CN108590572B - 一种负脉冲压力波发生器及固井装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负脉冲压力波发生器，包括基座、压力波发生机构和第一外筒，基座上设有动力部，动力部与压力波发生机构连接，第一外筒套设在动力部和压力波发生机构外侧并与基座固定连接；压力波发生机构与第一外筒间设有密封件；压力波发生机构包括顶盖、底板和第二外筒，顶盖、底板和第二外筒三者密封形成一空压舱，第二外筒侧壁上设有第一通孔和密封轴，密封轴将第一通孔密封；动力部能够驱动压力波发生机构沿第一外筒轴向运动，当空压舱位于第一外筒外部时，在空压舱内外压力差的作用下，密封轴能够向第二外筒内移动，从而打开空压舱。该设备可靠性好、定位精确性高。本发明还提供了一种含有负脉冲压力波发生器的固井装置。

Description

一种负脉冲压力波发生器及固井装置

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，特别是涉及一种负脉冲压力波发生器及含有负脉冲压力波发生器的固井装置。

背景技术

固井作业属于油气勘探开发过程中重要的一个环节，固井作业质量不好轻则导致油井寿命缩短，重则造成巨大的生命财产损失、环境污染等问题。

固井胶塞在固井作业中起到隔离固井水泥浆和钻井液的作用，其作用机理是固井胶塞在钻井液的压力作用下向套管底部运动，而套管中的水泥会随着胶塞的运动被顶入到套管—井眼环空中，当胶塞到达套管底部时，胶塞会与套管底部产生做封，不再向下移动，在这一作封过程中会产生一压力波，事实上在传统固井作业过程中，现场即是通过座封过程中产生的压力波动及钻井液的消耗量来判断座封是否到位，但在实际作业过程中由于固井胶塞密封部位的唇形橡胶盘有可能出现翘曲、破损等现象，钻井液会通过胶塞翘曲或破损的地方进入套管-井眼环空，从而造成座封过程压力波动不明显，通过压力波动及钻井液注入量监测胶塞是否到位失效。而注入过量的钻井液会将环空内的水泥浆顶出而出现替空的状况，导致固井失败或固井质量低，相反如果胶塞没有到达胶塞座时就停止替液，会造成部分的水泥留在套管内，造成物料浪费并增大下一步钻井过程中的作业量，因此，准确判断固井胶塞是否到达井底在固井作业过程中非常重要。

在传统的固井作业过程中，判断胶塞是否到达井底是通过观测胶塞落到套管底部座封的过程中井筒内压力变化及在地面计量注入井筒的钻井液量并与计算得到的井筒容积进行对比来判断胶塞是否到位。这种判断方式存在的问题是：一方面这一过程是单一的，观察过程中稍有不慎就可能错过，另一方面也存在胶塞翘曲或破损等现象，存在漏液或座封过程压力变化幅度小而无法有效监测的问题，从而使其失效。另外通过钻井液注入量与井筒容积比对的方式确定胶塞位置同样可能存在由于胶塞翘曲或破损导致的比对失效从而出现钻井液注入量过多或不足，影响固井质量。

在专利CN 204899846固井胶塞系统中，提出了一种固井胶塞系统，包括：固井胶塞及胶塞座，其中一者上设置有信号产生模块，另一者上设置有信号接收模块；压力压力波产生装置在信号接收模块收到信号产生模块发出的信号时产生压力波；压力压力波监测装置用于监测压力波。与传统方式相比，该系统是通过无线射频的方式来判断胶塞是否到位，然后触发压力波发生机构，通过引爆炸药来产生压力波，该压力波的强度是可预设的，同时可预设的是压力波的发生次数，这就避免了传统方式中压力波幅值不稳定且单一的问题。需要注意的是，该系统用到了大量的电子元器件，在使用过程中对密封性要求极为严格，尤其是随着井筒深度的增加，压力会越来越大，同时该系统采用无线射频作为信号发射和接受的方式，在井下受井底环境影响较大；最后该系统采用炸药爆炸产生压力波作为压力波发生机构，该方式一方面采用了炸药这一易爆危险品，其次对炸药量的控制也极为严格，量大会破坏密封，量小又无法形成有效的压力波，因此该固井胶塞系统略显复杂，且在使用过程中可靠性存在较大问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明旨在提供一种可靠性好、定位精确性高的压力波发生装置。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种负脉冲压力波发生器，包括：

