CN112983346B - 一种振动参数可调的随行智能固井装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动参数可调的随行智能固井装置，包括振动头，振动头包括金属壳体、振动执行模块、定位模块、程控处理器和电源模块，金属壳体密闭，振动执行模块、定位模块、程控处理器和电源模块均设置在金属壳体内；振动执行模块包括振动轮和能够驱动振动轮振动的调速电机，定位模块包括电子陀螺仪和与电子陀螺仪电连接的数据采集处理电路，调速电机和数据采集处理电路分别与程控处理器电连接，调速电机、电子陀螺仪、数据采集处理电路和程控处理器分别与电源模块电连接。振动参数可调的随行智能固井方法，将控制策略程序写入到程控处理中，振动头下行过程中根据不同的位置调整振动执行模块的频率。本发明提高了固井效果。

Description

一种振动参数可调的随行智能固井装置及方法

技术领域

本发明涉及石油钻井完井技术领域，特别是涉及一种振动参数可调的随行智能固井装置及方法。

背景技术

振动固井是完井过程中必须进行的一个步骤，公知的方法有井底流体机械式振动，或是井口机械式振动,这些方法是通过在井上加载振动波，通过流体或水泥头将振动波传递到井下，由于振动波受到很大的阻尼，能传递到井下的振动能量有限，而且越接近井底，振动的固化效果也越差，使用的效果较差。

申请号为201110035683.0的专利公开了一种随行振动固井方法，其采用一个带有橡胶套塞的振动头预置于水泥头中，该装置中振动波是由一个带有偏心转子的调速电机产生，当前置液和水泥浆注入完成后，开始用顶替液推动振动头在油层套管中下行，推动前置液和水泥浆进入固井部位。而且，在下行运动的同时，调速电机旋转发出振动波，使井壁发生谐振，使水泥浆得到紧实。该方法中，控制调速电机运动模式的程序是需要靠电脑事先写入振动头中的程序处理器中，振动开始的触发信号靠一个水敏开关触发，当顶替液开始注入时，水敏开关就被触发，程序开始计时，根据替换液的注入速度，估算出振动头所在的部位，来完成随行振动和最终振动的停止。该方法属于一种开环的控制方法，振动头的位置完全是靠计算值预设，工作参数不可中间进行调整。在实际应用时，有时用于胶塞封闭不住高压注入的水泥浆，其中的水就可能返流到振动头的上部，使水敏开关被误触发，这就会导致后续的随行振动程序被误执行，导致该井的振动固化过程发生错误，使固化效果无法得到保障。该方法的另一问题是振动头位置的判定完全是靠时间控制，实际操作过程中，由于井下水泥浆的注入阻力在不断变化，靠替换液推动的振动头不可能是匀速运动，这就会导致程序对位置的判定常常是不准确的，而后续又根据位置预设的振动模式也就会与该位置的需求不对应，也会影响到固井的实际效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动参数可调的随行智能固井装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高固井效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种振动参数可调的随行智能固井装置，包括振动头，所述振动头包括金属壳体、振动执行模块、定位模块、程控处理器和电源模块，所述金属壳体密闭，所述振动执行模块、所述定位模块、所述程控处理器和所述电源模块均设置在所述金属壳体内；所述振动执行模块包括振动轮和能够驱动所述振动轮振动的调速电机，所述定位模块包括电子陀螺仪和与所述电子陀螺仪电连接的数据采集处理电路，所述调速电机和所述数据采集处理电路分别与所述程控处理器电连接，所述调速电机、所述电子陀螺仪、所述数据采集处理电路和所述程控处理器分别与所述电源模块电连接。

优选的，所述金属壳体内还设置有与所述程控处理器电连接的蓝牙模块。

优选的，所述振动头设置在水泥头中，所述振动头通过橡胶套与所述水泥头密封连接，所述橡胶套套设在所述金属壳体上。

优选的，所述金属壳体的底端还设置有与所述程控处理器电连接的触碰头。

本发明还公开一种振动参数可调的随行智能固井方法，包括以下步骤：

(1)根据油井的钻井数据和油井尺寸数据，设计出本次固井振动所需要的工艺参数，并编制成控制策略程序；

(2)通过手机蓝牙与振动参数可调的随行智能固井装置中的蓝牙模块建立蓝牙通讯，并将所述控制策略程序写入到程控处理器；

(3)通过前置液和水泥浆通道在水泥头中注入前置液和水泥浆；

(4)将振动头放入水泥头中，通过顶替通道在水泥头中注入顶替液，抽出水泥头中的挡销，使顶替液推动所述振动头下行，同时，所述振动头开启振动工作模式；

(5)随着所述振动头的下行，定位模块不断地检测当前位置，并将位置信号实时发送给所述程控处理器，所述程控处理器中的所述控制策略程序在根据不同的位置信号，来触发和调整振动执行模块的工作状态，使所述振动执行模块输出符合对应的位置需求的振动波；

