CN112943118A - 多级动力***水力驱动旋转套管鞋 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其包括转动组合、不转动组合和轴承***，所述转动组合通过轴承***转动连接于所述不转动组合外侧，所述转动组合与不转动组合形成多级转动结构。本发明通过液力流过定子旋流片产生的旋流而推动转子旋流筒，进而带动划眼引鞋旋转通过存在缩径等不利于套管通过的井段，实现套管顺利下入到目的深度的目标，设置多级旋流转子和定子组合，增加扭矩，提高了装置的有效性。
Description
技术领域
本发明涉及油田固井作业技术领域，具体地说，涉及多级动力***水力驱动旋转套管鞋。
背景技术
在石油或天然气完井下套管的过程中，将生产套管一次性顺利下入到预定深度对完成预定的目标至关重要。套管下入过程中，由于地层稳定性、井眼轨迹等多种原因会造成井眼缩径、坍塌、摩擦阻力大等多种不利于套管下入到位的因素。如果下入不到预定深度，则无法开采目的层的资源。如果下入套管过程不顺利，则会造成增加作业时间，增加成本。为了促进套管顺利下入到目的深度，有时会通过井口的机械动力旋转套管来实现划眼通过由于缩径、坍塌等原因造成的困难井段，但是这种办法有很大的局限性，由于受到套管连接螺纹或者地面设备的扭矩限制，往往不能实现套管旋转。
因此，为避免进行旋转全部管柱来促进下入，提高工具的有效性，亟需设计一种多级动力***水力驱动旋转套管鞋。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了多级动力***水力驱动旋转套管鞋，通过液力流过定子旋流片产生的旋流而推动转子旋流筒，进而带动划眼引鞋旋转通过存在缩径等不利于套管通过的井段，实现套管顺利下入到目的深度的目标，设置多级旋流转子和定子组合，增加扭矩，提高了装置的有效性；其包括：
转动组合、不转动组合和轴承***，所述转动组合通过轴承***转动连接于所述不转动组合外侧，所述转动组合与不转动组合形成多级转动结构。
优选的，所述转动组合包括：
划眼外壳、上旋流转子、下旋流转子、转动套、上径向轴承衬套、级间径向轴承衬套和划眼引鞋头组成；所述划眼外壳通过螺纹连接于所述转动套一端外侧，所述上径向轴承衬套通过过盈配合和定位销钉中的任意一种连接于所述转动套内部，所述上旋流转子、下旋流转子和级间径向轴承衬套分别通过过盈配合和定位销钉中的任意一种连接于所述划眼外壳内部，所述级间径向轴承衬套布置于所述上旋流转子和下旋流转子之间，所述划眼引鞋头通过螺纹连接于所述划眼外壳一端外侧，所述划眼引鞋头远离所述上径向轴承衬套布置。
优选的，所述不转动组合包括：
上接头、轴承压帽、芯轴、上旋流定子、下旋流定子和压帽，所述上接头通过螺纹连接于所述芯轴一端外侧，所述轴承压帽通过螺纹连接于所述上接头靠近所述芯轴的一端外侧，所述上旋流定子和下旋流定子分别通过八方形结构套设于所述芯轴外侧，所述压帽通过螺纹连接于所述芯轴另一端外侧；所述上径向轴承衬套套设于所述上接头外侧，所述轴承压帽和压帽连接于所述划眼外壳内部。
优选的，所述上旋流转子配合连接于所述上旋流定子外侧，所述下旋流转子配合连接于所述下旋流定子外侧，所述下旋流转子和下旋流定子的数量至少设置为一个，相邻所述下旋流转子通过级间径向轴承衬套连接。
优选的，所述芯轴中心均匀开设有若干个第一中心孔，所述芯轴侧端均匀开设有若干个旁通孔和第一斜孔，所述第一中心孔和旁通孔位置与旋流定子位置对应设置，所述第一斜孔布置于相邻旋流定子之间，所述上接头中心贯穿开设有第二中心孔，所述压帽上贯穿开设有第二斜孔，所述划眼引鞋头上贯穿开设有第三斜孔，所述第一中心孔与旁通孔连通设置，所述上旋流定子对应的第一中心孔与第二中心孔连通设置，所述第一斜孔两端分别与所述划眼外壳内腔和下一级的第一中心孔连通设置，所述第二斜孔两端分别与所述划眼外壳内腔和所述划眼引鞋头内腔连通设置，所述第三斜孔与所述划眼引鞋头内腔连通设置。
优选的，所述轴承***包括：
推力轴承A、推力轴承B、上径向轴承、级间径向轴承和下径向轴承，所述推力轴承A连接于所述上接头和转动套之间，并且所述推力轴承A轴向两端分别与所述轴承衬套和上接头轴肩接触；所述推力轴承B连接于所述上接头和划眼外壳之间，并且所述推力轴承B轴向两端分别与所述轴承衬套和轴承压帽接触；所述上径向轴承和下径向轴承连接于所述压帽和划眼外壳之间，所述下径向轴承靠近所述划眼引鞋头布置；所述级间径向轴承连接于芯轴和级间径向轴承衬套之间。
