分体式叶片液力磁传动井眼清洁工具.pdf

本发明涉及的是分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具，这种分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具由流筒壳体、旋转磁芯、上保径体、旋转叶片构成，流筒壳体外壁靠近外螺纹处设置有下保径体，流筒壳体外壁还设置有限位环，上保径体安装在限位环一侧；旋转磁芯由转筒与转轴一体形成，转筒与转轴的过渡连接段有钻井液孔，转轴外固定液力转换装置，转筒的外壁均布有永磁铁，相邻两根永磁铁磁极方向反向；旋转磁芯安装在流筒壳体内，旋转叶片筒体内壁均布有永磁铁，相邻两根永磁铁磁极方向反向；液力转换装置为双层筒状体，两层筒之间设置有轴向的压差叶片；旋转叶片为分体可拆卸的。本发明通过液力-磁耦合传动，不受钻杆是否旋转限制，在钻井液循环的情况下，实现液力-磁耦合传动，提高井眼清洁效率。

1.  一种分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具，其特征在于：这种分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具由流筒壳体（1）、旋转磁芯（2）、上保径体（3）、旋转叶片（4）构成，流筒壳体入口端（5）有内螺纹，出口端（6）有外螺纹，流筒壳体（1）外壁靠近外螺纹处设置有下保径体（7），流筒壳体（1）外壁还设置有限位环（8），上保径体（3）安装在限位环（8）一侧；
旋转磁芯（2）由转筒（9）与转轴（10）一体形成，转筒（9）与转轴（10）的过渡连接段有钻井液孔（16），转轴（10）外固定液力转换装置（11），转筒（9）的外壁均布有永磁铁（13），每根永磁铁（13）沿筒体轴向设置，永磁铁（13）磁极方向沿径向设置，相邻两根永磁铁（13）磁极方向反向；旋转磁芯（2）安装在流筒壳体（1）内，转筒（9）与流筒壳体（1）出口相通，旋转叶片（4）套装在流筒壳体（1）外，旋转叶片（4）位于上保径体（3）与下保径体（7）之间，旋转叶片（4）与转筒（9）对应设置；
旋转叶片（4）为具有叶片的筒状体，筒体内壁均布有永磁铁（13），每根永磁铁（13）沿筒体轴向设置，永磁铁（13）磁极方向沿径向设置，相邻两根永磁铁（13）磁极方向反向；
上保径体（3）和下保径体（7）均为外部带有保径叶片（14）的环状体，上保径体（3）的保径叶片（14）外径与下保径体（7）的保径叶片（14）外径相同，且二者的保径叶片（14）略大于旋转叶片（4）的外径；
液力转换装置（11）为双层筒状体，两层筒之间设置有轴向的压差叶片（15），将两层筒之间的环形空间分隔出若干通道；
旋转叶片（4）为分体可拆卸的，由两个半体对扣在一起，插入连接栓（18）连接，再使用锁定销（19）对连接栓（18）锁定形成。

2.  根据权利要求1所述的分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具，其特征在于：所述的旋转磁芯（2）和旋转叶片（4）中永磁铁（13）镶嵌数量均为2～20个，旋转磁芯（2）和旋转叶片（4）在满足强度的情况下永磁铁（13）镶嵌数量优先取上限。

3.  根据权利要求2所述的分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具，其特征在于：所述的旋转磁芯（2）的转筒外壁具有轴向的镶嵌槽（12），镶嵌槽（12）均布在转筒（9）外壁上，永磁铁（13）镶嵌在镶嵌槽（12）；旋转叶片（4）的筒体内壁具有轴向的镶嵌槽（12），镶嵌槽（12）均匀布置，永磁铁（13）镶嵌在镶嵌槽（12）。

4.  根据权利要求3所述的分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具，其特征在于：所述的液力转换装置（11）的内筒有键，旋转磁芯（2）的转轴有键槽（17），液力转换装置（11）通过键固定在转轴（10）上。

