CN102108846B - 随行振动固井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随行振动固井方法，该方法能够在固井过程中随着橡胶塞套在套管中一边下行一边振动，当橡胶塞套下行到井底碰压浮箍停止后，橡胶塞套继续振动直至水泥浆初凝之前再停止其振动的工作。本发明能够实现从井口到井底全井段的随行振动，既克服了胶塞的单一功能，又实现了活动全井段套管的目标，达到改善套管与水泥的界面胶结质量，提高水泥石强度，使其具有更优的应用效果；在不改变现有生产和施工工艺的基础上，沿用传统胶塞的顶替功能，应用套管共振原理，随着橡胶塞套在套管中行走，实现从井口振动到井底全井段的随行振动，既克服了胶塞功能单一，又能产生与油井套管固有频率相同的振动波，有效、明显提高固井质量。

Description

随行振动固井方法

技术领域

本发明涉及石油钻井完井工程中固井工艺技术领域，目的是提高和改善固井质量，特别是随行振动固井方法。

背景技术

振动固井是完井工程中的一种质量改善技术，用来提高顶水泥浆的顶替效率，提高水泥石的强度，改善水泥的胶结质量。

上世纪六十年代，美国和苏联先后动用了高层科研机构，进行了室内外试验和机理研究，使得该项技术蓬勃发展。前苏联5个油田近100口井成功使用了自己的振动固井技术，国内系统研究从1990开始，1994年大庆钻井院开发了水利脉冲式震动器，但是没有进行现场应。1998年辽河油田(石油科研单位)也开发出了水利脉冲震动发生器，试验17口井，合格率60%。这些技术或是井底流体机械式振动，或是井口机械式振动，或是井筒内压电晶体激振，但是这些技术或者局部有效果，或者效果不明显，或者施工不方便，或者成本费用居高不下。

关于振动固井专利技术，中油集团某钻采工艺研究院提出使用振动波固井的一项新技术《一种水力脉冲振动固井引鞋》（专利申请号200620167280.6），该振动固井技术采用水力脉冲振动器。还有人提出《振动固井用压力波发生装置》（专利申请号200920111659.6），是通过控制流体阀门的开关产生流体的压力波动的一项技术。该技术与本发明原理虽然相同，但是施工工艺、结构类型和作用方式都存在极大的差异。

另外，公知的碰压胶塞构造为胶翼、胶芯、密封圈、（卡簧），在固井施工中，将胶塞置于水泥头中，向油井套管内注压胶塞液体，替浆顶替水泥浆时，胶塞受压下行进入油井套管内，胶翼刮削套管内壁，除去附在内壁上的水泥浆，钻井液的残余物，胶塞下行到达坐落于承托环（或浮箍）处碰压，但是一般的固井胶塞功能单一，只具备刮削套管内壁和碰压作用，但是不能活动套管，与固井质量没有直接的相关性。

发明内容

发明内容

本发明的目的在于提供一种随行振动固井方法，在不改变现有的固井工艺基础上，与传统固井胶塞具有相同的使用方法，需要一种能够引起套管振动的随行振动固井胶塞，能够在固井过程中随着胶塞在套管中一边下行一边振动，当随行振动固井胶塞下行到井底碰压停止后，随行振动固井胶塞继续振动直到水泥浆初凝之前结束振动工作，该方法能够实现从井口到井底全井段的随行振动，既克服了胶塞的单一功能，又实现了活动全井段套管的目标，达到改善套管与水泥的界面胶结质量，提高水泥石强度，使其具有更优的应用效果。 

本发明的目的是这样实现的：一种随行振动固井方法，包括油井套管、橡胶塞套和自锁端头，还包括水泥浆替浆工艺，本方法所使用的机械谐振器由金属壳体、自锁端头、偏心转子、调速电机、电源配置器、程控处理器和后端封头构成，自锁端头配合安装在金属壳体的前端头上，并与其前端头焊接为一体；橡胶塞套套装在金属壳体上并与其硫化固定；在金属壳体后端口上固装的后端封头将金属壳体的内腔密封，金属壳体的密封承压压力值大于等于35MPa；金属壳体内腔配合安装着偏心转子、调速电机、电源配置器和程控处理器；调速电机的输出转轴上固装的偏心转子由调速电机驱动旋转；调速电机由电源通过与其电源输入端口配合连接的电源配置器提供工作动力，并由程控处理器调控调速电机转速以驱使偏心转子进行机械振动，程控处理器通过无线电与遥控器相配合连接； 