(6)待所述振动头接触到浮箍后，触碰头被触发并发送信号给所述程控处理器，所述程控处理器控制所述振动执行模块开启延时振动模式，直到水泥初凝前所述程控处理器控制所述振动执行模块停止振动，本次固井操作完成。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的振动参数可调的随行智能固井装置及方法有效提高了石油钻井完井的固井效果。本发明的振动参数可调的随行智能固井装置及方法通过振动头在井段的不同部位产生与井壁谐振的机械振动，来保证固井水泥浆的充满和紧实，提高和改善固井质量；本发明中的振动头具有位置检测功能，随时可根据位置调整振动执行模块的工作参数，获得符合不用井深要求的振动波，获得最佳的固井效果；振动头为全密封耐压结构，工作可靠性良好，具有更好的防爆性能；采蓝牙通讯写入程序，方便现场操作，且可以远传操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明振动参数可调的随行智能固井装置的结构示意图一；

图2为本发明振动参数可调的随行智能固井装置的结构示意图二；

其中：1、振动头；2、金属壳体；3、橡胶套；4、定位模块；5、程控处理器；6、电源模块；7、振动执行模块；8、顶替通道；9、前置液及水泥浆通道；10、水泥头盖；11、挡销；12、水泥头；13、连接水泥头短接；14、油层套管；15、井眼；16、水泥返高点；17、前置液；18、浮箍；19、浮鞋；20、井底。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种振动参数可调的随行智能固井装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高固井效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示：本实施例提供了一种振动参数可调的随行智能固井装置，包括振动头1，振动头1包括金属壳体2、振动执行模块7、定位模块4、程控处理器5和电源模块6。

其中，金属壳体2密闭且耐压，振动执行模块7、定位模块4、程控处理器5和电源模块6均设置在金属壳体2内；振动执行模块7包括振动轮和能够驱动振动轮振动的调速电机，通过调节调速电机的转速能够使振动轮振动轮以不同的频率振动；定位模块4包括电子陀螺仪和与电子陀螺仪电连接的数据采集处理电路，调速电机和数据采集处理电路分别与程控处理器5电连接，调速电机、电子陀螺仪、数据采集处理电路和程控处理器5分别与电源模块6电连接。

金属壳体2内还设置有与程控处理器5电连接的蓝牙模块，振动头1通过蓝牙模块能够与手机等电子设备建立蓝牙通讯，从而方便通过手机等电子设备为程控处理器5写入编译好的程序；需要说明的是，蓝牙模块的天线穿过金属壳体2上的通孔以伸在金属壳体2外面，避免金属壳体2对蓝牙模块的信号造成干扰，而蓝牙模块的天线与金属壳体2上的通孔之间密封连接。

振动头1设置在水泥头12中，振动头1通过橡胶套3与水泥头12密封连接，橡胶套3套设在金属壳体2上。在本实施例中，橡胶套3通过硫化工艺符合在金属壳体2上。橡胶套3具有可靠的隔绝和密封能力，保证顶替液不会进入到水泥浆，同时也要保证水泥浆中的水不会返流到顶替液中。

金属壳体2的底端还设置有与程控处理器5电连接的触碰头。振动头1与水泥头12中的浮箍18紧密接触时，触碰头会被触发，并发送信号给程控处理器5，从而辅助程控处理器5确认振动头1下行到了停止位置，此后程控处理器5会控制振动执行模块7进入延时振动模式，直到水泥初凝前所述程控处理器5控制所述振动执行模块7停止振动。

参见图1和图2，钻井包括水泥头盖10、水泥头12、连接水泥头短接13、油层套管14和井眼15，水泥头12呈中空的管状，水泥头12的底端通过连接水泥头短接13与油层套管14的顶端连接；水泥头12上设置有顶替通道8和前置液及水泥浆通道9，顶替通道8位于前置液及水泥浆通道9上方，在井底20中设置有浮箍18和浮鞋19，在水泥头12的中部设置有水平的挡销11，挡销11可插入也可抽出，挡销11用于对振动头1进行限位，当抽出挡销11后才能够使振动头1下行。需要注意的是，在不同的油井中油层套管14的底部可能弯曲出一个水平部，也可能油层套管14整体呈竖直状；如图1和图2示出了油层套管14的两种不同的形态。

本实施例还公开一种基于上述振动参数可调的随行智能固井装置的振动参数可调的随行智能固井方法，包括以下步骤：

(1)因此，所需要的最佳振动载荷和频率是根据振动头1的注入深度(即空间位置)而不断变化的。当井身及水泥头12尺寸、深度、材料一定时，振动头1所需要的振动参数是可以事先通过建模计算获得，故首先根据油井的钻井数据和油井尺寸数据，设计出本次固井振动所需要的工艺参数，并编制成控制策略程序；