5.  根据权利要求4所述的分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具，其特征在于：所述的流筒壳体（1）由坯料整体机械加工，没有任何通孔，保证高压钻井液在内部流动时不刺漏壳体，造成工具断裂。

6.  根据权利要求5所述的分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具，其特征在于：所述的流筒外壳与上保径体（3）通过键连接，限位环（8）内安装常用的机械式卡环，用于锁定键和上保径体（3），当键和上保径体（3）在流筒壳体（1）上安装到位后，限位环（8）内的卡环使键和上保径体（3）在流筒壳体（1）上保持锁定状态。

7.  根据权利要求6所述的分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具，其特征在于：所述的旋转叶片（4）上的叶片沿轴向加工为螺旋形或V形。

分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具
技术领域
本发明涉及石油天然气井钻井过程中，为了有效抑制岩屑床形成，提高井眼清洁效率所使用的井眼清洁工具，具体涉及分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具。
背景技术
目前海洋石油天然气、页岩气开采常采用大斜度井、水平井、大位移井等井型来提高井眼泄油面积，最大限度地提高单井产量。这些井型由于存在造斜段（井斜角由0°增加到90°的弯曲井段）和水平井段，岩屑在重力分量的作用下不容易被钻井液及时携带出井眼，出现岩屑堆积的现象，形成岩屑床，现场经验与室内理论实验均表明岩屑床易于在大斜度井段（一般指45~90°之间的造斜段）和水平井段（井斜角90°）之间形成。如果井内沉积岩屑床厚度过高，将会导致一系列严重的井下问题，如钻具摩擦阻力、扭矩增大，甚至发生严重的井下事故如卡钻、扭断钻具等，处理这些井下事故将大幅度降低机械钻速，大幅度增加非生产时间和作业成本。这就要求在这类井型的钻井过程中，保持较高的井眼岩屑清洁效率，在岩屑床易于形成的井段采用必要的方法，防止岩屑床的形成，保证钻具与井眼安全。
针对目前大斜度和水平段存在岩屑清洁困难的问题，钻井现场普遍采用以下五种方法清洁井眼岩屑，包括：提高钻井液返速、改善钻井液流变性能、短起下钻具、提高钻杆转速、和使用钻杆传递扭矩的井眼清洁工具。
1、提高钻井液返速
井眼环空中钻井液平均上返速度越高，越有利于清除岩屑。但高返速对钻井设备的要求高，相应的动力成本也很高。同时对于某些松软地层，高返速可能造成严重的井壁坍塌事故。因此，受设备和地层的限制，提高返速并不能完全解决井眼清洁问题。
2、改善钻井液流变性能
该方法通过降低泥浆的流性指数,提高动塑比，改善钻井液携岩性能，增强其悬浮携带能力。该方法的缺点是改善钻井液性能需要额外添加钻井液外加剂，增加成本，同时较高的动塑比也会给泵等地表设备带来较大的负担，增大功耗。该方法单独应用往往起到的效果有限，须配合其它方法。
3、短起下钻具
