CN108678674A - 页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器 - Google Patents
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Abstract
页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器，包括上接头、涡轮动力源、偏心质量振动组、流体振动腔室、下接头和外壳，上接头、外壳、流体振动腔室和下接头由上至下依次相连；外壳内部沿外壳方向相同方向设置有芯轴，芯轴通过空心支承设置在上壳体的内壁上，空心支承与芯轴接触一端可旋转，芯轴上侧安装有涡轮动力源，所述的芯轴下侧安装有偏心质量振动组，外壳端部通过接口处螺纹与流体振动腔室联接为一体；通过各个部件之间的多级振动的耦合效应来产生持续可靠的振动将连续油管与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，以削减连续油管与井壁之间的磨阻、甚至解除连续油管“锁死”现象。
Description
技术领域
本发明石油行业应用连续油管开发页岩气过程中减小连续油管磨阻的减阻器技术领域，特别涉及页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器。
背景技术
页岩气是源岩排烃残余的主要产物，存在于盆地沉积层中，属于非常规油气资源。在30年前美国就开始研究页岩气的开采技术，目前的年产量相当于我国各类天然气年产量的总和。我国具有丰富的页岩气，但研究较晚。页岩气成藏条件及物性特殊，开采难度大，需要采用新的钻井技术及开采工艺。
近年来，连续油管技术逐渐成熟，应用于特殊工艺油气井钻井、不压井作业、水平井冲砂等工艺中，为开发特殊油气藏发挥了重要作用。连续管技术已经广泛应用在石油勘探与开发领域中，显示出了良好的发展前景，成为石油工程技术的特色技术之一。但由于连续管具有尺寸相对小、柔性相对大、不旋转以及加压困难等特点，导致其与井壁之间的摩擦阻力较大，传递到钻头上的有效钻压很小。在连续管入井过程中，在注入力和井底摩擦力的共同作用下，容易发生屈曲，甚至造成连续管的“锁死”，从而限制了连续管在大位移井和水平井中的应用。
连续油管减阻器作为连续管井下工具组合之一，它的应用可以有效减小连续管与井壁间的摩擦阻力，提高机械钻速，缩短作业周期，提高连续管钻井效率，延长连续油管的下入延伸尺寸。目前，国外已研制出多种连续管井下减阻器，且在连续管实际作业中取得了良好的应用效果，而国内的该项研究处于起步阶段，因此对于连续管井下减阻器的研究具有现实意义。
应用于连续油管作业的减阻器按其减阻振动方向可分为：轴向减阻器、径向减阻器；按其工作原理可分为：机械振动减阻器、流体振动减阻器。目前，在油田应用比较广泛的减阻器有以下几种。滚轮减阻器，利用滚轮将静摩擦转化为动摩擦，但滚轮易磨损，需定期检查更换。水力减阻器，利用变流阀使流经钻柱的液流体积产生改变，从而形成液压脉冲，但受钻井液性质影响较大。E-line Agitator，由National Oilwell Varco公司研发的连续管钻井减阻工具[3-6]，由大口径钻井中使用的减阻器改进而来，钻井液的压力影响较大。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器，通过各个部件之间的多级振动的耦合效应来产生持续可靠的振动将连续油管与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，以削减连续油管与井壁之间的磨阻、甚至解除连续油管“锁死”现象。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器，包括上接头1、涡轮动力源、偏心质量振动组、流体振动腔室、下接头15和外壳6，所述的上接头1、外壳6、流体振动腔室和下接头15由上至下依次相连；
所述的外壳6内部设置有芯轴4，所述的芯轴4通过空心支承2设置在上壳体6的内壁上，所述的空心支承2与芯轴4接触一端可旋转，所述的芯轴4上侧安装有涡轮动力源，所述的芯轴4下侧安装有偏心质量振动组，所述的外壳6端部通过接口处螺纹与流体振动腔室联接为一体；
所述的涡轮动力源包括两端的一级涡轮5和位于一级涡轮5之间的4个二级涡轮3。
所述的偏心质量振动组包括4个带有偏心质量的凸轮7，所述的凸轮7以间隙配合的方式安装在芯轴4上，相邻两组偏心质量凸轮间相差60°相位角。
所述的流体振动腔室包括与外壳6直接相接的上整流接口8，上整流接口8下侧依次相接有上振动腔室9、下振动腔室12和下整流接口14，所述的上振动腔室9内侧设置,2个下漩涡脱落球10，芯轴4与下漩涡脱落球10之间和下漩涡脱落球10之间分别设置有压缩弹簧11，所述的下漩涡脱落球10与下整流接口14之间设置有锥形弹簧13，锥形弹簧13位于下整流接口14的突出台阶上。
所述的下漩涡脱落球10分别位于上振动室9和下振动室12内。
本发明的有益效果：
(1)本发明基于流体力学中漩涡脱落效应、附壁效应，创新性的设计了结构简单、振动原理可靠的振动腔室、振动体；
(2)本发明利用两个轴向振动源、两个径向振动源的耦合，轴、径向振动的耦合，增强了减阻效果；
(3)本发明采用液压驱动、纯机械结构振动、无易损零部件，大大提高了减阻器的实用性、寿命。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为本发明涡轮动力源示意图。
图3为本发明偏心质量振动组示意图。
图4为本发明流体振动腔室示意图。
图5为本发明总体方案流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
