一种用于位置定位的压力波发生器及固井装置的制作方法

本发明涉及钻探技术领域，特别是涉及一种用于位置定位的压力波发生器及含有压力波发生器的固井装置。

背景技术：

固井作业属于油气勘探开发过程中重要的一个环节，固井作业质量不好轻则导致油井寿命缩短，重则造成巨大的生命财产损失、环境污染等问题。

固井胶塞在固井作业中起到隔离固井水泥浆和钻井液的作用，其作用机理是固井胶塞在钻井液的压力作用下向套管底部运动，而套管中的水泥会随着胶塞的运动被顶入到套管—井眼环空中，当胶塞到达套管底部时，胶塞会与套管底部产生做封，不再向下移动，在这一作封过程中会产生一压力波，事实上在传统固井作业过程中，现场即是通过座封过程中产生的压力波动及钻井液的消耗量来判断座封是否到位，但在实际作业过程中由于固井胶塞密封部位的唇形橡胶盘有可能出现翘曲、破损等现象，钻井液会通过胶塞翘曲或破损的地方进入套管-井眼环空，从而造成座封过程压力波动不明显，通过压力波动及钻井液注入量监测胶塞是否到位失效。而注入过量的钻井液会将环空内的水泥浆顶出而出现替空的状况，导致固井失败或固井质量低，相反如果胶塞没有到达胶塞座时就停止替液，会造成部分的水泥留在套管内，造成物料浪费并增大下一步钻井过程中的作业量，因此，准确判断固井胶塞是否到达井底在固井作业过程中非常重要。

在传统的固井作业过程中，判断胶塞是否到达井底是通过观测胶塞落到套管底部座封的过程中井筒内压力变化及在地面计量注入井筒的钻井液量并与计算得到的井筒容积进行对比来判断胶塞是否到位。这种判断方式存在的问题是：一方面这一过程是单一的，观察过程中稍有不慎就可能错过，另一方面也存在胶塞翘曲或破损等现象，存在漏液或座封过程压力变化幅度小而无法有效监测的问题，从而使其失效。另外通过钻井液注入量与井筒容积比对的方式确定胶塞位置同样可能存在由于胶塞翘曲或破损导致的比对失效从而出现钻井液注入量过多或不足，影响固井质量。

在专利CN 204899846固井胶塞系统中，提出了一种固井胶塞系统，包括：固井胶塞及胶塞座，其中一者上设置有信号产生模块，另一者上设置有信号接收模块；压力脉冲产生装置在信号接收模块收到信号产生模块发出的信号时产生压力波；压力脉冲监测装置用于监测压力波。与传统方式相比，该系统是通过无线射频的方式来判断胶塞是否到位，然后触发压力波发生装置，通过引爆炸药来产生压力波，该压力波的强度是可预设的，同时可预设的是压力波的发生次数，这就避免了传统方式中压力波幅值不稳定且单一的问题。需要注意的是，该系统用到了大量的电子元器件，在使用过程中对密封性要求极为严格，尤其是随着井筒深度的增加，压力会越来越大，同时该系统采用无线射频作为信号发射和接受的方式，在井下受井底环境影响较大；最后该系统采用炸药爆炸产生压力波作为压力波发生装置，该方式一方面采用了炸药这一易爆危险品，其次对炸药量的控制也极为严格，量大会破坏密封，量小又无法形成有效的压力波，因此该固井胶塞系统略显复杂，且在使用过程中可靠性存在较大问题。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种稳定可靠的、纯机械的压力发生装置，该装置可实时监测装置位置，并在每下沉一定深度后即产生一压力波。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种用于位置定位的压力波发生器，包括：