优选的，所述划眼外壳外表面均匀连接有若干个筋条，所述筋条设置为螺旋形筋条和直筋条中的任意一种，所述筋条表面连接有硬质合金、金刚石和金刚石复合片中的一种或多种组合。
优选的，所述划眼引鞋头自靠近划眼外壳的一端到远离所述划眼外壳的一端，所述划眼引鞋头的横截面逐渐减小，所述划眼引鞋头表面连接有硬质合金、金刚石和金刚石复合片中的一种或多种组合。
优选的，所述多级动力***水力驱动旋转套管鞋，还包括：防脱落装置，所述防脱落装置连接于所述上接头远离所述划眼引鞋头的一端，所述防脱落装置与套管连接，所述防脱落装置包括：
管体，所述管体固定连接于所述接头远离所述划眼引鞋头的一端；
腔体，所述腔体开设于所述管体侧壁内；
第一转轴，所述第一转轴转动连接于所述腔体内壁，并且所述第一转轴一端与电机连接，所述电机与控制器电连接；
凸轮，所述凸轮连接于所述第一转轴上；
第二转轴，所述第二转轴转动连接于所述腔体内壁，并且所述第二转轴与第一转轴平行布置，所述第二转轴与腔体内壁连接处连接有第一卷簧；
转动板，所述转动板连接于所述第二转轴上，所述转动板远离所述凸轮的一端连接有限位块；
第三转轴，所述第三转轴转动连接于所述腔体内壁，并且所述第三转轴与第二转轴垂直布置，所述第三转轴与腔体内壁连接处连接有第二卷簧；
齿轮，所述齿轮连接于所述第三转轴上，所述齿轮与限位块卡合连接；
线轮，所述线轮连接于所述第三转轴上，连接线一端缠绕于所述线轮上；
滑槽，所述滑槽开设于所述管体侧壁内，所述滑槽通过连通孔与所述腔体连通设置；
防脱滑块，所述防脱滑块滑动连接于所述滑槽内壁，所述防脱滑块顶端与连接线另一端连接；
滚轮，所述滚轮通过支架转动连接于所述滑槽内壁顶端，所述连接线缠绕并通过所述滚轮；
弹簧，所述弹簧抵触连接于所述滑槽内壁顶端和防脱滑块顶端之间；
卡槽，所述卡槽开设于所述套管侧端，所述卡槽与防脱滑块适应设置；
测距传感器，所述测距传感器连接于所述管体侧壁，所述测距传感器与控制器电连接。
优选的，所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，还包括：
寿命提示装置，所述寿命提示装置包括与控制器电连接的第一应变传感器、第二应变传感器、计数器和警报器，
所述第一应变传感器连接于所述芯轴与上接头连接处，用于检测所述芯轴的法向剪应变；
所述第二应变传感器连接于所述芯轴与上接头连接处，用于检测所述芯轴的法向应变；
所述计数器连接于所述划眼外壳上，用于检测所述划眼外壳的转动次数；
所述警报器连接于套管顶部，用于对所述芯轴的寿命情况进行报警；
控制器按照预设算法计算所述芯轴的疲劳寿命，对比所述计数器检测得到的转动次数确定是否启动警报器，通过所述警报器提示操作人员所述芯轴寿命达到上限，所述预设算法的具体步骤如下：
步骤A1，所述控制器对以下关系式进行求解，得到所述芯轴的疲劳寿命：
其中，Nf为求解得到的所述芯轴的疲劳寿命，γ1为所述芯轴的最大法向剪应变，γ2为所述芯轴的最小法向剪应变，γ1和γ2由所述第一应变传感器检测获得，εn为所述芯轴的法向应变，由所述第二应变传感器检测获得，σf为所述芯轴螺纹材料的疲劳强度系数，εf为所述芯轴螺纹材料的疲劳延性系数，E为所述芯轴的材料弹性模量，b为所述芯轴螺纹材料的疲劳强度指数，c为所述芯轴螺纹材料的疲劳延性指数；
步骤A2，根据步骤A1中得到的所述芯轴的疲劳寿命，当所述计数器检测获得的所述划眼外壳的转动次数N大于所述芯轴的疲劳寿命Nf时，即所述芯轴达到使用寿命，此时所述控制器启动警报器报警，提示操作人员对所述芯轴进行检修和更换，当所述计数器检测获得的所述划眼外壳的转动次数N小于所述芯轴的疲劳寿命Nf时，即所述芯轴未达到使用寿命，此时不需要启动警报器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明旋流定子、转子和芯轴装配示意图；
图3为本发明防脱落装置结构示意图。
