專利名稱：隨行振動固井方法
技術領域：
本發明涉及石油鉆井完井工程中固井工藝技術領域，目的是提高和改善固井質 量，特別是隨行振動固井方法。
背景技術：
振動固井是完井工程中的一種質量改善技術，用來提高頂水泥漿的頂替效率，提 高水泥石的強度，改善水泥的膠結質量。上世紀六十年代，美國和蘇聯先后動用了高層科研機構，進行了室內外試驗和機 理研究，使得該項技術蓬勃發展。前蘇聯5個油田近100 口井成功使用了自己的振動固井 技術，國內系統研究從1990開始，1994年大慶鉆井院開發了水利脈沖式震動器，但是沒有 進行現場應。1998年遼河油田(石油科研單位)也開發出了水利脈沖震動發生器，試驗17 口井，合格率60%。這些技術或是井底流體機械式振動，或是井口機械式振動，或是井筒內壓 電晶體激振，但是這些技術或者局部有效果，或者效果不明顯，或者施工不方便，或者成本 費用居高不下。關于振動固井專利技術，中油集團某鉆采工藝研究院提出使用振動波固井的 一項新技術《一種水力脈沖振動固井引鞋》(專利申請號200620167280. 6 )，該振動固 井技術采用水力脈沖振動器。還有人提出《振動固井用壓力波發生裝置》(專利申請號 200920111659. 6)，是通過控制流體閥門的開關產生流體的壓力波動的一項技術。該技術與 本發明原理雖然相同，但是施工工藝、結構類型和作用方式都存在極大的差異。另外，公知的碰壓膠塞構造為膠翼、膠芯、密封圈、(卡簧)，在固井施工中，將膠塞 置于水泥頭中，向油井套管內注壓膠塞液體，替漿頂替水泥漿時，膠塞受壓下行進入油井套 管內，膠翼刮削套管內壁，除去附在內壁上的水泥漿，鉆井液的殘余物，膠塞下行到達坐落 于承托環(或浮箍)處碰壓，但是一般的固井膠塞功能單一，只具備刮削套管內壁和碰壓作 用，但是不能活動套管，與固井質量沒有直接的相關性。
發明內容
發明內容
本發明的目的在于提供一種隨行振動固井方法，在不改變現有的固井工藝基礎上，與 傳統固井膠塞具有相同的使用方法，需要一種能夠引起套管振動的隨行振動固井膠塞，能 夠在固井過程中隨著膠塞在套管中一邊下行一邊振動，當隨行振動固井膠塞下行到井底碰 壓停止后，隨行振動固井膠塞繼續振動直到水泥漿初凝之前結束振動工作，該方法能夠實 現從井口到井底全井段的隨行振動，既克服了膠塞的單一功能，又實現了活動全井段套管 的目標，達到改善套管與水泥的界面膠結質量，提高水泥石強度，使其具有更優的應用效果。本發明的目的是這樣實現的一種隨行振動固井方法，包括油井套管、橡膠塞套、 自鎖端頭和水泥漿替漿工藝，本方法所使用的機械諧振器由金屬殼體、自鎖端頭、偏心轉子、調速電機、電源配置器、程控處理器和后端封頭構成，自鎖端頭配合安裝在金屬殼體的 前端頭上，并與其前端頭焊接為一體；橡膠塞套套裝在金屬殼體上并與其硫化固定；在金 屬殼體后端口上固裝的后端封頭將金屬殼體的內腔密封，金屬殼體的密封承壓壓力值大于 等于35MPa ；金屬殼體內腔配合安裝著偏心轉子、調速電機、電源配置器和程控處理器；調 速電機的輸出轉軸上固裝的偏心轉子由調速電機驅動旋轉；調速電機由電源通過與其電源 輸入端口配合連接的電源配置器提供工作動力，并由程控處理器調控調速電機轉速以驅使 偏心轉子進行機械振動，程控處理器通過無線電與遙控器相配合連接；
