专利名称：增速型套管弹性旋流扶正器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种增速型套管弹性旋流扶正器，是一种依据固体壁面在套管柱上组合成渐缩形流道对流体流动的限制、导向与增速作用，在标准套管弹性扶正器中对称地加入6组特制的导流体，实现水泥浆在环空中以螺旋流流动方式顶替钻井液，提高固井顶替效率的特殊装置。
石油固井技术研究和现场施工经验表明，注水泥过程中，保证套管居中及使环空中水泥浆以螺旋流方式顶替钻井液，是提高固井顶替效率、固井质量的有效途径之一。参见张景富编著《钻井流体力学》，石油工业出版社，1994年。为此，笔者于1994年成功地完成了《套管弹性旋流扶正器》产品的专利设计工作。参见ZL942 03840.1。并投入生产和油田施工应用，取得了良好的施工效果。参见张景富等“套管弹性旋流扶正器的旋流规律及应用”，《石油学报》1997年第一期。
然而，由ZL 94 2 03840.1所提供的装置，由于导流片设计过于简单，只能为液流提供等径流道，从而使其所产生的旋流能力受到一定程度的限制。为此，笔者以改善和提高装置出口处流速为着眼点，以ZL 94 2 03840.1为基础，研制了一种能够提高装置旋流能力的新型装置。
本实用新型的目的是提供一种增速型套管弹性旋流扶正器，它是一种既能改善套管偏离井眼轴线程度又能够产生较强环空旋流的装置。
本实用新型的目的是通过以下过程实现的首先用5片特定形状的2mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板焊接成如
图1所示的导流体，导流体的形状为楔形五面体，导流体参与形成流道的两个侧面分别垂直于套管柱面，可分别称为内侧面和外侧面。在圆柱坐标系下的该两侧面的迹线方程对于内侧面为一空间螺旋线，而对于外侧面则为由下部弧线与上部螺旋线相切连接构成的空间曲线。由此，内侧面为空间螺旋面，而外侧面则为由空间弧面与空间螺旋面平滑连接的空间曲面；导流体与套管柱面相接触的面为与套管外径相同的圆柱面，可称为内柱面，而相对应的另一面也是圆柱面，可称为外柱面，内、外柱面相互平行，两面距离为内、外柱面半径之差；导流体顶面为一扇形圆环平面，与内、外圆柱面的中心轴线相垂直，其与套管柱相接触的边界及对侧边界分别为与内、外柱面半径相吻合的内、外圆弧，该平面的另外两个边为分别与内侧面和外侧面边界相吻合且垂直于内、外柱面的直线，显然，二者与圆柱中心轴线的垂直交点即为该面上内、外圆弧的圆心。控制整个导流体制做的特征尺寸参数有①导流体长度，以楔形五面体沿套管垂直轴线的纵向投影高度表征，用符号Lb表示。②旋流角，参与形成流道的内、外侧面的螺旋迹线与柱面中心垂直轴线的夹角定义为旋流角，以符号β表示。③导流体高度，导流体内、外柱面间的距离定义为导流体高度，为内、外柱面半径之差，以符号h表示。④导流体宽度，可用导流体顶面平面中的内、外圆弧的长度来定义。因为为了保证参与形成流道的内、外侧面与套管圆柱面相互垂直，加之导流体的内、外柱面的半径不同，因此反映在顶平面上的内、外圆弧长度是不同的，所以同时用内、外圆弧弧长来表征，可分别以符号S1、S2表示。当导流体的长度、旋流角及导流体高度确定后可通过公式计算出该两弧长度S1、S2，因此，通常可只用导流体长度、旋流角、导流体高度三个参数作为导流体的特征参数。若以Ri表示套管外半径，以Rt表示导流体外柱面半径，则上述各参数可按如下方式设计导流体长度Lb=1.05Ricosβ+Δ(Δ可取5～15mm)，导流体高度h=Rt-Ri=标准弹性扶正器闭合最大内径-Δh(Δh可取5～10mm)，旋流角在35°～60°之间取值。
按以上技术方案作出6组导流体部件，然后将焊接好的导流体整体焊接在固定筋上(如图2)，制成6组焊接组装件。固定筋采用3～4mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板加工成，其形状如图2所示为喇叭形平板，筋板最窄部宽度6～10mm，最宽部宽度12～20mm，由中间部位即L/2处起采用斜直线使板宽逐渐增加，喇叭口宽端面形状能保持与焊接部位的
