一种脉冲振动产生装置及方法.pdf

本发明公开了一种脉冲振动产生装置及由该装置产生脉冲振动的方法。本发明的脉冲振动产生装置包括：空气压缩机(1)、储气罐(2)、控制显示采集系统(3)、余压调节装置(4)和加压罐(5)，所述加压罐(5)内充灌有一定量的液体，通过加压气体推动加压罐(5)中液体往复运动在加压罐(5)的出口实现脉冲振动。在油气井固井结束后，采用本发明的脉冲振动产生装置产生振动波对井眼与套管环空中的水泥浆柱施加压力脉冲，能够显著改善水泥浆的性能，有效提高水泥与套管及井眼的胶结质量，提高固井质量。

1.  一种脉冲振动产生装置，包括：空气压缩机(1)、储气罐(2)、控制显示采集系统(3)、余压调节装置(4)和加压罐(5)，所述加压罐(5)内充灌有一定量的液体，所述装置开始工作时，空气压缩机(1)启动，向储气罐(2)充气，再由控制显示采集系统(3)通过余压调节装置(4)控制储气罐(2)向加压罐(5)充气并控制加压罐(5)的放气，通过加压气体推动加压罐(5)中液体往复运动在加压罐(5)的出口实现脉冲振动。

2.  如权利要求1所述的脉冲振动产生装置，其特征在于：所述余压调节装置(4)位于连接储气罐(2)的出口和加压罐(5)进口的管线上，其通过电磁阀的开关控制加压罐(5)与储气罐(2)连通进行充气或者与余压调节口连通进行放气。

3.  如权利要求1或2所述的脉冲振动产生装置，其特征在于：所述加压罐(5)带有液位计(6)，用于显示其内的液面变化。

4.  如权利要求1-3中任一项所述的脉冲振动产生装置，其特征在于：所述储气罐(2)包括罐体(11)、顶盖(9)、底盖(10)、放气阀(8)、进气口(13)和出气口(12)。

5.  一种由如权利要求1-4中任一项所述的脉冲振动产生装置产生脉冲振动的方法。

6.  如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述控制显示采集系统(3)按设定的施工参数，分时间控制所述电磁阀的开关，对加压罐(5)进行充气和放气，进而实现脉冲振动，所述充气时间和放气时间均控制在0.1～50.0秒。

7.  如权利要求6所述的方法，其特征在于：充气时间加放气时间为一个周期，控制振动频率范围为0.01～5.0Hz。

8.  一种井口脉冲振动固井施工装置，包括：空气压缩机(1)、储气罐(2)、控制显示采集系统(3)、余压调节装置(4)和加压罐(5)，所述加压罐(5)的出口连接井口，其内充灌有一定量的液体，所述装置开始工作时，空气压缩机(1)启动，向储气罐(2)充气，再由控制显示采集系统(3)通过余压调节装置(4)控制储气罐(2)向加压罐(5)充气并控制加压罐(5)的放气，通过加压气体推动加压罐(5)中液体往复运动在加压罐(5)的出口实现脉冲振动。

9.  如权利要求8所述的井口脉冲振动固井施工装置，其特征在于：所述余压调节装置(4)位于连接储气罐(2)的出口和加压罐(5)进口的管线上，其通过电磁阀的开关控制加压罐(5)与储气罐(2)连通进行充气或者与余压调节口连通进行放气。

10.  如权利要求8或9所述的井口脉冲振动固井施工装置，其特征在于：所述加压罐(5)带有液位计(6)，用于显示其内的液面变化。

11.  如权利要求8-10中任一项所述的井口脉冲振动固井施工装置，其特征在于：所述储气罐(2)包括罐体(11)、顶盖(9)、底盖(10)、放气阀(8)、进气口(13)和出气口(12)。

12.  一种井口脉冲振动固井施工方法，包括：在油气井固井结束后，将权利要求8-11中任一项所述的井口脉冲振动固井施工装置连接到井口，对井眼与套管环空中的固井液施加压力脉冲。

13.  如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述控制显示采集系统(3)按设定的施工参数，分时间控制所述电磁阀的开关，对加压罐(5)进行充气和放气，进而实现脉冲振动，所述充气时间和放气时间均控制在0.1～50.0秒。

