CN103422825B - 固井频率可控式振动器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固井频率可控式振动器及其使用方法，包括引流接头、限流球、基座、叶轮、外壳以及导流孔，基座为中空变径管体，其外壁下端固接于外壳内壁，其外壁上端与外壳内壁之间形成外环空；引流接头固接在基座上端，引流接头内表面与基座上端共同组成漏斗形锥面，限流球坐封在该锥面内；叶轮固接在基座中部外壁上，并设置在导流孔上方，叶轮包括一组叶片。固井频率可控振动器的使用方法是：在顶替或循环时，注入液体经限流接头流至基座的内孔；投入限流球，使限流球封堵住内孔，液体经限流接头上的引流槽流经外环空，并冲击叶轮上的叶片，使叶片转速增加，振动器的振动波频率与振幅也相应增大，实现了在相同液体排量下振动频率的可控性。

Description

固井频率可控式振动器及其使用方法

技术领域

本发明涉及油田固井施工领域中的一种固井振动器，尤其涉及一种液体振动频率可控的固井振动器。

背景技术

振动固井技术是利用振动器产生振动波在井下环空中传播，提高泥浆顶替效率，震实固井水泥浆，消除水泥浆中的气泡，形成完好的水泥环，提高水泥胶结强度与质量，进而提高固井质量的有效方法之一。

目前，振动固井发生装置以安放位置可分两类，一是井口脉冲振动固井装置，另一是井下脉冲振动固井装置。井下水力脉冲振动器相对井口脉冲振动器结构简单，容易实现，因而是使用最为广泛的一种振动固井装置。

如图1所示，CN200820065070.5专利提供了一种井下水力自激振动脉冲发生器。该发明是一种通过液体流过不同孔径的流道和自激反射锥形体，使流体产生自激震荡，形成振动脉冲波的装置。其工作原理是施工时放置在套管接箍内，流体经过安全护罩流出，通过自激荡腔的过流孔产生高速射流束进入容腔，产生自激震荡，然后通过自激座的过流孔流出。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

1）脉冲震荡波频率可控性差。

2）自激震荡结构产生的脉冲波振幅小，频率高，衰减快，能量不足，传输距离有限。

如图2所示，CN98238548.X专利提供了一种固井用井下水力振动脉冲发生器。该发明是一种固井用井下水力脉冲发生器，由进、出口接头、本体、转子、主轴、轴承组成。其工作原理是直接连接在套管柱下端，流体通过本体通道时，冲击转子转动，带动流体截面周期性改变，产生周期性脉冲震荡波。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

1）脉冲震荡波频率可控性差。

2）只靠转子旋转产生的脉冲波没有经过放大器放大，振幅小，衰减快，能量不足，无法远距离传输。

如图3所示，CN200610081406.2专利提供了一种脉冲振动产生装置及方法。该发明是一种地面脉冲振动产生装置，由空气压缩机、储气罐、控制显示采集系统、余压调节装置和加压灌组成。其工作原理是通过压缩机加压气体流过余压调节装置与控制显示采集系统，推动加压灌中液体往复运动，在加压灌的出口实现脉冲振动。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

结构复杂，需要独立的脉冲发生动力源。

如图4所示，CN200620167280.6专利提供了一种水力脉冲振动固井引鞋。该发明是一种通过液体流过多级串联的孔径和自激反射锥形体，使流体产生自激震荡，并冲击压缩振动滑块，共同形成振动脉冲波的装置。其工作原理是直接连接在套管柱底部，流体流过不同孔径与腔室，自激振动，冲击带有弹簧振动滑块，共同产生振动脉冲波。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

1）激荡孔径串联，易发生堵塞。

2）孔径变化与激荡腔产生的脉冲波振幅小，衰减快，能量不足，无法远距离传输。

3）脉冲波振幅与振动频率可控性差。

如图5所示，CN200920110259.6专利提供了一种振动固井用压力波发生装置。该发明是一种井下水力脉冲振动发生器，主要由缸体、导流体、主动轮、连接轴、阀轮、阀座、支撑环、喷嘴、反射引斜体组成。其工作原理是流体经过主动轮进入常开流道，主动轮在水力冲击下旋转，带动阀轮旋转，使阀控通道处于周期性开关状态，产生水击作用，经过反射引斜体反射后，形成脉冲振动波。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

