專利名稱：一種脈沖振動產(chǎn)生裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖振動產(chǎn)生裝置及由該裝置產(chǎn)生脈沖振動的方法，屬于完成一般機(jī)械作業(yè)用的機(jī)械振動的產(chǎn)生設(shè)備，特別是用有往復(fù)運動物體的系統(tǒng)工作的設(shè)備。
背景技術(shù)：
以前，在油氣井固井作業(yè)后，總是被動地等待水泥漿候凝，對井內(nèi)水泥漿分布狀況和水泥漿強(qiáng)度發(fā)展沒有施加任何影響，固井的后期作業(yè)處于一種被動的狀態(tài)。
US5377753A公開了一種提高固井膠結(jié)質(zhì)量的方法和裝置，其中通過氣動隔膜泵向井眼與套管環(huán)空中的水泥漿施加壓力振動(見其附圖5)。其存在的問題在于由于隔膜材料及其彈性的限制，該裝置的振幅不會很大，其頻率變化范圍也受到限制，并且能量傳遞有限，影響振動波的傳遞距離。另外，由于振動環(huán)境的惡劣性、復(fù)雜性，對隔膜材料的要求非常高，導(dǎo)致材料選取困難。由于存在這些問題，必然會影響水泥漿的固化效率，影響固井膠結(jié)質(zhì)量，振動也不平穩(wěn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種振幅和頻率易控、可調(diào)、調(diào)節(jié)范圍大，能夠平穩(wěn)連續(xù)地提供壓力脈沖的脈沖振動產(chǎn)生裝置及方法；并更進(jìn)一步地提供一種將前述脈沖振動產(chǎn)生裝置應(yīng)用于固井施工中的井口脈沖振動固井施工裝置及方法。
本發(fā)明的脈沖振動產(chǎn)生裝置包括空氣壓縮機(jī)1、儲氣罐2、控制顯示采集系統(tǒng)3、余壓調(diào)節(jié)裝置4和加壓罐5，所述加壓罐5內(nèi)充灌有一定量的液體，所述裝置開始工作時，空氣壓縮機(jī)1啟動，向儲氣罐2充氣，再由控制顯示采集系統(tǒng)3通過余壓調(diào)節(jié)裝置4控制儲氣罐2向加壓罐5充氣并控制加壓罐5的放氣，通過加壓氣體推動加壓罐5中液體往復(fù)運動在加壓罐5的出口實現(xiàn)脈沖振動。
本發(fā)明的產(chǎn)生脈沖振動的方法為由前述的脈沖振動產(chǎn)生裝置產(chǎn)生脈沖振動的方法。
本發(fā)明的井口脈沖振動固井施工裝置包括空氣壓縮機(jī)1、儲氣罐2、控制顯示采集系統(tǒng)3、余壓調(diào)節(jié)裝置4和加壓罐5，所述加壓罐5的出口連接井口，其內(nèi)充灌有一定量的液體，所述裝置開始工作時，空氣壓縮機(jī)1啟動，向儲氣罐2充氣，再由控制顯示采集系統(tǒng)3通過余壓調(diào)節(jié)裝置4控制儲氣罐2向加壓罐5充氣并控制加壓罐5的放氣，通過加壓氣體推動加壓罐5中液體往復(fù)運動在加壓罐5的出口實現(xiàn)脈沖振動。
本發(fā)明的井口脈沖振動固井施工方法包括在油氣井固井結(jié)束后，將前述的井口脈沖振動固井施工裝置連接到井口，對井眼與套管環(huán)空中的固井液施加壓力脈沖。
在上述裝置和方法中所述余壓調(diào)節(jié)裝置4位于連接儲氣罐2的出口和加壓罐5進(jìn)口的管線上，其通過電磁閥的開關(guān)控制加壓罐5與儲氣罐2連通進(jìn)行充氣或者與余壓調(diào)節(jié)口連通進(jìn)行放氣。
所述加壓罐5帶有液位計6，用于顯示其內(nèi)的液面變化。
所述儲氣罐2包括罐體11、頂蓋9、底蓋10、放氣閥8、進(jìn)氣口13和出氣口12。
所速控制顯示采集系統(tǒng)3按設(shè)定的施工參數(shù)，分時間控制所述電磁閥的開關(guān)，對加壓罐5進(jìn)行充氣和放氣，進(jìn)而實現(xiàn)脈沖振動，所述充氣時間和放氣時間均控制在0.1～50.0秒。
充氣時間加放氣時間為一個周期，控制振動頻率范圍為0.01～5.0Hz。
本發(fā)明人通過大量的試驗數(shù)據(jù)證明在油氣井固井結(jié)束后，采用本發(fā)明的脈沖振動產(chǎn)生裝置產(chǎn)生振動波對井眼與套管環(huán)空中的水泥漿柱施加壓力脈沖，能夠顯著改善水泥漿的性能，有效提高水泥與套管及井眼的膠結(jié)質(zhì)量，提高固井質(zhì)量。
