在油田开发的各个阶段都进行地震测量，该地震测量用于确定袋 装油藏的位置。这些地震测量通常称为4-D地震测量，因为该测量涉 及的数据包括深度、宽度、长度和时间。这些地震测量有一些问题， 因为这些地震测量缺少在不同时间进行测量的匹配性。数据的分析费 用昂贵并且不可靠。
在进行地震测量时，能量以被称作地震波的振动形式释放穿过地 层。地震波沿着各个方向传播并且随着距离震源距离的增加而逐渐减 弱。
有两种形式的地震波。作为速度最快的地震波，体波穿过地层。 体波可以是压缩波或者剪切波。当这些体波穿过地层时，它们导致岩 石的颗粒以不同方式进行运动。压缩波可以推、拉岩石，而剪切波使 得岩石从一侧移动到另外一侧。压缩波可以穿过固体、液体或者气体， 而剪切波只能穿过固体。压缩波是速度最快的地震波，通常又称为主 级波。剪切波的速度较慢，通常又称为次级波。地震仪装备有称为地 震检波器的传感器，这些地震检波器探测地震波导致的地层的运动。 一个地震仪产生反映穿过地震仪下面的地震波大小的波形曲线。所记 录的波形又称为地震图，打印在纸、薄膜或者记录磁带上，或者由计 算机存储或者显示。
人们需要一种可控的地震能震源，用于4-D地震映象，该震源提 供用于4-D地震映象的匹配性数据。而且，人们一直需要一种地震能 震源，该震源是可控的因此震源可以被调谐从而适合于具体的地层， 以优化在烃的激励和生产中的作业。
地震波或者弹性波激励提高油藏的石油采收率是公知技术，如在 “石油开采的弹性波激励-方法和结果回顾”地质学(Geophysics)59 卷第6期(1994年6月)。
在现有技术的专利中，有很多公知装置用于给井眼施加振动波。 例如，俄罗斯联邦专利第1,710,709号公开了一种方法和设备，其中， 一个砧板设置在井底，然后一个为充满水的管柱形式的重物反复被举 起并落到砧板上，因此施加振动给油层。然而，反复用重物冲击会破 坏井眼的底部。通过限制施加到砧板上的冲击力可以减小破坏程度， 但是这也降低了弹性波的力量，因此降低了效率。另外，这种方法的 效率受到将重物的势能转换为弹性波能量的较低转换系数的限制。
1991年5月1日授权的Kostrov的苏联专利1,674,597公开了一种 井眼液压声波发生器，该发生器包括一个具有入口和出口的支架、一 个锥形喷嘴、一个共振膜和一个锥形偏转器。锥形偏转器具有特定的 角度，以最佳方式偏转发生器和共振膜产生的波，从而使得波的全部 能量向着套管壁的方向传播。
O Vagin的美国专利5,586,602中公开了一种方法和设备，用于增 加冲击波激励油层的效果，该设备包括一个设置在井口的抽油机、一 个向下深入到井眼的生产套管内的油管柱、一个安装在油管柱顶端的 盘根盒、一个连接在油管柱底端的缸体和一个在油管柱和缸体内上下 往复运动的柱塞。当柱塞向上移动时，油管柱内的流体被压缩。在抽 油机的上冲程的上死点，柱塞离开缸体的顶部，因此油管柱内的流体 排出到生产套管内，从而产生振动波。尽管该方法的效率比上述的俄 罗斯联邦专利1,710,709中的方法高，但是在可靠性、效果和效率方面 还是受到了一定的限制，因为：(1)必须安装一个水泥塞/桥塞以对井 眼增压；(2)由于盘根盒承受较高的周期性压力时的较低的可靠性， 振动波的前端的压力受到一定的限制；(3)必须用额外的地面设备来 弥补穿过盘根盒、套管、水泥塞和其它设备渗漏的流体；(4)对于大 于800-1000英尺的深度的井眼无法在井底产生振动波。
Wagner以及其他人的美国专利5,836,389公开了一种锥形扩散器/ 偏转器，如该专利所述的，对锥形扩散器/偏转器进行定位从而当波冲 击锥形扩散器/偏转器时，波被部分向外偏转并且至少一部分冲击波向 井下传播，以冲击桥塞。当波偏转过桥塞后，较弱的弹性波由一个分 隔器和锥形扩散器/偏转器保持在井眼的下部。
Roberts的美国专利5,950,726公开了一种井眼激励设备，该设备 使用一个地下套管形成一个支撑在油管柱上的密封容器。套管和油管 柱充满工作流体，一个抽油机使得一个柱塞在油管柱内往复运动以循 环方式对工作流体增压和减压，从而产生弹性波能。一个空心的锥形 投射器支撑在泵筒的下端以放大和导向能量波。工作流体基本上充满 油管柱和由正常井或者废弃井井口、套管以及射孔段以上的桥塞形成 的一个密封容器。
Vagin的美国专利5,586,602、Wagner以及其他人的美国专利 5,836,389和Roberts的美国专利5,950,726公开了的一些方法要求井眼 必须完全充满流体并且密封形成一个封闭系统。
本发明研制用于克服现有技术中的装置的这些和其它缺点，提供 一种改进的方法和设备，用于在井眼内产生弹性的振动波。该设备包 括位于井口的抽油机、向下伸入到井眼的生产套管内的油管柱、一个 连接在油管柱底部的空心缸体组合和一对设置在缸体组合内的柱塞。 所述的柱塞用于压缩缸体组合内的流体并将压缩流体排出到生产套管 内以产生振动波。
发明概述