基座，所述基座上设有动力部；

压力波发生机构，包括顶盖、底板和第二外筒，所述顶盖、所述底板和所述第二外筒三者密封形成一空压舱，所述第二外筒侧壁上设有第一通孔和密封轴，所述密封轴将所述第一通孔密封，所述压力波发生机构与所述动力部连接；

第一外筒，所述第一外筒套设在所述动力部和所述压力波发生机构外侧并与所述基座固定连接，所述第一外筒与所述压力波发生机构间设有密封件；

所述动力部能够驱动所述压力波发生机构沿所述第一外筒轴向运动，当所述空压舱位于所述第一外筒外部时，在所述空压舱内外压力差的作用下，所述密封轴能够向所述第二外筒内移动，从而打开所述空压舱。

优选地，所述第二外筒上设有剪切销，所述密封轴的径向设有通孔，所述密封轴通过所述剪切销穿过所述通孔与所述第二外筒连接。

优选地，所述第二外筒侧壁上还设有限位件，所述限位件与所述第二外筒内壁间设有弹簧，所述限位件与所述剪切销一端接触，所述限位件能够挤压所述弹簧，从而使所述剪切销失位。

优选地，所述密封轴为三个且沿所述第二外筒侧壁上均匀布置。

优选地，所述动力部包括滚珠丝杠和第三外筒，所述第三外筒内设有电机和深度定位触发部，所述滚珠丝杠一端与所述电机连接，所述滚珠丝杠另一端与所述压力波发生机构的底板连接，所述深度定位触发部能够触发所述电机工作，从而驱动所述滚珠丝杠带动所述压力波发生机构相对所述第二外筒运动。

优选地，所述第二外筒内设有分隔管，所述分隔管的两端分别与所述底板和所述顶盖连接，所述底板上设有与所述分隔管配合的开孔；

所述滚珠丝杠包括丝杆和滚珠螺母，所述滚珠螺母与所述底板固定连接，所述丝杆一端与所述电机连接，所述丝杆另一端经所述滚珠螺母穿入所述分隔管。

优选地，所述第二外筒内设有至少一块分隔板，所述分隔板上设有供所述分隔管穿过的孔，所述分隔板与所述分隔管固定连接，所述空压舱被所述分隔板分隔成多个，每个所述空压舱对应的所述第二外筒侧壁上均设有密封轴，所述密封轴能够向所述第二外筒内移动，从而打开所述空压舱。

优选地，每个所述空压舱对应的所述第二外筒侧壁上均设有剪切销，所述密封轴的径向设有通孔，所述密封轴通过所述剪切销穿过所述通孔与所述第二外筒连接。

优选地，每个所述空压舱对应的所述第二外筒侧壁上均设有限位件，所述限位件与所述第二外筒内壁间设有弹簧，所述限位件与所述剪切销一端接触，所述限位件能够挤压所述弹簧，从而使所述剪切销失位。

第二方面，本发明提供一种固井装置，包括固井胶塞，还包括第一方面中提供的负脉冲压力波发生器，所述固井胶塞与所述负脉冲压力波发生器的基座底部连接。

本发明提供的负脉冲压力波发生器及含有负脉冲压力波发生器的固井装置，具有如下有益效果：

1、本发明可以根据作业精度要求，预先对压力波发出的深度进行设置；

2、本发明通过压力波发生机构的空压舱设计成多个，可以通过调节电机转速实现压力波发出频率的预设，定位精度高。

3、本发明可实现在固井作业过程中，在固井胶塞达到某一预定深度后通过不断产生的压力波动来相对精确的确定固井胶塞的下落深度，避免了传统作业方式中只能通过单次座封压力波动来定位导致的误判问题。

