[发明专利]井下复合振动固井装置

说明书

本发明涉及井下复合振动固井装置，包括外壳体、定阀、动阀、中心轴、涡轮、偏心模块和下阀；定阀和下阀固定设置在外壳体内部，定阀设置有定阀过流孔，下阀设置有过流孔；中心轴设置在定阀和下阀之间，并且与下阀的中心垂直转动连接；动阀固定设置在中心轴的顶端，并且动阀设置有动阀过流孔；涡轮和偏心模块与中心轴固定连接。本发明能够产生轴向和径向复合振动，固井效果更佳，并且压降低、结构简单、操作方便、成本低廉、安全可靠等。

技术领域

本发明属于井下复合振动固井装置主要涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探等行业领域。

背景技术

在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探的过程中，当钻井作业完成后，为了确保井眼的稳定性，必须下入套管柱，并在套管柱与井壁之间的环空内注入水泥浆，当水泥凝固后，就能够将套管柱固定在井眼中，这个过程称之为固井。常规固井方法主要是先将套管柱下入井内，然后从套管柱内注入水泥浆，水泥浆到达套管柱最下端后流出，通过套管柱与井壁之间的环空上返至地面，与此同时将套管柱与井壁之间的泥浆顶替出井眼，最后等待水泥浆凝固，完成固井作业。由于井壁不规则，套管柱在井眼中并不是完全居中等因素的影响，不仅降低水泥浆的上返速度，而且还降低了水泥浆顶替泥浆的效果，造成套管柱与井壁之间环空间隙存在部分泥浆无法顶替，影响固井质量。国内外研究与现场实践表明，在注入水泥浆的过程中，如果套管柱能够振动或转动，就能够改善水泥浆的流动特性，从而大幅提高顶替泥浆的效率，使得水泥浆能够充分进入套管柱与井壁之间的环空间隙，进一步提高固井质量，主要方法分为两种，一种是套管柱旋转法，这种方法是在注入水泥浆的同时，利用地面机械能量驱动套管柱旋转，能够有效提高水泥浆在套管柱与井壁之间环空中的流动性，获得最佳的泥浆顶替效果，现场使用效果非常显著，固井质量较高，但使用成本高、能耗大、技术要求高，限制了使用范围；另一种是在套管柱最下端安装振动发生装置，利用水泥浆的流动驱动其产生振动，振动波沿套管柱传播，进而引起水泥浆振动，达到改善水泥浆流动特性、提高泥浆顶替效率的目的，现场应用也取得了一定的效果。但国内外现有振动发生装置主要是产生径向振动，即水泥浆流动时驱动振动发生装置内部的偏心模块旋转，由于质量偏心使得振动发生装置产生径向振动，这种振动形式不仅振动能量较低，而且传播距离有限，不能完全满足现场固井的技术要求。

随着油气井深度的不断增加，地层条件更加复杂多变、复杂结构井数量增多、套管柱长度也随着增加，为了确保深层油气资源的高效开发，对于固井质量要求也随之越来越高。国内外针对提高固井质量的装置研究相对较少，国外技术较为先进，但使用成本高昂，国内技术相对国外差距较大，不能满足深井、超深井、复杂结构井固井技术的要求。

此外，关于固井装置也有诸多专利文件报道，例如：中国专利文件CN108590572A公开了一种负脉冲压力波发生器，还提供了一种含有负脉冲压力波发生器的固井装置。发生器包括基座、压力波发生机构和第一外筒，基座上设有动力部，动力部与压力波发生机构连接，第一外筒套设在动力部和压力波发生机构外侧并与基座固定连接；压力波发生机构与第一外筒间设有密封件；压力波发生机构包括顶盖、底板和第二外筒，顶盖、底板和第二外筒三者密封形成一空压舱，第二外筒侧壁上设有第一通孔和密封轴，密封轴将第一通孔密封；动力部能够驱动压力波发生机构沿第一外筒轴向运动，当空压舱位于第一外筒外部时，在空压舱内外压力差的作用下，密封轴能够向第二外筒内移动，从而打开空压舱。中国专利文件CN207660572U公开了一种机械式振动固井工具，包括受冲壳体、振击锤、启振体、传动轴、涡轮马达、弹簧挡套、弹性元件和滚轮。涡轮马达通过传动轴驱动启振体转动，启振体上端的凸轮副通过滚轮，推动振击锤轴向往复运动，振击锤同时受到弹性元件压力和水击节流压力，在凸轮副推动振击锤向上运动时，振击锤蓄积能量，在凸轮副突变时，振击锤释放能量向下冲击受冲壳体，冲击产生能量大，传播距离远，能有效提高水泥顶替效率和固井质量，可用于直井、大位移井、定向井及水平井振动固井，装置结构简单，运转可靠，施工风险小。