在现有条件下，除采用提高泥浆返速及改善泥浆性能来提高其携岩能力外,实际钻井中还需配合短程起下钻、分段循环和倒划眼等措施，以破坏、清除岩屑床。因此，对于岩屑床沉积不严重井段，可采用短程起下钻的办法。对岩屑床易于形成的井型和井段，在短程起下钻过程中，造斜点以下钻具沿下井壁运动,可破坏岩屑床。对岩屑床比较严重，采用短程起下钻效果不明显的井，可采用倒划眼的办法破坏岩屑床。采用短起下清除法虽能起到清屑效果，却要在起下钻上花费很多时间，严重影响了钻井的效率。
4、提高钻杆转速
钻进过程中提高钻杆转速可以提高钻杆表面附近的钻井液周向速度，使岩屑更好的悬浮至井眼高边，一定程度上提高岩屑的清洁效率。但在打岩屑清洁困难的造斜段（井斜角0-90°）时，国内外普遍采用井下动力钻具（螺杆钻具和涡轮钻具）滑动钻进造斜，为保持井眼方位角不变，钻杆和包括井下动力钻具的壳体不旋转，此时只有钻头旋转破岩。但由于钻杆整体不旋转，不能采用提高钻杆速度的方法清除岩屑床。
5、使用钻杆传递扭矩的井眼清洁工具
抑制大斜度井段和水平井段岩屑床形成的另一种方法是使用带有叶片的岩屑清洁工具，该工具与钻杆通过丝扣连接，钻杆旋转的同时将扭矩传递给井眼清洁工具，岩屑清洁工具随钻杆旋转而抑制岩屑床，但缺点是工具旋转动力来自于钻杆，当打造斜段应用井下动力钻具（涡轮钻具，螺杆钻具）进行滑动钻进时，由于钻杆不旋转，该类型工具也无法实现旋转，基本没有抑制岩屑床形成的作用。
发明内容
本发明的目的是提供分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具，这种分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具用于解决目前大斜度井、水平井、大位移井等井型滑动钻进时井眼岩屑清洁效果不好，不能有效地抑制岩屑床形成的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具由流筒壳体、旋转磁芯、上保径体、旋转叶片构成，流筒壳体入口端有内螺纹，出口端有外螺纹，流筒壳体外壁靠近外螺纹处设置有下保径体，流筒壳体外壁还设置有限位环，上保径体安装在限位环一侧；
旋转磁芯由转筒与转轴一体形成，转筒与转轴的过渡连接段有钻井液孔，转轴外固定液力转换装置，转筒的外壁均布有永磁铁，每根永磁铁沿筒体轴向设置，永磁铁磁极方向沿径向设置，相邻两根永磁铁磁极方向反向；旋转磁芯安装在流筒壳体内，转筒与流筒壳体出口相通，旋转叶片套装在流筒壳体外，旋转叶片位于上保径体与下保径体之间，旋转叶片与转筒对应设置；
旋转叶片为具有叶片的筒状体，筒体内壁均布有永磁铁，每根永磁铁沿筒体轴向设置，永磁铁磁极方向沿径向设置，相邻两根永磁铁磁极方向反向；
上保径体和下保径体均为外部带有保径叶片的环状体，上保径体的保径叶片外径与下保径体的保径叶片外径相同，且二者的保径叶片略大于旋转叶片的外径；
液力转换装置为双层筒状体，两层筒之间设置有轴向的压差叶片，将两层筒之间的环形空间分隔出若干通道；
旋转叶片为分体可拆卸的，由两个半体对扣在一起，插入连接栓连接，再使用锁定销对连接栓锁定形成。
上述方案中旋转磁芯和旋转叶片中永磁铁镶嵌数量均为2～20个，旋转磁芯和旋转叶片在满足强度的情况下永磁铁镶嵌数量优先取上限，这样每相邻两永磁铁形成的周期性变化磁场沿周向分布较密集，与液力旋转磁芯的永磁铁作用产生推拉力时，力的大小变化相对较小，旋转时受力更加均匀。
上述方案中旋转磁芯的转筒外壁具有轴向的镶嵌槽，镶嵌槽均布在转筒外壁上，永磁铁镶嵌在镶嵌槽；旋转叶片的筒体内壁具有轴向的镶嵌槽，镶嵌槽均匀布置，永磁铁镶嵌在镶嵌槽。