①事先根据所在地油田设计的井身结构和与其配合所用的油井套管，通过现有振动力学算法计算出油井套管的固有频率f₀作为本机械谐振器的偏心转子在油井套管内随行振动的基准频率f₀，将前置液和水泥浆经油井井口水泥头注入油井套管内所需时间T₁设定为本机械谐振器延时启动的时间T₁，使其在小于T₁处于待机状态，在大于等于T₁之后，自动开启以驱动其偏心转子旋转振动，根据固井用水泥浆的初凝时间T，确定随行振动的总时间T₀ 为T₀＝[T－T₁－ΔT]，ΔT∈[10，30] Min；

②在固井之前，打开本机械谐振器的电源开关，使本机械谐振器处于待机状态，利用传统胶塞与油井套管内的相配合使用方法，先把待机状态的金属壳体上固装有橡胶塞套的本机械谐振器装入水泥头内后，通过无线电将上述参数f₀、T₀和T₁传送、输入至本机械谐振器中的程控处理器，再采用传统固井工艺，当完成前置液和水泥浆挤入工艺所需时间到达T₁之时，本机械谐振器由程控处理器将其由待机状态调控为启动工作状态，驱动偏心转子旋转以使橡胶塞套开始振动；在完成水泥浆挤入工艺后，将安装于水泥头上的水泥浆入口上的阀门关闭，停止向油井套管内注入水泥浆，并且打开安装于水泥头上的顶替液入口上的阀门，向油井套管内注入顶替液，开始水泥浆替浆工艺，当顶替液持续注入油井套管顶压处于裸井内井壁与油井套管之间的钻井液时，本机械谐振器按照顶替液注入油井套管内的顶替排量确定的速度下行，且由本机械谐振器的偏心转子驱动振动的橡胶塞套以事先输入程控处理器的基准频率f₀驱动偏心转子在振动频率f₀保持振动，当本机械谐振器下行降至该油井套管底端碰压位于油井套管底端处的浮箍时，则停止移位，仍依照原先输入程控处理器的基准频率f₀使偏心转子的振动频率设定在f₀进行振动，直至偏心转子保持在基准频率f₀连续振动所需总时间达到T₀时，程控处理器调控本机械谐振器停机，并使本机械谐振器最终留置固定于该油井套管底端。

本发明方法是利用随行振动固井胶塞的顶替工艺和固井套管结构共振原理，在固井套管内从井口振动到井底，并延续到水泥初凝前停止工作，其具体技术特征为：

（1）固井用橡胶塞套与本机械谐振器合而为一，振动随胶塞在套管中行走和碰压井底的浮箍；

（2）随行振动橡胶塞套其橡胶裙边在套管内壁上的压力大于100Kg，金属壳体所承受外压(密封承压)的压力值要达到35MPa以上；

（3）由偏心转子驱动振动的橡胶塞套所产生的振动加速度大于3g，频率在20Hz～200Hz范围内可调；

（4）载荷幅度通过调速电机带动大质量的偏心转子实现，偏心转子要求应用高密度材料制作，如钨合金、铅、铜、钢等金属或现有其它合金金属；

（5）本发明的程控系统使用前处于关闭状态，该系统通过机械方式上电、启动以达到待机状态。

（6）本发明的机械谐振器待机后，遥控器将相关所接受的工作参数通过无线传输信号传送、输入至程控处理器。

因此，本发明在不改变现有的固井工艺基础上，橡胶塞套与传统固井胶塞具有相同的使用方法，需要一种能够引起套管振动的机械谐振器，该机械谐振器能够在固井过程中随着橡胶塞套在套管中一边下行一边振动，当随行振动用橡胶塞套下行到井底碰压停止后，随行振动固井用橡胶塞套继续振动直到水泥浆初凝之前再结束振动的工作，该方法能够实现从井口到井底全井段的随行振动，既克服了胶塞的单一功能，又实现了活动全井段套管的目标，达到改善套管与水泥的界面胶结质量，提高水泥石强度，使其具有更优的应用效果；在不改变现有生产和施工工艺的基础上，沿用胶塞的顶替功能，应用套管共振原理，随着胶塞在套管中行走，实现从井口振动到井底全井段的随行振动，既克服了胶塞功能单一，又能产生与油井套管固有频率相同的振动波，使得油井套管与其共振，有效、明显提高固井质量。

