CN203742544U - 一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置，用于解决现有技术中固井质量难以保障的技术问题。井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置包括缸体，设置于缸体上端的环状卡装挂耳，径向设置在缸体中上部侧壁并与缸体内部连通的泄压孔和泄流孔，四个对称设置在缸体下部侧壁并与缸体内部连通的过流槽，以及位于缸体内由上至下依次设置的活塞、复位弹簧和承托座；缸体、活塞和复位弹簧构成水力往复振动系统；入口流道、入口喷嘴、水力超声震荡腔和出口喷嘴构成一个产生水泥浆水力超声震荡的水力超声发生系统。本实用新型采用了基于水泥浆井下低频脉动耦合水力自激震荡超声处理，能有效提高固井质量的装置。

Description

一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置

技术领域

 本实用新型属于石油机械之固井井下工具类，具体的说，是涉及一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置。

背景技术

油气井固井是指在井内下入钢制套管，井筒和套管间注入油井水泥浆，实现地层的层间密封，利于后期可能的分层增产作业、分层开采、分层注水等，固井作业是一次性隐蔽工程。

目前，固井的质量问题较为常见，并且已经严重影响到油气井增产措施的实施和精细油气藏管理条件下的开发措施的实施，进而影响到油气田的高效开发。影响固井质量的因素很多，包括井眼准备、套管居中、水泥浆性能、注水泥顶替措施以及其它强化工艺措施。传统的工艺技术很难杜绝固井质量问题，且目前还没有行之有效的补救措施，其中，困扰油气田固井的突出技术问题是气井、存在高压油/水层的井的目标井段的套管－地层间环空的有效封固，应用常规工艺技术常出现质量问题。油/气/水窜为常见问题，其中主要原因之一在于水泥浆胶凝过程中，井筒液柱重量逐步转移到井壁、套管，作用于高压地层流体的井筒内液柱压力逐步降低，产生所谓的胶凝失重，而侯凝期间胶凝水泥浆较长时间段属于低强度凝胶，地层流体容易在压差异作用下侵入，并在重力差异作用下沿环空上行窜槽，影响地层－套管间环形空间的层间有效封隔。

提高固井质量主要研究的突破方向为如何有效抑制水泥浆胶凝失重导致的油/气/水窜，以及有效提高顶替效率问题。其中，改善水泥浆的稠化性能是抑制高压油/气/水窜的重点，在传统工艺的井眼精心准备、套管扶正基础上，目前主要依靠水泥外加剂调节水泥浆性能，其它技术还包括从工艺技术角度采用套管环空憋压、侯凝期间井口环空低频脉动、注浆期间井下水力振动、旋转套管和注浆期间活动套管等措施。在特殊井况下，完全依靠水泥浆外加剂难以有效解决窜槽问题；其次，提高顶替效率是提高固井质量的基础，注水泥浆、替水泥浆过程中要求水泥浆具有良好的流动性，油田注水泥要求泵送注入过程中流动阻力小，而水泥浆在套管/井眼间环形空间顶替泥浆就位后，则要求能在短时间内快速胶凝、形成较高强度凝胶结构。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单、实现方便、且能有效提高固井质量的井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了技术方案如下：

一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置，包括缸体，设置于缸体上端且外径大于缸体外径的环状卡装挂耳；径向设置在缸体中上部侧壁并与缸体内部连通的泄压孔和泄流孔，四个对称设置在缸体下部侧壁并与缸体内部连通的过流槽，以及位于缸体内由上至下由活塞、复位弹簧和紧固连接于缸体下部的承托座组成的机械振动系统；其中，活塞和承托座上均开设有供流体通过的通道，活塞中心设置有水力超声发生系统，缸体、活塞和复位弹簧构成一个用于产生水力低频脉动的水力往复振动系统。泄压孔和泄流孔均位于过流槽上方，泄压孔与泄流孔数量分别为4～6个，沿缸体壁径向均布，二者直径比约为0.5。

具体的说，所述活塞上，从上至下依次设置有相互连通的入口流道、入口喷嘴、具有碰撞壁的水力超声震荡腔以及出口喷嘴，入口流道、入口喷嘴、水力超声震荡腔和出口喷嘴即构成水力超声发生系统。

作为一种优选方式，入口喷嘴、水力超声震荡腔、出口喷嘴的尺寸参数设置如下：水力超声震荡腔与入口喷嘴的直径比为10～12，水力超声震荡腔长度与入口喷嘴直径比为2.3～2.6，出口喷嘴直径与入口喷嘴直径比为1.2～1.3，入口喷嘴的直径为20～30mm。进一步的，所述入口流道、入口喷嘴、水力超声震荡腔、出口喷嘴同轴设置。