因此，本发明的第一个实施例的主要目的就是提供一个能够在井 眼例如油井内产生振动波的设备，它包括：一个设置在井口的抽油机； 一个向下伸入到井眼内的生产套管内的油管柱；一个与所述的油管柱 底部连接的空心缸体组合；以及一对设置在缸体组合内并且通过抽油 杆和一个光杆与抽油机连接的柱塞，该柱塞用于压缩充填在所述的缸 体组合内的流体并将压缩的流体排出到生产套管内，从而产生振动波。 所述的缸体组合包括一个空心的上缸体、一个设置在所述的上缸体下 方的空心下缸体、一个设置在所述的上缸体和所述的下缸体之间的过 渡缸体和一个位于所述的过渡缸体和所述的上缸体之间并且具有一个 压缩室的压缩缸体。下缸体的内径大于上缸体的内径，并且下柱塞的 直径大于上柱塞的直径。此外，下缸体的内孔适合于容纳下柱塞，而 上缸体的内孔适合于容纳上柱塞。当柱塞在缸体组合内被向上移动时， 下柱塞移动进入到压缩室，而上柱塞移动离开压缩室。由于下柱塞的 直径大于上柱塞的直径，因此压缩室的容积减小，充填在其内的流体 被压缩。当抽油机到达其冲程顶部时，下柱塞允许充填在压缩室内的 压缩流体排出到井眼内。
本发明的另外一个目的就是提供一个用于在井眼内产生一个振动 波的设备，在该设备中，下柱塞包括一个具有光滑外表面的上部和一 个具有多个流道的下部；所述的光滑的外表面在所述的下柱塞和所述 的下缸体之间形成一个液体密封界面；所述的多个流道在柱塞下部被 移动到下缸体之上时允许流体流过下柱塞进入到下缸体内。此外，下 柱塞包括一个内孔和一个球，用于在下柱塞被向下移动时选择性地允 许流体向上穿过下柱塞进入到压缩室。
本发明的另外一个目的是提供一种在井眼内产生振动波的方法， 所述的方法包括下列步骤：在井眼内安装一个油管柱和一个缸体组合； 给井眼和缸体组合充填流体；在所述的缸体组合内提供一对柱塞；移 动所述的柱塞以压缩所述的缸体组合内的流体并将流体排出到井眼 内。
在操作过程中，设备的第一个实施例被安装到井眼内，因此井眼 内静液面高于上缸体的顶部。抽油机的运动导致柱塞在上缸体和下缸 体内上下移动。在上冲程时，压缩室内的流体被压缩，在上冲程的顶 部，下柱塞允许流体流过下柱塞进入到下缸体内。此时，充填在压缩 室内的被压缩的流体被释放，因此产生一个振动波，该振动波向下传 播直到撞击到井底并继续传播到地层内。在下冲程时，下柱塞的上部 被重新插入到下缸体内，此时上柱塞保持在上缸体内，从而提供在上 冲程时压缩压缩室内的流体的密封。
本发明的第二个实施例的主要目的是提供一种用于在注射井的井 眼内产生振动波的方法和设备，所述的设备包括：一个设置在井口的 抽油机，一个向下伸入到注射井的生产套管内的油管柱；安装在油管 柱上的分隔器；位于分隔器下方与油管柱底部连接的带孔眼的缸体； 安装在带孔眼缸体底部的一个密封装置；一个连接在所述的密封装置 的底部的一个空心缸体组合；安装在所述的缸体组合的底部的放大器 和设置在所述的缸体组合内并且借助于抽油杆柱利用密封装置与抽油 机连接的柱塞组合，所述的抽油杆柱具有至少一个抽油杆和一个光杆， 所述的柱塞组合用于抽吸充填在所述的缸体组合内的水并在下冲程时 将充填在生产套管内的水排出到缸体组合内的被抽吸的空间内，因此 产生振动波。缸体组合包括：一个与密封装置的底部连接的真空室； 一个设置在真空室的下方的空心下缸体；和一个设置在所述的真空室 和所述的下缸体之间的防止性缸体。此外，下缸体的内孔容纳下柱塞。 当柱塞在缸体组合内向下移动时，柱塞移出真空室。由于柱塞移动离 开缸体组合，因此真空室的容积增加，充填在真空室内的水被抽吸。 当抽油机到达其下冲程的底部时，柱塞的顶部离开下缸体的底部，以 允许充填在套管内的水排入到真空室内，从而产生振动波。
当柱塞在缸体组合内向上移动时，柱塞移动进入到真空室内，而 真空室的容积减少，充填在真空室内的水被压缩。当抽油机到达其上 冲程的顶部时，柱塞的底部离开下缸体的顶部，从而允许真空室内被 压缩的水被排出到套管内，以产生振动波。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在注射井的井眼内产生振 动波的设备，其中，连接在下缸体的顶部的防止性缸体的内径IDpc由 下列公式确定：
${\mathrm{ID}}_{\mathrm{pc}}\ge D_{\mathrm{lp}}{(1+\frac{{\mathrm{ID}}_c^{2}P}{{\mathrm{ID}}_{\mathrm{lp}}^2({\rho }_w\mathrm{gH}-P_d)\xi })}^{1/2},$
其中：Dlp是下柱塞的直径，IDc是真空室的内径，ρw是水的密度， g是重力加速度常数，H是防止性缸体的安装深度，Pd是饱和蒸汽压， ξ是流动阻力系数，P是真空室内的压力。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在注射井的井眼内产生振 动波的设备，其中，下缸体包括一个放大器，该放大器内径由表达式 IDa(x)＝IDlpexp(xα/2)(其中，x是放大器的现在的长度，α是一个系数) 进行变化，则放大器的最佳总长l可以由公式确定如下：
$l=\frac{\alpha }{{2m}^2-{\alpha }^2},$
其中：m＝(α2-k2)1/2，k＝ω/c，ω是振动波发生的频率，c是声波在井 水中的传播速度。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在注射井的井眼内产生振 动波的设备，其中，安装在该真空室内的抽油杆柱包括一个安装在柱 塞上端的稳定杆，所述的稳定杆的长度由下述公式确定：