附图说明

下面将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明机械谐振器的剖视结构示意图；

图2为本发明机械谐振器偏心转子的结构示意图；

图3为图2的侧视剖视结构示意图；

图4为本发明程控处理器执行本发明方法的具体程序流程框图；

图5 为本发明随行振动固井方法的固井工艺示意图。

具体实施方式

一种随行振动固井方法，结合图1、图2、图3和图5所示，包括油井套管29、橡胶塞套2和自锁端头1，还包括水泥浆替浆工艺，本方法所使用的机械谐振器由金属壳体4、自锁端头1、偏心转子3、调速电机5、电源配置器6、程控处理器7和后端封头8构成，自锁端头1配合安装在金属壳体4的前端头上，并与其前端头焊接为一体；橡胶塞套2套装在金属壳体4上并与其硫化固定；在金属壳体4后端口上固装的后端封头8将金属壳体4的内腔密封，金属壳体4的密封承压压力值大于等于35MPa；金属壳体4内腔配合安装着偏心转子3、调速电机5、电源配置器6和程控处理器7；调速电机5的输出转轴上固装的偏心转子3由调速电机5驱动旋转；调速电机5由电源通过与其电源输入端口配合连接的电源配置器6提供工作动力，并由程控处理器7调控调速电机5转速以驱使偏心转子3进行机械振动，程控处理器(7)通过无线电与遥控器相配合连接；

①事先根据所在地油田设计的井身结构和与其配合所用的油井套管29，通过现有振动力学算法计算出油井套管29的固有频率f₀作为本机械谐振器的偏心转子3在油井套管29内随行振动的基准频率f₀，将前置液31和水泥浆30经油井井口水泥头28注入油井套管29内所需时间T₁设定为本机械谐振器延时启动的时间T₁，使其在小于T₁处于待机状态，在大于等于T₁之后，自动开启以驱动其偏心转子3旋转振动，根据固井用水泥浆30的初凝时间T，确定随行振动的总时间T₀ 为T₀＝[T－T₁－ΔT]，ΔT∈[10，30] Min；

②在固井之前，打开本机械谐振器的电源开关，使本机械谐振器处于待机状态，利用传统胶塞与油井套管29内的相配合使用方法，先把待机状态的金属壳体4上固装有橡胶塞套2的本机械谐振器装入水泥头28内后，通过无线电将上述参数f₀、T₀和T₁传送、输入至本机械谐振器中的程控处理器7，再采用传统固井工艺，当完成前置液31和水泥浆30挤入工艺所需时间到达T₁之时，本机械谐振器由程控处理器7将其由待机状态调控为启动工作状态，驱动偏心转子3旋转以使橡胶塞套2开始振动；在完成水泥浆30挤入工艺后，将安装于水泥头28上的水泥浆入口27上的阀门关闭，停止向油井套管29内注入水泥浆30，并且打开安装于水泥头28上的顶替液入口25上的阀门，向油井套管29内注入顶替液，开始水泥浆替浆工艺，当顶替液持续注入油井套管29顶压处于裸井26内井壁与油井套管29之间的钻井液32时，本机械谐振器按照顶替液注入油井套管29内的顶替排量确定的速度下行，且由本机械谐振器的偏心转子3驱动振动的橡胶塞套2以事先输入程控处理器7的基准频率f₀驱动偏心转子3在振动频率f₀保持振动，当本机械谐振器下行降至该油井套管29底端碰压位于油井套管29底端处的浮箍33时，则停止移位，仍依照原先输入程控处理器7的基准频率f₀使偏心转子3的振动频率设定在f₀进行振动，直至偏心转子3保持在基准频率f₀连续振动所需总时间达到T₀时，程控处理器7调控本机械谐振器停机，并使本机械谐振器最终留置固定于该油井套管29底端。

本发明所使用的橡胶塞套是传统固井胶塞与机械谐振器的有机合成体，在本机械谐振器的振动过程中采用水泥浆顶替工艺使本机械谐振器在油井套管内能够实现一边下行一边振动的功能，本机械谐振器金属壳体上固装的橡胶塞套可与油井套管内管壁紧密接触，橡胶塞套最外周壁面与该油井套管内管壁之间相配合挤压接触且该挤压接触的压力大于100 Kg；金属壳体的密封腔内由调速电机驱动旋转偏心转子产生的振动加速度大于3g，g为重力加速度（常数），产生振动的频率在20Hz-200Hz范围内。所述的偏心转子本体的密度为7-18g/                                                

