动态振动固井技术的研究与应用

图 1 谐振器胶塞
3.1.2 谐振器偏心轮的优化设计 偏心轮机构设计是激振胶塞设计的关键技术。在振动效果上存在一个载荷和转速（频率）的优 化设计问题。 参考振动加速度参数 a 和惯性矩 Ip 的表达式 1， 以及振幅随频率的衰减算法表达式 （2） 。 应用数学分析软件 Maple7.0 可以建立两条相关的函数曲线图 2。 两条曲线在一定区域内相交于一点， 这一交点的频率和载荷的最优点，也就是偏心轮优化设计的结果。
裂缝
（a）没有经过振动的水泥石（有裂纹） 图3
（b）经过振动的水泥石（无裂纹）
水泥石断面微观结构的电子显微扫描对比图
实验可以看出水泥浆经过振动，凝固后的水泥石内部结构更加致密，消除了水泥在水化过程中 产生的裂纹及部分孔隙，这有利于提高水泥石的完整性和封固能力，减少井下油气水通过水泥石内 部孔隙及裂纹向上窜流的机会。 3.3.3 水泥样品养护的 MIP 分析 为进一步对比振动对水泥石早期的孔隙结构影响，分别将经过振动 30min 和没有振动的水泥浆 凝固后水泥石在 30℃养护 5 h 后进行压汞分析实验（MIP） ，实验结果见表 3。
平均值
- -
- -
- -
1.20
对比分析以上数据，得出以下结论：振动处理的水泥石试件测试的抗压强度和抗拉都高于未振 动处理的水泥石，抗压强度和抗拉强度指标大约高出 20%以上，充分表明振动处理的水泥石强度的 提升效果。 3.3.2 水泥石显微结构与衍射分析 为了对比脉冲振动对水泥石早期强度发展的影响，用电镜扫描仪分别对常规水泥浆经过脉冲振 动 30min 和没有脉冲振动的水泥石在 30℃养护 24h 后进行了电镜扫描实验。 为了对比振动和没有振 动的水泥石内部微观结构,进行了放大 500 倍电镜扫描实验。
动态振动固井技术的研究与应用
陈杰
1
王学良
1
王恩合
1
李辉
1
谢冬
1
姚伦
2
（1.西部钻探钻井工程技术研究院；2 西部钻探吐哈钻井公司）
摘
要：针对现有振动固井技术在应用上的技术局限性，提出了动态振动固井概念，动态振动固井是指在注灰、
顶替钻井液和候凝过程中，让振动波对套管、钻井液和固井液产生作用，来提高固井质量的一种新型固井技术。通 过研制开发的新型脉冲谐振器产生的动态脉冲振动可以有效改善水泥浆性能，室内水泥石的抗压强度和抗拉强度提 高 20％以上，凝固后的水泥石内部结构更加致密。在吐哈雁木西油田试验应用了 6 口井，施工成功率 100%，特别是 在油层段应用固井质量优质率提高，达到 80%以上。
2
3.1 谐振器的设计 动态振动固井技术主要是通过谐振器来实现的。谐振器的设计原则有三方面：第一是需要在狭 小空间设计足够的激振载荷，保证井身结构在振源附近能够响应振动；第二是需要建造结构共振的 频谱段，使套管串的响应能够放大；第三是需要控制共振频率不要过高，因为阻尼条件下的高频振 动衰减很快。 3.1.1 谐振器的外形设计 谐振器除了提供振动能量的基本功能以外，还要实现水泥胶塞的基本功用。具体结构外形设计 如图 1 所示。由于激振中橡胶裙边的振动位移约为 1.42mm，因此设计橡胶裙边最大外径的公差带上 移＋1.42mm，就能够满足胶塞密封的作用。谐振器除可以实现振动的基本功能外，还可实现碰压后 自锁功能，防止碰压后水泥浆回流。
根据国内外资料调研，振动固井技术的工作机理 1）振动对水泥浆强度的影响
[1-4]
很复杂，通过大量的研究发现，振动固井技
术主要通过以下几方面的影响和作用使固井质量得到了改善。
