一种储能式振动固井工具

1.本发明涉及油气井工程技术领域，具体为一种储能式振动固井工具。


背景技术：

2.固井是向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业，是钻完井作业过程中不可缺少的一个重要环节，实验证明：通过井口向环空中候凝的水泥浆实施振动，使水泥浆保持低速运动状态，有助于改善水泥浆性能并提高水泥浆与地面及套管之间的胶结强度及胶结质量。
3.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。
4.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使用不方便，且其振动频率相对单一导致胶结质量较差，故而提出一种储能式振动固井工具来解决上述问题。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种储能式振动固井工具，具备在不改变固井工艺、无需井下电力设备的前提下实现注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中产生振动，并自动调节振动频率及提高胶结质量等优点，解决了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使用不方便，且其振动频率相对单一导致胶结质量较差的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现上述在不改变固井工艺、无需井下电力设备的前提下实现注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中产生振动，并自动调节振动频率及提高胶结质量的目的，本发明提供如下技术方案：一种储能式振动固井工具，包括外壳体，还包括涡轮组件，外壳体的内部设置有涡轮组件，外壳体的内部设置有内壳体，外壳体的内壁与内壳体的外壁形成流体水泥浆的导流腔，流体水泥浆通过导流腔并带动涡轮组件的活动端旋转，涡轮组件的旋转中心线上设置有延伸至内壳体内的第一驱动轴，第一驱动轴上设置有第一偏心块，第一驱动轴远离涡轮组件的一端设置有单向离合器，单向离合器的输出轴上设置有第二驱动轴，第二驱动轴上设置有第二偏心块，内壳体内设置有与第二驱动轴传动连接的储能装置，储能装置用于将第二驱动轴轴向转动的动能进行储存，并待水泥浆注浆完成后将储存的能量转换为第二驱动轴轴向转动的动能进行释放。
9.优选的，储能装置用于将第二驱动轴轴向转动的动能转化为电能。
10.优选的，储能装置包括永磁无刷电机转子、永磁无刷电机定子、功率控制模块和储能电池，第二驱动轴远离单向离合器的一端设置有永磁无刷电机转子，内壳体的内壁且位于永磁无刷电机转子的外围设置有永磁无刷电机定子，内壳体内设置有与永磁无刷电机定子电连接的功率控制模块，内壳体内设置有与功率控制模块电连接的储能电池。
11.优选的，储能装置用于将第二驱动轴轴向转动的动能转化为压强势能。
12.优选的，储能装置包括螺杆、螺套、活塞板和导向杆，螺杆设置于第二驱动轴远离单向离合器的一端，螺套设置于螺杆外并与螺杆啮合，活塞板设置于螺套远离第二驱动轴的一端并与内壳体滑动密封，活塞板与内壳体内壁形成密闭气压腔室，导向杆相对于螺杆平行设置于内壳体上，活塞板上开设有与导向杆相适应的导向密封孔。
13.优选的，储能装置用于将第二驱动轴轴向转动的动能转化为弹性势能。
14.优选的，储能装置包括活动块、固定块和弹簧，活动块套接于第二驱动轴上，固定块套接于固定块上，内壳体内设置有与固定块滑动抵持的导向块，导向块用于限制固定块相对于第二驱动轴轴向直线滑动，弹簧套接于第二驱动轴上，且弹簧一端与固定块相抵持，另一端相对于内壳体固定。