$L_{\mathrm{sr}}\le \pi {\mathrm{Id}}_{\mathrm{sr}}\frac{1}{n}{\left(\frac{E}{P(D_{\mathrm{lp}}^2-D_{\mathrm{up}}^2)}\right)}^{1/2},$
其中：Lsr是稳定杆的长度，π＝3.14，I是稳定杆的横截面上的主 中心惯性半径，dsr是稳定杆的直径，E是稳定杆材料的弹性模量，P是 真空室内的压力，Dp是柱塞的直径，Dis是密封装置的内径，n是安全 系数。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在注射井的井眼内产生振 动波的设备，其中，抽油杆的直径由下述公式确定：
$d_r\ge {\{{\rho }_w/({\rho }_s-{\rho }_w)[1-{\left\{\frac{4{\beta }_a{V}_c}{\pi (D_p^2-D_s^2)L_{\mathrm{str}}}\right\}}^k\left](D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)\right\}}^{1/2},$
其中：ρw是水的密度，ρs是钢铁的密度，βa是注射水中的空气/ 气体的含量系数，Vc是真空室的容积，Dp是柱塞的直径，Dis是密封装 置的内径，k是绝热系数，Lstr是冲程的长度。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在注射井的井眼内产生振 动波的设备，其中，所述的下缸体的长度由下列公式确定：
$L_{\mathrm{lc}}\le L_{\mathrm{str}}[\frac{L_r(D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)}{{\mathrm{Ed}}_r^2}(P_u-P_d)+\frac{g({\rho }_s-{\rho }_w)L_r^2}{E}+2\mathrm{Lp}],$
其中：Llc是下缸体的长度，Lstr是冲程的长度，Lr是抽油杆组合 的长度，Dp是柱塞的直径，Dis是密封装置的内径，E是抽油杆材料的 弹性模量，Pu是上冲程时真空室内的压力，Pd是下冲程时真空室内的 压力，g是重力加速度常数，ρw是水的密度，ρs是钢铁的密度，Lp是 柱塞的长度。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在注射井的井眼内产生振 动波的设备，其中，所述的柱塞的两个端部分别具有一个锥体，其锥 角α不小于10°，而所述的锥体的长度Lt和所述的柱塞的直径Dp之间 的比例不大于0.5。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在注射井的井眼内产生振 动波的方法，其中，包括下列步骤：在注射井井眼内安装油管柱与分 隔器、设置在所述的分隔器的下方并与所述的油管柱底部连接的带孔 眼的缸体、连接在带孔眼的缸体的底部上的密封装置和与所述的密封 装置连接的缸体组合的步骤，所述的缸体组合包括安装在下缸体顶部 的防止性缸体和安装在下缸体底部的放大器；提供一个柱塞组合的步 骤，该柱塞组合包括位于缸体组合内的至少一个抽油杆和稳定杆；和 移动所述的柱塞以抽吸充填在缸体组合内的水并在下冲程时将充填在 井眼内的水排入到缸体组合内的被抽吸的空间内或者在上冲程时将充 填在缸体组合内的被压缩水排出到注射井的井眼内的步骤。
本发明的另外一个目的是提供一种用于控制注射井井眼内产生的 振动波振幅的方法，其中，在下冲程底部的振动波的振幅Ad sw由以下 公式确定：
$A_{\mathrm{sw}}^d={\rho }_{w}g{H}_{\mathrm{lc}}[1-{\left\{\frac{4{\beta }_a{V}_c}{\pi (D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)L_{\mathrm{str}}}\right\}}^k],$
其中：ρw是水的密度，βa是在注射的水中的空气/气体的含量的系 数，Vc是真空室的容积，Dp是柱塞的直径，Dis是密封装置的内径，k 是绝热系数，Lstr是冲程长度，g是重力加速度常数，Hlc是下缸体的安 装深度。
本发明的另外一个目的是提供一种用于控制注射井井眼内产生的 振动波振幅的方法，其中，在上冲程的顶部的振动波的振幅Au sw由以 下公式确定：
$A_{\mathrm{sw}}^u=k\frac{b}{V_c}\underset{0}{\overset{T/2}{\int }}[\frac{\pi }{4}(D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)V_r-\frac{\pi }{\mu }P{\delta }^3.0102(\frac{D_p}{L_p}+\frac{D_{\mathrm{is}}}{L_{\mathrm{is}}})]\mathrm{dt},$