图1导流体外侧面吻合接触。斜直线与原直边过渡点磨圆以防产生应力集中。在进行固定筋宽端面与导流体外侧面接触部位的形状设计以及固定筋与导流体焊接时，均应充分考虑固定筋板面与导流体的方向和位置的相互对应关系。固定筋板平面的焊接方向和位置为选取固定筋板面中线与按导流体长度在外侧面上所获得的水平中分线即Lb/2处对准，并以该中分线与小半径内圆柱面交点对应的圆柱半径方向为固定筋板面法线方向，再以固定筋板面中心线沿法线方向距内柱面距离约2～5mm进行定位；此方向和位置处固定筋板平面与导流体外侧面的相交曲面即为宽端部应具有的形状。
最后将6组焊接好导流体的固定筋依照标准套管弹性扶正器簧片的位置及个数对应关系在标准扶正器打开的状态下通过窄端与簧片端部及铰链焊接连接，即完成了本实用新型产品的加工与制造(图3)。加工过程中注意导流体及固定筋的安装位置应保证固定筋板与标准扶正器中簧片以各自中分线为准相互对正，并保证装置闭合后导流体内柱面能与套管柱面吻合接触。由于标准弹性扶正器可以通过铰链销实现打开和闭合，因此前述加工制做过程是在链销取出后扶正器打开状态下进行的，在进行固井时可在套管柱的适当位置加上该装置，通过链销锁紧闭合后，所提供的导流体便会围绕套管柱并形成具有对流经流体产生限制、导向及增速作用的流体通道，该流道入口端为渐缩形，近出口端为等径流道。
综上所述，当流体流经本实用新型时，一方面本实用新型为流体所提供的流道下部入口端为渐缩流道上部近出口端为等径流道，从而使流出的流体能产生明显的速度增量；另一方面由于导流体所组合而成的出口部位流道与套管中心轴线呈一定角度(即旋流角β)，所以依靠导流体固体壁面对液流的限制和导向作用，使流经的液流方向发生改变，从而使液流在环形空间中继续前移的过程中呈螺旋状流动方式。理论研究及计算结果表明，与ZL 94 2 03840.1相比，由于本实用新型改善了导流体对流动液流的增速效果，因此流体流经本实用新型所提供的流道时，在环空中所产生的旋流具有较高的初始动能，使其在环空前移的过程中抵抗衰减的能力增强，从而可获得相对较长的旋流流动段长度。通过对比分析，总结归纳出了能够用以分析和计算旋流能力的旋流长度及周向旋流角等有关公式。
具体地说就是一种增速型套管弹性旋流扶正器，通过铰链销可实现装置的打开和闭合，由标准弹性扶正器与由弹簧钢板焊接成的楔形五面体导流体及喇叭形平板固定筋组成，其特征在于导流体、固定筋及标准弹性扶正器之间的组装是在标准弹性扶正器打开状态下通过焊接实现的，具体的连接方式和位置为固定筋喇叭口宽端部与导流体中由圆弧面与螺旋面组合成的曲面的侧面吻合焊接连接，焊接方向和位置为选取固定筋板面中线与按导流体长度在该曲面上所获得的水平中分线即Lb/2处对准，并以该中分线与小半径内圆柱面交点对应的圆柱半径方向为固定筋板面法线方向，再以固定筋板面中心线沿法线方向距该内柱面距离约2～5mm进行定位；固定筋窄端焊接在标准弹性扶正器簧片端部及铰链上，焊接时注意保证装置闭合后导流体小半径内圆柱面与套管柱面能吻合接触；安装中导流体、固定筋与簧片在个数和位置上是相对应的。由此，该装置闭合后外部为原标准弹性扶正器，其形状为腰鼓形，内部对应于标准弹性扶正器簧片部位焊装有固定筋和导流体，标准弹性扶正器具有使套管在井眼中保证居中的作用，导流体具有沿套管柱面组合形成前部为渐缩、后部出口处仍保持为等径形式的流道，实现对流经流体限制、导向及加速从而产生环空旋流流动的作用，固定筋主要作用是使导流体能与标准弹性扶正器实现连接与固定。导流体是由5片形状不同的2mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板焊接成的楔形五面体，各面的具体形状为在环形空间中参与形成流道的两个侧面垂直于套管柱面，其中一个侧面为空间螺旋面，而另一个侧面则由空间弧面与空间螺旋面平滑连接组成；导流体与套管柱面相接触的面及其相对的面均为圆柱面，两面间距离即导为导流体高度；导流体顶面为垂直于套管圆柱中心轴线的扇形圆环平面。