15.优选的，活动块、固定块和弹簧的数量相同，且不少于两个。
16.优选的，储能装置包括转盘、扭簧和定盘，转盘设置于第二驱动轴的外壁，扭簧的一端设置于转盘上，定盘设置于内壳体内并与扭簧另一端固定连接。
17.优选的，储能装置用于将第二驱动轴轴向转动的动能转化为电能和弹性势能。
18.优选的，储能装置包括电机转子、电机定子、充放电控制模块、蓄电池、行星齿轮组、十字销轴、冲击锤和碟簧，第二驱动轴远离单向离合器的一端设置有电机转子，内壳体的内壁且位于电机转子的外围设置有电机定子，内壳体内设置有与电机定子电连接的充放电控制模块，内壳体内设置有与充放电控制模块电连接的储能电池，内壳体内设置有与电机转子传动连接的行星齿轮组，行星齿轮组的输出端设置有十字销轴，内壳体内相对于电机转子轴向滑动设置有冲击锤，冲击锤的内壁开设有与十字销轴相适配的螺旋槽，内壳体内且位于冲击锤远离电机定子的一侧设置有碟簧。
19.第一偏心块的质量小于第二偏心块的质量。
20.(三)有益效果
21.与现有技术相比，本发明提供了一种储能式振动固井工具，具备以下有益效果：
22.1、该储能式振动固井工具，通过外壳体注入水泥浆过程中与导流腔内壁相互作用并产生流体作用力下带动涡轮组件的活动端旋转，涡轮组件带动第一驱动轴和第一偏心块旋转，由于第一偏心块在旋转的过程中产生离心作用力使得固井工具产生振动，同时第一驱动轴通过单向离合器带动第二驱动轴和第二偏心块旋转，由于第二偏心块在旋转的过程中同样产生离心作用力，进一步加大该固井工具产生振动幅度，同时通过储能装置将第二驱动轴的旋转动能进行储存，并待水泥浆注浆完成后将储存的能量转换为第二驱动轴轴向转动的动能进行释放，第二驱动轴转动过程中并带动第二偏心块在旋转的过程中产生离心作用力使得固井工具产生振动，此时由于单向离合器的单向传动原理导致第一驱动轴不与第二驱动轴同步转动，进而减小储能装置的能量损耗并改变该固井工具的振动幅度，达到在不改变固井工艺、无需井下电力设备的前提下实现注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中产生振动，并自动调节振动频率及提高胶结质量的效果。
23.2、该储能式振动固井工具，通过在注水泥过程中利用水泥浆的流体作用力带动涡轮组件、第一驱动轴、单向离合器和第二驱动轴旋转，并通过储能装置将第二驱动轴轴向转动的动能转化为电能或者压强势能或者弹性势能，进而实现多种不同的储能方式，其中，通过动能转化为电能中利用功率控制模块精准控制储能电池释放电能并使得永磁无刷电机转子定时、定速旋转，进而精准控制该固井工具在候凝全过程中的振动频率、振动时长及振动幅度，而动能转化为压强势能或者弹性势能，则利用当涡轮组件带动第二驱动轴旋转的作用力小于密闭气压腔室内部气压对活塞板的反向推力或者弹簧压缩弹性势能产生的反作用力时，即刻带动第二驱动轴相当于第一驱动轴反转，进而实现第一偏心块和第二偏心块不同方向旋转，使得该固井工具产生实时改变离心振动频率并提高胶结质量的效果。
24.2、该储能式振动固井工具，通过在注水泥过程中利用水泥浆的流体作用力带动涡轮组件、第一驱动轴、单向离合器和第二驱动轴旋转，并通过第二驱动轴带动储能装置上电机转子旋转，电机转子与电机定子相对运动并产生感应电流，充放电控制模块将感应电流进行整流并对蓄电池进行充电，实现第二驱动轴轴向转动的动能转化为电能，同时通过行星齿轮组对电机转子的转速进行减速并驱动十字销轴旋转，十字销过程中与冲击锤上的螺旋槽相互作用，当十字销轴与冲击锤滑动抵持部位在导向槽中运动时，并带动冲击锤向远离第二驱动轴方向运动且压缩碟簧；当十字销轴与冲击锤滑动抵持部位由导向槽运动至冲击槽内时，碟簧释放弹性势能并带动冲击锤相对于十字销轴轴向驱动并使得该固井工具产生轴向冲击力，进而配合该固井工具在第一偏心块和第二偏心块的作用下产生径向振动的同时产生轴向振动，实现多方位振动，进一步提高了该固井工具产生实时改变离心振动频率并提高胶结质量的效果。