其中：π＝3.14，T＝60/n，n是每分钟的冲程的数量，b是注射水 的压缩系数，Vc是真空室的容积，P是真空室内的压力，Dp是柱塞的 直径，Dis是密封装置的内径，Lp是柱塞的长度，Lis是密封装置的长度， Vr是抽油杆柱移动的速度，μ是注射水的粘度，k是柱塞的流体驱替系 数，δ是密封装置内柱塞与下缸体之间的间隙。
本发明的另外一个目的是提供一种用于在注射井的井眼内产生振 动波的方法，其中，所述的放大器安装在距离井眼底部一定的距离S 处，所述的距离由以下公式确定：
$S=\frac{c}{2f}$
其中c是声音在井眼内流体中传播速度，而f是地层的主频率。
在操作过程中，设备的第二个实施例被安装到注射井井眼内，注 射井井眼内液面高于分隔器的安装深度，因此用流体/水充填井眼和缸 体组合。抽油机的运动导致柱塞在缸体组合内上下移动。在下冲程时， 柱塞在缸体组合内向下移动，由于缸体组合的容积的增加并且密封装 置提供对缸体组合的容积必要的密封，因此抽吸真空室内的水。当柱 塞离开下缸体的底部时，充填在注射井井眼内的水排入到下缸体内， 从而进入到真空室内，因此产生一个振动波，该振动波向下传播直到 该振动波撞击到井底和射孔，并继续向地层内传播。在上冲程时，柱 塞被重新插入到下缸体内，而充填在缸体组合内的水被压缩，此时密 封装置为缸体组合的容积提供必要的密封。当下柱塞底部离开下缸体 的顶部时，充填在真空室内的被压缩的水被释放到下缸体内，从而也 释放到井眼内，因此产生一个振动波，该振动波向下传播直到该振动 波撞击到井底和射孔，并继续向地层内传播。来自套管的水重新注入 缸体组合，直到在下冲程开始期间下柱塞没有重新插入到下缸体内时 为止，然后重复上述的循环。
附图描述
参照本发明的两个优选实施方式的附图，本发明将更加容易理解， 其中：
图1是安装在井眼内的根据本发明的装置的剖面图；
图2是压缩室内的下柱塞的详细视图；
图3是下柱塞的下部的剖面图；
图4是安装在注射井内的根据本发明的第二个实施例的剖面图；
图5是第二个实施例的缸体组合的剖面图；
图6是第二个实施例中的下柱塞的下部、缸体和一个放大器的剖 面图；
图7是第二个实施例的柱塞的视图；以及
图8是4-D地震测量的一个曲线图的略图。
在附图中的各个图均用相同的附图标记表示相同的部件。
优选实施例详述
参考图1，表示一个用于在孔眼或者井眼4内产生振动波的装置2。 该装置2包括一个安装在井口的抽油机6、一个向下伸入到井眼4的已 经射孔的生产套管10内的油管柱8和一个连接到油管柱下端8a的缸 体组合12。一个套管阀14、油管阀16和一个盘根盒18也设置在井口。
缸体组合12包括一个与油管柱8的下端8a连接的上缸体20、与 上缸体20的下端连接的压缩缸体22、与压缩缸体22的底部连接的过 渡缸体24和一个与过渡缸体24的底部连接的下缸体26。上缸体20有 一个内孔21，压缩缸体22有一个压缩室23，下缸体26有一个内孔27 并且在下缸体26的下端具有一个开口28。
一个柱塞组合30包括一个适合于与上缸体20的内孔21配合的上 柱塞32和一个适用于与下缸体26的内孔27配合的下柱塞34。上柱塞 32的直径小于下柱塞34的直径，原因参见下面的叙述。上柱塞32通 过一个穿过盘根盒18的光杆35和穿过油管柱8的抽油杆36与抽油机 6连接。一个或者多个连接杆38将上柱塞32连接到下柱塞34。
如图2、3所示，下柱塞34包括一个具有光滑外表面40的上部 34a和一个具有多个流道42的下部34b；所述的光滑外表面40与下缸 体26的内孔27形成水密封。一个流动通孔44从位于下柱塞34上部 的球室46延伸到下柱塞34的下端34c。在球室46和流动通孔44之间 有一个座环48。
球室46包括出口50和一个适合于与座环48配合的球52。当在 压缩冲程下柱塞34向上移动时，球52与座环48啮合，因此防止流体 流过流动通孔44。当下柱塞34向下移动时，球52与座环48分离，因 此允许流体穿过流动通孔44进入到压缩室23内。
操作过程：
为了使用该装置在井眼中产生振动波，井眼4和缸体组合12充满 了合适的流体54例如水。井眼内的流体的静液面必须高于上缸体20 的顶部。在抽油机6的上冲程过程中，位于上柱塞32的底部和下柱塞 34之间的缸体组合内的容积缩小。因此，压缩其中的水。容积缩小的 原因是：当下柱塞34和上柱塞32在缸体组合12中一前一后向上移动 时，直径较大的下柱塞34驱替的流体量大于直径较小的上柱塞32所 驱替的流体量。压缩室的容积由下面的公式确定：
$V_c=\frac{\pi /4(d_2^2-d_1^2)L_s-(q_2-q_1)}{\mathrm{Pb}}-\pi /4(d_2^2-d_r^2)L,$
其中：
$q_1=\frac{\pi d_{1}P{\delta }_1^3}{{\mathrm{\mu l}}_1}$
$q_2=\frac{{\mathrm{\pi d}}_{2}P{\delta }_2^3}{{\mathrm{\mu l}}_2}$
q1和q2分别是对于上、下柱塞的柱塞表面与缸体表面之间的滑动 量损失；