基体，所述基体内设有传动装置，所述基体上设有滚动轮，所述滚动轮通过安装轴与所述基体连接；

压力波发生机构，包括支撑座、推杆、复位弹簧、连杆和推靠翼板；

所述滚动轮的转动能够带动所述传动装置周期性的推动所述推杆沿所述支撑座轴向上方移动，从而带动所述连杆沿所述支撑座径向移动，将所述推靠翼板推出；

所述复位弹簧用于使所述推杆恢复至初始位置。

可选地或优选地，所述传动装置包括齿轮系，所述齿轮系通过齿轮轴与所述基体连接，所述齿轮系首端通过固定在安装轴上的驱动轮与所述滚动轮连接，所述齿轮系末端的齿轮轴上设置有凸轮，通过所述滚动轮的转动带动所述驱动轮转动，以带动所述齿轮系工作，从而带动所述凸轮推动所述推杆。

可选地或优选地，所述基体上还设有至少一个扶正轮，所述扶正轮通过扶正轴与所述基体连接，通过所述扶正轮的转动，能够带动所述扶正轴相对所述基体转动。

可选地或优选地，所述扶正轮与所述滚动轮尺寸一致。

可选地或优选地，所述扶正轮与所述滚动轮沿所述基体轴向均匀布置在同一水平面。

可选地或优选地，所述支撑座上设有顶盖，所述支撑座内设有空腔，所述顶盖通过螺栓将所述空腔密封，所述推杆位于所述空腔内，所述复位弹簧位于所述顶盖与所述推杆间。

可选地或优选地，所述支撑座外侧设有凹槽，所述推靠翼板位于所述凹槽内，所述推靠翼板与所述支撑座可转动连接。

可选地或优选地，所述推靠翼板中部与所述连杆可转动连接。

可选地或优选地，所述推靠翼板为多个且沿所述支撑座均匀布置。

第二方面，本发明提供一种固井装置，包括固井胶塞，还包括第一方面中提供的用于位置定位的压力波发生器，所述固井胶塞与所述压力波发生器的基体底部连接。

本发明提供的用于位置定位的压力波发生器及含有该压力波发生器的固井装置，具有如下有益效果：

1、本发明采用纯机械结构，结构简单，对复杂环境具有较强的适应性；

2、本发明采用纯机械结构，对密封性无严格要求，当固井胶塞发生翘曲或破损后，依然可以正常工作；

3、本发明通过调节滚动轮的尺寸及传动装置中齿轮系的传动比，调节压力波产生的频率，使设备没移动一定距离即产生一定的压力波，从而有效的精确定位设备的实际位置。

附图说明

图1为本发明实施例一用于位置定位的压力波发生器的结构透视图；

图2为图1中压力波发生器中的压力波发生机构结构图；

图3为图1中压力波发生器中的压力波发生机构立体图；

图4为图1中压力波发生器中的传动装置结构图；

图5为图1中压力波发生器中的滚动轮、驱动轮和安装轴的装配图；

图6为实施例二中固井装置的结构图。

图中：

1.基体；11.传动装置；111.齿轮系；112.齿轮轴；113.凸轮；12.滚动轮；13.安装轴；14.驱动轮；15.扶正轮；16.扶正轴；2.压力波发生机构；21.支撑座；22.推杆；23.复位弹簧；24.连杆；25.推靠翼板；26.顶盖；27.螺栓；3.固井胶塞。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例一

参考图1，该图为本发明提供的一种用于位置定位的压力波发生器的结构透视图，其主要由基体1和压力波发生机构2构成。基体1内设置有传动装置11,基体上设置有滚动轮12，滚动轮12通过安装轴13与基体1连接，通过滚动轮12的转动能够带动安装轴13相对基体1转动，安装轴13轴向固定，其不可沿轴向窜动，滚动轮12与安装轴13固定连接。当滚动轮12发生转动时，安装轴13随之一起转动，从而带动传动装置11工作，进而传动装置11带动压力波发生机构2工作，在压力波发生机构工作的同时，产生压力波。