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本发明的机械谐振器有本体、振子和无线传输与程控三部分。

（1）本体：其密封的随行振动固井胶塞振动器结构如附图1所示：1为自锁端头；2为橡胶塞套；3为偏心转子；4为金属壳体；5为调速电机；6为配置电源；7为程控处理器；8为后端封头。

自锁端头1与金属壳体4焊接成为一体，用于与自锁浮箍碰压锁死；橡胶塞套2通过橡胶硫化实现，与套管壁挤紧，用于刮水泥浆和传递振动载荷；偏心转子3与电机通过联轴器联接，是提供振动载荷的部件；金属壳体4是机械加工件，要求密封承压75MPa以上；调速电机5提供动力，通过螺栓紧固在金属壳体4上；配置电源6提供能源，粘结在金属壳体4内；控制电路板(即程控处理器7)通过螺栓安装在上电开关端盖(即后端封头8)的内侧，于用振动程序的控制实施；上电开关端盖8通过密封条与金属壳体4以螺纹连接固定，提供电路上电和结构密封。

（2）振子：偏心转子3，如图2和图3所示：9是质量偏心孔；10是转子联轴孔。

（3）无线传输与程控电路的工作程序原理，如图4所示，11是上电开始，12是初始化自检待机，13是无线发送控制参数，14是无线接收控制参数，15是DSP／单片机程控芯片(相当于程控处理器7)，16是信号反馈确认，17是蜂鸣提示，18是振动提示，19是基准频率计算，20是启振延时控制，21是振动持续时间控制，22是振动驱动开始，23是末端时间的扫频振动，24是振动持续终止；无线输入的参数主要有延时启动时间、振动持续时间、基准频率。

本发明的随行振动固井方法与传统固井工艺设备和钻井井眼密切相关，如图5所示：25是顶替液入口，26是裸井，27是水泥浆入口，28是水泥头，29是套管，30是水泥浆，31是前置液，32是钻井液，33是浮箍。

本发明的算法：（1）延时启动算法：从循环洗井完成，水泥头端盖安装之前开始计算，延时启动时间等于井口工具准备时间，加上挤水泥浆的工艺周期。（2）振动持续时间算法：振动持续时间小于“水泥浆初凝时间与将前置液和水泥浆经油井井口水泥头注入固井套管内所需时间T₁”的相减之差。（3）结构基准频率算法：根据套管尺寸、材料性能和排列状态，应用振动力学算法进行计算。

本发明实际应用的具体实施例：

实施例1：某油田＃＃4测试井固井实施方法—根据套管完井的裸眼井钻井资料和固井任务书，考虑选用的水泥浆体系初凝时间100min，以及设备的顶替排量8L/s。设定启动时间20min（根据套管长度与启动时间的相关性自动设定基频约为29Hz），振动持续时间30min。声幅测井得到的应用效果是封固段优质率达到86.5％，合格率100％，固井质量评价为优良。

实施例2：某油田＃＃105勘探井固井实施方法—根据套管完井的裸眼井钻井资料和固井任务书，考虑选用的水泥浆体系初凝时间110min，以及设备的顶替排量8L/s。设定启动时间25min（根据套管长度与启动时间的相关性自动设定基频约为27Hz），振动持续时间40min。声幅测井得到的应用效果是封固段优质率达到97.6％，合格率100％，固井质量评价为优秀。

实施例3：某油田＃＃66开发井固井实施方法—根据套管完井的裸眼井钻井资料和固井任务书，考虑选用的水泥浆体系初凝时间120min，以及设备的顶替排量8L/s，设定启动时间30min（根据套管长度与启动时间的相关性自动设定基频约为26Hz），振动持续时间50min。声幅测井得到的应用效果是封固段优质率达到65.1％，合格率100％，固井质量评价为良。

因此，本发明的优点如下：

（1）回避常规胶塞功能单一，增加了活动套管的功能；

（2）不改变现有的施工工艺，全井段实施随行振动；

（3）结构紧凑，工艺简单，施工快捷；

（4）方法可靠，固井质量改善效果明显。

Claims (4)