导流体长度Lb=1.05Ricosβ+5～15mm；导流体高度h=标准弹性扶正器闭合最大内径-5～10mm；旋流角在35°～60°之间取值。固定筋为喇叭形弹簧钢板，采用3～4mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板加工成，筋板最窄部宽度6～10mm，最宽部宽度12～20mm，由中间部位即L/2处起采用斜直线使板宽逐渐增加，喇叭口宽端面形状能保持与焊接部位的导流体外侧面吻合接触。斜直线与原直边过渡点磨圆以防产生应力集中。
本实用新型具有结构简单，加工方便等优点。能够适应各种井下情况，不致产生损坏和失效，不会发生井下事故。油田应用效果实践表明，本实用新型能够在井下稳定工作，具有提高顶替效率、提高固井质量的作用。且满足现场施工要求而无须任何附加条件。
本实用新型的具体结构由以下的实施例及其附图给出。
图1是本实用新型提供的导流体形状及结构简图。
图2是固定筋形状及其与导流体的连接方式简图。
图3是根据本实用新型提出的增速型套管弹性旋流扶正器的形状及结构简图。图3中，铰链1，铰链销2，簧片4及环箍5为标准弹性扶正器部分原有部件，导流体及固定筋3为本实用新型产生旋流的主要部件。
下面结合图详细说明依据本实用新型提出的具体装置的细节及工作情况
参见图3，该增速型套管弹性旋流扶正器装置是由标准弹性扶正器与导流体及固定筋通过焊接组装形成的。标准弹性扶正器原有的主要部件为铰链1，铰链销2，簧片4及环箍5。簧片4的形状为弓形，通过取出或锁紧铰链销2可以实现标准弹性扶正器的打开和闭合。导流体及固定筋即是在标准扶正器打开状态下实施焊接组装的，标准扶正器闭合后，外部形状呈腰鼓形，导流体及固定筋位于簧片4内侧。
导流体是由5片特定形状的2mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板焊接组成的，如
图1所示其外部形状为楔形五面体。参见
图1，表征导流体的特征尺寸参数有导流体长度Lb、旋流角β、导流体高度h、导流体宽度S1、S2。导流体的具体组成及结构为导流体参与形成流道的两个侧面中abcd面的ad、bc迹线在圆柱坐标系下的轨迹方程为空间螺旋线Z=r·θtg(90-β)，而abef面的ae、bf迹线在圆柱坐标系下的轨迹方程由下部为弧线Z=Lb{1-cos[arcsin(r·θ/Lb)]}与上部为螺旋线Z=r·θtg(90-β)两空间曲线平滑连接构成，下部弧线在圆柱面沿周向展开图上获得的圆弧是以导流体长度Lb为半径的；导流体与套管柱面相接触的面ade为与套管外径Ri相同的圆柱面，而相对应的面bcf为半径为Rt且与ade面平行的圆柱面，两面距离即导流体高度为h=Rt-Ri；导流体顶面cdef为一垂直于套管中心轴线的扇形圆环平面，de、cf分别为半径为Ri和Rt的内外圆弧(与ade、bcf面吻合)，导流体宽度即以该两圆弧的弧长来表征，分别为S1=Lb(1-sinβ)/cosβ,S2=LbRt(1-sinβ)/(Ricosβ),cd、fe为水平线(与abcd、abef面吻合)，二者交点为圆柱中心轴线即de、cf的圆心。导流体长度Lb以套管外半径Ri为参量按Lb=1.05Ricosβ+Δ(Δ可取5～15mm)确定，导流体高度h以导流体长度及标准弹性扶正器闭合后的最大内径和簧片的弓形弧度为确定依据，可按h=Rt-Ri=标准弹簧扶正器闭合最大内径-Δh(Δh可取5～15mm)设计。导流体螺旋线迹线与套管垂直轴线夹角即旋流角β在35°～60°之间取值。相应于标准弹性扶正器的簧片个数，应加工出6组符合上述结构尺寸要求的导流体，以满足一套新型装置加工的需用数量。
导流体与固定筋的连接通过焊接实现(如图2)。固定筋采用3～4mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板加工成，其形状为喇叭形平板，如图2所示，筋板最窄部宽度6～10mm，最宽部位宽度12～20mm，由中间可部位即L/2处起采用斜直线使板宽逐渐增加，固定筋喇叭口宽端面形状能保持与焊接部位的