在基体1上还设置有包括扶正轮15和扶正轴16，扶正轮15通过扶正轴16与基体1连接，通过扶正轮15的转动，能够带动扶正轴16相对基体1转动，同样的，扶正轴16也是轴向固定，其不可沿轴向窜动。该扶正轮的作用为扶正，能够保证压力波发生器工作时不会发生偏移。为了更好的实现该功能，在本实施例中，扶正轮15的尺寸与滚动轮12的尺寸一致，且它们沿基体1轴向均匀布置在同一水平面上。应当理解的是，对于扶正轮15的尺寸，并不唯一，其可大可小，只要其能够保证其能够保证整体设备不会发生偏移，起到扶正的作用即可。对于扶正轮15的数量也可根据实际情况进行优化布置多个来提高设备的稳定性。

参考图2和图3，其中图2为用于位置定位的压力波发生器中压力波发生机构2的结构图，图3为压力波发生机构2的立体图。压力波发生机构主要包括支撑座21、推杆22、复位弹簧23、连杆24和推靠翼板25。支撑座21内的轴向设置有空腔，该空腔能够使推杆22由支撑座21的底部穿入，并从支撑座22的顶部穿出。在支撑座21上还设置有顶盖26，顶盖26上开有安装孔，该顶盖26用于将支撑座21内的空腔密封。在支撑座21顶部还设有螺纹孔，将螺栓27穿过顶盖26上的安装孔并安装入螺纹孔中，能够将顶盖26固定在支撑座21上，在本实施例中安装孔和螺纹孔均为4个，对于它们的数量可以根据实际情况进行增减。复位弹簧23位于顶盖26和推杆22间。在支撑座21的径向设置有容纳连杆24的空间，且该空间与支撑座21内的空腔连通，以使推杆22能够与连杆24始终保持接触，并推动连杆24沿支撑座21径向移动。在支撑座21外侧还设有凹槽，推靠翼板25位于该凹槽内，推靠翼板25的一端与支撑座21可转动连接，在本实施例中，在凹槽两侧设有安装孔，同时推靠翼板25上也设有通孔，推靠翼板25与支撑座21间通过穿过安装孔和推靠翼板25上的通孔的螺栓连接；另外推靠翼板25的中部与连杆24一端可转动连接，以使连杆24更好的推动推靠翼板25。推靠翼板25可以设置多个，在本实施例中设为三个，并在支撑座上均匀布置。为了更好的推动推杆22，在本实施例中其一端位于支撑座21外。

推动推杆22压缩复位弹簧沿支撑座21轴向23向上移动，从而推杆22推动连杆24沿支撑座21径向移动，并将推靠翼板25推出；当停止推动推杆2时，复位弹簧23发挥其固有的作用，使推杆22恢复至其初始位置，从而推靠翼板25被收回。当推靠翼板25被推出时会使压力波发生器移动的阻力增大，减缓其移动的速度，在这一过程中会产生压力波动，进而产生压力波。

参考图4和图5，其中图4为用于位置定位的压力波发生器中传动装置11的结构图，图5为用于位置定位的压力波发生器中滚动轮12、驱动轮14和安装轴13的装配图。该传动装置11主要包括一齿轮系111，其作用是接收滚动轮12的驱动信号，并将其转化为周期性触发压力波发生机构2产生压力波。该齿轮系111通过齿轮轴112与基体1连接，通过齿轮系111的转动能够带动齿轮轴112相对基体1转动。齿轮系111的首端与固定安装在安装轴13上的驱动轮14连接，通过滚动轮12的转动带动安装轴13转动，以带动驱动轮14转动，从而使齿轮系111运转。在齿轮系111末端的齿轮轴上设置有凸轮113，通过凸轮113能够推动推杆22沿支撑座21轴向向上移动。该凸轮113固定安装在齿轮系111末端的齿轮轴上。