附图说明

图1为本发明实施例一负脉冲压力波发生器的结构示意图；

图2为图1中负脉冲压力波发生器中压力波发生机构的结构示意图图；

图3为实施例二中固井装置的结构示意图。

图中：

1.基座；2.压力波发生机构；21.顶盖；22.底板；23.第二外筒；24.空压舱；25.密封轴；26.剪切销；27.限位件；28.分隔管；29.分隔板；3.第一外筒；4.动力部；41.电机；42.深度定位触发部；43.丝杆；44.滚珠螺母；45.第三外筒；5.固井胶塞。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

此外，需要理解的是，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

实施例一

参考图1-2，本实施例提供的负脉冲压力波发生器，主要包括基座1、压力波发生机构2和第一外筒3；在基座1上设置有动力部4，动力部4与压力波发生机构2连接，第一外筒3套设在动力部4和压力波发生机构2外侧，并且第一外筒3与基座1通过螺栓固定连接；动力部4能够驱动压力波发生机构2沿第一外筒3轴向运动；压力波发生机构2包括顶盖21、底板22和第二外筒23，对顶盖21、底板22和第二外筒23间采用密封设计，使它们三者构成一个密闭的空间，从而形成一个空压舱24；在第二外筒23的侧壁上设有第一通孔和密封轴25，密封轴25用于密封第一通孔，当空压舱24位于第一外筒外部时，在空压舱24内外压力差的作用下，密封轴25能够朝向第二外筒23内部移动，从而将空压舱24打开，此时将会产生一个瞬间的压降，从而产生负脉冲，即产生压力波。对于密封轴25与第一通孔间的固定方式有很多种，如通过在两者间加入垫片，或者在第一通孔两端开设凹槽并加入与凹槽配合的卡簧等，但不管哪种固定方式，都需要保证在第二外筒23内外存在一定压力差的作用下，能够使密封轴25移动到第二外筒23内。在压力波发生机构2与第一外筒3间设有密封件；该密封件可以阻挡外部流体进入第一外筒3内，进而避免设备未到达预设深度时，使第二外筒23内外产生压力差。

在一些实施例中，在第二外筒23设有剪切销26，密封轴25的径向设有通孔，密封轴25通过剪切销26穿过密封轴25上的通孔与第二外筒23连接。可以在第二外筒23上的第一通孔周边开设一个凹槽，同时通过该凹槽朝向第一通孔的方向开设一个可以盛放剪切销26的孔，该孔贯穿第一通孔。剪切销26的剪切强度需要根据预设压力波发出深度所在的深度的压力进行设计，以使负脉冲压力波发生器到达预设深度时，剪切销26能够顺利被切断，使密封轴25移动到第二外筒23内，从而确保压力波发生机构2能够顺利产生压力波。

剪切销26切断有时会失效，使得负脉冲压力波发生器不能正常工作，因此，在一些实施例中，在第二外筒23侧壁上还设有限位件27，限位件27与第二外筒23内壁间设有弹簧，限位件27与剪切销26下端接触。当第二外筒23内外存在压力差时，限位件27会挤压弹簧，导致剪切销26失位，从而解除剪切销26对密封轴25的限制，使密封轴25在第二外筒23内外压力差的作用下移动到第二外筒23内。为使剪切销26顺利的脱落，在限位件27的下部可以设置一个凹槽，该凹槽可以用于接收脱落的剪切销26和/或用于安装剪切销26。

在一些实施例中，为确保负脉冲压力波发生器能够顺利产生压力波，可以沿第二外筒23侧壁均匀布置三个密封轴25，同时设置与密封轴25匹配的剪切销26和限位件27。对于密封轴25的数量，使用者可以根据实际情况进行增减。

在一些实施例中，动力部4包括滚珠丝杠和第三外筒45。在第三外筒45内设有电机41、深度定位触发部42和用于为电机提供电源的电池。滚珠丝杠一端与电机41连接，另一端与压力波发生机构的底板22连接。深度定位触发部42主要由加速度传感器及解算芯片构成，用于定位设备在井下的位置，并在设备到达井下预设深度后发出触发信号，使电机41开始工作。