(2)通过手机蓝牙与振动参数可调的随行智能固井装置中的蓝牙模块建立蓝牙通讯，并将控制策略程序写入到程控处理器5；

(3)通过前置液17和水泥浆通道在水泥头12中注入前置液17和水泥浆；

(4)将振动头1放入水泥头12中，通过顶替通道8在水泥头12中注入顶替液，抽出水泥头12中的挡销，使顶替液推动振动头1下行至水泥返高点16后，振动头1开启振动工作模式；随着振动头1的连续下行，由于水泥浆被不断地挤入到固井区域中，使被振动区域的质量在不断增加，固有频率也在不断地变化。(5)随着振动头1的下行，定位模块4不断地检测当前位置，并将位置信号实时发送给程控处理器5，程控处理器5中的控制策略程序在根据不同的位置信号，来触发和调整振动执行模块7的工作状态，使振动执行模块7输出符合对应的位置需求的振动波；

(6)待振动头1接触到浮箍18后，触碰头被触发并发送信号给程控处理器5，程控处理器5控制振动执行模块7开启延时振动模式，直到水泥初凝前程控处理器5控制振动执行模块7停止振动，本次固井操作完成。

本实施例振动参数可调的随行智能固井方法与传统的根据时间进行定位的粗略模式相比，具有更好的准确性和可靠性，也避免了因水敏开关被误触发所造成的定时错误和误动作。由于取消了水敏开关，振动头1就可以做成全封闭的结构，其耐压能力得到提高，且在油井下存在天然气的环境下，具有更好的防爆性能。本实施例振动参数可调的随行智能固井装置与传统的的随行固井振动头1的另一个区别是控制程序是通过手机蓝牙无线通讯写入的，这就可以避免在油井现场还要进行连线和安装电脑写入程序，而且可以实现远程操作。最终，随着振动头1不断下行，当水泥浆已经被全部挤出，当该装置在油层套管14底端碰压到浮箍18时，振动头1会停止下移，并继续维持振动一定时间后，最终停止。为了保证停止位置的准确性，除了根据定位装置测定的位置参数外，振动头1上还装有触碰头，可以对停止位置进行辅助确认，使振动头1进入延时振动模式，延迟振动一直延续到水泥初凝前停止工作，该次固井操作最终完成。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“水平”、“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的限制。

本说明书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方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种振动参数可调的随行智能固井装置，其特征在于：包括振动头，所述振动头包括金属壳体、振动执行模块、定位模块、程控处理器和电源模块，所述金属壳体密闭，所述振动执行模块、所述定位模块、所述程控处理器和所述电源模块均设置在所述金属壳体内；所述振动执行模块包括振动轮和能够驱动所述振动轮振动的调速电机，所述定位模块包括电子陀螺仪和与所述电子陀螺仪电连接的数据采集处理电路，所述调速电机和所述数据采集处理电路分别与所述程控处理器电连接，所述调速电机、所述电子陀螺仪、所述数据采集处理电路和所述程控处理器分别与所述电源模块电连接；所述金属壳体内还设置有与所述程控处理器电连接的蓝牙模块；所述金属壳体的底端还设置有与所述程控处理器电连接的触碰头；所述程控处理器能够根据所述定位模块所检测到的位置信号，来触发和调整振动执行模块的工作状态，使所述振动执行模块输出所述振动头所在位置所需求的振动波。

2.根据权利要求1所述的振动参数可调的随行智能固井装置，其特征在于：所述振动头设置在水泥头中，所述振动头通过橡胶套与所述水泥头密封连接，所述橡胶套套设在所述金属壳体上。

3.一种振动参数可调的随行智能固井方法，其特征在于，基于权利要求1或2所述的振动参数可调的随行智能固井装置，包括以下步骤：

(1)根据油井的钻井数据和油井尺寸数据，设计出本次固井振动所需要的工艺参数，并编制成控制策略程序；

(2)通过手机蓝牙与振动参数可调的随行智能固井装置中的蓝牙模块建立蓝牙通讯，并将所述控制策略程序写入到程控处理器；

(3)通过前置液和水泥浆通道在水泥头中注入前置液和水泥浆；

(4)将振动头放入水泥头中，通过顶替通道在水泥头中注入顶替液，抽出水泥头中的挡销，使顶替液推动所述振动头下行，同时，所述振动头开启振动工作模式；

(5)随着所述振动头的下行，定位模块不断地检测当前位置，并将位置信号实时发送给所述程控处理器，所述程控处理器中的所述控制策略程序在根据不同的位置信号，来触发和调整振动执行模块的工作状态，使所述振动执行模块输出符合对应的位置需求的振动波；

(6)待所述振动头接触到浮箍后，触碰头被触发并发送信号给所述程控处理器，所述程控处理器控制所述振动执行模块开启延时振动模式，直到水泥初凝前所述程控处理器控制所述振动执行模块停止振动，本次固井操作完成。

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