槽，上部设有旁通孔，中心轴下部设有泄流孔；所述外壳体包裹在中心轴的环形凹槽上，并与中心轴构成旋转配合，外壳体与中心轴之间形成环状驱动腔，该环状驱动腔上下分别与旁通孔、泄流孔导通；所述单向阀设在旁通孔内；所述转子和定子设置在外壳体与中心轴之间形成环状驱动腔内，且转子固定在外壳体内壁上，定子固定在中心轴外壁上；所述导流体设置在外壳体外表面上。

上述方案进一步包括：

所述外壳体上部与中心轴结合部安装轴承A，外壳体下部与中心轴结合部安装轴承B。

所述轴承A安装在外壳体与中心轴径向结合部，所述轴承B安装在外壳体与中心轴轴向结合部。

所述轴承A为滚动轴承，所述轴承B为推力轴承。

所述中心轴环形凹槽上段为锥斜面，旁通孔设在该锥斜面段。

所述中心轴环形凹槽底部为平面，泄流孔沿外壳体与中心轴之间的环状驱动腔轴向设置。

所述旁通孔为多个，且均匀分布。

所述泄流孔为多个，且均匀分布；或者所述泄流孔整体环孔结构。

所述导流体为螺旋翼结构。

螺旋翼为2-6个，且均匀分布在外壳体上。

本实用新型的旋流发生器工作原理：

旋流发生器安装在套管柱的最下端，并随套管柱下入井眼中，固井过程中，固井液经过中心轴的旁通孔及单向阀后，进入外壳体与中心轴之间的驱动腔室，由于转子安装在外壳体内壁上，定子安装在中心轴的外壁上，在高压固井液的作用下，转子开始旋转，并带动外壳体高速旋转，固井液经过泄流孔后进入环空并向上返回，由于外壳体高速旋转，并且外壁上加工导流体，固井液在由环空内向外部上返回的同时，在外壳体高速旋转的驱动力作用下，就会产生螺旋流，随着固井液的不断注入，环空中的固井液就会以螺旋流的状态向上返回。

旋流发生器转速高，即产生螺旋流的初速度大能量高，因此相对于常规螺旋流方法，能够向上延伸更长的距离，因此顶替环空中原钻井液的效率也更高，进而固井质量更好。旋流发生器是将套管柱内注入固井液的液动能转化为外壳体高速旋转的机械能，然后又驱动环空固井液产生高速向上的螺旋流，即机械能转化为液动能，通过流道、转子、定子结构的优化设计，能够最大限度的降低能量损失，提高旋流发生器的机械效率。

现场测试表明，旋流发生器能够完全满足固井施工的工艺技术要求，应用数据分析表明，固井质量优秀率较常规固井方法平均提高95.6%-166%，尤其是在深井、超深井、小井眼及复杂结构井的固井过程时，大幅提高了固井质量，达到了设计要求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：旋流发生器转速高，即产生螺旋流的初速度大能量高，螺旋流向上延伸距离更长，环空顶替效率更高；将套管柱内注入固井液的液动能转化为外壳体高速旋转的机械能，然后又驱动环空固井液产生高速向上的螺旋流，最大限度的降低能量损失，提高旋流发生器的机械效率；还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便、成本低廉的特点，便于大范围推广使用。

附图说明

图1是本实用新型的旋流发生器半剖结构示意图。

图2是图1沿A-A截面的剖视图。

图中，1-中心轴、2-轴承A、3-旁通孔、4-单向阀、5-外壳体、6-转子、7-定子、8-导流体、9-轴承B、10-泄流孔。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本实用新型。

实施例1

一种旋流发生器，包括中心轴1、单向阀4、外壳体5、转子6、定子7、导流体8组成；其中：所述中心轴1外周设有环形凹槽，上部设有旁通孔3，中心轴1下部设有泄流孔10。所述外壳体5包裹在中心轴1的环形凹槽上，并与中心1轴构成旋转配合，外壳体5与中心轴1之间形成环状驱动腔，该环状驱动腔上下分别与旁通孔3、泄流孔10导通。这里结合附图1，中心轴1带有环形凹槽的部分轴心为封闭结构，确保流体只能沿旁通孔3、环状驱动腔至泄流孔10流动。所述单向阀4设在旁通孔内，防止流体反向流动。所述转子6和定子7设置在外壳体5与中心轴1之间形成环状驱动腔内，且转子6固定在外壳体5内壁上，定子7固定在中心轴1外壁上，定子、转子在流体驱动下形成高速旋转配合。所述导流体8设置在外壳体5外表面上，通过转子旋转带动外壳体和导流体同步旋转，使套管外部的流体产生向上的旋转能。

