一种振动固井装置及振动固井方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油钻井固井技术领域，特别是一种振动固井装置和利用该装置的振动固井方法。
【背景技术】
[0002]油气井固井过程中受水泥石收缩、水泥在水化过程中产生的裂纹及部分孔隙、候凝期间水泥浆柱失重的因素影响，易发生固井质量不合格，后期造成地层流体串槽，影响油气产量。在下套管、注水泥、顶替水泥和水泥浆候凝的不同阶段用机械振动、液压脉冲、水力冲击等手段产生振动波作用于套管、钻井液和水泥浆可以改善固井质量。
[0003]各类振动固井装置由于应用时机、振动方式和振源位置的差异，优缺点如下:
(I)井底水力脉冲式振动器，安装在套管串中段或底端，随套管下入井内，水泥浆流经振动器时产生水力脉冲振动。该装置只在水泥浆的顶替过程中释放振动，而对候凝这一环节无能为力。(2)井口振动器，安装在套管顶部，发出机械振动。由于安放位置在井口，井下振动效果受传输距离影响衰减大。(3)井口水力或空气脉冲振动固井装置，将地面产生的水力或空气脉冲传递给环空内的水泥浆，但地面脉冲发生装置和控制系统庞大复杂，所需功率很大。
[0004]申请号为CN201110035683.0的中国专利公开了一种随行振动固井方法，应用该方法的机械谐振器具有金属密封腔，内有电源、电机和程控处理器，外有橡胶塞套，橡胶塞套顶替水泥浆时在套管中一边下行一边振动，当下行到井底碰压浮箍停止后继续振动直至水泥浆初凝之前再停止振动。该装置最终停留在套管底部，无法回收利用，投资高；井底碰压浮箍停止后振动影响范围有限；入井后振动时间无法再调整，电机工作状态难以判断；机械谐振器的金属结构密封腔会影响继续开钻。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种振动固井装置和利用该装置的振动固井方法。本发明提供的装置和方法实现了在不影响常规固井工艺的情况下，在水泥候凝过程中通过传递振动波和敲击套管的方式对环空的水泥浆实施振动，改善水泥浆流变特性，提高水泥固井质量。
[0006]本发明是通过采用以下技术方案方式实现的:
一种振动固井装置，主要由电缆2、变压器11和振荡器5组成；其中电缆2两端分别连接变压器11输出端和振荡器5 ;所述振荡器5具有密闭结构的耐压腔17，耐压腔17内部包括电机13和偏心块16,偏心块16为一个或者两个以上并呈轴向排列。
[0007]上述振动固井装置还包括:在变压器11输出端连接变频器10，电缆2通过变频器10输出端接入振荡器5，同时电机13采用变频调速电机。
[0008]在振荡器的耐压腔17外表面安装有橡胶块7或者扶正块，该橡胶块形状包括环状结构、块状结构或者环与块结合的环块组合结构，该橡胶块分布包括镶嵌在耐压腔17外表面的任一部位或者间隔分布的两个以上部位组合，橡胶块外径略小于固井套管的内径。
[0009]电机13与偏心块16同轴连接，并在连接轴上设有轴承15。
[0010]该专职进一步包括马龙头4、绞车8和滑轮I ;其中振荡器5通过马龙头4与电缆2连接，电缆2穿过滑轮并缠绕在绞车8上。
[0011]一种基于无变频器的振动固井装置的振动固井方法采用如下工艺步骤:
a.在固井替浆完毕且碰压结束并拆掉水泥头后，将所述振荡器5和电缆2下入套管内；
b.到达指定井深后，启动变压器11，电机13工作驱动偏心块16转动，并带动振荡器5振动；
c.振荡器5边振动边上行或者下行，或者往复运动，为避免振动导致水泥浆产生水层，振荡器5在一处停留振动的时间小于10分钟；
d.当到达所振层段水泥浆的初凝时间时，振荡器5停止振动，起出井口。
[0012]在该方法中，设定水泥浆初凝时间为h，从水泥浆混浆完毕至下入振荡器5至目的井深的时间为h，实际振动持续时长tzhm彡t0-tlo
[0013]一种基于带有变频器的振动固井装置的振动固井方法采用如下工艺步骤:
a.先根据油井套管尺寸和长度计算出套管3固有频率，并将变频器10输出频率设定为接近套管3的固有频率值；