①事先根據所在地油田設計的井身結構和與其配合所用的油井套管，通過現有振動力 學算法計算出油井套管的固有頻率f；作為本機械諧振器的偏心轉子在油井套管內隨行振 動的基準頻率fo，將前置液和水泥漿經油井井口水泥頭注入油井套管內所需時間T1設定為 本機械諧振器延時啟動的時間T1,使其在小于等于T1處于待機狀態，在大于等于T1之后，自 動開啟以驅動其偏心轉子旋轉振動，根據固井用水泥漿的初凝時間T，確定隨行振動的總時 間 Ttl 為 Tci = [T-T1- Δ T]，Δ T e [10，30] Min ；
②在固井之前，打開本機械諧振器的電源開關，使本機械諧振器處于待機狀態，利用傳 統膠塞與油井套管內的相配合使用方法，先把待機狀態的金屬殼體上固裝有橡膠塞套的本 機械諧振器裝入水泥頭內后，通過無線電將上述參數fo、!；和T1傳送、輸入至本機械諧振器 中的程控處理器，再采用傳統固井工藝，當完成前置液和水泥漿擠入工藝所需時間到達T1 之時，本機械諧振器由程控處理器將其由待機狀態調控為啟動工作狀態，驅動偏心轉子旋 轉以使橡膠塞套開始振動；在完成水泥漿擠入工藝后，將安裝于水泥頭上的水泥漿入口上 的閥門關閉，停止向油井套管內注入水泥漿，并且打開安裝于水泥頭上的頂替液入口上的 閥門，向油井套管內注入頂替液，開始水泥漿替漿工藝，當頂替液持續注入油井套管頂壓處 于裸井內井壁與油井套管之間的鉆井液時，本機械諧振器按照頂替液注入油井套管內的頂 替排量確定的速度下行，且由本機械諧振器的偏心轉子驅動振動的橡膠塞套以事先輸入程 控處理器的基準頻率f；驅動偏心轉子在振動頻率&保持振動，當本機械諧振器下行降至該 油井套管底端碰壓位于油井套管底端處的浮箍時，則停止移位，仍依照原先輸入程控處理 器的基準頻率&使偏心轉子的振動頻率設定在fo進行振動，直至偏心轉子保持在基準頻率 f0連續振動所需總時間達到Ttl時，程控處理器調控本機械諧振器停機，并使本機械諧振器 最終留置固定于該油井套管底端。 本發明方法是利用隨行振動固井膠塞的頂替工藝和固井套管結構共振原理，在固 井套管內從井口振動到井底，并延續到水泥初凝前停止工作，其具體技術特征為
(1)固井用橡膠塞套與本機械諧振器合而為一，振動隨膠塞在套管中行走和碰壓井底 的浮箍；
(2)隨行振動橡膠塞套其橡膠裙邊在套管內壁上的壓力大于lOOKg，金屬殼體所承受外 壓(密封承壓)的壓力值要達到35MPa以上；
(3)由偏心轉子驅動振動的橡膠塞套所產生的振動加速度大于3g，頻率在20Hz 200Hz范圍內可調；
(4)載荷幅度通過調速電機帶動大質量的偏心轉子實現，偏心轉子要求應用高密度材 料制作，如鎢合金、鉛、銅、鋼等金屬或現有其它合金金屬；
(5)本發明的程控系統使用前處于關閉狀態，該系統通過機械方式上電、啟動以達到待機狀態。(6)本發明的機械諧振器待機后，遙控器將相關所接受的工作參數通過無線傳輸 信號傳送、輸入至程控處理器。