CN104453761B - 压差往复式固井振动器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油固井领域。本发明提出了一种压差往复式固井振动器，包括：筒状本体，其端部与套管相连接；位于所述本体内并与其相连的筒状隔离单元；固定在所述隔离单元上的用于产生压差的调压机构；冲击体，所述冲击体通过弹性件与所述隔离单元相连，其中，当所述调压机构的流体通道开启时，所述冲击体处于第一位置，当所述调压机构的流体通道断开时，所述冲击体在水泥浆压力的作用下运动到处于第一位置的下游的第二位置。本发明还提出了一种使用固井振动器的方法。根据本发明的振动器和方法解决了井下振动可控性差、对套管产生扭矩作用，以及注浆通道堵塞失效等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油固井作业的振动器及方法，特别涉及一种压差往复式固井振动器及方法，属于石油固井领域。
背景技术
所谓振动固井技术，是指在水泥浆凝固前，对水泥浆采用机械振动、液压脉冲或水力冲击等不同方式使其产生振动，以提高固井质量的技术。20世纪90年代末，为了防止固井后油气水窜，借鉴建筑混凝土振动技术，美国哈勃曼(Haberman)等提出顶部水泥浆脉冲振动固井技术，即在注水泥结束后，从井口向环空中候凝阶段的水泥浆实施脉冲振动，使水泥浆保持低速运动状态，提高水泥浆交接后的抗压强度，从而消除水泥浆在凝固过程中的胶凝失重现象，改善第一、第二界面的胶结质量，防止固井后的环空气窜。
现阶段振动固井主要采取三种形式：置于套管接箍以下的井下水力脉冲发生器、地面机械敲击套管柱式振动装置和环空水泥候凝期间地面井口低频脉冲发生装置。其中，井下振动固井不需要增加地面工具与设备，便于现场注水泥施工，但是目前现有技术中所应用的井下振动发生器频率可控性差，对套管产生一定的扭矩作用，同时可能出现注浆通道堵塞失效等问题。
发明内容
针对现有技术中所应用的井下振动发生器频率可控性差，对套管产生一定的扭矩作用，同时可能出现注浆通道堵塞失效等问题，本发明的目的在于提出一种压差往复式固井振动器，其结构简单、零部件少，因此安装方便且性能稳定，大大提高了固井时效。
本文中所用的用语“上部”、“上游”、“上方”等指远离井底的一侧，同理，用语“下部”、“下游”、“下方”等指朝向井底的一侧。
本发明提出了一种压差往复式固井振动器，包括：筒状本体，其端部与套管相连接；位于所述本体内并与其相连的筒状隔离单元，所述隔离单元将所述本体内的空间分为处于径向内侧的第一腔体和处于径向外侧的第二腔体，所述隔离单元上设有第一通孔和相对于所述第一通孔处于下游的第二通孔；固定在所述隔离单元上的用于产生压差的调压机构，所述调压机构具有能够通断的流体通道，所述第二腔体通过所述第二通孔连通至所述调压机构下方的区域；冲击体，所述冲击体通过弹性件与所述隔离单元相连，其中，当所述调压机构的流体通道开启时，所述冲击体处于第一位置，所述冲击体挡住所述第一通孔而切断了所述第一腔体和所述第二腔体之间的流体互通，水泥浆通过所述第一腔体和所述调压机构的流体通道流出，当所述调压机构的流体通道断开时，所述冲击体在水泥浆压力的作用下运动到处于第一位置的下游的第二位置，所述第一通孔露出，使得来自所述第一腔体的一部分流体能够经所述第一通孔、所述第二腔体以及所述第二通孔流出。
根据本发明的压差往复式固井振动器，通过弹性件、冲击体和第一通孔的相互配合实现了通断流体的功能；再结合第三通孔和弹性件的弹力，有效利用流体的通断不断造成压差和缓解压差，反过来利用压差和弹性件的弹力影响冲击体的运动，使其不断振动产生振动波。同时，由于冲击体沿纵向运动，不会对套管产生扭矩作用，延长了套管的使用寿命，保证了井下施工安全。
在一个实施方案中，所述隔离单元包括隔压筒和筒状振动座，所述振动座流体密封式连接于所述隔压筒下方，所述调压机构包括与调压球相适配的流体密封式连接于所述振动座之内的筒状调压球座。振动座具有径向向内凸出的部分，可以限制冲击体的向下行程。调压机构可以通过下放调压球堵塞调压球座的流体通道来进行憋压。