b.在固井替浆完毕且碰压结束并拆掉水泥头后，将所述振荡器5和电缆2下入套管内；
c.到达指定井深后，启动变压器11和变频器10，振荡器5开始工作并以变频器10输出的频率振动，电机13工作驱动偏心块16转动，并带动振荡器5振动；
d.振荡器5边振动边上行或者下行，或者往复运动，为避免振动导致水泥浆产生水层，振荡器5在一处停留振动的时间小于10分钟；
e.当到达所振层段水泥浆的初凝时间时，振荡器5停止振动，起出井口。
[0014]在该方法中，设定水泥浆初凝时间为h，从水泥浆混浆完毕至下入振荡器5至目的井深的时间为h，实际振动持续时长tzhm彡t0-tlo
[0015]与现有技术中顶替水泥浆时使用的套管谐振器和振动胶塞相比，本发明装置和方法具有以下的优点:
(O能够实现全井段套管范围内任意深度振动，可以悬停也可以边走边振和往复振动；
(2)在水泥浆替浆完毕的侯凝阶段实施振动，振动时长可以灵活调整；
(3)实施振动完毕可以回收利用全部装置，运行成本小，可广泛应用于水泥浆固井领域；
(4)通过对地面变压器输出电压和电流的观测，直观的监控电机运行状态；
(5)不影响常规固井工艺，振动固井结束后也不影响在套管内继续开钻；
(6)井场交流电接线简单，振动固井能量损耗少，能耗低。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的振动固井装置具体应用示意图。
[0017]图2为本发明装置的一种实施例结构剖面图。
[0018]图3为本发明装置的另一种实施例结构剖视图。
[0019]图中标记:
1、滑轮，2、电缆，3、套管，4、马龙头，5、振荡器，6、水泥浆，7、橡胶块，8、绞车，9、输电线，
10、变频器，11.变压器，12、电源，13、电机，14、转子，15、轴承，16、偏心块，17、耐压腔，18、大勾。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的详细说明。
[0021]实施例1
参照说明书附图1和附图2，在本发明的振动固井装置中，地面利用测井车装载电缆2、绞车8、变频器10和变压器11，测井车具备传递交流电的绞车滑环。电缆2采用测井用七芯钢缆，并且缠绕在测井车载式绞车8上，电缆一端连接测井马龙头4，另一端通过测井绞车滑环连接变频器10输出端。变频器10输入端连接变压器11输出端，变压器11输入端连接井场的380V三相交流电源。
[0022]振荡器5上端连接马龙头4，并且通过马龙头插针传递交流电。振荡器5的耐压腔17采用钢管材质，抗外压70MPa，内部装有交流变频电机13和偏心块16。偏心块16为单个并通过轴承15安装在耐压腔17内，电机13的转子14与偏心块16同轴安装并传递扭矩，采用焊接连接，也可以采用花键连接。
[0023]偏心块16安装在振荡器5的下部，使得振荡器5的下端振幅最大振动最强烈。偏心块16截面呈扇形偏心形状，采用钢制结构。在试验中，振荡器5下端外壳与套管直接发生金属之间的碰撞会导致振荡器5自身剧烈的不规则摇摆，会大幅降低振动频率和偏心块16转速，转子14憋转，引起电机13电流陡升。为避免烧毁电机，在耐压腔17底端外表面周向均匀镶嵌31个橡胶块7，镶嵌橡胶块7后的耐压腔17外径小于套管内径。
[0024]参照说明书附图1，本发明的振动固井方法采用如下工艺步骤:
首先，事先确定水泥浆的初凝时间，并根据井身结构、套管尺寸和长度计算出套管固有频率，调整变频器10输出频率设定值，在变频器10参数范围内使其等于或者接近套管的固有频率值；套管尺寸略大于所述振荡器外径。
[0025]然后，将变压器11接井场电，并在井口上方的大勾18上固定滑轮I，并将电缆2和马龙头4，穿过滑轮I，振荡器5连接好马龙头4，等固井注水泥替浆完毕且碰压结束后，拆掉水泥头，快速将振荡器5下入套管中。
[0026]接着，当到达需要提高固井质量的井深后，启动变压器11和变频器10。变压器11升压至480V，电缆2和电机13串联，电机13运行电流1.0A,电缆2总长六