本發(fā)明的特點如下(一)使用儲氣罐可增強(qiáng)脈沖過程中的壓力的平穩(wěn)和連續(xù)性儲氣罐的容積可根據(jù)需要設(shè)計，如1m3。為方便現(xiàn)場脈沖振動固井施工，提高施工的安全性，優(yōu)選使用較大容積和能承受較大壓力的儲氣罐供氣，這樣增大了儲氣量，增加了脈沖過程中的壓力的平穩(wěn)性和連續(xù)性。另外，可以選用單螺桿空氣壓縮機(jī)為儲氣罐供氣，在壓力為1.2MPa的條件下其向外供氣速度可達(dá)到10m3/min，且供氣過程平穩(wěn)連續(xù)。
(二)控制系統(tǒng)設(shè)定控制施工參數(shù)控制顯示采集系統(tǒng)按設(shè)定的施工參數(shù)，分時間控制電磁閥的開通和關(guān)閉，控制高壓空氣向加壓罐填充和釋放，進(jìn)而實現(xiàn)脈沖振動。充氣時間和放氣時間均可控制在50.0～0.1秒，充氣時間和放氣時間是由電磁閥的反應(yīng)時間和變頻器的反應(yīng)時間確定的；充氣時間加放氣時間為一個周期，那么可控制振動頻率范圍為0.01[公式為1/(50.0+50.0)]～5.0[公式為1/(0.1+0.1)]Hz。
(三)采集儲存系統(tǒng)給操作者提供直接的各種顯示①液晶顯示屏可顯示脈沖壓力的瞬時值曲線和動態(tài)曲線及井內(nèi)流體的瞬時壓縮量曲線，以便調(diào)整施工參數(shù)；②單片機(jī)存儲施工全過程的脈沖頻率、脈沖壓力、脈沖振幅及井內(nèi)流體的壓縮量四個參數(shù)值，通過標(biāo)準(zhǔn)串口與電腦連接?？勺x出所有數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。
(四)通過加壓罐給井眼環(huán)空施加壓力脈沖隨著脈沖壓力的填充與釋放，引起環(huán)空液體的壓縮和恢復(fù)，形成水箱液位的上下移動。采集系統(tǒng)顯示并儲存壓縮量，可動態(tài)體現(xiàn)出井眼環(huán)空中水泥漿的凝固情況。加壓罐的容積可根據(jù)需要，如80升，其通過管線與井眼環(huán)空形成密閉腔室，該腔室氣液共存。
本發(fā)明的脈沖振動產(chǎn)生裝置不僅可以應(yīng)用于固井施工，也可以用于其它任何需要使用脈沖振動的作業(yè)中。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
圖1 脈沖振動產(chǎn)生裝置流程2 儲氣罐示意3 加壓罐及其液位計示意4 SN360井技術(shù)套管固井聲幅曲線具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的脈沖振動產(chǎn)生裝置主要包括空氣壓縮機(jī)1、儲氣罐2、控制顯示采集系統(tǒng)3(即可編程控制器)、余壓調(diào)節(jié)裝置4、加壓罐5五個部分。加壓罐5內(nèi)充灌有一定量的液體，當(dāng)開始振動作業(yè)時，空氣壓縮機(jī)1啟動，向儲氣罐2充氣，待儲氣罐2中的氣壓達(dá)到接近空氣壓縮機(jī)1的設(shè)定壓力(如0.9Mpa)時，再由控制顯示采集系統(tǒng)3通過余壓調(diào)節(jié)裝置4控制儲氣罐2向加壓罐5充氣并控制加壓罐5的放氣，通過加壓氣體推動加壓罐5中液體往復(fù)運動在加壓罐5的出口實現(xiàn)脈沖振動。壓力脈沖的頻率由控制顯示采集系統(tǒng)3控制，可調(diào)。壓力脈沖的波幅的調(diào)節(jié)靠余壓調(diào)節(jié)裝置4實現(xiàn)。
儲氣罐2與加壓罐5的連接管線上有一分支管線，該分支管線的出口為余壓調(diào)節(jié)口。余壓調(diào)節(jié)裝置4包括兩個閥門其中一個進(jìn)氣閥置于儲氣罐2與加壓罐5的連接管線上分支管線之前的位置上，用于向加壓罐5充氣；另一個余壓調(diào)節(jié)閥置于所述分支管線上，用于加壓罐5的放氣。通過該兩個閥門的開關(guān)切換，實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)換加壓罐與儲氣罐連通或加壓罐與余壓調(diào)節(jié)口連通。