碰撞壁为锥面，锥面的夹角α为110°～130°，进一步，优选的，α为120°左右时，震荡效果较好。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

（1）本实用新型采用了基于水泥浆井下低频脉动耦合水力自激震荡超声处理，在产生井下低频水力脉动的基础上，耦合了井下水力自激震荡超声处理，一方面，低频脉动能有效提高顶替效率，一定程度上改善水泥浆的稠化性能，另一方面，超声处理能加速水泥颗粒的分散，加速水化进程，进一步缩短水泥浆的初凝到终凝的过渡时间，进而抑制胶凝失重的影响，抑制高压地层流体的窜槽。

（2）本实用新型适应常规固井管柱强度、结构设计和注水泥工艺设计；相较于传统套管柱结构设计，使用本实用新型后不再需要使用套管浮鞋、碰压座，可有效保障固井碰压安全。

（3）本实用新型不仅结构简单，实现方便，而且可应用于气井、高压油井、封固段存在高压水层的开发井、注水井等的固井作业，适应常规注水泥固井工艺，适用范围广，为其大规模的推广应用，奠定了坚实的基础。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的安装示意图。

附图中对应的附图标记名称如下：1-环状卡装挂耳，2-活塞，3-水力超声震荡腔，4-泄压孔，5-碰撞壁，6-泄流孔，7-缸体，8-复位弹簧，9-过流槽，10-承托座，11－入口流道，12-入口喷嘴，13-出口喷嘴，14-套管扶正器，15-浮箍，16－井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置，17-套管鞋。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1、2所示，本实施例提供了一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置，从功能上可分为低频水力脉动发生机构和水力自激震荡超声发生机构两部分，在设计上两部分有机的结合为一体，主要包括缸体7以及由活塞2、复位弹簧8构成的水力往复振动系统等部分组成。本实用新型的工作原理如下：固井液流作用下，在产生井下低频水力脉动的基础上，耦合了对水泥浆的井下水力自激震荡超声处理，低频脉动能有效提高顶替效率，改善了水泥浆的稠化性能；超声处理能加速水泥颗粒的分散，加速水化进程，进一步缩短水泥浆的初凝到终凝的过渡时间，进而抑制胶凝失重的影响，抑制高压地层流体窜槽。

为了使得本领域技术人员对本实用新型的结构有更清晰的认识和了解，下面结合附图对本实用新型中各结构进行详细说明。

缸体上设有泄压孔4、泄流孔6，泄压孔4、泄流孔6数目为4～6个，位于缸体侧壁上并沿其轴向从上至下依次设置，二者均位于活塞2行程的上部，泄压孔与泄流孔直径比约为0.5。活塞上设有起到“通孔流道”作用的水力超声震荡腔3，复位弹簧的弹性系数、泄压孔、泄流孔位置与活塞“通孔流道”尺寸等设计均考虑到了油田正常工作排量和流体性能参数。

缸体7上端设有外径大于缸体7外径的环状卡装挂耳，其设计尺寸上刚好能嵌入API LC（长园）、STC（短圆）或BC（偏梯）生产套管接箍中（通常为φ127mm，或φ139mm，或φ177.8mm）。通过环状卡装挂耳将本实用新型卡装在固井套管浮箍之下，如图2所示，套管扶正器14下端连接浮箍16，浮箍16之下则连接井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置15，之下再连接套管鞋17。本实用新型可卡装于浮箍下面的API LC、STC或BC套管接箍中，如在气井中即使用了诸如VAM扣等特殊连接螺纹套管，因为浮箍以下为预留水泥塞，可使用API STC、LC螺纹套管1～2根，依据设计水泥塞高度，用两根API LC、STC螺纹套管或两根短套管，浮箍以下有API LC、STC或BC螺纹接箍即可，同时不再需要使用套管浮鞋、碰压座。

水力往复振动系统，用于产生水力低频脉动，缸体内上至下依次设置活塞2、复位弹簧8和承托座10，缸体与活塞、复位弹簧即构成一个水力往复振动系统。为克服活塞上行关闭流道所产生的水击效应的影响、维持大排量下的往复振动，活塞整体上为通孔流道设计，也同时适应大排量洗井、替水泥浆作业。具体的说，活塞2上从上至下依次设置有相互连通的入口流道11、入口喷嘴12和水力超声震荡腔3、出口喷嘴13，该入口流道11、入口喷嘴12、水力超声震荡腔3和出口喷嘴构成活塞2上供部分流体通过的同心通道，入口流道、入口喷嘴、水力超声震荡腔和出口喷嘴即构成水力超声发生系统。

水力超声震荡腔的尺寸对水力自激震荡系统的固有频率特性影响很大，设计中在考虑水力自激系统的频率特性基础上还必须充分考虑运行参数的影响。自激频率的大小首先与水力超声震荡腔的体积有关，腔径D、腔长L越小，工作压力越高，激振频率越高。