1）结构复杂，流通孔径小，易堵塞，可靠性差。

2）脉冲波振幅与振动频率可控性差。

如图6所示，CN200320129576.5专利提供了一种水力脉冲振动器。该发明是一种通过液体流过孔径，使流体冲击叶轮旋转，带动液体旋转，并上下振动，共同形成振动脉冲波的装置，由分流罩、涡轮、复位弹簧、上振动偏、滑柱、下振动片和壳体组成。其工作原理是直接连接在套管柱上，流体经分流罩孔径冲击叶轮，使之旋转，同时轴向移动，共同产生振动脉冲波。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

1）脉冲波振幅与振动频率可控性差。

2）涡轮轴向旋转是均匀的，不利于水力脉冲振动波的振幅增加。

如图7a、图7b所示，US005152342A专利提供了一种固井振动装置及方法。该发明是一种通过液体流过孔径，带动芯体偏转转同，使流体产生自激震荡，在偏转转动与孔径紊流的共同作用形成振动脉冲波的装置。其工作原理是直接连接在套管柱底部，流体流过不同孔径带动芯体作偏心旋转，自激振动，形成脉冲。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

1）脉冲波振幅与振动频率可控性差。

2）结构复杂，加工困难。

3）脉冲波振幅小，传输距有限。

如图8所示，《天然气工业》中刊登了一篇名为《新型井下低频水力振动固井装置的研制》的论文。本文介绍的是一种通过注水泥过程中阀体的轴向运动产生水力脉冲的水力脉冲振动注水泥装置，主要由套管本体、阀座、阀体、阀套、喷嘴和弹簧组成。其工作原理是连接在套管管柱上，流体经过过流孔进入套管腔，再经过喷嘴流出阀座，产生压降，压差作用力推动阀体向上运动，溢流孔打开，流体流出，压差消失，阀体下降，关闭溢流孔，周而复始的产生脉冲波。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

振动波振幅与频率受喷嘴大小与弹簧刚度系数影响大，难控制。

如图9所示，《中国石油大学学报》中刊登了一篇名为《水力脉冲振动注水泥装置的设计与试验》的论文。本文介绍的是一种通过柱塞上下压差轴向移动与小孔节流产生脉冲的水力脉冲振动注水泥装置，主要由缸体、弹簧、柱塞、承托座组成。其工作原理是流体通过柱塞后，上下产生压差，压缩弹簧下行，泄压孔、泄流孔依次打开，环空压力升高，柱塞上下压差降低，弹簧推动柱塞复位，周而复始的产生脉冲波。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

施工过程振动波的振幅与频率可控性差。

如图10所示，《复杂油气藏》中刊登了一篇名为《新型涡轮式井下径向振动固井装置的研究与应用》的论文。本文介绍的是一种通过液体流过分流孔径，使流体冲击叶栅旋转，带动液体旋转，形成振动脉冲波的装置，主要由外筒、承托盘、叶栅、偏心转子与心轴组成。其工作原理是流体通过分流孔，冲击叶栅旋转，带动液体旋转，旋转的液体冲击偏心转子旋转，产生振动，形成水力脉冲震荡波。

由于其结构组成和工作原理，使其存在以下不足：

1）叶栅与偏心转子分离，串联件多，结构复杂。

2）施工过程振动波的振幅与频率可控性差。

现有井下振动固井装置存在频率可控性差、压力波动幅度小、易出现过流通道堵塞而导致装置失效、可靠性差等问题。并且，在现有的井下振动固井技术中，还没有一种在相同的固井顶替排量下，可控制调节脉冲震荡波的振动频率与振幅。