图中：11.转动套；12.划眼外壳；13.上旋流转子；13A.下旋流转子；14.划眼引鞋头；15.上径向轴承套；15A.级间径向轴承衬套；121.筋条；141.第三斜孔；21.上接头；22.轴承压帽；23.芯轴；24.上旋流定子；24A.下旋流定子；25.压帽；211.第二中心孔；231.第一中心孔；232.旁通孔；233.第一斜孔；251.第二斜孔；31.推力轴承A；32.推力轴承B；33.上径向轴承；33A.级间径向轴承；33B.下径向轴承；4.套管；41.管体；42.腔体；43.第一转轴；44.凸轮；45.第二转轴；46.转动板；47.限位块；48.第三转轴；49.齿轮；410.线轮；411.连接线；412.滑槽；413.防脱滑块；414.滚轮；415.弹簧；416.卡槽；417.测距传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例
下面将结合附图对本发明做进一步描述。
如图1-3所示，本实施例提供的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，包括：
转动组合、不转动组合和轴承***，所述转动组合通过轴承***转动连接于所述不转动组合外侧，所述转动组合与不转动组合形成多级转动结构。
本发明的工作原理为：本发明提供多级动力***水力驱动旋转套管鞋，使用时，不转动组合一端与套管主体连接，转动组合内设置多级转子，不转动组合内设置多级定子，在下套管遇到阻力时，启动液体流动，液体通过上部套管的中心孔，流入不转动组合内部，流过定子形成旋流，旋流喷射到转子上，带动转子旋转，从而带动转动组合旋转，通过旋转进行划眼作业，然后液体逐一通过多个定子转子组合，带动转子旋转，产生同样的扭矩，使总的扭矩加倍。
本发明的有益效果为：
本发明提供的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，通过液力流过定子旋流片产生的旋流而推动转子旋流筒，进而带动划眼引鞋旋转通过存在缩径等不利于套管通过的井段，实现套管顺利下入到目的深度的目标，设置多级旋流转子和定子组合，增加扭矩，提高了装置的有效性。
如图1、2所示，在一个实施例中，所述转动组合包括：
划眼外壳12、上旋流转子13、下旋流转子13A、转动套11、上径向轴承衬套15、级间径向轴承衬套15A和划眼引鞋头14组成；所述划眼外壳12通过螺纹连接于所述转动套11一端外侧，所述上径向轴承衬套15通过过盈配合和定位销钉中的任意一种连接于所述转动套11内部，所述上旋流转子13、下旋流转子13A和级间径向轴承衬套15A分别通过过盈配合和定位销钉中的任意一种连接于所述划眼外壳12内部，所述级间径向轴承衬套15A布置于所述上旋流转子13和下旋流转子13A之间，所述划眼引鞋头14通过螺纹连接于所述划眼外壳12一端外侧，所述划眼引鞋头14远离所述上径向轴承衬套15布置。
在一个实施例中，所述不转动组合包括：
上接头21、轴承压帽22、芯轴23、上旋流定子24、下旋流定子24A和压帽25，所述上接头21通过螺纹连接于所述芯轴23一端外侧，所述轴承压帽22通过螺纹连接于所述上接头21靠近所述芯轴23的一端外侧，所述上旋流定子24和下旋流定子24A分别通过八方形结构套设于所述芯轴23外侧，所述压帽25通过螺纹连接于所述芯轴23另一端外侧；所述上径向轴承衬套15套设于所述上接头21外侧，所述轴承压帽22和压帽25连接于所述划眼外壳12内部，
在一个实施例中，所述轴承***包括：
推力轴承A31、推力轴承B32、上径向轴承33、级间径向轴承33A和下径向轴承33B，所述推力轴承A31连接于所述上接头21和转动套11之间，并且所述推力轴承A31轴向两端分别与所述轴承衬套15A和上接头21轴肩接触；所述推力轴承B32连接于所述上接头21和划眼外壳12之间，并且所述推力轴承B32轴向两端分别与所述轴承衬套15A和轴承压帽22接触；所述上径向轴承33和下径向轴承33B连接于所述压帽25和划眼外壳12之间，所述下径向轴承33B靠近所述划眼引鞋头14布置；所述级间径向轴承33A连接于芯轴23和级间径向轴承衬套15A之间。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：
多级动力***水力驱动旋转套管鞋安装时，首先，固定上接头21，将推力轴承A31套设于上接头21上，并与上接头21轴肩接触；然后，将径向轴承衬套15和转动套11依次套设到上接头21上；然后将推力轴承B32套设于上接头21上，并将轴承压帽22拧到上接头21上，对推力轴承A31和推力轴承B32进行固定；然后将上旋流定子24套接到芯轴23上，将芯轴23与上接头21内螺纹连接；然后将下旋流定子24A逐一套接到芯轴23上，相邻下旋流定子24A之间安装级间径向轴承33A，拧上压帽25固定下旋流定子24A；然后将上旋流转子13和下旋流转子13A逐一装入划眼外壳12，通过盈配合或定位销钉固定，在上旋流转子13和下旋流转子13A之间，以及相邻下旋流转子13A之间安装级间径向轴承衬套15A，级间径向轴承衬套15A通过盈配合或定位销钉固定连接于眼外壳12内；将上径向轴承33和下径向轴承33B套接在压帽25外侧，将划眼外壳12套设在芯轴23上，并将划眼外壳12与转动套11螺纹连接；最后将划眼引鞋头14螺接在划眼外壳12上，即可完成安装。
