一种井下超声波振动固井系统及其振动固井方法与流程

本发明涉及油气井工程领域，特别涉及一种井下超声波振动固井系统及其振动固井方法。

背景技术：

固井是油气开采工程中最为关键的部分之一，优秀的固井技术和工艺，可以提高固井质量，延长油气井寿命。通过施加振动可以减少灌注空隙，清除胶结面泥饼，强化紊流替浆效果，抑制环空气窜，提高水泥面胶结强度，缩短水泥胶凝时间，减少甚至消除水泥浆静切力，故可以通过振动固井，有效提高固井质量。然而，现有的振动固井技术仍存在着振动强度弱以及振动分布不均匀的问题。如当下应用比较广泛的低频水力脉冲式振动固井工具，其振动频率低，没有超声波高频振动的效果显著，且通常安装在靠近井底的套管柱上，其产生的振动在沿套管上传时逐渐减弱，使得套管中远距离的振动强度偏弱，从而影响了固井质量。因此迫切需要一种能够实现均匀分布且在长距离产生高频振动的固井技术，以克服现有技术中的种种缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种井下超声波振动固井系统及其振动固井方法：其特征在于，所述井下超声波振动固井系统包括：能下入到油气井预设位置的套管柱，套管柱与油气井井壁之间形成环形空间；在套管柱上安装有扶正器，扶正器与油气井井壁之间装有遇油遇水自膨胀密封圈，套管柱与扶正器之间装有一块密封隔离板，并且每隔一个扶正器的套管柱上装一块密封隔离板；所述密封隔离板上装有对称呈环形排列的帕尔曼发生器；帕尔曼发生器与密封隔离板之间有密封圈；容置于套管内的胶塞，在胶塞之上注入顶替液；所述超声波振动固井系统使用胶塞、顶替液憋压，迫使胶塞下移，顶替液挤压预先注入套管柱内的水泥浆；被挤压的水泥浆流经帕尔曼发生器的收缩喷腔和喷嘴，使其发生超声波振动，多节段的帕尔曼发生器能够产生长距离的高频振动，作用于整个井段的套管柱、井壁和水泥浆。

常规固井工艺中使用的水泥浆，将所述水泥注入套管柱内达到实际要求。

所述密封隔离板与套管柱和扶正器之间有遇油遇水自膨胀密封材料使其严格密封。

所述扶正器与套管柱和井壁之间有遇油遇水自膨胀密封材料使其严格密封。

所述帕尔曼发生器与密封隔离板之间有遇油遇水自膨胀密封材料使其严格密封。

一种井下超声波振动固井系统的振动固井方法，包括以下步骤：

步骤1，将套管柱下入到油气井内预设位置，套管柱与油气井内壁之间形成环形空间；

步骤2，向套管柱中注入符合实际要求的水泥浆；

步骤3，向所述套管柱中注入胶塞；

步骤4，向套管柱中注入符合实际要求的顶替液；

步骤5，通过顶替液向胶塞施压使水泥浆移动；

步骤6，将受压的水泥浆流经环形空间到达帕尔曼发生器的收缩喷腔和喷嘴，产生高压液片；

步骤7，所述高压液片冲击帕尔曼发生器的簧片使其产生超声波振动；该超声波振动将传递给周围的套管柱、井壁和水泥浆；

步骤8，多节段中帕尔曼发生器将产生长距离的高频振动作用于整个井段的套管柱、井壁和水泥浆。

所述每块密封隔离板上装有的帕尔曼发生器数量和其收缩喷腔、喷嘴的横截面积大小依据环形空间中水泥浆的流速、密度和所需要的超声波振动强度来确定。

所述放置于帕尔曼发生器上的振动簧片，其材料需要强度高，弹性好，且耐疲劳性能高、抗腐蚀性强，因此采用304不锈钢制作尖劈形振动簧片。

本发明的有益效果是本发明水力超声波振动固井方法主要用于振动固井，能够在整个井段产生一定强度的超声波，对水泥浆进行超声处理，使水泥浆产生超声搅拌作用，水泥颗粒分散更加均匀，从而加速水泥浆的水化进程、改善水泥浆的流变性，为水泥浆在环形空间中的初终凝、强度发展和抑制环形空间的气窜方面起到重要保障作用；同时产生的超声波还具有很强的清洗功能，可以有效清洁胶结面泥饼，从而进一步提高水泥浆与套管柱和井壁的胶结质量。本发明设计简单、加工成本较低，不需要改变现有固井工艺，在长距离产生高频振动，使振动分布均匀，提高振动效果，清洁胶结面泥饼，缩短初终凝时间，进而提高固井质量。