因此，本發明在不改變現有的固井工藝基礎上，橡膠塞套與傳統固井膠塞具有相 同的使用方法，需要一種能夠引起套管振動的機械諧振器，該機械諧振器能夠在固井過程 中隨著橡膠塞套在套管中一邊下行一邊振動，當隨行振動用橡膠塞套下行到井底碰壓停止 后，隨行振動固井用橡膠塞套繼續振動直到水泥漿初凝之前再結束振動的工作，該方法能 夠實現從井口到井底全井段的隨行振動，既克服了膠塞的單一功能，又實現了活動全井段 套管的目標，達到改善套管與水泥的界面膠結質量，提高水泥石強度，使其具有更優的應用 效果；在不改變現有生產和施工工藝的基礎上，沿用膠塞的頂替功能，應用套管共振原理， 隨著膠塞在套管中行走，實現從井口振動到井底全井段的隨行振動，既克服了膠塞功能單 一，又能產生與油井套管固有頻率相同的振動波，使得油井套管與其共振，有效、明顯提高 固井質量。
下面將結合附圖對本發明作進一步說明 圖1為本發明機械諧振器的剖視結構示意圖2為本發明機械諧振器偏心轉子的結構示意圖； 圖3為圖2的側視剖視結構示意圖4為本發明程控處理器執行本發明方法的具體程序流程框圖； 圖5為本發明隨行振動固井方法的固井工藝示意圖。
具體實施例方式一種隨行振動固井方法，結合圖1、圖2、圖3和圖5所示，包括油井套管29、橡膠 塞套2、自鎖端頭1和水泥漿替漿工藝，本方法所使用的機械諧振器由金屬殼體4、自鎖端頭 1、偏心轉子3、調速電機5、電源配置器6、程控處理器7和后端封頭8構成，自鎖端頭1配 合安裝在金屬殼體4的前端頭上，并與其前端頭焊接為一體；橡膠塞套2套裝在金屬殼體4 上并與其硫化固定；在金屬殼體4后端口上固裝的后端封頭8將金屬殼體4的內腔密封，金 屬殼體4的密封承壓壓力值大于等于35MPa ；金屬殼體4內腔配合安裝著偏心轉子3、調速 電機5、電源配置器6和程控處理器7 ；調速電機5的輸出轉軸上固裝的偏心轉子3由調速 電機5驅動旋轉；調速電機5由電源通過與其電源輸入端口配合連接的電源配置器6提供 工作動力，并由程控處理器7調控調速電機5轉速以驅使偏心轉子3進行機械振動，程控處 理器(7)通過無線電與遙控器相配合連接；
①事先根據所在地油田設計的井身結構和與其配合所用的油井套管29，通過現有振動 力學算法計算出油井套管29的固有頻率f；作為本機械諧振器的偏心轉子3在油井套管29 內隨行振動的基準頻率&，將前置液31和水泥漿30經油井井口水泥頭28注入油井套管29 內所需時間T1設定為本機械諧振器延時啟動的時間T1，使其在小于等于T1處于待機狀態， 在大于等于T1之后，自動開啟以驅動其偏心轉子3旋轉振動，根據固井用水泥漿30的初凝 時間T，確定隨行振動的總時間Ttl為Ttl = [T 一 T1 一 ΔΤ]，ΔΤ e [10,30] Min ；②在固井之前，打開本機械諧振器的電源開關，使本機械諧振器處于待機狀態，利用傳 統膠塞與油井套管29內的相配合使用方法，先把待機狀態的金屬殼體4上固裝有橡膠塞套 2的本機械諧振器裝入水泥頭28內后，通過無線電將上述參數&、T0和T1傳送、輸入至本 機械諧振器中的程控處理器7，再采用傳統固井工藝，當完成前置液31和水泥漿30擠入工 藝所需時間到達T1之時，本機械諧振器由程控處理器7將其由待機狀態調控為啟動工作狀 態，驅動偏心轉子3旋轉以使橡膠塞套2開始振動；在完成水泥漿30擠入工藝后，將安裝于 水泥頭28上的水泥漿入口 27上的閥門關閉，停止向油井套管29內注入水泥漿30，并且打 開安裝于水泥頭28上的頂替液入口 25上的閥門，向油井套管29內注入頂替液，開始水泥 漿替漿工藝，當頂替液持續注入油井套管29頂壓處于裸井26內井壁與油井套管29之間的 