1.一种随行振动固井方法，包括油井套管(29)、橡胶塞套(2)和自锁端头(1)，还包括水泥浆替浆工艺，其特征是： 

本方法所使用的机械谐振器由金属壳体(4)、自锁端头(1)、偏心转子(3)、调速电机(5)、电源配置器(6)、程控处理器(7)和后端封头(8)构成，自锁端头(1)配合安装在金属壳体(4)的前端头上，并与其前端头焊接为一体；橡胶塞套(2)套装在金属壳体(4)上并与其硫化固定；在金属壳体(4)后端口上固装的后端封头(8)将金属壳体(4)的内腔密封，金属壳体(4)的密封承压压力值大于等于35MPa；金属壳体(4)内腔配合安装着偏心转子(3)、调速电机(5)、电源配置器(6)和程控处理器(7)；调速电机(5)的输出转轴上固装的偏心转子(3)由调速电机(5)驱动旋转；调速电机(5)由电源通过与其电源输入端口配合连接的电源配置器(6)提供工作动力，并由程控处理器(7)调控调速电机(5)转速以驱使偏心转子(3)进行机械振动，程控处理器(7)通过无线电与遥控器相配合连接；

①事先根据所在地油田设计的井身结构和与其配合所用的油井套管(29)，通过现有振动力学算法计算出油井套管(29)的固有频率f₀作为本机械谐振器的偏心转子(3)在油井套管(29)内随行振动的基准频率f₀，将前置液(31)和水泥浆(30)经油井井口水泥头(28)注入油井套管(29)内所需时间T₁设定为本机械谐振器延时启动的时间T₁，使其在小于T₁处于待机状态，在大于等于T₁之后，自动开启以驱动其偏心转子(3)旋转振动，根据固井用水泥浆(30)的初凝时间T，确定随行振动的总时间T₀ 为T₀＝[T－T₁－ΔT]，ΔT∈[10，30] Min；

②在固井之前，打开本机械谐振器的电源开关，使本机械谐振器处于待机状态，利用传统胶塞与油井套管(29)内的相配合使用方法，先把待机状态的金属壳体(4)上固装有橡胶塞套(2)的本机械谐振器装入水泥头(28)内后，通过无线电将上述参数f₀、T₀和T₁传送、输入至本机械谐振器中的程控处理器(7)，再采用传统固井工艺，当完成前置液(31)和水泥浆(30)挤入工艺所需时间到达T₁之时，本机械谐振器由程控处理器(7)将其由待机状态调控为启动工作状态，驱动偏心转子(3)旋转以使橡胶塞套(2)开始振动；在完成水泥浆(30)挤入工艺后，将安装于水泥头(28)上的水泥浆入口(27)上的阀门关闭，停止向油井套管(29)内注入水泥浆(30)，并且打开安装于水泥头(28)上的顶替液入口(25)上的阀门，向油井套管(29)内注入顶替液，开始水泥浆替浆工艺，当顶替液持续注入油井套管(29)顶压处于裸井(26)内井壁与油井套管(29)之间的钻井液(32)时，本机械谐振器按照顶替液注入油井套管(29)内的顶替排量确定的速度下行，且由本机械谐振器的偏心转子(3)驱动振动的橡胶塞套(2)以事先输入程控处理器(7)的基准频率f₀驱动偏心转子(3)在振动频率f₀保持振动，当本机械谐振器下行降至该油井套管(29)底端碰压位于油井套管(29)底端处的浮箍(33)时，则停止移位，仍依照原先输入程控处理器(7)的基准频率f₀使偏心转子(3)的振动频率设定在f₀进行振动，直至偏心转子(3)保持在基准频率f₀连续振动所需总时间达到T₀时，程控处理器(7)调控本机械谐振器停机，并使本机械谐振器最终留置固定于该油井套管(29)底端。

2.根据权利要求1所述的随行振动固井方法，其特征是：本机械谐振器的橡胶塞套(2)可与油井套管(29)内管壁都能接触的最外周壁面与该油井套管(29)内管壁之间相配合挤压接触且该挤压接触的压力大于100Kg。

3.根据权利要求1所述的随行振动固井方法，其特征是：由调速电机(5)驱动旋转的偏心转子(3)其振动加速度大于3g，产生振动的频率为20Hz～200Hz之间。

4.根据权利要求1所述的随行振动固井方法，其特征是：偏心转子(3)本体由钨合金、钢、铅锑合金、铅铜合金或锌铜合金构成。

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