通过上述结构设计，不转动组合与套管连接，不转动组合为多级动力***水力驱动旋转套管鞋提供了骨架结构，作为在装置的旋转中心轴，为上旋流定子24和下旋流定子24A提供安装空间，保证安装精度，转动组合是多级动力***水力驱动旋转套管鞋的旋转组件，将上旋流转子13和下旋流转子13A分别与上旋流定子24和下旋流定子24A连接，通过水力驱动进行旋转，将下入时遇到的阻碍物划眼并钻开，避免下入过程中发生卡陷，转动组合与不转动组合发生相对转动，套管主体不发生转动，减少了套管主体受到的扭矩，防止套管在下入过程中过度扭转变形和扭断，能够快速通过有阻碍的井段，实现套管顺利下入。
如图1、2所示，在一个实施例中，所述上旋流转子13配合连接于所述上旋流定子24外侧，所述下旋流转子13A配合连接于所述下旋流定子24A外侧，所述下旋流转子13A和下旋流定子24A的数量至少设置为一个，相邻所述下旋流转子13A通过级间径向轴承衬套15A连接。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：
旋转套管鞋使用时，为了能够有效实现划眼操作，需要具备足够的扭矩，因此将下旋流转子13A和下旋流定子24A的数量至少设置为一个，使旋流转子和定子形成两级或者多级的转动结构，使提供的扭矩增加的倍数与增加的级数相当，从而提供足够的扭转力，使旋转套管鞋有效实现划眼，防止旋转套管鞋扭转力不足空转，顺利穿过阻碍井段，根据井段状态设置级数，提高了旋转套管鞋的实用性，扩展了旋转套管鞋的适用范围。
如图1、2所示，在一个实施例中，所述芯轴23中心均匀开设有若干个第一中心孔231，所述芯轴23侧端均匀开设有若干个旁通孔232和第一斜孔233，所述第一中心孔231和旁通孔232位置与旋流定子位置对应设置，所述第一斜孔233布置于相邻旋流定子之间，所述上接头21中心贯穿开设有第二中心孔211，所述压帽25上贯穿开设有第二斜孔251，所述划眼引鞋头14上贯穿开设有第三斜孔141，所述第一中心孔231与旁通孔232连通设置，所述上旋流定子24对应的第一中心孔231与第二中心孔211连通设置，所述第一斜孔233两端分别与所述划眼外壳12内腔和下一级的第一中心孔231连通设置，所述第二斜孔251两端分别与所述划眼外壳12内腔和所述划眼引鞋头14内腔连通设置，所述第三斜孔141与所述划眼引鞋头14内腔连通设置。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：
在下套管遇到阻力时，启动液体流动，液体通过上部套管的中心孔，经过上接头21的第二中心孔211，流过芯轴23的旁通孔232，然后流过上旋流定子24形成旋流，旋流喷射到上旋流转子13上，带动转子旋转；然后，液体通过芯轴上的多个斜孔50进入下一级的第一中心孔231中，然后再经过旁通孔232，流过下旋流定子24A形成旋流，旋流喷射到下旋流转子13A上，带动转子旋转，产生同样的扭矩，使总的扭矩加倍；最后，液体通过第二斜孔251进入划眼引鞋头14内腔，并通过第三斜孔141流出。上述结构通过水力进行驱动，使液体经过定子后形成旋流，带动转子旋转，从而实现转动组合的旋转，通过旋转进行划眼作业，液体逐一通过多个定子转子组合，保证扭矩的一致性，加倍提高了扭矩，从而提高划眼作业效率，提高装置的可靠性。
如图2所示，在一个实施例中，所述划眼外壳12外表面均匀连接有若干个筋条121，所述筋条121设置为螺旋形筋条和直筋条中的任意一种，所述筋条121表面连接有硬质合金、金刚石和金刚石复合片中的一种或多种组合。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：