鉆井液32時，本機械諧振器按照頂替液注入油井套管29內的頂替排量確定的速度下行，且 由本機械諧振器的偏心轉子3驅動振動的橡膠塞套2以事先輸入程控處理器7的基準頻率 f0驅動偏心轉子3在振動頻率&保持振動，當本機械諧振器下行降至該油井套管29底端 碰壓位于油井套管29底端處的浮箍33時，則停止移位，仍依照原先輸入程控處理器7的基 準頻率&使偏心轉子3的振動頻率設定在&進行振動，直至偏心轉子3保持在基準頻率& 連續振動所需總時間達到Ttl時，程控處理器7調控本機械諧振器停機，并使本機械諧振器 最終留置固定于該油井套管29底端。 本發明所使用的橡膠塞套是傳統固井膠塞與機械諧振器的有機合成體，在本機械 諧振器的振動過程中采用水泥漿頂替工藝使本機械諧振器在油井套管內能夠實現一邊下 行一邊振動的功能，本機械諧振器金屬殼體上固裝的橡膠塞套可與油井套管內管壁緊密接 觸，橡膠塞套最外周壁面與該油井套管內管壁之間相配合擠壓接觸且該擠壓接觸的壓力大 于100 Kg ；金屬殼體的密封腔內由調速電機驅動旋轉偏心轉子產生的振動加速度大于3g， g為重力加速度(常數)，產生振動的頻率在20Hz-200Hz范圍內。所述的偏心轉子本體的密本發明的機械諧振器有本體、振子和無線傳輸與程控三部分。(1)本體其密封的隨行振動固井膠塞振動器結構如附圖1所示1為自鎖端頭；2 為橡膠塞套；3為偏心轉子；4為金屬殼體；5為調速電機；6為配置電源；7為程控處理器；8 為后端封頭。自鎖端頭1與金屬殼體4焊接成為一體，用于與自鎖浮箍碰壓鎖死；橡膠塞套2通 過橡膠硫化實現，與套管壁擠緊，用于刮水泥漿和傳遞振動載荷；偏心轉子3與電機通過聯 軸器聯接，是提供振動載荷的部件；金屬殼體4是機械加工件，要求密封承壓75MPa以上； 調速電機5提供動力，通過螺栓緊固在金屬殼體4上；配置電源6提供能源，粘結在金屬殼 體4內；控制電路板(即程控處理器7)通過螺栓安裝在上電開關端蓋(即后端封頭8)的 內側，于用振動程序的控制實施；上電開關端蓋8通過密封條與金屬殼體4以螺紋連接固 定，提供電路上電和結構密封。(2)振子偏心轉子3，如圖2和圖3所示9是質量偏心孔；10是轉子聯軸孔。(3)無線傳輸與程控電路的工作程序原理，如圖4所示，11是上電開始，12是初始 化自檢待機，13是無線發送控制參數，14是無線接收控制參數，15是DSP /單片機程控芯片 (相當于程控處理器7)，16是信號反饋確認，17是蜂鳴提示，18是振動提示，19是基準頻率計算，20是啟振延時控制，21是振動持續時間控制，22是振動驅動開始，23是末端時間的掃 頻振動，24是振動持續終止；無線輸入的參數主要有延時啟動時間、振動持續時間、基準頻率。本發明的隨行振動固井方法與傳統固井工藝設備和鉆井井眼密切相關，如圖5所 示25是頂替液入口，26是裸井，27是水泥漿入口，28是水泥頭，29是套管，30是水泥漿，31 是前置液，32是鉆井液，33是浮箍。本發明的算法(1)延時啟動算法從循環洗井完成，水泥頭端蓋安裝之前開始計 算，延時啟動時間等于井口工具準備時間，加上擠水泥漿的工藝周期。(2)振動持續時間算 法振動持續時間小于“水泥漿初凝時間與將前置液和水泥漿經油井井口水泥頭注入固井 套管內所需時間T/’的相減之差。(3)結構基準頻率算法根據套管尺寸、材料性能和排列 狀態，應用振動力學算法進行計算。本發明實際應用的具體實施例