為方便現(xiàn)場脈沖振動固井施工，提高供氣速度的平穩(wěn)連續(xù)性，本發(fā)明人設(shè)計出了如圖2所示的儲氣罐。儲氣罐2包括罐體11、頂蓋9、底蓋10和放氣閥8、進(jìn)氣口13、出氣口12。儲氣罐的原理是空氣由進(jìn)氣口13進(jìn)入，待罐中的空氣壓力達(dá)到空壓機(jī)1的設(shè)定壓力(例如0.9Mpa)時，空壓機(jī)1停止向儲氣罐充氣；當(dāng)罐中的空氣壓力小于空壓機(jī)1的設(shè)定壓力時，被壓縮的空氣繼續(xù)由進(jìn)氣口13進(jìn)入，重復(fù)上面的過程。
為了控制壓力脈沖的頻率，增加了控制顯示采集系統(tǒng)?？刂祁l率范圍0.01[＝1/(50.0+50.0)]～5.0[＝1/(0.1+0.1)]Hz，優(yōu)選振動時的振幅范圍0.0～0.9Mpa?？刂骑@示采集系統(tǒng)的原理是在程序的控制下，進(jìn)氣閥開啟a秒關(guān)閉，余壓調(diào)節(jié)閥開啟b秒關(guān)閉，以上過程如此循環(huán)往復(fù)。
如圖3所示，為了給高壓氣體提供一個緩沖的腔室，本發(fā)明人特別設(shè)計了脈沖腔，也就是加壓罐5，它起到緩沖流向井內(nèi)液體的作用；加壓罐5配有連接井口的管線，其內(nèi)充灌例如2/3的水，液位計6能夠直接觀察到施工時液位的變化情況。其工作過程是進(jìn)氣閥打開，高壓氣體由進(jìn)氣口14進(jìn)入，壓縮加壓罐5內(nèi)的液體流向井口；a秒鐘后，進(jìn)氣閥關(guān)閉；此時，余壓調(diào)節(jié)閥開啟b秒，加壓罐5內(nèi)的氣壓釋放。液位計6顯示加壓罐5內(nèi)的液面的變化。重復(fù)上述過程。
實施例將井口脈沖振動固井施工裝置投入到固井施工當(dāng)中。SN360井是東北局部署在登婁庫構(gòu)造的一口探井，該井固井施工結(jié)束即替漿碰壓，座封套管后使用井口脈沖振動固井施工裝置對環(huán)空水泥漿柱進(jìn)行脈沖振動，時間為1個小時。施工過程采用0.7MPa的振幅，五個時間段進(jìn)行施工。整個現(xiàn)場施工作業(yè)過程順利，脈沖設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。施工參數(shù)調(diào)整簡單易行，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確無誤。具體的振動參數(shù)見表1。
表1 五段施工時段的振動傳動液的壓縮量


通過表1五段施工時段的振動傳動液的壓縮量數(shù)據(jù)可以看出，隨著水泥漿的凝固，不同時段相同振動參數(shù)的傳動液的壓縮量越來越小，說明環(huán)空自由液的量也越來越少。
固井24小時后測聲幅，全井水泥封固段聲幅值平均為6.5％，固井質(zhì)量綜合評定為優(yōu)，固井聲幅曲線見圖4。
權(quán)利要求
1.一種脈沖振動產(chǎn)生裝置，包括空氣壓縮機(jī)(1)、儲氣罐(2)、控制顯示采集系統(tǒng)(3)、余壓調(diào)節(jié)裝置(4)和加壓罐(5)，所述加壓罐(5)內(nèi)充灌有一定量的液體，所述裝置開始工作時，空氣壓縮機(jī)(1)啟動，向儲氣罐(2)充氣，再由控制顯示采集系統(tǒng)(3)通過余壓調(diào)節(jié)裝置(4)控制儲氣罐(2)向加壓罐(5)充氣并控制加壓罐(5)的放氣，通過加壓氣體推動加壓罐(5)中液體往復(fù)運動在加壓罐(5)的出口實現(xiàn)脈沖振動。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖振動產(chǎn)生裝置，其特征在于所述余壓調(diào)節(jié)裝置(4)位于連接儲氣罐(2)的出口和加壓罐(5)進(jìn)口的管線上，其通過電磁閥的開關(guān)控制加壓罐(5)與儲氣罐(2)連通進(jìn)行充氣或者與余壓調(diào)節(jié)口連通進(jìn)行放氣。
3.如權(quán)利要求1或2所述的脈沖振動產(chǎn)生裝置，其特征在于所述加壓罐(5)帶有液位計(6)，用于顯示其內(nèi)的液面變化。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的脈沖振動產(chǎn)生裝置，其特征在于所述儲氣罐(2)包括罐體(11)、頂蓋(9)、底蓋(10)、放氣閥(8)、進(jìn)氣口(13)和出氣口(12)。