附图说明
25.图1为本发明提出的一种储能式振动固井工具中实施例一的结构示意图；
26.图2为本发明提出的一种储能式振动固井工具中实施例二的结构示意图；
27.图3为本发明提出的一种储能式振动固井工具中实施例三的结构示意图；
28.图4为本发明提出的一种储能式振动固井工具中实施例四的结构示意图；
29.图5为本发明实施例四中冲击锤的结构立体图；
30.图6为本发明实施例四中冲击锤内壁结构展开示意图。
具体实施方式
31.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。
32.实施例一：请参阅图1，一种储能式振动固井工具，包括外壳体1，外壳体1由上接头、套管和下接头组成，上接头和下接头均通过螺纹与套管连接，还包括涡轮组件2，外壳体1的内部设置有涡轮组件2，涡轮组件2由涡轮定子、涡轮转子、涡轮轴及涡轮轴承组成，外壳体1的内部活动安装有内壳体3，套管内壁设置有用于配合上接头对内壳体3两端夹紧并固定的限位块，使得内壳体3可相对于外壳体1进行拆卸同时避免内壳体3振动过程中相对于
外壳体1晃动，外壳体1的内壁与内壳体3的外壁形成流体水泥浆的导流腔，流体水泥浆通过导流腔并并流体分子力的作用下带动涡轮组件2的活动端相对于外壳体1旋转，涡轮组件2的旋转中心线上固定安装有延伸至内壳体3内的第一驱动轴4，第一驱动轴4上固定安装有第一偏心块5，第一驱动轴4远离涡轮组件2的一端设置有单向离合器6，单向离合器6由单向离合器定盘、单向离合器动盘、单向离合器输出轴和加压弹簧组成，单向离合器6的输出轴上固定安装有第二驱动轴7，第二驱动轴7上固定安装有第二偏心块8，内壳体3内设置有与第二驱动轴7传动连接的储能装置9，储能装置9用于将第二驱动轴7轴向转动的动能转化为电能，并待水泥浆注浆完成后将储存的能量转换为第二驱动轴7轴向转动的动能进行释放进而带动第二偏心块8旋转，第二偏心块8旋转过程中产生离心力进而使得内壳体3和外壳体1产生相应的振动，同时由于单向离合器6的单向转动驱动，使得储能装置9释放电能过程中第二驱动轴7与第一驱动轴4不同步，进而相对于注入水泥浆过程改变该固井工具的振动幅度及振动频率并降低固井工具进行水泥浆候凝过程中的振动能耗，达到在不改变固井工艺、无需井下电力设备的前提下实现注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中产生振动，并自动调节振动频率及提高胶结质量的效果。
33.优选的，储能装置9包括永磁无刷电机转子a1、永磁无刷电机定子a2、功率控制模块a3和储能电池a4，第二驱动轴7远离单向离合器6的一端固定安装有永磁无刷电机转子a1，内壳体3的内壁且位于永磁无刷电机转子a1的外围固定安装有与永磁无刷电机转子a1相适配的永磁无刷电机定子a2，内壳体3内固定安装有与永磁无刷电机定子a2电连接的功率控制模块a3，内壳体3内固定安装有与功率控制模块a3电连接的储能电池a4；通过在注水泥过程中利用水泥浆的流体作用力带动涡轮组件2、第一驱动轴4、单向离合器6和第二驱动轴7旋转，第二驱动轴7带动永磁无刷电机转子a1旋转与永磁无刷电机定子a2做切割磁感线运动并产生感应电流，并通过功率控制模块a3将感应电流储存于储能电池a4中，当水泥浆注浆完成后，通过功率控制模块a3控制储能电池a4放电并带动永磁无刷电机转子a1相对于永磁无刷电机定子a2旋转，进而带动第二驱动轴7和第二偏心块8旋转，第二偏心块8旋转过程中产生离心力进而使得内壳体3和外壳体1产生相应的振动，同时由于单向离合器6的单向传动进而使得第二驱动轴7与第一驱动轴4不同步，进而实现水泥浆注入过程中的能量储存及水泥浆候凝过程中的能量释放及全程振动并提高胶结质量的效果。