在划眼外壳12外表面均匀连接有若干个筋条121，对划眼外壳12刚度进行加强，防止划眼外壳12在下入过程中与阻碍物接触和转动产生大幅变形，从而提高装置的力学性能，将筋条121设置为螺旋形筋条和直筋条中的任意一种，使筋条121延伸方向与下入方向一致，下入时，阻碍物能够从筋条121之间穿过，减少了筋条121对产生的阻力，提高下入的流畅度，同时在筋条121表面连接有硬质合金、金刚石和金刚石复合片中的一种或多种组合，提高了划眼外壳12的硬度止划眼外壳12在下入过程中与阻碍物接触和转动产生损伤，延长划眼外壳12的使用寿命。
如图1所示，在一个实施例中，所述划眼引鞋头14自靠近划眼外壳12的一端到远离所述划眼外壳12的一端，所述划眼引鞋头14的横截面逐渐减小，所述划眼引鞋头14表面连接有硬质合金、金刚石和金刚石复合片中的一种或多种组合。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：
使用过程中，划眼引鞋头14旋转来实现划眼操作，通过由于缩径、坍塌等原因造成的困难井段，所述划眼引鞋头14的横截面逐渐减小，即下入时从下至上形成锥型结构，横截面积小的一端与阻碍物接触，能够更快速地通过，便于下管操作，在划眼引鞋头14表面连接有硬质合金、金刚石和金刚石复合片中的一种或多种组合，提高划眼引鞋头14的硬度，防止划眼引鞋头14与阻碍物接触和旋转过程中发生损伤，延长划眼引鞋头14的使用寿命。
如图3所示，在一个实施例中，所述多级动力***水力驱动旋转套管鞋，还包括：防脱落装置，所述防脱落装置连接于所述上接头21远离所述划眼引鞋头14的一端，所述防脱落装置与套管4连接，所述防脱落装置包括：
管体41，所述管体41固定连接于所述接头21远离所述划眼引鞋头14的一端；
腔体42，所述腔体42开设于所述管体41侧壁内；
第一转轴43，所述第一转轴43转动连接于所述腔体42内壁，并且所述第一转轴43一端与电机连接，所述电机与控制器电连接；
凸轮44，所述凸轮44连接于所述第一转轴43上；
第二转轴45，所述第二转轴45转动连接于所述腔体42内壁，并且所述第二转轴45与第一转轴43平行布置，所述第二转轴45与腔体42内壁连接处连接有第一卷簧；
转动板46，所述转动板46连接于所述第二转轴45上，所述转动板46远离所述凸轮44的一端连接有限位块47；
第三转轴48，所述第三转轴48转动连接于所述腔体42内壁，并且所述第三转轴48与第二转轴45垂直布置，所述第三转轴48与腔体42内壁连接处连接有第二卷簧；
齿轮49，所述齿轮49连接于所述第三转轴48上，所述齿轮49与限位块47卡合连接；
线轮410，所述线轮410连接于所述第三转轴48上，连接线411一端缠绕于所述线轮410上；
滑槽412，所述滑槽412开设于所述管体41侧壁内，所述滑槽412通过连通孔与所述腔体42连通设置；
防脱滑块413，所述防脱滑块413滑动连接于所述滑槽412内壁，所述防脱滑块413顶端与连接线411另一端连接；
滚轮414，所述滚轮414通过支架转动连接于所述滑槽412内壁顶端，所述连接线411缠绕并通过所述滚轮414；
弹簧415，所述弹簧415抵触连接于所述滑槽412内壁顶端和防脱滑块413顶端之间；
卡槽416，所述卡槽416开设于所述套管4侧端，所述卡槽416与防脱滑块413适应设置；
测距传感器417，所述测距传感器417连接于所述管体41侧壁，所述测距传感器417与控制器电连接。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：
套管鞋使用时，通过上接头21与套管4连接，使用过程中，由于旋转和摩擦阻力，套管4下入过程中，与上接头21会发生松动甚至脱落，因此，在上接头21一端设置防脱落装置，使用时，通过测距传感器417测量套管4与测距传感器417所在位置的距离，当套管4发生移动，有脱落趋势时，启动电机，电机驱动第一转轴43带动凸轮44转动，使凸轮44与转动板46接触，推动转动板46逆时针转动，使转动板46另一端的限位块47与齿轮49脱离卡合，第三转轴48在第二卷簧的作用下快速转动复位，带动线轮410转动，将连接线411放松，防脱滑块413在弹簧415的作用下，快速向内部滑动，并与套管4侧端的卡槽416卡合，防止套管4与上接头21完全脱落。
通过上述结构设计，在上接头21与套管4连接端设置防脱落装置，实时监控上接头21与套管4的连接状态，当有脱落趋势时，启动防脱落装置，通过防脱滑块413对套管4进行锁定，防止在扭矩和摩擦力的作用下，导致套管鞋脱落，避免套管鞋脱落卡陷不易取出，进一步提高套管鞋的可靠性，同时通过连接线411带动防脱滑块413，避免驱动件直接驱动时剪切力过大折断，通过扭簧快速实现转动，加快装置动作。