在一个实施方案中，所述调压球座的上端顶靠所述振动座的径向向内凸出的部分，并且所述调压球座具有调压阀，用于调节第一腔体和第二腔体之间的压差，从而控制所述冲击体的振动频率和幅度。如此可以实现井下的可控式振动，解决了现有技术中的井下振动发生器频率、振幅可控性差的缺陷。
在一个实施例中，所述弹性件位于所述冲击体和所述隔压筒之间的第三腔体内，所述隔压筒上设置有位于所述第一通孔下游的第三通孔，所述第二腔体通过所述第三通孔与所述第三腔体连通。如此地，当水泥浆通过第二腔体时，会通过第三通孔进入第三腔体，这会平衡冲击体两侧的水泥浆压强。
在一个实施例中，所述第二通孔位于所述隔离单元的所述振动座上。如此布置可将第二腔体与调压机构的下部区域连通。
在一个实施例中，当所述冲击体处于第二位置时，所述冲击体与所述振动座相互接触。此时冲击体位于振动的下死点位置。
在一个实施例中，所述弹性件包括纵向设置的弹簧，所述弹簧下部连接于所述隔压筒的径向向内凸出的部分，上部连接于所述冲击体的径向向外凸出的部分。弹簧的压缩形变复原弹力提供冲击体上行运动的推动力。冲击体上返时，第三通孔将弹簧所在的第三腔体与第二腔体连通，保证了冲击体两侧的压差平衡，使得冲击体能够顺利上返。
在一个实施例中，所述隔离单元上部设置有环状的压环，所述压环相邻地连接于所述本体的轴向内侧，所述压环能够限制所述冲击体的向上行程。冲击体因此在压环和振动体之间往复运动。
在一个实施例中，所述调压球座通过剪切件与所述振动座相互固定，当所述剪切件承受的压力大于临界值时所述剪切件被剪断，从而使所述调压球座脱落。如此设计，在注浆通道堵塞失效时，可通过憋压保证通道通畅，避免事故灾难。
本发明还提出了一种使用所述固井振动器的方法，至少包括：
步骤1：将所述振动器的本体连接于浮箍上部，随同套管一同下入井内；
步骤2：在注水泥浆前或注水泥浆过程中，投入调压球；
步骤3：当调压球落入所述调压球座后，在压差和弹性件弹力的作用下，冲击体上下往复运动，产生振动波；
步骤4：注水泥结束，释放胶塞，替浆作业，完成碰压，结束固井作业。
根据本发明的压差往复式固井振动器，在投入调压球后，在冲击体上、下端面产生压差，通过导压孔(第一通孔)的开、关和弹性件的共同作用，实现冲击体的上下往复运动，在注水泥和替浆过程中产生振荡波，实现现场振动固井的目的。
同时，通过投球实现了振动时机和振动频率的可控，冲击器的运动方向使得避免了对套管的扭矩作用，达到井下产生振动波固井的目的。
同时，在调压球座和振动座之间设置剪切件，可以在通道阻塞时通过憋压切断剪切件，致使调压球座脱落，保证水泥浆通道顺畅，确保施工安全。
上述技术特征可以各种技术上可行的方式组合以产生新的实施方案，只要能够实现本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示意性显示了根据本发明的压差往复式固井振动器50。
在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将参照附图来详细地介绍本发明。
图1显示了根据本发明的压差往复式固井振动器50，用于产生井下振动波，固井振动器50的内腔为钻井液、水泥浆流动通道。
压差往复式固井振动器50包括筒状本体1。在一个实施例中，筒状本体1的端部与套管相连接。筒状本体1的两端可以设置有丝扣，通过丝扣直接与套管连接。
固井振动器50还包括位于所述本体1内并与其相连的筒状隔离单元，隔离单元将本体1内的空间分为处于径向内侧的第一腔体12和处于径向外侧的第二腔体13，隔离单元上设有第一通孔11和相对于第一通孔11处于下游的第二通孔10。
固井振动器50还包括固定在隔离单元上的用于产生压差的调压机构，调压机构具有能够通断的流体通道，第二腔体13通过第二通孔10连通至处于调压机构下方的区域。