34.优选的，通过设置第一偏心块5的质量小于第二偏心块8的质量，从而使得注入水泥浆过程中涡轮组件2同时带动第一偏心块5和第二偏心块8旋转，所产生的振动幅度相当于第一偏心块5加第二偏心块8的离心力之和，而在水泥浆候凝过程中由于单向离合器6的单向传动进而使得第二驱动轴7与第一驱动轴4不同步，即所产生的振动幅度仅为第二偏心块8的离心力作用，进一步使得该固井工具在注入水泥浆和水泥浆候凝过程中的振动幅度相差甚大即实现自动调节振动频率、节省水泥浆候凝过程中对储能装置9的能量损耗并延长储能装置9释放能量的时长及提高胶结质量的效果。
35.实施例二：请参阅图2，相对于实施例一的区别仅在于储能装置9用于将第二驱动轴7轴向转动的动能转化为压强势能，具体的，储能装置9包括螺杆b1、螺套b2、活塞板b3和导向杆b4，螺杆b1固定安装于第二驱动轴7远离单向离合器6的一端，螺套b2活动安装于螺杆b1外并与螺杆b1啮合，活塞板b3固定安装于螺套b2远离第二驱动轴7的一端并与内壳体3滑动密封，活塞板b3远离螺套b2的一侧与内壳体3内壁形成密闭气压腔室，导向杆b4相对于
螺杆b1平行且固定安装于内壳体3上，活塞板b3上开设有与导向杆b4相适应的导向密封孔；通过在注水泥过程中利用水泥浆的流体作用力带动涡轮组件2、第一驱动轴4、单向离合器6和第二驱动轴7旋转，第二驱动轴7带动螺杆b1旋转，由于导向杆b4配合活塞板b3对螺套b2相对于螺杆b1的轴向方向限位，使得螺杆b1与螺套b2相互作用时，螺套b2带动活塞板b3靠近或远离螺杆b1进而改变活塞板b3与内壳体3之间的密闭气压腔室大小及气压的压强大小，当涡轮组件2带动第一驱动轴4、单向离合器6和第二驱动轴7旋转的作用力小于密闭气压腔室内部气压对活塞板b3的反向作用力时，气压的压强大小自适应调节并驱动活塞板b3靠近或远离螺杆b1，进而使得及螺套b2带动螺杆b1及第二驱动轴7和第二偏心块8旋转，第二偏心块8旋转过程中产生离心力进而使得内壳体3和外壳体1产生相应的振动，同时由于单向离合器6的单向传动进而使得第二驱动轴7与第一驱动轴4不同步，进而实现水泥浆注入过程中的能量储存及水泥浆候凝过程中的能量释放及全程振动并提高胶结质量的效果。
36.实施例三：请参阅图3，相对于实施例一的区别仅在于储能装置9用于将第二驱动轴7轴向转动的动能转化为弹性势能，具体的，储能装置9包括限位筒c1、活动块c2、固定块c3和扭簧c4，限位筒c1固定安装于第二驱动轴7上，限位筒c1上设置有条形凸起物，活动块c2沿第二驱动轴7轴向滑动安装于限位筒c1，条形凸起物用于限制活动块c2沿相对于第二驱动轴7转动，固定块c3固定安装于内壳体3内，扭簧c4一端与活动块c2固定连接，另一端与固定块c3固定连接；通过在注水泥过程中利用水泥浆的流体作用力带动涡轮组件2、第一驱动轴4、单向离合器6和第二驱动轴7旋转，第二驱动轴7带动限位筒c1旋转，由于限位筒c1上的条形凸起物对活动块c2有限位作用，使得活动块c2跟随第二驱动轴7旋转，且扭簧c4的两端分别与活动块c2和固定块c3固定，固定块c3与内壳体3固定，即限位筒c1旋转过程中带动扭簧c4旋转并产生弹性势能，同时通过活动块c2与限位筒c1活动连接，使得扭簧c4旋转并产生弹性势能的同时自适应调节活动块c2与固定块c3之间的间距，进而使得扭簧c4上的弹性形变更均匀，避免扭簧c4旋转过程中产生非弹性形变而导致该固井工具使用寿命短的情况发生，当涡轮组件2带动第一驱动轴4、单向离合器6和第二驱动轴7旋转的作用力小于扭簧c4所产生弹性势能的反向作用力时，扭簧c4复位并驱动活动块c2、限位筒c1及第二驱动轴7和第二偏心块8旋转，第二偏心块8旋转过程中产生离心力进而使得内壳体3和外壳体1产生相应的振动，同时由于单向离合器6的单向传动进而使得第二驱动轴7与第一驱动轴4不同步，进而实现水泥浆注入过程中的能量储存及水泥浆候凝过程中的能量释放及全程振动并提高胶结质量的效果。