在一个实施例中，所述多级动力***水力驱动旋转套管鞋，还包括：
寿命提示装置，所述寿命提示装置包括与控制器电连接的第一应变传感器、第二应变传感器、计数器和警报器，
所述第一应变传感器连接于所述芯轴23与上接头21连接处，用于检测所述芯轴23的法向剪应变；
所述第二应变传感器连接于所述芯轴23与上接头21连接处，用于检测所述芯轴23的法向应变；
所述计数器连接于所述划眼外壳12上，用于检测所述划眼外壳12的转动次数；
所述警报器连接于套管4顶部，用于对所述芯轴23的寿命情况进行报警；
控制器按照预设算法计算所述芯轴23的疲劳寿命，对比所述计数器检测得到的转动次数确定是否启动警报器，通过所述警报器提示操作人员所述芯轴23寿命达到上限，所述预设算法的具体步骤如下：
步骤A1，所述控制器对以下关系式进行求解，得到所述芯轴23的疲劳寿命：
其中，Nf为求解得到的所述芯轴23的疲劳寿命，γ1为所述芯轴23的最大法向剪应变，γ2为所述芯轴23的最小法向剪应变，γ1和γ2由所述第一应变传感器检测获得，εn为所述芯轴23的法向应变，由所述第二应变传感器检测获得，σf为所述芯轴23螺纹材料的疲劳强度系数，εf为所述芯轴23螺纹材料的疲劳延性系数，E为所述芯轴23的材料弹性模量，b为所述芯轴23螺纹材料的疲劳强度指数，c为所述芯轴23螺纹材料的疲劳延性指数；
步骤A2，根据步骤A1中得到的所述芯轴23的疲劳寿命，当所述计数器检测获得的所述划眼外壳12的转动次数N大于所述芯轴23的疲劳寿命Nf时，即所述芯轴23达到使用寿命，此时所述控制器启动警报器报警，提示操作人员对所述芯轴23进行检修和更换，当所述计数器检测获得的所述划眼外壳12的转动次数N小于所述芯轴23的疲劳寿命Nf时，即所述芯轴23未达到使用寿命，此时不需要启动警报器。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：
套管鞋使用一段时间后，由于芯轴23达到寿命极限，继续使用会导致疲劳断裂失效，通过上述计算方法，基于芯轴23的法向剪应变的应变幅，和芯轴23的法向应变，对芯轴23的疲劳寿命进行计算，通过将计数器检测得到的转动次数与计算得到的疲劳寿命进行对比，当达到疲劳寿命时进行报警，提醒操作人员对所述芯轴23进行检修和更换，基于不同井段的使用情况，为芯轴23的疲劳寿命提供理论依据，提高计算精确度，有效实现对芯轴23使用的实时监控，保证套管鞋使用过程中的可靠性，使芯轴23始终处于安全工作状态，保障套管下入操作的安全进行，提高了套管鞋的自动化程度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，包括：
转动组合、不转动组合和轴承***，所述转动组合通过轴承***转动连接于所述不转动组合外侧，所述转动组合与不转动组合形成多级转动结构。
2.根据权利要求1所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，所述转动组合包括：划眼外壳(12)、上旋流转子(13)、下旋流转子(13A)、转动套(11)、上径向轴承衬套(15)、级间径向轴承衬套(15A)和划眼引鞋头(14)组成；所述划眼外壳(12)通过螺纹连接于所述转动套(11)一端外侧，所述上径向轴承衬套(15)通过过盈配合和定位销钉中的任意一种连接于所述转动套(11)内部，所述上旋流转子(13)、下旋流转子(13A)和级间径向轴承衬套(15A)分别通过过盈配合和定位销钉中的任意一种连接于所述划眼外壳(12)内部，所述级间径向轴承衬套(15A)布置于所述上旋流转子(13)和下旋流转子(13A)之间，所述划眼引鞋头(14)通过螺纹连接于所述划眼外壳(12)一端外侧，所述划眼引鞋头(14)远离所述上径向轴承衬套(15)布置。
3.根据权利要求2所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，所述不转动组合包括：上接头(21)、轴承压帽(22)、芯轴(23)、上旋流定子(24)、下旋流定子(24A)和压帽(25)，所述上接头(21)通过螺纹连接于所述芯轴(23)一端外侧，所述轴承压帽(22)通过螺纹连接于所述上接头(21)靠近所述芯轴(23)的一端外侧，所述上旋流定子(24)和下旋流定子(24A)分别通过八方形结构套设于所述芯轴(23)外侧，所述压帽(25)通过螺纹连接于所述芯轴(23)另一端外侧；所述上径向轴承衬套(15)套设于所述上接头(21)外侧，所述轴承压帽(22)和压帽(25)连接于所述划眼外壳(12)内部。