附图说明

图1是井下超声波振动固井系统的结构简图。

图2是图1中的安装扶正器部分的局部放大图。

图3是帕尔曼发生器的结构示意图。

图中标号为：501-振动簧片，502-喷嘴，503-上接头，504-收缩喷腔，505-下接头。

具体实施方式

本发明提供一种井下超声波振动固井系统及其振动固井方法：下面结合附图对本发明予以进一步说明。

如图1所示井下超声波振动固井系统的结构简图和图2所示的安装扶正器部分的局部放大图，图中所示为一种水力超声波振动固井系统，包括能下入到油气井预设位置的套管柱1；所述套管柱1与油气井井壁12之间形成环形空间13；在套管柱1上，从上至下依次安装有1#扶正器扶正器3、2#扶正器14和3#扶正器15；在3#扶正器15中部安装2#帕尔曼发生器16；所述1#扶正器3与油气井井壁12之间装有井壁遇油遇水自膨胀密封圈7；1#扶正器3与套管柱1之间装有遇油遇水自膨胀密封圈2；套管1与1#扶正器3之间装有一块密封隔离板6；密封隔离板6上装有对称呈环形排列的1#帕尔曼发生器5；1#帕尔曼发生器5与密封隔离板6之间密封圈11；容置于套管1内的胶塞10；在胶塞10之上套管1内容置顶替液4；1#扶正器3中部密封隔离板6与套管1之间装套管遇油遇水自膨胀密封圈8；水泥浆9被挤压流经1#帕尔曼发生器5时使其发生超声波振动，产生的超声波振动会作用于套管1、井壁12和水泥浆9。

图3所示是帕尔曼发生器的结构示意图。其振动簧片501垂直固定在上接头503顶端，振动簧片501下端对着喷嘴502，下接头505插入上接头503内腔并固定，下接头505内腔为尖塔形收缩喷腔504，尖塔形收缩喷腔504顶端通孔即是喷嘴502。

所述超声波振动固井系统使用胶塞、顶替液憋压，迫使胶塞下移，顶替液挤压预先注入套管柱内的水泥浆；被挤压的水泥浆流经帕尔曼发生器的收缩喷腔和喷嘴，使其发生超声波振动，多节段的帕尔曼发生器能够产生长距离的高频振动，作用于整个井段的套管柱、井壁和水泥浆。

上述结构中的水泥浆为常规固井工艺中使用的水泥浆，将所述水泥注入套管柱内达到实际要求。所述密封隔离板与套管柱和扶正器之间有遇油遇水自膨胀密封材料使其严格密封。所述扶正器与套管柱和井壁之间有遇油遇水自膨胀密封材料使其严格密封。所述帕尔曼发生器与密封隔离板之间有遇油遇水自膨胀密封材料使其严格密封。

一种井下超声波振动固井系统的振动固井方法，包括以下步骤：

步骤1，将套管柱1下入到油气井内预设位置，套管柱与油气井内壁之间形成环形空间13；

步骤2，向套管柱中注入符合实际要求的水泥浆9；

步骤3，向所述套管柱中注入胶塞10；

步骤4，向套管柱中注入符合实际要求的顶替液4；

步骤5，通过顶替液向胶塞施压使水泥浆移动；

步骤6，将受压的水泥浆流经环形空间到达帕尔曼发生器的收缩喷腔和喷嘴，产生高压液片；

步骤7，所述高压液片冲击帕尔曼发生器的簧片使其产生超声波振动；该超声波振动将传递给周围的套管柱、井壁和水泥浆；

步骤8，多节段中帕尔曼发生器将产生长距离的高频振动作用于整个井段的套管柱、井壁和水泥浆。

所述每块密封隔离板上装有的帕尔曼发生器数量和其收缩喷腔、喷嘴的横截面积大小依据环形空间中水泥浆的流速、密度和所需要的超声波振动强度来确定。

所述放置于帕尔曼发生器上的304不锈钢尖劈形振动簧片，不限此类振动簧片，其材料需要强度高，弹性好，且耐疲劳性能高、抗腐蚀性强。

本实施方法中，通过井下水力超声发生装置即帕尔曼发生器产生一定强度的超声波，对水泥浆进行超声处理，使水泥浆产生超声搅拌作用，水泥颗粒分散更加均匀，从而加速水泥浆的水化进程、改善水泥浆的流变性，为水泥浆在环形空间中的初终凝、强度发展和抑制环空气窜方面起到重要保障作用；由于超声波的衰减比较快，需要在每隔一个扶正器上安装帕尔曼发生器(如图1所示)，使环形空间内水泥浆的振动更加均匀、强烈，实现长距离高频振动，使水泥浆在整个的环形空间中都会产生超声波搅拌作用，同时产生的超声波还具有很强的清洗功能，可以有效清洁胶结面泥饼，从而进一步提高水泥浆与套管柱和井壁的胶结质量。