實施例1 某油田## 4測試井固井實施方法一根據套管完井的裸眼井鉆井資料和固 井任務書，考慮選用的水泥漿體系初凝時間lOOmin，以及設備的頂替排量8L/s。設定啟動 時間20min (根據套管長度與啟動時間的相關性自動設定基頻約為29Hz)，振動持續時間 30min。聲幅測井得到的應用效果是封固段優質率達到86.5%，合格率100%，固井質量評 價為優良。實施例2 某油田# # 105勘探井固井實施方法一根據套管完井的裸眼井鉆井資 料和固井任務書，考慮選用的水泥漿體系初凝時間llOmin，以及設備的頂替排量8L/s。設 定啟動時間25min (根據套管長度與啟動時間的相關性自動設定基頻約為27Hz)，振動持續 時間40min。聲幅測井得到的應用效果是封固段優質率達到97. 6%，合格率100%，固井質 量評價為優秀。實施例3 某油田# # 66開發井固井實施方法一根據套管完井的裸眼井鉆井資料 和固井任務書，考慮選用的水泥漿體系初凝時間120min，以及設備的頂替排量8L/s，設定 啟動時間30min (根據套管長度與啟動時間的相關性自動設定基頻約為26Hz)，振動持續時 間50min。聲幅測井得到的應用效果是封固段優質率達到65. 1%，合格率100%，固井質量 評價為良。因此，本發明的優點如下
(1)回避常規膠塞功能單一，增加了活動套管的功能；
(2)不改變現有的施工工藝，全井段實施隨行振動；
(3)結構緊湊，工藝簡單，施工快捷；
(4)方法可靠，固井質量改善效果明顯。
權利要求
1.一種隨行振動固井方法，包括油井套管(29)、橡膠塞套(2)、自鎖端頭(1)和水泥漿 替漿工藝，其特征是本方法所使用的機械諧振器由金屬殼體(4)、自鎖端頭(1)、偏心轉子(3)、調速電機 (5)、電源配置器(6)、程控處理器(7)和后端封頭(8)構成，自鎖端頭(1)配合安裝在金屬 殼體(4)的前端頭上，并與其前端頭焊接為一體；橡膠塞套(2)套裝在金屬殼體(4)上并與 其硫化固定；在金屬殼體(4)后端口上固裝的后端封頭(8)將金屬殼體(4)的內腔密封， 金屬殼體(4)的密封承壓壓力值大于等于35MPa;金屬殼體(4)內腔配合安裝著偏心轉子 (3)、調速電機(5)、電源配置器(6)和程控處理器(7)；調速電機(5)的輸出轉軸上固裝的 偏心轉子(3)由調速電機(5)驅動旋轉；調速電機(5)由電源通過與其電源輸入端口配合 連接的電源配置器(6)提供工作動力，并由程控處理器(7)調控調速電機(5)轉速以驅使 偏心轉子(3)進行機械振動，程控處理器(7)通過無線電與遙控器相配合連接；①事先根據所在地油田設計的井身結構和與其配合所用的油井套管(29)，通過現有振 動力學算法計算出油井套管(29)的固有頻率&作為本機械諧振器的偏心轉子(3)在油 井套管(29)內隨行振動的基準頻率&，將前置液(31)和水泥漿(30)經油井井口水泥頭 (28)注入油井套管(29)內所需時間T1設定為本機械諧振器延時啟動的時間T1，使其在小 于等于T1處于待機狀態，在大于等于T1之后，自動開啟以驅動其偏心轉子(3)旋轉振動，根 據固井用水泥漿(30)的初凝時間T，確定隨行振動的總時間Ttl為Ttl = [T 一 T1 一 ΔΤ]， ATe [10，30] Min ；②在固井之前，打開本機械諧振器的電源開關，使本機械諧振器處于待機狀態，利用傳 統膠塞與油井套管(29)內的相配合使用方法，先把待機狀態的金屬殼體(4)上固裝有橡膠 塞套(2)的本機械諧振器裝入水泥頭(28)內后，通過無線電將上述參數&、Ttl和T1傳送、 輸入至本機械諧振器中的程控處理器(7)，再采用傳統固井工藝，當完成前置液(31)和水 泥漿(30)擠入工藝所需時間到達T1之時，本機械諧振器由程控處理器(7)將其由待機狀 態調控為啟動工作狀態，驅動偏心轉子(3)旋轉以使橡膠塞套(2)開始振動；在完成水泥漿 (30)擠入工藝后，將安裝于水泥頭(28)上的水泥漿入口(27)上的閥門關閉，停止向油井套 管(29)內注入水泥漿(30)，并且打開安裝于水泥頭(28)上的頂替液入口(25)上的閥門， 向油井套管(29)內注入頂替液，開始水泥漿替漿工藝，當頂替液持續注入油井套管(29)頂 壓處于裸井(26)內井壁與油井套管(29)之間的鉆井液(32)時，本機械諧振器按照頂替液 注入油井套管(29)內的頂替排量確定的速度下行，且由本機械諧振器的偏心轉子(3)驅動 振動的橡膠塞套(2)以事先輸入程控處理器(7)的基準頻率&驅動偏心轉子(3)在振動頻 率fo保持振動，當本機械諧振器下行降至該油井套管(29)底端碰壓位于油井套管(29)底 端處的浮箍(33)時，則停止移位，仍依照原先輸入程控處理器(7)的基準頻率f；使偏心轉 子(3)的振動頻率設定在&進行振動，直至偏心轉子(3)保持在基準頻率&連續振動所需 總時間達到Ttl時，程控處理器(7)調控本機械諧振器停機，并使本機械諧振器最終留置固 定于該油井套管(29)底端。
2.根據權利要求1所述的隨行振動固井方法，其特征是本機械諧振器的橡膠塞套(2) 可與油井套管(29)內管壁都能接觸的最外周壁面與該油井套管(29)內管壁之間相配合擠 壓接觸且該擠壓接觸的壓力大于lOOKg。
3.根據權利要求1所述的隨行振動固井方法，其特征是由調速電機5驅動旋轉的偏心轉子(3)其振動加速度大于3g，產生振動的頻率為20Hz 200Hz之間。
4.根據權利要求1所述的隨行振動固井方法，其特征是偏心轉子(3)本體由鎢合金、 鋼、鉛銻合金、鉛銅合金或鋅銅合金構成。
全文摘要
本發明公開了一種隨行振動固井方法，該方法能夠在固井過程中隨著橡膠塞套在套管中一邊下行一邊振動，當橡膠塞套下行到井底碰壓浮箍停止后，橡膠塞套繼續振動直至水泥漿初凝之前再停止其振動的工作。本發明能夠實現從井口到井底全井段的隨行振動，既克服了膠塞的單一功能，又實現了活動全井段套管的目標，達到改善套管與水泥的界面膠結質量，提高水泥石強度，使其具有更優的應用效果；在不改變現有生產和施工工藝的基礎上，沿用傳統膠塞的頂替功能，應用套管共振原理，隨著橡膠塞套在套管中行走，實現從井口振動到井底全井段的隨行振動，既克服了膠塞功能單一，又能產生與油井套管固有頻率相同的振動波，有效、明顯提高固井質量。
文檔編號E21B28/00GK102108846SQ20111003568
公開日2011年6月29日 申請日期2011年2月10日 優先權日2011年2月10日
發明者曹鳳英 申請人:曹鳳英