4.根据权利要求3所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，所述上旋流转子(13)配合连接于所述上旋流定子(24)外侧，所述下旋流转子(13A)配合连接于所述下旋流定子(24A)外侧，所述下旋流转子(13A)和下旋流定子(24A)的数量至少设置为一个，相邻所述下旋流转子(13A)通过级间径向轴承衬套(15A)连接。
5.根据权利要求3所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，所述芯轴(23)中心均匀开设有若干个第一中心孔(231)，所述芯轴(23)侧端均匀开设有若干个旁通孔(232)和第一斜孔(233)，所述第一中心孔(231)和旁通孔(232)位置与旋流定子位置对应设置，所述第一斜孔(233)布置于相邻旋流定子之间，所述上接头(21)中心贯穿开设有第二中心孔(211)，所述压帽(25)上贯穿开设有第二斜孔(251)，所述划眼引鞋头(14)上贯穿开设有第三斜孔(141)，所述第一中心孔(231)与旁通孔(232)连通设置，所述上旋流定子(24)对应的第一中心孔(231)与第二中心孔(211)连通设置，所述第一斜孔(233)两端分别与所述划眼外壳(12)内腔和下一级的第一中心孔(231)连通设置，所述第二斜孔(251)两端分别与所述划眼外壳(12)内腔和所述划眼引鞋头(14)内腔连通设置，所述第三斜孔(141)与所述划眼引鞋头(14)内腔连通设置。
6.根据权利要求3所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，所述轴承***包括：推力轴承A(31)、推力轴承B(32)、上径向轴承(33)、级间径向轴承(33A)和下径向轴承(33B)，所述推力轴承A(31)连接于所述上接头(21)和转动套(11)之间，并且所述推力轴承A(31)轴向两端分别与所述轴承衬套(15A)和上接头(21)轴肩接触；所述推力轴承B(32)连接于所述上接头(21)和划眼外壳(12)之间，并且所述推力轴承B(32)轴向两端分别与所述轴承衬套(15A)和轴承压帽(22)接触；所述上径向轴承(33)和下径向轴承(33B)连接于所述压帽(25)和划眼外壳(12)之间，所述下径向轴承(33B)靠近所述划眼引鞋头(14)布置；所述级间径向轴承(33A)连接于芯轴(23)和级间径向轴承衬套(15A)之间。
7.根据权利要求2所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，所述划眼外壳(12)外表面均匀连接有若干个筋条(121)，所述筋条(121)设置为螺旋形筋条和直筋条中的任意一种，所述筋条(121)表面连接有硬质合金、金刚石和金刚石复合片中的一种或多种组合。
8.根据权利要求2所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，所述划眼引鞋头(14)自靠近划眼外壳(12)的一端到远离所述划眼外壳(12)的一端，所述划眼引鞋头(14)的横截面逐渐减小，所述划眼引鞋头(14)表面连接有硬质合金、金刚石和金刚石复合片中的一种或多种组合。
9.根据权利要求3所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，还包括：防脱落装置，所述防脱落装置连接于所述上接头(21)远离所述划眼引鞋头(14)的一端，所述防脱落装置与套管(4)连接，所述防脱落装置包括：
管体(41)，所述管体(41)固定连接于所述接头(21)远离所述划眼引鞋头(14)的一端；
腔体(42)，所述腔体(42)开设于所述管体(41)侧壁内；
第一转轴(43)，所述第一转轴(43)转动连接于所述腔体(42)内壁，并且所述第一转轴(43)一端与电机连接，所述电机与控制器电连接；
凸轮(44)，所述凸轮(44)连接于所述第一转轴(43)上；
第二转轴(45)，所述第二转轴(45)转动连接于所述腔体(42)内壁，并且所述第二转轴(45)与第一转轴(43)平行布置，所述第二转轴(45)与腔体(42)内壁连接处连接有第一卷簧；