上述方案中液力转换装置的内筒有键，旋转磁芯的转轴有键槽，液力转换装置通过键固定在转轴上。
上述方案中流筒壳体由坯料整体机械加工，没有任何通孔，可以保证高压钻井液在内部流动时不刺漏壳体，造成工具断裂。
上述方案中流筒外壳与上保径体通过键连接，限位环内安装常用的机械式卡环，用于锁定键和上保径体，当键和上保径体在流筒壳体上安装到位后，限位环内的卡环使键和上保径体在流筒壳体上保持锁定状态，不能沿流筒壳体轴向移动。
上述方案中旋转叶片上的叶片沿轴向加工为螺旋形或V形。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过液力-磁耦合传动，不受钻杆是否旋转限制，可在使用井下动力钻具滑动钻进时使用，在钻井液循环的情况下，旋转磁芯将钻井液的压力势能转换为自身旋转的动能，通过永磁铁透过流筒壳体传递磁力和扭矩，带动流筒壳体外侧旋转叶片旋转，从而实现液力-磁耦合传动。旋转叶片在液力-磁耦合传动旋转的情况下，可以大幅度提高井眼环空钻井液的周向速度，抑制岩屑床的形成，提高井眼清洁效率。
2、本发明中的旋转叶片为分体式的，能更好的适用于叶片磨损严重、频繁更换叶片的井下工况，需要拆卸更换旋转叶片时，分别解锁锁定销和连接栓即可拆卸旋转叶片的两个半体分离开，从而拆卸开下旋转叶片，不需要卸开流筒壳体内螺纹，更换旋转叶片所需时间短，提高钻井效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的右视图；
图3是本发明中旋转磁芯轴测图；
图4是本发明中旋转磁芯与旋转叶片磁极布置示意图；
图5是本发明中旋转磁芯旋转后旋转叶片内永磁铁受力方向示意图；
图6是本发明中流筒壳体轴测图；
图7是本发明中流筒壳体左视图；
图8是图7中流筒壳体A-A剖视图；
图9是本发明中上保径体轴测图；
图10是本发明中旋转叶片轴测图。
图中：1流筒壳体，2旋转磁芯，3上保径体，4旋转叶片，5入口端，6出口端， 7下保径体，8限位环，9转筒，10转轴，11液力转换装置，12镶嵌槽， 13永磁铁，14保径叶片，15压差叶片，16钻井液孔，17键槽，18连接栓，19锁定销。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明：
结合图1、图2所示，这种分体式叶片液力-磁传动井眼清洁工具由流筒壳体1、旋转磁芯2、上保径体3、旋转叶片4构成，旋转磁芯2安装在流筒壳体1内，转筒9与流筒壳体1出口相通，旋转叶片4套装在流筒壳体1外，旋转叶片4位于上保径体3与下保径体7之间，旋转叶片4与转筒9对应设置。
结合图6、图7、图8所示，流筒壳体入口端5有内螺纹(母接头)，出口端6有外螺纹（公接头），流筒壳体1外壁靠近外螺纹处设置有下保径体7，流筒壳体1外壁还设置有限位环8，上保径体3安装在限位环8一侧。流筒壳体1由坯料整体机械加工，没有任何通孔，可以保证高压钻井液在内部流动时不刺漏壳体，造成工具断裂。流筒外壳1与上保径体3通过键连接，限位环8内安装常用的机械式卡环，用于锁定键和上保径体3，当键和上保径体3在流筒壳体1上安装到位后，限位环8内的卡环使键和上保径体3在流筒壳体1上保持锁定状态，不能沿流筒壳体1轴向移动。流筒壳体1由无磁合金材料加工，其主要功能是连接其他钻具，为钻井液提供密闭流动通道。