37.实施例四：请参阅图4-6，相对于实施例一的区别仅在于储能装置9用于将第二驱动轴7轴向转动的动能转化为电能的同时储存弹性势能，具体的，储能装置9包括电机转子d1、电机定子d2、充放电控制模块d3、蓄电池d4、行星齿轮组d5、十字销轴d6、冲击锤d7、螺旋槽d8和碟簧d9，第二驱动轴7远离单向离合器6的一端固定安装有电机转子d1，内壳体3的内壁且位于电机转子d1的外围固定安装有电机定子d2，内壳体3内固定安装有与电机定子d2电连接的充放电控制模块d3，内壳体3内固定安装有与充放电控制模块d3电连接的储能电池d4，内壳体3内设置有与电机转子d1传动连接的行星齿轮组d5，行星齿轮组d5的输出端固定安装有十字销轴d6，内壳体3内相对于电机转子d1轴向滑动安装有冲击锤d7，冲击锤d7的侧面开设槽口，内壳体3的内壁固定安装有与槽口对应的限位部，通过内壳体3上限位部配合冲击锤d7上的槽口进而避免十字销轴d6与冲击锤d7相互作用过程中同步转动，即限制冲
击锤d7沿第二驱动轴7轴向滑动，同样亦可采用冲击锤d7上设置限位部，内壳体3内壁开设槽口，冲击锤d7的内壁开设有与十字销轴d6相适配的螺旋槽，内壳体3内且位于冲击锤d7远离电机定子d2的一侧设置有碟簧d9，螺旋槽d8由若干个导向槽d81和冲击槽d82间隔交错收尾连通形；通过在注水泥过程中利用水泥浆的流体作用力带动涡轮组件2、第一驱动轴4、单向离合器6和第二驱动轴7旋转，并通过第二驱动轴7带动储能装置9上电机转子d1旋转，电机转子d1与电机定子d2相对运动并切割磁感线进而产生感应电流，充放电控制模块d1将感应电流进行整流并对蓄电池d4进行充电，实现第二驱动轴7轴向转动的动能转化为电能，同时通过行星齿轮组d5将电机转子d1的转速进行减速并传递给十字销轴d6，避免十字销轴d6转速过快导致十字销轴d6与冲击锤d7上的螺旋槽d8磨合作用过大而造成损坏的情况发生，十字销轴d6旋转过程中与冲击锤d7上的螺旋槽d8相互作用，当十字销轴d6与冲击锤d7滑动抵持部位在导向槽d81中运动时，并带动冲击锤d7向远离第二驱动轴7方向运动且压缩碟簧d9；当十字销轴d6与冲击锤d7滑动抵持部位由导向槽d81运动至冲击槽d82内时，碟簧d9释放弹性势能并带动冲击锤d7相对于十字销轴d6轴向驱动并使得该固井工具产生轴向冲击力，进而配合该固井工具在第一偏心块5和第二偏心块8的作用下产生径向振动的同时产生轴向振动，实现多方位振动，进一步提高了该固井工具产生实时改变离心振动频率并提高胶结质量的效果；当注水泥注入完成时，充放电控制模块d3控制蓄电池d4释放电能并带动电机转子d1相对于电机定子d2旋转，电机转子d1一端带动第二驱动轴7和第二偏心块8旋转并产生径向振动作用力，由于单向离合器6的单向驱动原理使得第一驱动轴4与第二驱动轴7不同步旋转进而减小该固井工具水泥浆候凝过程中的能耗，实现注水泥、水泥浆顶替和候凝全过程中产生轴向及径向振动，进一步提高胶结质量的效果。
38.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
39.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。