d1和d2分别是上柱塞和下柱塞的直径；
dr是连杆38的直径；
Ls是冲程的长度；
δ1和δ2分别是对于上、下柱塞的柱塞外表面与缸体内表面之间的 间隙；
l1和l2分别是上柱塞和下柱塞的长度：
μ是被压缩流体的粘度；
P是振动波的前端的压力；以及
b是流体的压缩系数。
在下柱塞34的上部34a离开下缸体26的那一刻，被压缩的流体 排出到下缸体26内以及生产套管10内，因此形成振动波，冲击井眼 的底部。部分振动波能量反射回井口，而部分振动波能量传播到周围 岩层或者地层56以激励石油的生产。
本发明的高效性是由所产生的振动波的大功率所导致的。之所以 能够形成大功率振动波，是因为最大压力不受到盘根盒的工作压力、 光杆的“浮动”或者其它可能的套管泄漏的限制。本发明允许振动波 前端合理的最大压力按照下述公式进行创建：
$N=\frac{\pi d_2^2{P}^2}{8\mathrm{\rho c}}$
其中：
N是振动波的功率；
d2是下柱塞34的直径；
P是上柱塞32和下柱塞34之间的被压缩流体的最大压力；
ρ是流体的密度；以及
c是流体中声波的速度。
因此，如果压力P增加到两倍，振动波的功率增加到四倍，因此 振动波影响的地层的范围也大大增加。
既然本发明不需要井眼内的容积密封，因此就不需要水泥塞。此 外，本发明可以在井眼的底部附近进行设置，因此减少了振动波穿过 套管时的能量损失。然而，应该能够理解，如果合适的话，一个桥塞 可以设置在井眼底部上方的套管内，以对一段井眼进行液压隔离。应 该能够理解，如果一个桥塞安装在井眼内井眼的底部和用于产生振动 波的装置之间，安装桥塞的位置应该是井眼的底部。
尽管根据专利法规有关条款，已经对本发明的优选形式和实施方 式进行了说明和描述，对本领域的普通技术人员显而易见的是，可以 对本发明作出各种变化和改进而不偏离于本发明的发明构思。
第二个实施例的详细描述
参考图4和5，附图标记102全部表示为一个用于在注射井121 内产生振动波的装置。一个图1所示类型的泵驱动器或者其它抽油机 例如象液压动力的缸体安装在井口。其它如图1中所示地面设备例如 象套管阀、与注射管线连接的油管阀和盘根盒也与图4、5中的装置结 合使用。
油管柱103向下伸入到一个生产套管113内并且一个分隔器115 安装在油管柱103上。一个带孔眼的缸体114安装在位于分隔器115 下方的油管柱103的末端，而分隔器115安装在注射井的液面F下方。 一个密封装置105安装在带孔眼的缸体114的端部并连接到一个缸体 组合122。
最好如图4所示，一个桥塞132可以安装在位于井眼131底部之 上的井眼内，以液压隔离桥塞之上的井眼部分与桥塞之下的井眼部分。 如果桥塞安装在井眼内，井眼的深度被认为是桥塞安装的深度。
缸体组合122包括一个与密封装置105的下端连接的真空管107、 与真空管107底部连接的防止性缸体109、与防止性缸体109的底部连 接的下缸体110和一个与下缸体110的底部连接的放大器112。密封装 置105围绕密封杆106，缸体组合122容纳有真空室126，下缸体110 具有一个内孔127，而放大器112具有一个扩散器128。
柱塞组合129包括一个适合配合到下缸体110的内孔127内的柱 塞111、至少一个稳定杆118和至少一个抽油杆108。下柱塞111通过 一个伸入到盘根盒117的光杆120，多个在油管柱103内部延伸的抽油 杆104，安装在缸体组合122内的至少一个抽油杆108和至少一个稳定 杆118与抽油机101连接。一个密封装置105最好包括一个或者多个 不同种类的装置，这些装置含有密封圈或者精密配合的一对杆和缸体。
如图6所示，与稳定杆118连接的下柱塞111可以离开下缸体110 和放大器112进入到套管内。
操作过程：
为了使用该装置在注射井121内产生振动波，缸体组合122安装 在位于注射井的生产套管113内的密封装置105端部上；该密封装置 则与带孔眼的缸体114的底部连接；接着，缸体114与油管柱104连 接，油管柱通过阀连接到注射管线。分隔器115用于分隔井眼的上部 和下部，以防止水注射到地层130的浅层。
在抽油机的下冲程过程中，由于柱塞111增加缸体组合122的容 积，而密封装置105在上端为缸体组合122提供密封，因此向下移动 的柱塞组合129在真空室126内形成真空。在柱塞111的顶部离开下 缸体110的那一刻，由于真空室126内的压力和套管121内的静液面 压力之间的压差，使得套管121内的水排出到下缸体110和真空室126 内，因此产生振动波，该振动波向下传播并冲击井眼的底部和射孔119。 部分振动波能量反射到放大器(然后再反射到井底)而部分振动波能 量传播到周围的岩层或者地层130，因此激励石油的开采和生产。来自 套管的水重新充满缸体组合122，直到在上冲程的开始阶段柱塞111重 新插入到下缸体110内为止。
在抽油机101的上冲程过程中，缸体组合的容积减少，因此，其 内的水被压缩。在柱塞111的底部离开下缸体110的顶部的那一刻， 缸体组合122内的被压缩的水排出到下缸体110内并进一步进入到套 管121内，因此产生冲击波，冲击射孔119和注射井的底部。部分振 动波能量反射到放大器(然后在反射到井底)而部分振动波能量传播 到周围的者层或者地层130，以改善地层的渗透性，因此激励石油的开 采和生产。