在水泥浆稠化过程中建立振动场，无论振动场强弱都能使水泥浆的固化强度提高，这与建筑行 业中普遍使用振动设备加工混凝土预制件的原理相同。因为，振动能排除固井水泥浆中的气泡，使 水泥浆得到充分水化，而且密度均匀，有利于在油水井套管环空中形成坚硬而完整的水泥环。 2）振动对液体粘度及固井顶替效率的影响 ①振动可以降低液体的粘度。试验表明：在频率为 20～45HZ 的振动场中，钻井液的粘度将下降 20 ～30%。②有利于清除套管外壁的钻井液膜和井壁上的浮滤饼，使顶替效率得到极大的提高。当 模拟装置处在 20～150HZ 的振动频率范围内，只需 5～15s 就可完全消除岩石试样表面的滤饼。 3）振动对水泥浆凝固时间的影响 振动可以加快水泥浆的充分水化，且使密度均匀，因而使水泥浆的初凝时间和终凝时间缩短， 易于早强。试验已证明：当振动额率在 20～170HZ 范围内变化时，水泥浆的初凝时间缩短 10～l5%， 终凝时间缩短 30～40%。 4）振动对水泥浆静切力及环空静液柱压力的影响 水泥浆是一种絮凝胶体，颗粒之间存在着较大的吸引力，导致水泥浆在泵送后迅速形成静切力。 静切力会使静液柱压力和体积在水泥浆凝固过程中减小，从而使地层中的流体进入环空的可能性增 大。当水泥浆在固化时的静液柱压力减小到低于地层的流体压力时，则地层流体将进入环空，并通 过水泥环或沿其边缘形成一条通道，破坏了环空水力密封的有效性。而振动水泥浆有助于破坏其颗 粒间的粘结，加剧了水与固相颗粒间的相对运动，减小或消除了水泥浆的静切力。致使环空水泥浆 在凝固过程中，由于体积收缩和静切力增大而造成的静液柱压力损失得以补偿，保持了静液柱压力， 在水泥环第一、第二界面形成较高的径向应力，提高了两个界面的胶结强度，有效地阻止地层流体 窜入，这已被美国 Exxon 公司的室内试验所证实。 2.2 动态振动固井的工作机理 动态振动的概念是相对于传统固定位置条件下的振动而言的，其动态振动是指装置设备一边在 套管中自上而下的运动，一边在套管中振动，并在一定范围内传递振动波。利用脉冲振动产生脉冲 波对候凝过程中的水泥浆进行振动处理，脉冲波把振动的能量作用到水泥浆并沿井内水泥浆向下传 输，破坏介质的颗粒间以及分子间的结构，改变水泥浆原有的性能特征和凝固后水泥石的微观特性。 通过井口向环空水泥浆实施脉冲振动，可以明显提高水泥浆胶结后的抗压强度、消除水泥浆在凝固 过程中胶凝失重，达到改善水泥浆一、二界面的胶结质量，是提高固井质量的一项经济而又行之有 效的新技术。该动态振动固井技术为了在狭小的空间中能够实现较好的振动效果，充分利用了结构 共振原理的理论内涵，实现以小博大的技术要求。 3 动态振动固井技术室内研究 动态振动固井技术可通过全井段运动的谐振器，实现整个井身结构的阻尼共振响应，全面激活 界面、钻井液和水泥浆，改善流体流动性、提高顶替效率、水泥石强度和界面胶结质量，防止油气、 水窜，达到合格、优质的固井目标。
表 2 水泥石拉伸试验结果 序号 1 2 3 4 5 标准差 平均值 6 7 8 标准差 高度（mm） 51 49 50 49 51 - - 51 50 52 - 宽度（mm） 51 52 52 52 51 - - 51 51 51 - 4 厚度（mm） 50 51 51 51 51 - - 49 51 51 - 抗拉强度（MPa） 2.80 2.66 1.63 1.69 2.20 0.53 2.17 1.03 1.21 1.40 0.41 没有经过 振动处理 的试件 经过振动 处理的试 件 备注
关键词： 动态振动固井 谐振器
水泥石强度
顶替效率
固井质量
振动固井技术在我国已有十几年的研究历史，而发展较快的是美国和前苏联，它们已形成了一 定的生产能力。试验已经证明，利用振动固井技术来提高固井质量是多方面的，而不是单一的。因 为振动可以改善流体的性能(流态、流变性)，提高顶替效率；可以提高水泥面的胶结强度，缩短水 泥浆的胶凝时间；可以减小或消除水泥浆的静切力，维持液柱压力从而使水泥浆胶凝时的收缩得到 补偿；提高第一、第二界面的胶结强度，有利于防止固井后窜槽。振动固井技术已被证明是非常有 效而且是很有发展前途的一种新型固井技术。 目前，吐哈雁木西油田处于二次开发阶段，2009 年下半年开始油层段固井质量呈现大幅下降趋 势，油层段固井质量不合格率增加。为此，制定了多项提高固井质量的措施，固井质量仍没有明显 提高。为解决雁木西油田二次开发调整井固井难的问题，提出了动态振动固井理论，并进行了研究 和应用，取得了显著效果。 