涡轮动力源(如图2所示)：该部分的主要工作部件为2个一级涡轮5及4个二级涡轮3。上述涡轮叶片3和5依次安装在芯轴4上，芯轴由特别设计的2个空心支承2固定在上壳体6的内壁上。其中，空心支承2与芯轴4接触的一侧可旋转，与外壳体6接触的一侧固定不动并以间隙配合的方式安装于外壳体6内壁上。另外，外壳体6与流体振动腔室(如图4所示)通过接口处螺纹联接为一体。
偏心质量振动组(如图3所示)：该部分的主要工作部件为4个带有偏心质量的凸轮7。上述带有偏心质量的凸轮7以间隙配合的方式安装在芯轴4上，并且它们在安装时，相邻两组偏心质量凸轮间相差60°相位角。
流体振动(附壁、涡激振动)腔室(如图4所示)：该部分的主要工作部件为：上整流接口8、上振动腔室9、漩涡脱落球10、压缩弹簧11、下振动腔室12、锥形压缩弹簧13、下整流接口14。其中，2个压缩弹簧11分别焊接于芯轴4下端和2个漩涡脱落球10之间，锥形压缩弹簧13分别焊接于下漩涡脱落球10和下整流接口14的突出台阶上。另外，在安装时，应确保漩涡脱落球10分别处于上振动室9和下振动室12内。
减阻器所应具备“动力源可靠”、“减阻效果明显”、“结构简单稳定”、“部件不易损坏”等性能。双作用耦合连续油管减阻器主要采用机械振动、流体振动原理来产生持续可靠的振动，将连续油管与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力，从而减小连续油管与井壁之间的磨阻，甚至解除连续油管“锁死”现象。“双作用耦合连续油管减阻器”的设计思路如下图5所示。
本发明的工作原理：
“双作用耦合连续油管减阻器”主要包括上接头1、涡轮动力源(附图2)、偏心质量振动组(附图3)、流体振动(附壁、涡激振动)腔室(附图4)、下接头15等五部分组成。本减阻器工作时，上接头1与连续油管下端连接，本减阻器下端连接其他工具串。本减阻器各部分作用及工作原理如下：
(1)涡轮动力源(附图2)：①由井内流体驱动其上的涡轮叶片3和5转动，从而为径向振动组的偏心质量凸轮7的旋转提供持续动力。②涡轮动力源(附图2)的主要部件为多级涡轮叶片3和5，当井内流体流过多级涡轮叶3和5片时，经过多级涡轮叶片3和5的压力调节作用，会输出低频的脉动轴向压力。轴向脉动的压力产生低频振动会与后续部件“流体振动腔室”(附图4)的振动发生耦合效应。
(2)偏心质量振动组(附图3)：主要构成零部件为多组带有不平衡偏心质量的凸轮7，其在上一部件“涡轮动力源”(附图2)的驱动之下产生旋转运动。由于不平衡质量的存在，偏心质量组(附图3)在旋转的过程中便会产生周期性的径向振动。
(3)流体振动(附壁、涡激振动)腔室：流体经上整流接口8流经漩涡脱落球10在其表面产生边界层堆积、形成漩涡、漩涡脱落，产生轴向及径向振动。漩涡脱落球10与内壁曲面曲率变化的下壳体构成附壁效应振动腔室(附图4)，流体流经附壁效应振动腔室，流速减缓，随着流体循环产生持续的轴向振动，最后流体从下整流接口15流出。
当流体流经“双作用耦合连续油管减阻器”时，多级涡轮叶片产生的轴向脉动将会与漩涡脱落及附壁效应振荡组发生的轴向振动耦合；偏心凸轮7发生的径向振动将会与漩涡脱落及附壁效应振荡组发生的径向振动耦合；减阻器自身的轴向振动、径向振动也存在耦合效应。通过多级振动的耦合效应来产生持续可靠的振动以削减连续油管与井壁之间的磨阻、甚至解除连续油管“锁死”现象。
双作用耦合连续油管减阻器最佳减阻频率控制在16～28HZ内，通过实验和理论计算得到该减阻器可降低磨阻61％～69％，解决了连续油管由于磨阻较大导致的下入困难等问题。
Claims (5)
1.页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器，其特征在于，包括上接头(1)、涡轮动力源、偏心质量振动组、流体振动腔室、下接头(15)和外壳(6)，所述的上接头(1)、外壳(6)、流体振动腔室和下接头(15)由上至下依次相连；
所述的外壳(6)内部设置有芯轴(4)，所述的芯轴(4)通过空心支承(2)设置在上壳体(6)的内壁上，所述的空心支承(2)与芯轴(4)接触一端可旋转，所述的芯轴(4)上侧安装有涡轮动力源，所述的芯轴(4)下侧安装有偏心质量振动组，所述的外壳(6)端部通过接口处螺纹与流体振动腔室联接为一体。
2.根据权利要求1所述的页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器，其特征在于，所述的涡轮动力源包括两端的一级涡轮(5)和位于一级涡轮(5)之间的4个二级涡轮(3)。
3.根据权利要求1所述的页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器，其特征在于，所述的偏心质量振动组包括4个带有偏心质量的凸轮(7)，所述的凸轮(7)以间隙配合的方式安装在芯轴(4)上，相邻两组偏心质量凸轮间相差60°相位角。
4.根据权利要求1所述的页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器，其特征在于，所述的流体振动腔室包括与外壳(6)直接相接的上整流接口(8)，上整流接口(8)下侧依次相接有上振动腔室(9)、下振动腔室(12)和下整流接口(14)，所述的上振动腔室(9)内侧设置，2个下漩涡脱落球(10)，芯轴(4)与下漩涡脱落球(10)之间和下漩涡脱落球(10)之间分别设置有压缩弹簧(11)，所述的下漩涡脱落球(10)与下整流接口(14)之间设置有锥形弹簧(13)，锥形弹簧(13)位于下整流接口(14)的突出台阶上。
5.根据权利要求4所述的页岩气开发双作用耦合连续油管减阻器，其特征在于，所述的下漩涡脱落球(10)分别位于上振动室(9)和下振动室(12)内。
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