图1导流体的abef面吻合接触。斜直线与原直边过渡点磨圆以防产生应力集中。在进行固定筋宽端面形状设计以及固定筋与导流体焊接时，均应充分考虑固定筋板面与导流体的方向和位置的相互对应关系，具体地，固定筋板平面的焊接方向和位置为选取固定筋板面中线与按导流体长度在曲面abef面上所获得的水平中分线即Lb/2处对准，并以该中分线与小半径内圆柱面ade面交点对应的圆柱面ade面半径方向为固定筋板面法线方向，再以固定筋板面中心线沿法线方向距该内柱面ade面距离约2～5mm进行定位；此方向和位置处固定筋板平面与导流体外侧面abef面的相交曲面即为宽端部应具有的形状。
将焊接好导流体的固定筋依照标准套管弹性扶正器簧片4的位置对应关系在标准扶正器打开的状态下通过窄端与簧片4端部及铰链焊接，即完成了本实用新型产品的加工与制造(图3)。加工过程中注意导流体及固定筋的安装时应保证固定筋板与标准扶正器中簧片4的位置以各自中分线为准相互对正，并能够保证装置闭合后导流体内柱面ade面能与套管柱面实现吻合接触。
在进行固井时可在套管柱的适当位置加上该装置，锁紧闭合后，通过固定筋连接在标准弹性扶正器中的导流体便会围绕套管柱并形成具有对流经流体产生限制、导向及增速作用的流体通道，该流道前部为渐缩流道，对流经流体产生加速作用，后部出口处仍保持为等径流道形式，保证流出流体具有相同的旋流角，在环空中形成规整旋流。上述几方面作用的共同结果是，当流体流经由本实用新型所提供的导流体所形成的流道时，必然会产生速度增量及流速方向的改变，从而使流出导流体的流体在套管与井眼所形成的环形空间中产生明显的螺旋流流动。与ZL 94 203840.1相比，本实用新型所产生的旋流在环空中具有更强的抗衰减能力，能形成更长的旋流段长度，能更有效地提高水泥浆对环空中原有钻井液的驱替效率。
对于Φ139.7套管柱，该装置设计结果为旋流角45°～60°，导流体长度0.06m，导流体高度30～42mm，固定筋长度0.32～0.35m。
一种增速型套管弹性旋流扶正器，通过铰链销可实现装置的打开和闭合，由标准弹性旋扶正器与由弹簧钢板焊接成的楔形五面体导流体及喇叭形平板固定筋组成，其特征在于导流体、固定筋及标准弹性扶正器之间的组装是在标准弹性扶正器打开状态下通过焊接实现的，固定筋主要作用是使导流体能与标准弹性扶正器实现连接与固定，固定筋喇叭口宽端部与导流体中由圆弧面与螺旋面组合成的曲面的侧面吻合焊接连接，焊接方向和位置为选取固定筋板面中线与按导流体长度在该侧面上所获得的水平中分线即Lb/2处对准，并以该中分线与小半径内圆柱面交点对应的圆柱半径方向为固定筋板面法线方向，再以固定筋板面中心线沿法线方向距该内柱面距离约2～5mm进行定位；再将窄端焊接在标准弹性扶正器簧片端部及铰链上，此时固定筋板平面组装方向应以能够保证装置闭合后导流体内侧小圆柱面与套管柱面相互吻合接触为确定原则；安装中导流体、固定筋与簧片在个数和位置上是相对应的。该装置闭合后外部为原标准弹性扶正器，其形状为腰鼓形，内部对应于标准弹性扶正器簧片部位焊装有固定筋和导流体，标准弹性扶正器具有使套管在井眼中保证居中的作用，导流体具有沿套管柱面组合形成前部为渐缩、后部出口处仍保持为等径形式的流道，实现对流经流体限制、导向及加速从而产生环空旋流流动的作用。导流体是由5片形状不同的2mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板焊接成的楔形五面体，在环形空间中参与形成流道的两个侧面垂直于套管柱面，其中一个侧面为空间螺旋面，而另一个侧面则由空间弧面与空间螺旋面平滑连接组成；导流体与套管柱面相接触的面及其相对的面均为圆柱面，两面间距离即导为导流体高度；导流体顶面为垂直于套管圆柱中心轴线的扇形圆环平面。导流体长度Lb=1.05Ricosβ+5～15mm，导流体高度h=标准弹性扶正器闭合最大内径-5～10mm。旋流角β可在35°～60°之间取值。固定筋为喇叭形弹簧钢板，采用3～4mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板加工成，筋板最窄部宽度6～10mm，最宽部位宽度12～20mm，由中间部位起采用斜直线使板宽逐渐增加，最宽部位的端部形状能与导流体具有圆弧面与螺旋面的侧面能实现吻合接触。该接触面在设计时是以固定筋板与导流体的焊接位置及方向对应关系为依据的，其形状为在所要进行焊接部位和方向条件下固定筋板平面与导流体接触侧面的相交面。斜直线与原直边过渡点磨圆以防产生应力集中。