作为一种优选方式，入口流道11、入口喷嘴12、水力超声震荡腔3、出口喷嘴13为同轴设置。水力超声震荡腔的结构尺寸参数对自激频率影响较大，故在设计时，本实施例充分考虑各尺寸参数的影响，将水力超声震荡腔结构的尺寸参数限制如下：水力超声震荡腔与入口喷嘴的直径比为10～12，水力超声震荡腔长度与入口喷嘴直径比为2.3～2.6，出口喷嘴直径与入口喷嘴直径比为1.2～1.3，入口喷嘴的直径为20～30mm。需要说明的是，水力超声震荡腔直径D、长度L的决定主要结合工作流量、套管尺寸，以脉动频率为目标进行匹配，但其直径D、长度L的取值并不与上述冲突。

通过合理的结构参数设计，流体在震荡腔内产生超声频带范围的水力震荡，强化了水泥颗粒的分散，加速了水化进程，进而改善水泥浆的稠化性能，较大程度的缩短水泥浆初凝到终凝的过渡时间，抑制胶凝失重的影响，并提高所形成水泥石强度。

本实用新型水力驱动产生的往复振动产生井下的低频水力震荡，各结构参数匹配设计，通常作业条件下水力震荡频率大约为10～30Hz，控制水力压力波动幅度为3～5MPa。

进一步的，水力超声震荡腔下端部具有碰撞壁5，碰撞壁为锥面，碰撞壁5锥角α为110°～130°，碰撞壁角度α对于震荡效果也有明显的影响，综合各实验研究结果，大致在120°左右效果较好。

本实用新型的实现过程如下：固井流体从入口流道、入口喷嘴处进入水力超声震荡腔，产生水力超声震荡，强化水泥颗粒的分散，加速水化进程，水泥浆初凝到终凝时间大幅度缩短。同时，往复振动初始，泄压孔、泄流孔处于关闭状态，活塞流道节流压降迫使活塞下行，并压迫复位弹簧下行；然后，复位弹簧被压缩后，依次打开泄压孔、泄流孔，泄流孔开启到一定程度，活塞上下压降急剧降低，在弹簧回复力的作用下推动活塞上行复位；又依次关闭泄流孔、泄压孔，如此往复实现往复式振动，迫使环空流体产生低频脉动，由此实现固井流体产生井下低频脉动。流体的低频脉动在环空中能提高顶替效率，强化井壁泥饼的清除，可能滞留的泥浆被水泥浆充分顶替，从而提高顶替效率。同时，低频脉动作用也能缩短水泥浆稠化过程从初凝到终凝的过渡时间，并提高环空水泥石的抗压强度以及界面胶结强度。

按照上述实施例，便可很好地实现本实用新型。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本实用新型所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本实用新型一样，故其也应当在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置，其特征在于，包括缸体（7），设置于缸体（7）上端且外径大于缸体（7）外径的环状卡装挂耳（1），径向设置在缸体（7）中上部侧壁并与缸体（7）内部连通的泄压孔（4）和泄流孔（6），四个对称设置在缸体（7）下部侧壁并与缸体（7）内部连通的过流槽（9），以及位于缸体（7）内由上至下由活塞（2）、复位弹簧（8）和紧固连接于缸体（7）下部的承托座（10）组成的机械振动系统；其中，活塞（2）和承托座（10）上均开设有供流体通过的通道，活塞（2）中心设置有水力超声发生系统，缸体（7）、活塞（2）和复位弹簧（8）构成一个用于产生水力低频脉动的水力往复振动系统。

2.根据权利要求1所述的一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置，其特征在于，所述活塞（2）从上至下依次设置有入口流道（11）、入口喷嘴（12）、具有碰撞壁（5）的水力超声震荡腔（3）以及出口喷嘴（13），入口流道（11）、入口喷嘴（12）、水力超声震荡腔（3）和出口喷嘴（13）构成水力超声发生系统。

3.根据权利要求2所述的一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置，其特征在于，水力超声震荡腔直径与入口喷嘴的直径比为10～12，水力超声震荡腔长度与入口喷嘴直径比为2.3～2.6，出口喷嘴直径与入口喷嘴直径比为1.2～1.3，入口喷嘴的直径为20～30mm。

4.根据权利要求2所述的一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置，其特征在于，所述碰撞壁（5）为锥面，锥面夹角α为110°～130°。

5.根据权利要求2所述的一种井下水力脉动耦合水泥浆超声处理的固井装置，其特征在于，所述入口流道（11）、入口喷嘴（12）、水力超声震荡腔（3）、出口喷嘴（13）同轴设置。