发明内容

为了解决现有技术中的振动固井装置脉冲震荡波的振动频率与振幅不可控制的问题，以更好的提高固井质量，本发明提供了一种固井频率可控式振动器及其使用方法。

本发明的设计方案如下：

固井频率可控式振动器，包括外壳7，其特征在于：

振动器包括引流接头1、限流球2、基座3、叶轮5以及导流孔8；

基座3为一段中空变径管体，其外壁下端固接在外壳7内壁上，其外壁上端与外壳7内壁之间形成外环空；

引流接头1固接在的基座3上端，引流接头1内表面与基座3上端共同组成漏斗形锥面，作为限流球2的球座，限流球2坐封在所述球座内。

叶轮5固接在基座3中部外壁上，并设置在导流孔8上方，叶轮5包含一组叶片。

基座3变径区域的外壁上设有台阶，基座3下端外壁通过螺纹与外壳7内壁固定连接；导流孔8设置在叶轮5的下面；即在基座3的台阶端面上沿轴向贯通设置有导流孔8。

振动器还包括轴承6和轴承盖4；叶轮5通过轴承6固定在基座3的外壁上，轴承盖4覆盖在轴承6与叶轮5的轴孔上方，并固接在基座3外壁上。

叶轮5上设有一组叶片，一组叶片围绕振动器的中心轴线均匀分布。

叶片数量为3片，且形状为两小一大。

为了增大基座3外环空中的液体流量，引流接头1的外壁表面轴向上设有一组引流槽10。

在具体实施中：

叶轮5的转速为1500-2100r/min。

导流孔8的孔径范围为Φ10-15mm。

引流接头1通过螺纹固定在基座3上端。

外壳7的上下两端有套管螺纹，可与套管连接。

振动器可连接在浮箍上方，随管柱入井。

固井频率可控振动器的使用方法，其特征在于：

在固井循环或顶替时，向振动器中注入液体，大部分液体经过限流接头1流至基座3的内孔9。

投入限流球2，使其坐封在引流接头1的漏斗形锥面中，并封堵住内孔9，液体经过限流接头1上的引流槽10流经外环空，并冲击叶轮5上的叶片。

形状各异的叶片在液体冲击下产生不均衡的旋转运动，并带动液体沿径向振动，再经过导流孔8放大振动效果；使得液体流经引流槽10的流速增大，叶片受液体冲击产生的转速增加，振动器的振动波频率与振幅也相应增大，实现了在相同液体排量下振动频率的可控性。

本发明带来的有益效果如下：

本发明安装在入井管串底部，在洗井、注浆、替浆等工艺过程中，液体冲击可控振动器，使之均处于工作状态；在替浆过程中，可根据实际需求，在不改变液体排量的前提下，通过投限流球改变液体通过振动器的流道通径大小而达到控制振动器产生不同振动频率的目的，进而提高振动效果。在不同频率振动的作用下，套管柱内液体产生不同频率的振动，振动波冲击套管柱和冲刷井壁上的泥饼，震实固井水泥浆，消除气泡，从而提高固井液顶替效率，有利于水泥环与套管柱和井壁胶结，为提高固井胶结质量奠定基础，同时强化了水泥石密实度，有效地提高封隔质量。

本发明具有以下显著的特点：

1）通过投限流球或改变排量调节振动频率，施工简单可靠，便于应用推广。

2）装置结构简单、性能可靠、操作容易。

附图说明

图1为现有技术1的结构示意图；

图2为现有技术2的结构示意图；

图3为现有技术3的结构示意图；

图4为现有技术4的结构示意图；

图5为现有技术5的结构示意图；

图6为现有技术6的结构示意图；

图7a为现有技术7的结构示意图I；

图7b为现有技术7的结构示意图II；

图8为现有技术8的结构示意图；

图9为现有技术9的结构示意图；

图10为现有技术10的结构示意图；

图11为本发明的固井可控振动器的结构介意图；

图12为图11的A-A向俯视图；

图13为图11的B-B向俯视图。

附图编号说明：

1-引流接头；2-限流球；3-基座；4-轴承盖；5-叶轮；6-轴承；7-外壳；8-导流孔；9-内孔；10-引流槽。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