14.  如权利要求13所述的方法，其特征在于：充气时间加放气时间为一个周期，控制振动频率范围为0.01～5.0Hz。

一种脉冲振动产生装置及方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲振动产生装置及由该装置产生脉冲振动的方法，属于完成一般机械作业用的机械振动的产生设备，特别是用有往复运动物体的系统工作的设备。
背景技术
以前，在油气井固井作业后，总是被动地等待水泥浆候凝，对井内水泥浆分布状况和水泥浆强度发展没有施加任何影响，固井的后期作业处于一种被动的状态。
US5377753A公开了一种提高固井胶结质量的方法和装置，其中通过气动隔膜泵向井眼与套管环空中的水泥浆施加压力振动(见其附图5)。其存在的问题在于：由于隔膜材料及其弹性的限制，该装置的振幅不会很大，其频率变化范围也受到限制，并且能量传递有限，影响振动波的传递距离。另外，由于振动环境的恶劣性、复杂性，对隔膜材料的要求非常高，导致材料选取困难。由于存在这些问题，必然会影响水泥浆的固化效率，影响固井胶结质量，振动也不平稳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种振幅和频率易控、可调、调节范围大，能够平稳连续地提供压力脉冲的脉冲振动产生装置及方法；并更进一步地提供一种将前述脉冲振动产生装置应用于固井施工中的井口脉冲振动固井施工装置及方法。
本发明的脉冲振动产生装置包括：空气压缩机1、储气罐2、控制显示采集系统3、余压调节装置4和加压罐5，所述加压罐5内充灌有一定量的液体，所述装置开始工作时，空气压缩机1启动，向储气罐2充气，再由控制显示采集系统3通过余压调节装置4控制储气罐2向加压罐5充气并控制加压罐5的放气，通过加压气体推动加压罐5中液体往复运动在加压罐5的出口实现脉冲振动。
本发明的产生脉冲振动的方法为由前述的脉冲振动产生装置产生脉冲振动的方法。
本发明的井口脉冲振动固井施工装置包括：空气压缩机1、储气罐2、控制显示采集系统3、余压调节装置4和加压罐5，所述加压罐5的出口连接井口，其内充灌有一定量的液体，所述装置开始工作时，空气压缩机1启动，向储气罐2充气，再由控制显示采集系统3通过余压调节装置4控制储气罐2向加压罐5充气并控制加压罐5的放气，通过加压气体推动加压罐5中液体往复运动在加压罐5的出口实现脉冲振动。
本发明的井口脉冲振动固井施工方法包括：在油气井固井结束后，将前述的井口脉冲振动固井施工装置连接到井口，对井眼与套管环空中的固井液施加压力脉冲。
在上述装置和方法中：
所述余压调节装置4位于连接储气罐2的出口和加压罐5进口的管线上，其通过电磁阀的开关控制加压罐5与储气罐2连通进行充气或者与余压调节口连通进行放气。
所述加压罐5带有液位计6，用于显示其内的液面变化。
所述储气罐2包括罐体11、顶盖9、底盖10、放气阀8、进气口13和出气口12。
所速控制显示采集系统3按设定的施工参数，分时间控制所述电磁阀的开关，对加压罐5进行充气和放气，进而实现脉冲振动，所述充气时间和放气时间均控制在0.1～50.0秒。
充气时间加放气时间为一个周期，控制振动频率范围为0.01～5.0Hz。
本发明人通过大量的试验数据证明：在油气井固井结束后，采用本发明的脉冲振动产生装置产生振动波对井眼与套管环空中的水泥浆柱施加压力脉冲，能够显著改善水泥浆的性能，有效提高水泥与套管及井眼的胶结质量，提高固井质量。
本发明的特点如下：
(一)使用储气罐可增强脉冲过程中的压力的平稳和连续性
储气罐的容积可根据需要设计，如1m³。为方便现场脉冲振动固井施工，提高施工的安全性，优选使用较大容积和能承受较大压力的储气罐供气，这样增大了储气量，增加了脉冲过程中的压力的平稳性和连续性。另外，可以选用单螺杆空气压缩机为储气罐供气，在压力为1.2MPa的条件下其向外供气速度可达到10m³/min，且供气过程平稳连续。
(二)控制系统设定控制施工参数