1 雁木西区块固井存在的问题 雁木西区块目前处于二次开发，周围注水井多，由于长期注水开发，地层压力普遍较高，开钻 前注水井仅停注而不泄压，如雁 6-45 井邻井注水井雁 6-54 井距离 400m，压力高达 15MPa。2009 年 上半年雁木西区块采用微泡钻井液，密度在 1.0 g/cm 左右，而目前钻井液密度基本在 1.60 g/cm 以上，最高可达 1.67g/cm 。 1.2 加密调整井周围生产井多 目前雁木西区块所钻井为加密调整井，周围生产井多，候凝过程中生产井并不停产。候凝时环 空水泥浆会因地层流体扰动而被替换，从而油层段形成 “真空” ，同时地层流体为超缓凝剂，油气 进入水泥浆后造成水泥浆超缓凝，严重影响固井质量。 1.3 井身质量差 该区域从 800～1500m 有大段盐膏层，由于盐膏层易于溶解、水化膨胀，同时由于地层压力高， 地层极易出水和垮塌，使井径不规则和形成大小井眼，即所谓的“糖葫芦”井眼。如雁 6-75 井，由 于地层垮塌平均井径扩大率达到 23.95%，最大井径 401.8mm/1550m，最小井径 223mm/1625m，这样 的井眼条件给固井带来极大困难，水泥浆在“大肚子”井段顶替效应低，固井质量差，为油气上窜 提供了通道。 2 动态振动固井的工作机理
角/rad； m —是结构质量 /kg。
5 4 3 2 1 0 20 22 24 26 28 频率/Hz 30 32 34
加 速 度 /g
3
图 2 偏心轮优化设计曲线
根据数据优化的结果，设计的偏心轮激振的离心加速度是 4.1 个重力加速度（4.1g） ，主频点是 19.8Hz，能够与结构固有频率相重合。 3.2 控制装置的设计 谐振器的控制主要是指振动开关的控制和工作时间的控制。设计的条件满足固井工艺的要求。 振动开关控制使用红外感应控制，发光二极管作为指示灯；工作时间控制分为两段控制：第一段是 延时启动控制，可以通过遥控器调整延时启动的时间 t1，控制区间为［5，90］min。第二段是振动 时间控制 t2，控制区间为［10，90］min。谐振器的控制是通过遥控器遥控控制的。 3.3 水泥浆振动后综合对比 3.3.1 水泥石强度试验分析 通过水泥石压缩和拉伸强度的对比试验，得到以下结果，见表 1 和表 2。
3 3 3
1.1 地层压力高
第一作者简介：陈杰，男，工程师，1980 年 6 月出生，2003 年毕业于西南石油学院石油工程系石油工程专业，现在 西部钻探钻井工程技术研究院工作，主要从事固井完井研究及服务。地址：新疆鄯善火车站镇西部钻探钻井工程技 术研究院（吐哈分院） ，邮编：838202, 电话：13699923781，E-mail: chenjdzy@cnpc.com.cn 1
a 0 . 2509 0 . 404 I p 0 . 0848 I I p 0 . 385 f 8 . 07
2 pቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（1）
c （2） a t a 0 exp t sin( 2 f t ) 2m 式中：c —阻尼系数； f —是激振频率 /Hz； a 是激振载荷－加速度/g；—是初始相位
表 1 水泥石压缩试验结果 序号 1 2 3 4 标准差 均值 6 7 8 标准差 平均值 抗压强度（MPa） 备注 高度 （mm） 宽度（mm） 厚度 （mm） 弹性模量 （GPa） 泊松比 （v） 52 52 52 52 - - 51 51 52 - - 52 52 52 52 - - 53 52 51 - - 52 52 50 52 - - 51 52 51 - - - - - - - 7.56 7.0 - - - 7.0 0.267 - - - - 0.267 0.265 - - - 0.265 48.96 50.37 52.65 40.74 12.03 47.63 37.13 45.25 28.31 17.03 36.62 没有经过 振动处理 的试件 经过振动 处理的试 件