在一些实施例中，在第二外筒23内设有分隔管28，分隔管28的两端分别与压力波发生机构的底板22和顶盖21连接。在压力波发生机构的底板22上设有与分隔管28的配合的开孔。分隔管28与底板22和顶盖21间均采用密封设计，以使压力波发生机构2能保持有密封的空压舱24。

滚珠丝杠包括丝杆43和滚珠螺母44，滚珠螺母44与压力波发生机构的底板22固定连接，丝杆43的一端与电机41连接，丝杆41的另一端经滚珠螺母44穿入到分隔管28中。

当负脉冲压力波发生器到达预设位置时，深度定位触发部42触发电机41工作，丝杆43在电机41的驱动下发生转动，进而驱动压力波发生机构2相对第一外筒3运动；当压力波发生机构2上的密封轴25移动到第一外筒3外时，密封轴25会在第二外筒23内外的压力差作用下向第二外筒23内部移动，在这一过程中，剪切销26会被切断，从而使密封轴25完全进入到第二外筒23内，在密封轴25进入第二外筒23内的瞬间，空压舱24被完全打开，此时由于第二外筒23内外存在压力差，所以会产生一个瞬时的压降，从而产生负脉冲，即产生压力波。

在一些实施例中，在第二外筒23内还设有至少一块分隔板29，在每个分隔板29上设有供分隔管28穿过的孔，分隔管28穿过分隔板29上的孔与分隔板29固定连接。顶盖21、底板22和第二外筒23三者形成的的大空压舱被分隔板分隔成多个小空压舱，其中在每个小空压舱所对应的第二外筒的侧壁上均设有密封轴、剪切销和限位件。这种设计具有以下有益效果：

1、压力波发生机构在相对第二外筒运动时，多个空压舱能够逐级被打开，进而产生多次压力波；

2、还可以通过调整电机的转速，来控制丝杆驱动压力波发生机构相对第一外筒的运动速度，进而调整压力波产生的频率；

3、可以避免具有单个空压舱的负脉冲压力波发生器失效的风险。

为确保负脉冲压力波发生器能够正常工作，最好对其各个部件间连接位置采取密封设计。

本发明提供的负脉冲压力波发生器在工作时，可以根据工作要求预设压力波发出深度及频率，同时更新控制程序，确定电机41触发深度，当设备下落至预定深度后，电机41在控制系统的作用下开始工作，通过丝杆43推动压力波发生机构2与第一外筒3间产生相对运动，密封轴25在流体作用下，优先选择切断剪切销26的方式来瞬间打开，导致流体瞬间进入空压舱24中，产生一瞬间的压力降，从而产生负脉冲，即产生压力波。当只需要根据一次压力波来测量时，只需设置单个空压舱24的压力波发生机构即可；而当需要根据多次压力波来测量时，只需对空压舱24进行多级组合即可，此时压力波发生机构2在丝杆43的驱动下相对基座自下而上移动，多个空压舱24这一过程中会逐级打开，进而产生多次压力波。当剪切销26的切断失效时，亦可在压力作用下推开限位件27，使剪切销26下滑失位，从而促使密封轴25打开，产生压力波，而地面压力波接收及解调系统即可通过这一过程中产生的压力波动进行解算，从而确定压力波发生深度，精确定位设备的实际下落位置。

该负脉冲压力波发生器可根据作业精度的要求，预先对初始压力波发出深度进行设置，并通过调节电机转速实现后续压力波发出频率的预设，定位精度高，该设备还可实现作业过程中，在设备达到某一预定深度后通过不断产生的压力波动来相对精确的确定设备的下落深度，避免了传统作业方式中只能通过单次座封压力波动来定位导致的误判问题。

本发明提供的负脉冲压力波发生器可以用于一些需要通过监测压力波动来判断物体位置的场所。

实施例二

参考图3，本实施例提供了一种具有实施例一中负脉冲压力波发生器的固井装置，其包括固井胶塞5和实施例一中的负脉冲压力波发生器，固井胶塞5与负脉冲压力波发生器的基体1的底部固定连接。