对于下列参数的每一种组合，本发明都有着最佳的应用。这些参 数包括：井眼深度、柱塞和下缸体的直径和长度、真空室的直径和长 度、杆柱的直径和长度、密封装置的尺寸、冲程的长度、每分钟冲程 的数量和所注射的水或者其它流体的性质。具体地，抽油机冲程3米， 每分钟6个冲程，井眼深度为1070米，真空室的容积为0.2立方米， 柱塞的直径为0.06985米，密封装置的内径为0.05715米，真空室内的 压力为21.0Mpa，水的压缩系数为2×103Mpa，声波在水中的传播速度 为1000米/秒；空气/气体在水中的含量系数为0.001，地层的主频率为 25Hz，空气的绝热系数为1.4。在这种情况下，应用的最佳参数由下面 的公式进行确定。
确定油管柱最佳长度的公式为：
Lt＝Hb-0.5c/f-Lca；
其中：Hb是井眼的深度，c是声波在井眼内的水中传播的速度，f 是地层的主频率，Lca是缸体组合的长度。
对于Lca＝50m，c＝1000m/s，f＝25Hz和Hb＝1070m来说， 油管柱的长度必须为1000m，以形成振动波的振动并使得从该振动波 以与地层的主频率f对应的频率从井底和放大器反射。在这种情况下， 能够观察到共振现象，而受地震波影响的范围的半径也将大大增加。
本发明的高效性是由所产生的振动波的大功率以及将装置安装到 活跃的注射井内却不需使用水泥塞/桥塞所导致的。之所以能够形成大 功率振动波，是因为真空室内的压力不受到盘根盒117、光杆120的“浮 动”、套管可能的泄漏和缺乏气体从地层流动到套管内的限制。在下 冲程的底部振动波的振幅Ad sw可以按照下面的公式由参数进行确定：
$A_{\mathrm{sw}}^d={\rho }_{w}g{H}_{\mathrm{lc}}[1-{\left\{\frac{4{\beta }_a{V}_c}{\pi (D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)L_{\mathrm{str}}}\right\}}^k],$
其中：ρw是水的密度，βa是在注射的水中的空气/气体的含量的系 数，Vc是真空室126的容积，Dp是柱塞111的直径，Dis是密封装置 105的内径，k是绝热系数，Lstr是冲程长度，g是重力加速度常数，Hlc 是下缸体的安装深度。在该例子中，ρw＝1000kg/m3，g＝9.81m/ 秒，Hlc＝1000m，βa＝0.001，Vc＝0.2m3，Dp＝0.06985m，Dis＝0.05715m， Lstr＝3.05m，空气的k＝1.4，则冲击波的振幅的为9.5Mpa。
本发明还允许在上冲程时在振动波的前端形成最大压力，公式为：
$A_{\mathrm{sw}}^u=k\frac{b}{V_c}\underset{0}{\overset{T/2}{\int }}[\frac{\pi }{4}(D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)V_r-\frac{\pi }{\mu }P{\delta }^3.0102(\frac{D_p}{L_p}+\frac{D_{\mathrm{is}}}{L_{\mathrm{is}}})]\mathrm{dt},$
其中：π＝3.14，T＝60/n，n是每分钟的冲程的数量，b是注射水 的压缩系数，Vc是真空室126的容积，P是真空室126内的压力，Dp 是柱塞111的直径，Dis是密封装置105的内径，Lp是柱塞111的长度， Lis是密封装置105的长度，Vr是抽油杆柱104移动的速度，μ是注射 水的粘度，k是柱塞111的流体驱替系数，δ是密封装置105内柱塞 111与下缸体110之间的间隙。
对于下列参数值：k＝0.55，b＝2×103Mpa，n＝6冲程/min，Vc＝0.2m3， Dp＝0.05715m，Dis＝0.06985m，Vr＝0.6m/秒，μ＝10-3Pa秒，P＝21MPa， δ＝7.62×10-5m以及Lp＝Lis＝0.91m，振动波的振幅为20.0Mpa。
这里，振动波的振幅可以通过改变每分钟的冲程数n和杆柱的移 动速度Vr，或者换句话说在使用一个液压泵的情况下通过改变冲程的 长度Lstr而进行逐步调节。
为了在下冲程过程中在真空室126内形成真空，杆柱104和柱塞 组合129的重量必须能够克服真空室126内形成的向上的反作用力。 因此，杆柱必须具有某个最小的半径。换句话说，抽油杆的直径dr必 须不小于：
$d_r\ge {\{{\rho }_w/({\rho }_s-{\rho }_w)[1-{\left\{\frac{4{\beta }_a{V}_c}{\pi (D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)L_{\mathrm{str}}}\right\}}^k\left](D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)\right\}}^{1/2},$