转动板(46)，所述转动板(46)连接于所述第二转轴(45)上，所述转动板(46)远离所述凸轮(44)的一端连接有限位块(47)；
第三转轴(48)，所述第三转轴(48)转动连接于所述腔体(42)内壁，并且所述第三转轴(48)与第二转轴(45)垂直布置，所述第三转轴(48)与腔体(42)内壁连接处连接有第二卷簧；
齿轮(49)，所述齿轮(49)连接于所述第三转轴(48)上，所述齿轮(49)与限位块(47)卡合连接；
线轮(410)，所述线轮(410)连接于所述第三转轴(48)上，连接线(411)一端缠绕于所述线轮(410)上；
滑槽(412)，所述滑槽(412)开设于所述管体(41)侧壁内，所述滑槽(412)通过连通孔与所述腔体(42)连通设置；
防脱滑块(413)，所述防脱滑块(413)滑动连接于所述滑槽(412)内壁，所述防脱滑块(413)顶端与连接线(411)另一端连接；
滚轮(414)，所述滚轮(414)通过支架转动连接于所述滑槽(412)内壁顶端，所述连接线(411)缠绕并通过所述滚轮(414)；
弹簧(415)，所述弹簧(415)抵触连接于所述滑槽(412)内壁顶端和防脱滑块(413)顶端之间；
卡槽(416)，所述卡槽(416)开设于所述套管(4)侧端，所述卡槽(416)与防脱滑块(413)适应设置；
测距传感器(417)，所述测距传感器(417)连接于所述管体(41)侧壁，所述测距传感器(417)与控制器电连接。
10.根据权利要求3所述的多级动力***水力驱动旋转套管鞋，其特征在于，还包括：
寿命提示装置，所述寿命提示装置包括与控制器电连接的第一应变传感器、第二应变传感器、计数器和警报器，
所述第一应变传感器连接于所述芯轴(23)与上接头(21)连接处，用于检测所述芯轴(23)的法向剪应变；
所述第二应变传感器连接于所述芯轴(23)与上接头(21)连接处，用于检测所述芯轴(23)的法向应变；
所述计数器连接于所述划眼外壳(12)上，用于检测所述划眼外壳(12)的转动次数；
所述警报器连接于套管(4)顶部，用于对所述芯轴(23)的寿命情况进行报警；
控制器按照预设算法计算所述芯轴(23)的疲劳寿命，对比所述计数器检测得到的转动次数确定是否启动警报器，通过所述警报器提示操作人员所述芯轴(23)寿命达到上限，所述预设算法的具体步骤如下：
步骤A1，所述控制器对以下关系式进行求解，得到所述芯轴(23)的疲劳寿命：
其中，Nf为求解得到的所述芯轴(23)的疲劳寿命，γ1为所述芯轴(23)的最大法向剪应变，γ2为所述芯轴(23)的最小法向剪应变，γ1和γ2由所述第一应变传感器检测获得，εn为所述芯轴(23)的法向应变，由所述第二应变传感器检测获得，σf为所述芯轴(23)螺纹材料的疲劳强度系数，εf为所述芯轴(23)螺纹材料的疲劳延性系数，E为所述芯轴(23)的材料弹性模量，b为所述芯轴(23)螺纹材料的疲劳强度指数，c为所述芯轴(23)螺纹材料的疲劳延性指数；
步骤A2，根据步骤A1中得到的所述芯轴(23)的疲劳寿命，当所述计数器检测获得的所述划眼外壳(12)的转动次数N大于所述芯轴(23)的疲劳寿命Nf时，即所述芯轴(23)达到使用寿命，此时所述控制器启动警报器报警，提示操作人员对所述芯轴(23)进行检修和更换，当所述计数器检测获得的所述划眼外壳(12)的转动次数N小于所述芯轴(23)的疲劳寿命Nf时，即所述芯轴(23)未达到使用寿命，此时不需要启动警报器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: Multistage power system hydraulic drive rotary casing shoes Effective date of registration: 20230421 Granted publication date: 20211231 Pledgee: Haidian Beijing science and technology enterprise financing Company limited by guarantee Pledgor: BEIJING BAIWEN HENGXIN ENERGY SERVICE Co.,Ltd. Registration number: Y2023110000168 |