移动式振动固井装置的研制与现场试验

曲 刚， 李亚伟， 尹文波， 王新峰

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257000)

移动式振动固井装置的研制与现场试验

曲 刚， 李亚伟， 尹文波， 王新峰

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257000)

针对俄罗斯移动式振动器启动困难和不能长时间工作的缺陷，通过研制井下振动器和简化压力平衡机构，根据力学分析优化振动器偏心块的结构，并配套地面电控系统，形成了适用φ139.7 mm套管的移动式振动固井装置。地面试验表明，移动式振动固井装置适用于井斜角不大于50°的井段，启动容易，可以长时间工作。在胜利油田营13-斜161井的现场试验表明，采用移动式振动固井装置进行振动固井井段的固井质量显著提高，与未采用振动固井的邻井相同井段相比，第一界面优质率和第二界面合格率分别平均提高17.5和45.0百分点。研究表明，自主研发的移动式振动固井装置克服了俄罗斯移动式振动器的缺陷，适用于井斜角不大于50°的井段，能够有效提升第一、二界面的胶结质量。

振动固井；固井设备；振动器；固井质量；营13-斜161井

20世纪80年代，国外公司在固井作业中开始应用振动技术，并在美国和前苏联得到了迅速发展。振动固井装置按照振源位置分为机械式/声频井口振动器、地面环空水力或空气脉冲振动固井装置[1-3]、水力脉冲式振动器[4-7]和移动式机械/声频振动器。移动式机械振动器为俄罗斯独有并在该国取得了良好的应用效果。该振动器能够在套管内移动，可以对任一井深处环空候凝的水泥浆进行振动，具有能耗低、可重复使用和不干扰常规固井的特点。胜利油田引进了俄罗斯移动式机械振动器，并进行了现场试验，固井质量得到明显提高，但在试验过程中也发现了许多问题：我国与俄罗斯通用套管尺寸存在差异，振动器外径偏大，与φ139.7 mm套管的间隙过小，导致启动困难；连续工作时间短，以间歇方式工作，工作时频繁启停；振动器压力平衡机构结构复杂，入井前压力平衡机构充油过程繁琐。这些缺陷直接影响其在国内的推广应用。因此，笔者根据胜利油田的需要，通过自主研发井下振动器和地面电力控制单元，配套了专用电缆、马龙头和井口起下装置，研制出了具有自主知识产权的移动式振动固井装置，并进行了现场试验，固井质量得到大幅提高。

1 移动式振动固井装置的研制思路

从工作原理、装置组成和施工工艺等3方面介绍移动式振动固井装置的研制思路。

1.1工作原理

移动是相对于固定的振源而言的，是指振动器在套管中一边上下运动一边振动，并在一定范围内传递振动波。在水泥浆稠化时间内，脉冲波把振动能量通过套管作用到环空的候凝水泥浆中，根据密实原理，破坏介质颗粒间以及分子间的结构，降低水泥浆的静切力和减轻胶凝失重，改变水泥浆原有的性能特征和水泥石的微观特性[8-10]。在水泥浆候凝阶段振动有利于提高水泥浆的均匀度和密实性，在环空形成坚固而完整的水泥环，提高第一、第二界面的胶结强度。

1.2装置组成

移动式振动固井装置由井下振动器、地面电控单元和收放系统组成，见图1。井下振动器将电能转换成频率和振幅可调的振动波；地面电控单元将井场交流电压升高，以利于长距离传输；收放系统由绞车及电缆、配合接头和天地滑轮组成，利用其起下井下振动器和控制井下振动器的运动。