其中：ρw是水的密度，ρs是钢铁的密度，βa是注射水中的空气/ 气体的含量系数，Vc是真空室126的容积，Dp是柱塞119的直径，Dis 是密封装置105的内径，k是绝热系数，Lstr是冲程的长度。对于本发 明上述的参数值：ρw＝1000kg/m3，ρs＝7800kg/m3，βa＝0.001，Vc＝0.2m3， Dp＝0.06985m，Dis＝0.05715m，Lstr＝3.05m，k＝1.4(空气)，抽油杆的 直径dr必须不小于0.0148m，以克服下冲程时在真空室126内产生的 真空。
为了使得柱塞111在下冲程的底部和上冲程的顶部间歇地离开对 应的下缸体110的底部和顶部，下缸体的长度必须小于某个值，由下 面的公式计算：
$L_{\mathrm{lc}}\le L_{\mathrm{str}}-[\frac{L_r(D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)}{{\mathrm{Ed}}_r^2}(P_u-P_d)+\frac{g({\rho }_s-{\rho }_w)L_r^2}{E}+2\mathrm{Lp}],$
其中：Llc是下缸体110的长度，Lstr是冲程的长度，Lr是抽油杆 组合106的长度，Dp是柱塞的直径，Dis是密封装置105的内径，E是 抽油杆材料的弹性模量，Pu是上冲程时真空室126内的压力，Pd是下 冲程时真空室126内的压力，g是重力加速度常数，ρw是水的密度， ρs是钢铁的密度，Lp是柱塞的长度。因此，对于参数取值：Lstr＝3.05m， E＝2×105MPa，Lp＝0.9m，dr＝0.0254m，Pu＝21MPa，Pd＝0.17MPa， Dp＝0.06985m，Dis＝0.05715m，Lr＝1070m，ρw＝1000kg/m3，g＝9.81m/秒， ρs＝7800kg/m3，下缸体的长度必须不大于0.5m。
此外，本发明由于安装了与下缸体110底部连接的放大器112因 此本发明具有较高的效率。放大器112减少振动波的能量损失达40- 50％并增加了其振幅。考虑到放大器112(或者扩散器128)内径按照 表达式IDa(x)＝Dpexp(xα/2)(其中，x是放大器的现在的长度，α是一个 系数)进行变化，则放大器的最佳总长可以由公式确定如下：
$l=\frac{\alpha }{2m^2-{\alpha }^2},$
其中：m＝(α2-k2)1/2，k＝ω/c，ω是振动波发生的频率，c是声波在井 眼内的水或者其它流体内的传播速度。如果放大器112安装在距离井 眼底部20m处并且c＝1000m/秒，则系数k等于0.0343m-1。假定放大器 的内径和外径分别等于0.06985m和0.1156m，而α＝13.6m-1，则参数m 等于13.59m-1。因此放大器112的最佳长度为0.074m。放大器112的 放大系数由下的公式确定：
$A=\frac{\exp \left(\mathrm{xl}\right)}{{[\alpha /2\mathrm{Sh}(\mathrm{ml}/2)/m+\mathrm{Ch}(\mathrm{ml}/2)]}^2},$
其中：Sh(ml/2)和Ch(ml/2)分别是双曲线正弦和双曲线余弦。对于 上述定义的参数，放大系数A等于1.41。
另外，放大器112的安装位置距离井眼底部有一定的距离因此形 成一系列与地层主频率相同的反射波，因此使得本发明具有较高的效 率；这也使得显著地增加了穿过地层的振动波影响的面积。放大器112 的安装距离由下面的公式计算：
$S=\frac{c}{2f},$
其中：c是声波在井眼内的水中的传播速度，f是地层的主频率。 例如，对于下述的参数值：c＝1000m/秒，f＝25Hz(参见文章“使用地 震振动提高残余油采收率”，作者V.N.Nikolaevsky以及其他人，公 开在SPE生产&设备，1996年5月)，安装距离S等于20米。
此外，本发明的较高的可靠性由下述措施来保障：防止性缸体109 的安装保障防止下缸体110的顶部/底部和柱塞111的顶部/底部发生气 蚀，这种气蚀的发生是因为在下冲程的底部水从井眼进入到真空室126 和下缸体110内时的较高速度和在上冲程的顶部将真空室126内的水 排出到井眼内时的较高速度导致的。
防止性缸体109的内径IDpc必须不小于：
${\mathrm{ID}}_{\mathrm{pc}}\ge D_p{(1+\frac{{\mathrm{ID}}_c^{2}P}{D_p^2({\rho }_w\mathrm{gH}-P_d)\xi })}^{1/2},$
其中：Dp是柱塞111的直径，IDc是真空室126的内径，ρw是水 的密度，g是重力加速度常数，H是防止性缸体109的安装深度，Pd 是饱和蒸汽压，ξ是流动阻力系数，P是真空室126内的压力。对于下 列的参数值：Dp＝0.06985m，IDc＝0.0742m，P＝21MPa，ρw＝1000kg/m3， g＝9.81m/秒，H＝1000m，Pd＝0.17MPa，ξ＝9.0，以实际数值(本发明上 述参数的最佳应用)计算的防止性缸体109的直径必须不小于0.079m。