5.一種由如權(quán)利要求1-4中任一項所述的脈沖振動產(chǎn)生裝置產(chǎn)生脈沖振動的方法。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述控制顯示采集系統(tǒng)(3)按設(shè)定的施工參數(shù)，分時間控制所述電磁閥的開關(guān)，對加壓罐(5)進(jìn)行充氣和放氣，進(jìn)而實現(xiàn)脈沖振動，所述充氣時間和放氣時間均控制在0.1～50.0秒。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于充氣時間加放氣時間為一個周期，控制振動頻率范圍為0.01～5.0Hz。
8.一種井口脈沖振動固井施工裝置，包括空氣壓縮機(jī)(1)、儲氣罐(2)、控制顯示采集系統(tǒng)(3)、余壓調(diào)節(jié)裝置(4)和加壓罐(5)，所述加壓罐(5)的出口連接井口，其內(nèi)充灌有一定量的液體，所述裝置開始工作時，空氣壓縮機(jī)(1)啟動，向儲氣罐(2)充氣，再由控制顯示采集系統(tǒng)(3)通過余壓調(diào)節(jié)裝置(4)控制儲氣罐(2)向加壓罐(5)充氣并控制加壓罐(5)的放氣，通過加壓氣體推動加壓罐(5)中液體往復(fù)運動在加壓罐(5)的出口實現(xiàn)脈沖振動。
9.如權(quán)利要求8所述的井口脈沖振動固井施工裝置，其特征在于所述余壓調(diào)節(jié)裝置(4)位于連接儲氣罐(2)的出口和加壓罐(5)進(jìn)口的管線上，其通過電磁閥的開關(guān)控制加壓罐(5)與儲氣罐(2)連通進(jìn)行充氣或者與余壓調(diào)節(jié)口連通進(jìn)行放氣。
10.如權(quán)利要求8或9所述的井口脈沖振動固井施工裝置，其特征在于所述加壓罐(5)帶有液位計(6)，用于顯示其內(nèi)的液面變化。
11.如權(quán)利要求8-10中任一項所述的井口脈沖振動固井施工裝置，其特征在于所述儲氣罐(2)包括罐體(11)、頂蓋(9)、底蓋(10)、放氣閥(8)、進(jìn)氣口(13)和出氣口(12)。
12.一種井口脈沖振動固井施工方法，包括在油氣井固井結(jié)束后，將權(quán)利要求8-11中任一項所述的井口脈沖振動固井施工裝置連接到井口，對井眼與套管環(huán)空中的固井液施加壓力脈沖。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述控制顯示采集系統(tǒng)(3)按設(shè)定的施工參數(shù)，分時間控制所述電磁閥的開關(guān)，對加壓罐(5)進(jìn)行充氣和放氣，進(jìn)而實現(xiàn)脈沖振動，所述充氣時間和放氣時間均控制在0.1～50.0秒。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于充氣時間加放氣時間為一個周期，控制振動頻率范圍為0.01～5.0Hz。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脈沖振動產(chǎn)生裝置及由該裝置產(chǎn)生脈沖振動的方法。本發(fā)明的脈沖振動產(chǎn)生裝置包括空氣壓縮機(jī)(1)、儲氣罐(2)、控制顯示采集系統(tǒng)(3)、余壓調(diào)節(jié)裝置(4)和加壓罐(5)，所述加壓罐(5)內(nèi)充灌有一定量的液體，通過加壓氣體推動加壓罐(5)中液體往復(fù)運動在加壓罐(5)的出口實現(xiàn)脈沖振動。在油氣井固井結(jié)束后，采用本發(fā)明的脈沖振動產(chǎn)生裝置產(chǎn)生振動波對井眼與套管環(huán)空中的水泥漿柱施加壓力脈沖，能夠顯著改善水泥漿的性能，有效提高水泥與套管及井眼的膠結(jié)質(zhì)量，提高固井質(zhì)量。
文檔編號E21B33/13GK101073798SQ20061008140
公開日2007年11月21日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月18日
發(fā)明者丁士東, 周體秋, 周仕明, 張克堅 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院