该固井装置可在固井胶塞下落至某一深度后每隔一段时间即产生一压力波动，从而在地面上的压力波接收及解调系统可精确判断出固井胶塞的当前位置，从而与预设座封位置进行比对判断，确定其是否到位，从而有效确定固井胶塞的井下位置，减少误判产生的钻井液注入不足或过量，提高固井质量。

以上对本发明所提供的负脉冲压力波发生器及含有负脉冲压力波发生器的固井装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种负脉冲压力波发生器，其特征在于，包括：

基座，所述基座上设有动力部；

压力波发生机构，包括顶盖、底板和第二外筒，所述顶盖、所述底板和所述第二外筒三者密封形成一空压舱，所述第二外筒侧壁上设有第一通孔和密封轴，所述第一通孔两端开设凹槽并加入与所述凹槽配合的卡簧，所述密封轴将所述第一通孔密封，所述压力波发生机构与所述动力部连接；

第一外筒，所述第一外筒套设在所述动力部和所述压力波发生机构外侧并与所述基座固定连接，所述第一外筒与所述压力波发生机构间设有密封件；

所述动力部包括滚珠丝杠和第三外筒，所述第三外筒内设有电机和深度定位触发部，所述深度定位触发部包括加速度传感器及解算芯片，所述滚珠丝杠一端与所述电机连接，所述滚珠丝杠另一端与所述压力波发生机构的底板连接，所述深度定位触发部能够触发所述电机工作，从而驱动所述滚珠丝杠带动所述压力波发生机构相对所述第一外筒运动；

所述动力部能够驱动所述压力波发生机构沿所述第一外筒轴向运动，当所述空压舱位于所述第一外筒外部时，在所述空压舱内外压力差的作用下，所述密封轴能够向所述第二外筒内移动，从而打开所述空压舱。

2.如权利要求1所述的负脉冲压力波发生器，其特征在于，所述第二外筒上设有剪切销，所述密封轴的径向设有通孔，所述密封轴通过所述剪切销穿过所述通孔与所述第二外筒连接。

3.根据权利要求2所述的负脉冲压力波发生器，其特征在于，所述第二外筒侧壁上还设有限位件，所述限位件与所述第二外筒内壁间设有弹簧，所述限位件与所述剪切销一端接触，所述限位件能够挤压所述弹簧，从而使所述剪切销失位。

4.根据权利要求3所述的负脉冲压力波发生器，其特征在于，所述密封轴为三个且沿所述第二外筒侧壁上均匀布置。

5.根据权利要求1所述的负脉冲压力波发生器，其特征在于，所述第二外筒内设有分隔管，所述分隔管的两端分别与所述底板和所述顶盖连接，所述底板上设有与所述分隔管配合的开孔；

所述滚珠丝杠包括丝杆和滚珠螺母，所述滚珠螺母与所述底板固定连接，所述丝杆一端与所述电机连接，所述丝杆另一端经所述滚珠螺母穿入所述分隔管。

6.根据权利要求5所述的负脉冲压力波发生器，其特征在于，所述第二外筒内设有至少一块分隔板，所述分隔板上设有供所述分隔管穿过的孔，所述分隔板与所述分隔管固定连接，所述空压舱被所述分隔板分隔成多个，每个所述空压舱对应的所述第二外筒侧壁上均设有密封轴，所述密封轴能够向所述第二外筒内移动，从而打开所述空压舱。

7.根据权利要求6所述的负脉冲压力波发生器，其特征在于，每个所述空压舱对应的所述第二外筒侧壁上均设有剪切销，所述密封轴的径向设有通孔，所述密封轴通过所述剪切销穿过所述通孔与所述第二外筒连接。

8.根据权利要求7所述的负脉冲压力波发生器，其特征在于，每个所述空压舱对应的所述第二外筒侧壁上均设有限位件，所述限位件与所述第二外筒内壁间设有弹簧，所述限位件与所述剪切销一端接触，所述限位件能够挤压所述弹簧，从而使所述剪切销失位。

9.一种固井装置，包括固井胶塞，其特征在于，还包括如权利要求1至8中任一所述的负脉冲压力波发生器，所述固井胶塞与所述负脉冲压力波发生器的基座底部连接。