实施例2

基于实施例1的基础上，进一步包括：

外壳体5上部与中心轴1结合部安装轴承A2，外壳体5下部与中心轴1结合部安装轴承B9。

轴承A2安装在外壳体5与中心轴1径向结合部，轴承B9安装在外壳体5与中心轴1轴向结合部。

轴承A为滚动轴承，轴承B为推力轴承。

实施例3

基于实施例1或2的基础上，进一步包括：

中心轴1外部环形凹槽上段为锥斜面或者弧形面，旁通孔3设在该锥斜面或弧形面段。此设计更好解决流体对转子的作用力。

中心轴1外部环形凹槽底部为平面，泄流孔10沿外壳体5与中心轴1之间的环状驱动腔轴向设置，以增加流道的通畅性。

旁通孔3为多个，根据孔径大小、流体流量、套管管径、压力等因素来具体确定，且均匀分布。

泄流孔10为多个，其数量和孔径大小根据需要具体设置，且均匀分布；或者泄流孔10直接采用整体环孔结构。

导流体8为螺旋翼结构，可以借鉴对比文件中的螺旋翼结构。其数量为2-6个，优选2个，且均匀分布在外壳体上。

典型实施例4

参照附图1和2，旋流发生器主要由中心轴1、轴承2、旁通孔3、单向阀4、外壳体5、转子6、定子7、导流体8、泄流孔10组成。中心轴1上部加工旁通孔3，旁通孔3内安装单向阀4，转子6安装在外壳体5内壁上，定子7安装在中心轴1外壁上，外壳体5上部与中心轴1之间安装轴承2，外壳体5外壁加工导流体8，中心轴1下部加工泄流孔10，外壳体5下部与中心轴1下部之间安装轴承9。

更进一步的，为了增加外壳体5与中心轴1的密闭性，在其结合部增设密封件，或者使用密封轴承。

旋流发生器安装在套管柱的最下端，并随套管柱下入井眼中，固井过程中，固井液经过中心轴1的旁通孔3及单向阀4后，进入外壳体5与中心轴1之间的腔室。旋流发生器内为螺杆或涡轮驱动结构，由于转子6安装在外壳体5内壁上，定子7安装在中心轴1的外壁上，在高压固井液的作用下，转子6开始旋转，并带动外壳体5高速旋转，固井液经过泄流孔10后进入环空并向上返回。由于外壳体5高速旋转，并且外壁上加工导流体8，固井液在环空中向上返回的同时，在外壳体5高速旋转的驱动力作用下，就会产生螺旋流，随着固井液的不断注入，环空中的固井液就会以螺旋流的状态向上返回。

旋流发生器转速高，即产生螺旋流的初速度大能量高，因此相对于常规螺旋流方法，能够向上延伸更长的距离，因此顶替环空中原钻井液的效率也更高，进而固井质量更好。旋流发生器是将套管柱内注入固井液的液动能转化为外壳体高速旋转的机械能，然后又驱动环空固井液产生高速向上的螺旋流，即机械能转化为液动能，通过流道、转子、定子结构的优化设计，能够最大限度的降低能量损失，提高旋流发生器的机械效率。

Claims (10)

1.旋流发生器，主要由中心轴（1）、单向阀（4）、外壳体（5）、转子（6）、定子（7）、导流体（8）组成；其特征在于：所述中心轴（1）外周设有环形凹槽，上部设有旁通孔（3），中心轴（1）下部设有泄流孔（10）；所述外壳体（5）包裹在中心轴（1）的环形凹槽上，并与中心轴（1）构成旋转配合，外壳体（5）与中心轴（1）之间形成环状驱动腔，该环状驱动腔上下分别与旁通孔（3）、泄流孔（10）导通；所述单向阀（4）设在旁通孔（3）内；所述转子（6）和定子（7）设置在外壳体（5）与中心轴（1）之间形成环状驱动腔内，且转子（6）固定在外壳体（5）内壁上，定子（7）固定在中心轴（1）外壁上；所述导流体（8）设置在外壳体（5）外表面上。

2.根据权利要求1所述的旋流发生器，其特征在于：所述外壳体（5）上部与中心轴（1）结合部安装轴承A（2），外壳体（5）下部与中心轴（1）结合部安装轴承B（9）。

3.根据权利要求2所述的旋流发生器，其特征在于：所述轴承A（2）安装在外壳体（5）与中心轴（1）径向结合部，所述轴承B（9）安装在外壳体（5）与中心轴（1）轴向结合部。

4.根据权利要求3所述的旋流发生器，其特征在于：所述轴承A（2）为滚动轴承，所述轴承B（9）为推力轴承。

5.根据权利要求1-4任一所述的旋流发生器，其特征在于：所述中心轴（1）环形凹槽上段为锥斜面，旁通孔（3）设在该锥斜面段。

6.根据权利要求1-4任一所述的旋流发生器，其特征在于：所述中心轴（1）环形凹槽底部为平面，泄流孔（10）沿外壳体（5）与中心轴（1）之间的环状驱动腔轴向设置。

7.根据权利要求5所述的旋流发生器，其特征在于：所述旁通孔（3）为多个，且均匀分布。

8.根据权利要求6所述的旋流发生器，其特征在于：所述泄流孔（10）为多个，且均匀分布；或者所述泄流孔（10）整体环孔结构。

9.根据权利要求1-4任一所述的旋流发生器，其特征在于：所述导流体（8）为螺旋翼结构。

10.根据权利要求9所述的旋流发生器，其特征在于：螺旋翼为2-6个，且均匀分布在外壳体（5）上。

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