在图1所示的实施例中，隔离单元包括隔压筒5和筒状振动座6，振动座6流体密封式连接于隔压筒5下方，而调压机构包括与调压球9相适配的流体密封式连接于振动座6之内的筒状调压球座8。调压球座8的上端顶靠振动座6的径向向内凸出的部分并且调压球座8具有调压阀14，用于调节第一腔体12和第二腔体13之间的压差，从而控制冲击体3(下面将详细介绍)的振动频率和幅度。第二通孔10可以位于隔离单元的振动座6上，以确保第二腔体13连通道调压球座8下部的区域。
固井振动器50还包括冲击体3，所述冲击体3通过弹性件4与所述隔离单元相连。在图1所示的实施例中，弹性件4包括纵向设置的弹簧，弹簧下部连接于隔压筒5的径向向内凸出的部分，上部连接于所述冲击体3的径向向外凸出的部分。
在一个实施方案中，当冲击体3处于第二位置时，冲击体3与振动座6相互接触。振动座6限制冲击体3的向下行程。
调压球9(其例如为钢球)是控制指令的传递媒介。当需要产生振动时，在井口投入调压球9，当调压球9在套管中下沉落入调压球座8后，堵塞调压球座8底部的主流通道以产生节流效应，使第二腔体13的流体压力低于第一腔体12的流体压力，靠内外流体压差推动冲击体3向下运动。
在隔离单元上部设置有环状的压环2，压环2相邻地连接于本体1的轴向内侧，压环2能够限制冲击体3的向上行程。压环2限定冲击体3运行的上死点，振动座6限定冲击体3运动的下死点。压环2与振动座6之间的距离为冲击体3振动的最大行程。
弹性件4位于冲击体3和隔压筒5之间的第三腔体16内，隔压筒5上设置有位于第一通孔11下游的第三通孔15，第二腔体13通过第三通孔15与所述第三腔体16连通，以平衡冲击体3两侧的压差。弹性件4是支撑冲击体3和产生复位力的主要部件，当冲击体3底端向下运行到振动座6所限的位置时，导压孔11露出，使得第二腔体13与第一腔体12相通，通过流体的流动平衡内外压力，直到冲击体3内外压差相等，然后弹性件4提供冲击体3向上的作用力，推动冲击体3向上运动。
冲击体3为产生振动波的主要部件，其位于压环2和振动座6之间。冲击体3可以为径向截面为T形的中空活塞，其上端面积大于下端面积，在投入调压球9之前，由弹性件4支撑冲击体3处于其上死点位置。
当调压机构的流体通道开启时，冲击体3处于第一位置，冲击体3挡住第一通孔11而切断了第一腔体12和第二腔体13之间的流体互通，水泥浆通过第一腔体12和调压机构的流体通道流出；当调压机构的流体通道断开时，冲击体3在水泥浆压力的作用下运动到处于第一位置的下游的第二位置，第一通孔11露出，使得来自第一腔体12的一部分流体能够经第一通孔11、第二腔体13以及第二通孔10流出。
在一个优选的实施例中，调压球座8通过剪切件7与振动座6相互固定，当所述剪切件7承受的压力大于临界值时所述剪切件7被剪断，从而使所述调压球座8脱落。剪切件7为振动器50的安全保护装置。万一发生堵塞，可以通过憋压剪断剪切件7，使调压球座8脱落，继续后续的固井作业。
本发明还提出了一种使用根据本发明的固井振动器50的方法，至少包括：
步骤1：将振动器的本体1连接于浮箍上部，随同套管一同下入井内；
步骤2：在注水泥浆前或注水泥浆过程中，投入调压球9；
步骤3：当调压球9落入所述调压球座8后，在压差和弹性件4弹力的作用下，冲击体3上下往复运动，产生振动波；
步骤4：注水泥结束，释放胶塞，替浆作业，完成碰压，结束固井作业。
本发明通过提供一种井下压差往复式固井振动器50，将其与套管串一同入井，在注水泥和替浆过程中完成振动固井作业。本发明通过投入调压球9来实现隔离单元内外的压差不均衡，在内外压差与弹性件4的共同作用下，实现冲击体3的上下往复振动。振动器50结构简单，可靠性高，具有如下优点：
1)投球振动时机可控，可以防止对套管不必要的损坏；
2)冲击体3上、下往复振动，避免产生对套管串的扭矩作用；
3)调压球座8的设置使得内外压差可控，因此振动参数可调，振动频率和振动幅度可按设计进行调整；