参阅图3，旋转磁芯2由转筒9与转轴10一体形成，转筒9与转轴10的过渡连接段有钻井液孔16，转轴10外固定液力转换装置11，旋转磁芯2的转筒9外壁具有轴向的镶嵌槽12，镶嵌槽12均布在转筒9外壁上，永磁铁13镶嵌在镶嵌槽12；永磁铁13镶嵌数量为2～20个，旋转磁芯2的转筒9在满足强度的情况下永磁铁13镶嵌数量优先取上限，这样每相邻两永磁铁13形成的周期性变化磁场沿周向分布较密集，使外侧旋转叶片4受到的周向力变化相对较小，旋转时受力更加均匀。参阅图4，每根永磁铁13沿筒体轴向设置，永磁铁13磁极方向沿径向设置，相邻两根永磁铁13磁极方向反向。
旋转磁芯2的主要功能是在钻井液循环的情况下，将钻井液的压力势能转换为磁芯的旋转动能，旋转磁芯2旋转的同时，磁芯内的镶嵌的永磁铁13形成周期性变化的磁场。旋转磁芯2本体为无磁性合金材料，选用这种材料的优点是即能保证所需的强度，同时不影响永磁铁13磁场分布。
参阅图10，旋转叶片4为具有叶片的筒状体，旋转叶片4上的叶片沿轴向加工为螺旋形或V形，可根据井下工况、水力条件、钻井液含砂量等变化而选择不同切面和剖面形状；旋转叶片4的筒体内壁具有轴向的镶嵌槽12，镶嵌槽12均匀布置，永磁铁13镶嵌在镶嵌槽12。旋转叶片4中永磁铁13镶嵌数量均为2～20个，旋转磁芯2和旋转叶片4在满足强度的情况下永磁铁13镶嵌数量优先取上限，这样每相邻两永磁铁13形成的周期性变化磁场沿周向分布较密集，与液力旋转磁芯2的永磁铁13作用产生推拉力时，力的大小变化相对较小，旋转时受力更加均匀。参阅图4，每根永磁铁13沿筒体轴向设置，永磁铁13磁极方向沿径向设置，相邻两根永磁铁13磁极方向反向。
旋转叶片4内永磁铁13镶嵌数量与旋转磁芯2内永磁铁13镶嵌数量可以不同。
旋转叶片4为分体可拆卸的，由两个半体对扣在一起，插入连接栓18连接，再使用锁定销19对连接栓18锁定形成。旋转叶片4的两个半体由高强度无磁合金坯料机械加工而成。实际组装时，旋转叶片4的两个半体在流筒壳体1上对扣到位后，插入连接栓18连接，再使用锁定销19对连接栓18锁定。需要拆卸更换旋转叶片4时，分别解锁锁定销19和连接栓18即可拆卸两个半体，不需要卸开流筒壳体1。
参阅图5，当旋转磁芯2旋转时，与旋转叶片4的永磁铁13磁场形成周期性的推力（斥力，记为F₁）和拉力（吸力，记为F₂），推力和拉力作用方向如图3所示，推力和拉力的合力（记为F）一定存在沿圆周切向的分量，该合力沿圆周的切向分量可以驱动旋转叶片4周向旋转。
参阅图9，上保径体3和下保径体7均为外部带有保径叶片14的环状体，上保径体3的保径叶片14外径与下保径体7的保径叶片14外径相同，且二者的保径叶片14略大于旋转叶片4的外径。上保径体3为无磁合金坯料整体加工，内部有用于安装固定的键槽17，作用是有助于改善分体式永磁旋转叶片4在下井工作时频繁刮井壁，造成磨损或断裂等问题。
液力转换装置11为双层筒状体，两层筒之间设置有轴向的压差叶片15，将两层筒之间的环形空间分隔出若干通道；液力转换装置11的内筒有键，旋转磁芯2的转轴有键槽17，液力转换装置11通过键固定在转轴10上。液力转换装置11是将钻井液压力势能转换为旋转磁芯2旋转动能的功能部件，根据钻井液的排量大小，含砂量等因素来选择液力转换装置11，这种液力转换装置11工作的原理是内部加工有能够产生压差的叶片，钻井液流过叶片时，在叶片表面产生压力差，推动叶片周向旋转，从而带动液力旋转磁芯2总成旋转，实现钻井液的压势能转换为磁芯旋转的动能。