将稳定杆118安装在柱塞111的顶部可以防止由于在形成振动波 后马上作用到稳定杆118上的较大的作用力所导致的稳定杆118的稳 定损失(亦即弯曲)。稳定杆118的长度Lsr由下述公式确定：
$L_{\mathrm{sr}}\le \pi {\mathrm{Id}}_{\mathrm{sr}}\frac{1}{n}{\left(\frac{E}{P(D_p^2-D_{\mathrm{is}}^2)}\right)}^{1/2},$
其中：π＝3.14，I是稳定杆118的横截面上的主中心惯性半径， dsr是稳定杆118的直径，E是稳定杆材料的弹性模量，P是真空室126 内的压力，Dp是下柱塞111的直径，Dis是密封装置105的内径，n是 安全系数。例如，对于I＝0.0254m，dsr＝0.0254m，n＝2，E＝2×105MPa， P＝21MPa，Dp＝0.06985m以及Dis＝0.05715m，稳定杆118的长度最好不 超过2.52m。
参考图8，附图标记200表示一个震源井，一个装置2或者102 安装在该震源井内，用于产生地震振动波。震源井200最好是用于水 驱或者用于输送各种激励材料例如象蒸汽、酸、表面活性剂或者压裂 材料的注射井。
附图标记205和210是指两个观测井，每一个观测井装备有一阵 列地震检波器215，该阵列的地震检波器215可以垂直叠置在一起或者 是具有多个部件的地震检波器。这些地震检波器是常规设计，可以连 接到合适的设备用于记录多通道地震信号和数据。
分析从观测井205、210收集的地震数据以确定装置2和102传播 给地层的地震波的效果。根据记录到的地震数据，调节装置2和102 的参数以在地层的主频率或者自然频率下进行工作。例如，泵驱动器 101的频率和放大器112距离井底的距离可以调节以调谐装置102以在 地层的主频率下产生振动波，从而提供最佳的激励，用于增加地层的 渗透率。装置102在井眼内的垂直调节允许定位该装置102来以地层 主频率产生振动波，从而优化到地层内的压力传播。当从震源井径向 传播的振动波穿过地层到达观测井205、210的地震检波器215时它们 产生反射和折射。可以观测和调节振动波以优化装置102的效果，从 而增加流体向油藏的生产井的流动。
如图9所示，一个振幅v频率曲线表明：振幅随着频率的增加而 增加，直到振幅达到最大值，之后，振幅随着频率的进一步增加而降 低。观测井205和210收集的数据可以用于确定地层激励的最有效频 率。地层过滤除了主频率之外的其它频率。
由于放大器112的安装距离井底一定距离S′或者距离桥塞132 一定距离S(如果井眼的底部到放大器112的距离超过了所需距离就安 装一个桥塞)但是位于射孔119下面，因此在井底或者桥塞和放大器 112之间形成一系列的反射波，这些反射波的频率与地层的主频率相 同；这显著增加本发明产生的穿过地层的振动波影响的面积。放大器 112安装在井底131或者桥塞132之上的距离由下面的公式确定：
$S=\frac{c}{2f},$
其中：c是声音在井眼内的流体中的传播速度，f是地层的主频率。 例如：对于下列参数：c＝1000m/秒，f＝25Hz(参见文章“使用地震振 动提高残余油采收率”，作者V.N.Nikolaevsky以及其他人，公开在 SPE生产&设备，1996年5月——参见距离爆炸点的不同距离处的频 谱)，安装距离S等于33英尺。通过将地震检波器215安装在分开设 置的井205和210之一内的同一产层上并产生至少一个振动波来确定 主频率。地震检波器215测量频谱，具有最高振幅的频率将是地层的 主频率，如图9所示。之后，通过上述的公式确定安装距离S(以及安 装深度)。每一个子层的主频率也可以通过利用将地震检波器安装在 具体子层的相应深度上并进行测量来确定。并且，对于油藏的不同区 域也可以使用这种方法来确定主频率。
收集和记录地震数据所需的商用地震检波器215和设备可以从 GEOVision Geophysical Services获得，它是California州的Blackhawk Geometrics of Corona公司的分部。这种设备对于本领域的普通技术人 员是公知技术，因此这里没有必要进行进一步的描述。
对于4D地震绘图来说，这种设置特别有效，因为震源可以精确控 制并且具有恒定的频谱，地震波在较长的时间内可以重复产生。因此 在建立地图以确定袋装油藏的位置或者地层的地震激励或者其它激励 的效果时，不必在数学计算时计算和分析不匹配的数据。
在参照附图描述时，术语例如象“水平”、“垂直”、“向上”、 “向下”是指部件在所示的实施例中的方向而不一定是实际应用时的 所述方向。该装置可以用于垂直、倾斜或者水平井内，可以用于激励 水、蒸汽或者其它用于处理地层的流体的流动，以及用于提高除了气 体、油和其它石油产品之外的水和其它流体的采收率。
尽管本发明已经以优选实施例的方式进行了描述，应该能够理解， 这里公开的内容不能解释为一种限制。毫无疑问在阅读了上述公开的 内容后，各种改变和修改对于本领域的普通技术人员来说是显而易见 的。因此能够预期到，所附的权利要求书被认为是覆盖了所有的落入 到本发明的实质和保护范围之内的改变和修改。