本实用新型是用于安放在套管柱上的一种特殊装置，是一种利用特定设计的导流体在装置闭合状态下由导流体固体壁面形成的特殊流道对液流的限制、导向和增速作用在环形空间中生成较强能力的旋流，同时依据原有标准弹性扶正器对套管在井眼中的扶正作用而能够改善套管偏心状况的装置。由于其能够使流速产生较明显的增量，产生的旋流能力比ZL 94 2 03840.1所提供的产品有所改善，所以能更有效地改善顶替效率，更有效地确保提高固井质量。
权利要求1．一种增速型套管弹性旋流扶正器，由标准弹性扶正器与由弹簧钢板焊接成的楔形五面体导流体及喇叭形平板固定筋组成，其特征在于导流体、固定筋及标准弹性扶正器之间的全部组装过程是通过焊接实现的，焊接过程为首先将固定筋喇叭口宽端部与导流体中由圆弧面与螺旋面组合成的曲面的侧面吻合焊接连接，焊接时选取固定筋板面中线与按导流体长度在该曲面上所获得的水平中分线对准并以该中分线与小半径内圆柱面交点对应的圆柱半径方向为固定筋板面法线方向，再以固定筋板面中心线沿法线方向距该小半径内圆柱面距离约2～5mm定位；然后将固定筋窄端焊接在标准弹性扶正器簧片端部及铰链上，此次焊接中固定筋板的取向应注意保证在装置闭合状态下使导流体的小半径圆柱面与套管柱面吻合接触，安装中导流体、固定筋与簧片在个数和位置上是相对应的；该装置闭合后外部为原标准弹性扶正器，其形状为腰鼓形，内部对应于标准弹性扶正器簧片部位焊装有固定筋和导流体，导流体沿套管柱面组合形成前部为渐缩、后部为等径出口的流道。
2．根据权利要求1所述的增速型套管弹性旋流扶正器，导流体的特征在于导流体是由5片形状不同的2mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板焊接成的楔形五面体，在环形空间中参与形成流道的两个侧面垂直于套管柱面，其中一个侧面为空间螺旋面，而另一个侧面则由空间弧面与空间螺旋面平滑连接组成；导流体与套管柱面相接触的面及其相对的面均为圆柱面，两面间距离即为导流体高度；导流体顶面为垂直于套管圆柱中心轴线的扇形圆环平面；表征导流体的特征结构参数有旋流角β、导流体长度Lb及导流体高度h；旋流角即导流体螺旋线迹线与套管垂直轴线夹角可在35°～60°之间取值；导流体长度可按套管外半径及旋流角计算设计Lb=1.05Ricosβ+5～15mm；导流体高度h=标准弹性扶正器闭合最大内径-5～10mm。
3．根据权利要求1所述的增速型套管弹性旋流扶正器，固定筋的特征在于固定筋为采用3～4mm厚65Mn或60Si2Mn弹簧钢板加工成的喇叭形平板，筋板最窄部宽度6～10mm，最宽部位宽度12～20mm，由中间部位起采用斜直线使板宽逐渐增加，最宽部位的端部形状与导流体具有圆弧面与螺旋面的侧面在焊接部位能实现吻合接触。
专利摘要增速型套管弹性旋流扶正器是一种安放在套柱上的装置,由标准弹性扶正器在对应于簧片内部焊接导流体及固定筋组成,导流体是用弹簧钢板焊接成的具有不同表面形状特征的楔形五面体,固定筋是用弹簧钢板制成的喇叭形平板。装置闭合后外形呈腰鼓形,导流体能围绕套管柱吻合接触并形成对液流产生导向与增速作用的渐缩流道,产生的旋流能力比ZL94203840.1产品更强,并能改善套管偏心状况,在固井施工中能有效提高顶替效率。
文档编号E21B17/10GK2460720SQ0025141
公开日2001年11月21日 申请日期2000年9月9日 优先权日2000年9月9日
发明者张景富, 黄向前 申请人:浙江大学, 大庆石油学院