控制显示采集系统按设定的施工参数，分时间控制电磁阀的开通和关闭，控制高压空气向加压罐填充和释放，进而实现脉冲振动。充气时间和放气时间均可控制在50.0～0.1秒，充气时间和放气时间是由电磁阀的反应时间和变频器的反应时间确定的；充气时间加放气时间为一个周期，那么可控制振动频率范围为0.01[公式为1/(50.0+50.0)]～5.0[公式为1/(0.1+0.1)]Hz。
(三)采集储存系统给操作者提供直接的各种显示
①液晶显示屏可显示脉冲压力的瞬时值曲线和动态曲线及井内流体的瞬时压缩量曲线，以便调整施工参数；②单片机存储施工全过程的脉冲频率、脉冲压力、脉冲振幅及井内流体的压缩量四个参数值，通过标准串口与电脑连接。可读出所有数据并进行分析。
(四)通过加压罐给井眼环空施加压力脉冲
随着脉冲压力的填充与释放，引起环空液体的压缩和恢复，形成水箱液位的上下移动。采集系统显示并储存压缩量，可动态体现出井眼环空中水泥浆的凝固情况。加压罐的容积可根据需要，如80升，其通过管线与井眼环空形成密闭腔室，该腔室气液共存。
本发明的脉冲振动产生装置不仅可以应用于固井施工，也可以用于其它任何需要使用脉冲振动的作业中。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。
图1 脉冲振动产生装置流程图
图2 储气罐示意图
图3 加压罐及其液位计示意图
图4 SN360井技术套管固井声幅曲线
具体实施方式
如图1所示，本发明的脉冲振动产生装置主要包括空气压缩机1、储气罐2、控制显示采集系统3(即可编程控制器)、余压调节装置4、加压罐5五个部分。加压罐5内充灌有一定量的液体，当开始振动作业时，空气压缩机1启动，向储气罐2充气，待储气罐2中的气压达到接近空气压缩机1的设定压力(如0.9Mpa)时，再由控制显示采集系统3通过余压调节装置4控制储气罐2向加压罐5充气并控制加压罐5的放气，通过加压气体推动加压罐5中液体往复运动在加压罐5的出口实现脉冲振动。压力脉冲的频率由控制显示采集系统3控制，可调。压力脉冲的波幅的调节靠余压调节装置4实现。
储气罐2与加压罐5的连接管线上有一分支管线，该分支管线的出口为余压调节口。余压调节装置4包括两个阀门：其中一个进气阀置于储气罐2与加压罐5的连接管线上分支管线之前的位置上，用于向加压罐5充气；另一个余压调节阀置于所述分支管线上，用于加压罐5的放气。通过该两个阀门的开关切换，实现控制转换加压罐与储气罐连通或加压罐与余压调节口连通。
为方便现场脉冲振动固井施工，提高供气速度的平稳连续性，本发明人设计出了如图2所示的储气罐。储气罐2包括罐体11、顶盖9、底盖10和放气阀8、进气口13、出气口12。储气罐的原理是空气由进气口13进入，待罐中的空气压力达到空压机1的设定压力(例如0.9Mpa)时，空压机1停止向储气罐充气；当罐中的空气压力小于空压机1的设定压力时，被压缩的空气继续由进气口13进入，重复上面的过程。
为了控制压力脉冲的频率，增加了控制显示采集系统。控制频率范围：0.01[＝1/(50.0+50.0)]～5.0[＝1/(0.1+0.1)]Hz，优选振动时的振幅范围：0.0～0.9Mpa。控制显示采集系统的原理是在程序的控制下，进气阀开启a秒关闭，余压调节阀开启b秒关闭，以上过程如此循环往复。
如图3所示，为了给高压气体提供一个缓冲的腔室，本发明人特别设计了脉冲腔，也就是加压罐5，它起到缓冲流向井内液体的作用；加压罐5配有连接井口的管线，其内充灌例如2/3的水，液位计6能够直接观察到施工时液位的变化情况。其工作过程是：进气阀打开，高压气体由进气口14进入，压缩加压罐5内的液体流向井口；a秒钟后，进气阀关闭；此时，余压调节阀开启b秒，加压罐5内的气压释放。液位计6显示加压罐5内的液面的变化。重复上述过程。
                            实施例
将井口脉冲振动固井施工装置投入到固井施工当中。SN360井是东北局部署在登娄库构造的一口探井，该井固井施工结束即替浆碰压，座封套管后使用井口脉冲振动固井施工装置对环空水泥浆柱进行脉冲振动，时间为1个小时。施工过程采用0.7MPa的振幅，五个时间段进行施工。整个现场施工作业过程顺利，脉冲设备运转正常。施工参数调整简单易行，数据采集准确无误。具体的振动参数见表1。
        表1  五段施工时段的振动传动液的压缩量：