传动装置11中齿轮系111的结构与系统预设的压力波产生频率或深度间隔有关，同时也受限于结构的整体尺寸。

本实施例中的用于位置定位的压力波发生器，在工作时，滚动轮12的转动带动驱动轮14发生转动，进而带动齿轮系111工作，使凸轮113转动，随着凸轮113的转动，其能够推动连杆22压缩复位弹簧23并沿支撑座21轴向向上移动，在推杆22移动的过程中，推杆22推动连杆24沿支撑座21径向移动，从而将推靠翼板25推出，当推靠翼板25被推出时会使压力波发生器移动的阻力增大，减缓其移动的速度，在这一过程中会产生压力波动，进而产生压力波，该压力波产生的频率可通过调整滚动轮12的尺寸及传动装置11中齿轮系111的传动比实现。随着凸轮113的继续转动，其将停止推动推杆22，此时推杆22在复位弹簧23的作用下，慢慢恢复至初始状态，在该过程中推靠翼板25同时被收回。

本发明提供的用于位置定位的压力波发生器可适用于需要通过监测压力波动判断装置位置的场所，其采用纯机械结构，结构简单，对复杂环境具有较强的适应性，且对整体设备的密封性无严格要求；另外还可通过调节滚动轮的尺寸及传动装置中齿轮系的传动比，调节压力波产生的频率，使设备每移动一定距离即产生一定的压力波，从而有效的精确定位设备的实际位置。

实施例二

参考图6，本实施例提供了一种具有实施例一中用于位置定位的压力波发生器的固井装置，其包括固井胶塞3和实施例一中的用于位置定位的压力波发生器，固井胶塞3与压力波发生器的基体1的底部固定连接。

该固井装置在作业过程中，其在沿井筒下落过程中，滚动轮12与井壁始终保持接触，并沿井壁滚动，从而在驱动轮14的作用下驱动传动装置11中齿轮系111工作，通过凸轮113与压力波发生机构2的推杆22接触，凸轮113推动推杆22移动，从而推动连杆24移动，带动推靠翼板推出；随着滚动轮12的继续转动，凸轮113停止推动推杆22，此时推杆22在复位弹簧23的作用下，慢慢恢复至初始状态，在该过程中推靠翼板25同时被收回。而推靠翼板25被推出时，其在与井壁接触的过程中由于结构限制会导致其与井壁的摩擦力越来越大，从而整个装置下落速度逐渐变慢甚至停止，这一过程由于固井胶塞3的密封作用，会导致井筒内产生一压力波动，其波动幅值与装置下落减速度的大小相关，可通过调节推靠翼板25与井筒的摩擦系数及推杆22与连杆24的接触曲线形状来控制。其压力波产生频率可通过调整滚动轮12的尺寸及传动装置11中的齿轮系111的的传动比实现。

在固井装置下落过程中，使用者可对两次压力波的产生情况进行解算，从而确定压力波发生的深度，精确定位固井装置实际下落的位置。

该固井装置可根据作业精度的要求，预先对压力波发生频率或深度间隔进行设置，由于采用纯机械结构，对密封性无严格要求，但由于井下长存在一些大的颗粒可能会影响齿轮系111的正常传动，在实际使用过程中可在流体进出口处用滤网进行简单隔离。该机构可实现在固井作业过程中通过不断产生的压力波动来相对精确的确定胶塞的下落深度，避免了传统作业方式中只能通过单次座封压力波动来定位导致的误判问题，同时采用纯机械机构，系统相对简单，对环境的适应能力强。

本发明提供的固井装置在不改变固井胶塞作用机理的情况下，通过增加用于位置定位的压力波发生器，可在固井胶塞下落过程中每下落一定的深度即产生一定的压力波动，从而在地面上的压力波接收及解调系统可精确判断出胶塞的当前位置，从而与预设座封位置进行比对判断，确定其是否到位，当固井胶塞由于发生翘曲或破损从而无法到达指定座封位置时，该装置尤其有利，可根据最近一次的压力波动来相对精确的判断胶塞的位置。

综上，本发明提供的固井装置具有结构设计简单合理，制造和维护成本较低，且可靠性好、定位精确性高、对环境适应能力强、压力波发生幅度及频率可适当调整等诸多特点。该装置用于固井作业时，可有效确定胶塞井下位置，减少误判产生的钻井液注入不足或过量，提高固井质量，避免无谓的损失。

以上对本发明所提供的用于位置定位的压力波发生器及含有该压力波发生器的固井装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。