具体实施方式

如图11所示，固井频率可控式振动器，包括引流接头1、限流球2、基座3、叶轮5、外壳7以及导流孔8；

基座3为一段中空变径管体，其外壁下端固接在外壳7内壁上，其外壁上端与外壳7内壁之间形成外环空；

引流接头1通过螺纹固定连接在的基座3上端，引流接头1内表面与基座3上端共同组成漏斗形锥面，作为限流球2的球座，限流球2坐封在所述球座内。

叶轮5固接在基座3中部外壁上，并设置在导流孔8上方，叶轮5包含一组叶片。

基座3变径区域的外壁上设有台阶，基座3下端外壁通过螺纹与外壳7内壁固定连接；导流孔8设置在叶轮5的下面；即在基座3的台阶端面上沿轴向贯通设置有导流孔8。

振动器还包括轴承6和轴承盖4；叶轮5通过轴承6固定在基座3的外壁上，轴承盖4覆盖在轴承6与叶轮5的轴孔上方，并固接在基座3外壁上。

叶轮5上设有一组叶片，一组叶片围绕振动器的中心轴线均匀分布。

叶片数量为3片，且形状为两小一大。

引流接头1的外壁表面轴向上设有一组引流槽10。

叶轮5的转速为2100r/min。

导流孔8的孔径范围为Φ15mm。

固井频率可控振动器的使用方法如下：

在固井循环或顶替时，向振动器中注入液体，大部分液体经过限流接头1流至基座3的内孔9。

投入限流球2，使其坐封在引流接头1的漏斗形锥面中，并封堵住内孔9，液体经过限流接头1上的引流槽10流经外环空，并冲击叶轮5上的叶片。

形状各异的叶片在液体冲击下产生不均衡的旋转运动，并带动液体沿径向振动，再经过导流孔8放大振动效果；使得液体流经引流槽10的流速增大，叶片受液体冲击产生的转速增加，振动器的振动波频率与振幅也相应增大。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (7)

1.固井频率可控式振动器，包括外壳(7)，其特征在于：

所述振动器包括引流接头(1)、限流球(2)、基座(3)、叶轮(5)以及导流孔(8)；

所述基座(3)为一段中空变径管体，其外壁下端固接在所述外壳(7)内壁上，其外壁上端与所述外壳(7)内壁之间形成外环空；

所述的引流接头(1)固接在所述的基座(3)上端，所述引流接头(1)内表面与所述基座(3)上端共同组成漏斗形锥面，作为所述限流球(2)的球座，所述的限流球(2)坐封在所述球座内；所述引流接头(1)的外壁表面轴向上设有一组引流槽(10)；所述叶轮(5)固接在所述基座(3)中部外壁上，并设置在所述导流孔(8)上方，所述叶轮(5)包含一组叶片。

2.根据权利要求1所述的固井频率可控式振动器，其特征在于：

所述基座(3)变径区域的外壁上设有台阶，所述基座(3)下端外壁通过螺纹与所述外壳(7)内壁固定连接；所述导流孔(8)设置在所述叶轮(5)的下面；即在所述基座(3)的台阶端面上沿轴向贯通设置有所述导流孔(8)。

3.根据权利要求1或2所述的固井频率可控式振动器，其特征在于：

所述振动器还包括轴承(6)和轴承盖(4)；所述叶轮(5)通过轴承(6)固定在所述基座(3)的外壁上，所述轴承盖(4)覆盖在所述轴承(6)与叶轮(5)的轴孔上方，并固接在所述基座(3)外壁上。

4.根据权利要求1所述的固井频率可控式振动器，其特征在于：

所述的叶轮(5)上设有一组叶片，一组所述叶片围绕所述振动器的中心轴线均匀分布。

5.根据权利要求1或4所述的固井频率可控式振动器，其特征在于：

所述叶片数量为3片，且形状为两小一大。

6.根据权利要求1或2所述的固井频率可控式振动器，其特征在于：

所述叶轮(5)的转速为1500-2100r/min；

所述导流孔(8)的孔径范围为Φ10-15mm。

7.根据权利要求1所述的固井频率可控式振动器的使用方法，其特征在于：

在固井循环或顶替时，向所述振动器中注入液体，大部分液体经过所述限流接头(1)流至所述基座(3)的内孔(9)；

投入所述限流球(2)，使其坐封在所述引流接头(1)的漏斗形锥面中，并封堵住所述内孔(9)，液体经过所述限流接头(1)上的引流槽(10)流经外环空，并冲击所述叶轮(5)上的叶片；

形状各异的所述叶片在液体冲击下产生不均衡的旋转运动，并带动液体沿径向振动，再经过所述导流孔(8)放大振动效果；使得所述液体流经所述引流槽(10)的流速增大，所述叶片受所述液体冲击产生的转速增加，所述振动器的振动波频率与振幅也相应增大。