4)设计有防堵塞保护装置(在调压球座8和振动座6之间设置剪切件7)，可以通过剪掉球座8继续固井作业，避免堵塞。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.压差往复式固井振动器(50)，包括：
筒状本体(1)，其端部与套管相连接；
位于所述本体(1)内并与其相连的筒状隔离单元，所述隔离单元将所述本体内的空间分为处于径向内侧的第一腔体(12)和处于径向外侧的第二腔体(13)，所述隔离单元上设有第一通孔(11)和相对于所述第一通孔(11)处于下游的第二通孔(10)；
固定在所述隔离单元上的用于产生压差的调压机构，所述调压机构具有能够通断的流体通道，所述第二腔体(13)通过所述第二通孔(10)连通至所述调压机构下方的区域；
冲击体(3)，所述冲击体(3)通过弹性件(4)与所述隔离单元相连，
其中，当所述调压机构的流体通道开启时，所述冲击体(3)处于第一位置，所述冲击体(3)挡住所述第一通孔(11)而切断了所述第一腔体(12)和所述第二腔体(13)之间的流体互通，水泥浆通过所述第一腔体(12)和所述调压机构的流体通道流出，当所述调压机构的流体通道断开时，所述冲击体(3)在水泥浆压力的作用下运动到处于第一位置的下游的第二位置，所述第一通孔(11)露出，使得来自所述第一腔体(12)的一部分流体能够经所述第一通孔(11)、所述第二腔体(13)以及所述第二通孔(10)流出。
2.根据权利要求1所述的固井振动器，其特征在于，所述隔离单元包括隔压筒(5)和筒状振动座(6)，所述振动座(6)流体密封式连接于所述隔压筒(5)下方，所述调压机构包括与调压球(9)相适配的流体密封式连接于所述振动座(6)之内的筒状调压球座(8)。
3.根据权利要求2所述的固井振动器，其特征在于，所述调压球座(8)的上端顶靠所述振动座(6)的径向向内凸出的部分，并且所述调压球座(8)具有调压阀(14)，用于调节第一腔体(12)和第二腔体(13)之间的压差，从而控制所述冲击体(3)的振动频率和幅度。
4.根据权利要求2或3所述的固井振动器，其特征在于，所述弹性件位于所述冲击体(3)和所述隔压筒(5)之间的第三腔体(16)内，所述隔压筒(5)上设置有位于所述第一通孔(11)下游的第三通孔(15)，所述第二腔体(13)通过所述第三通孔(15)与所述第三腔体(16)连通。
5.根据权利要求2或3所述的固井振动器，其特征在于，所述第二通孔(10)位于所述隔离单元的所述振动座(6)上。
6.根据权利要求2或3所述的固井振动器，其特征在于，当所述冲击体(3)处于第二位置时，所述冲击体(3)与所述振动座(6)相互接触。
7.根据权利要求2或3所述的固井振动器，其特征在于，所述弹性件(4)包括纵向设置的弹簧，所述弹簧下部连接于所述隔压筒(5)的径向向内凸出的部分，上部连接于所述冲击体(3)的径向向外凸出的部分。
8.根据权利要求2或3所述的固井振动器，其特征在于，所述隔离单元上部设置有环状的压环(2)，所述压环相邻地连接于所述本体(1)的轴向内侧，所述压环(2)能够限制所述冲击体(3)的向上行程。
9.根据权利要求2或3所述的固井振动器，其特征在于，所述调压球座(8)通过剪切件(7)与所述振动座(6)相互固定，当所述剪切件(7)承受的压力大于临界值时所述剪切件(7)被剪断，从而使所述调压球座(8)脱落。
10.使用根据权利要求1到9中任一项所述的固井振动器的方法，至少包括：
步骤1：将所述振动器的本体(1)连接于浮箍上部，随同套管一同下入井内；
步骤2：在注水泥浆前或注水泥浆过程中，投入调压球(9)；
步骤3：当调压球(9)落入所述调压球座(8)后，在压差和弹性件弹力的作用下，冲击体(3)上下往复运动，产生振动波；
步骤4：注水泥结束，释放胶塞，替浆作业，完成碰压，结束固井作业。
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