1.3施工工艺

移动振动固井是在水泥浆稠化时间内振动套管，向环空中的水泥浆传递高频振动波。施工工艺如下：

1) 顶替完水泥浆后，拆掉水泥头，利用绞车、滑轮和电缆将井下振动器下到套管内；

图1 振动固井装置的组成Fig.1 Components of vibration cementing device

2) 井下振动器下至目的井段后启动，在水泥浆稠化时间内振动套管，进行点振或边移动边振动；

3) 振动结束，起出井下振动器，继续候凝。

2 关键设备的研制

井下振动器和地面电控单元是移动式振动固井装置的关键设备，对其进行了设计与研制。

2.1井下振动器

井下振动器由交流电机、偏心机构和振击短节构成(见图2)，上端的过电接头通过马龙头与电缆连接。其与俄罗斯移动式振动器相比主要进行了以下改进：交流电机通过联轴器带动偏心结构；精简了压力平衡机构；为适应φ139.7mm套管，将外径缩小至104.0mm。

图2 井下振动器基本结构Fig.2 Structure of the downhole vibrator

马龙头由快接鱼雷、拉力棒、打捞头、密封接头和硅脂腔组成。与俄罗斯移动式振动器相比，主要进行了以下改进：为有效缓冲振动冲击和减少磨损，快接鱼雷上方增设加长型橡胶尾椎，以保护电缆；密封接头增加预紧力装置，以保证3芯插接件接触电阻小于0.5Ω，以提升马龙头耐高压(120MPa)和耐高温(175℃)的能力。

三相交流电机根据内径特制了电机绕组，输出功率1.2kW。

振动器运行时偏心块做圆周运动，振动器外壳做平移圆周运动，其运行参数包括加速度、振幅、频率和振激力等，这些参数与偏心块的结构、转速、偏心矩、材质和总质量有关[11]。笔者主要根据振动频率和振幅，对偏心块结构进行设计，使其能满足总质量90～100kg的振动器在50～60Hz振动频率下振幅达到4.0mm的要求，为变频调整振幅和振激力提供余量。

偏心块的转速决定振动器的振动频率，两者的关系式为：

(1)

以常用扇形偏心块(见图3)的力学计算公式为依据[12]，计算偏心块的截面积和偏心距。

图3 扇形偏心块Fig.3 Fan-shaped eccentric block

偏心块的截面积和偏心距分别为：

S=α(R2-r2)+πr2

(2)

(3)

振动器作圆周运动形式的振动时，外壳圆周运动的离心力、转轴扭矩与偏心轮圆周运动的离心力构成平衡力系，据此推导出运行参数的计算公式：

P=πfFA

(4)

(5)

F=me(2πf)2

(6)

对于扇形偏心块，若不考虑轴部分的偏心距及其质量，振激力的计算式可简化为：

(7)

式中：f为频率，Hz；n为偏心块的转速，r/min；S为偏心块的截面积，m2；e为偏心块的偏心距，m；α为扇形半圆弧中心角，(°)；R为偏心块外径，m；r为轴外径，m；P为功率，kW；F为振激力，N；A为振幅，m；m为偏心块的质量，kg；M为振动器总质量，kg；ω为偏心块的角速度，rad/s；B为偏心块厚度，m；ρ为偏心块密度，kg/m3；L为偏心块长度，m。

结合套管内径和振动器尺寸，将偏心块的结构参数设计为：R=40mm，r=22mm，L=550mm，α=60°。偏心块的密度ρ为7800kg/m3，利用上面的公式计算偏心块质量和不同频率下振动器的振幅。计算结果表明，该结构的扇形偏心块能使质量90～100kg的振动器在振动频率50～60Hz时的振幅达到4.5mm，达到了设计要求。

2.2地面电控单元

地面电控单元由变压器、变频器、PLC控制器和保护电路组成，如图4所示。控制原理：变压器将380V的交流电升至1500V，再经变频器变频后通过电缆输送至井下振动器，PLC控制器控制振动器工作。与俄罗斯移动式振动器相比，变压器由三档变压升级成0～1500V无级调压；PLC控制器通过人机交互界面显示和记录电压、电流和频率等参数，通过变频调整振动器的输出特性，具有控制电机正反转、停机自放电和故障报警功能。

图4 地面电控单元Fig.4 Surface electronic control system

3 地面试验

俄罗斯移动式振动器适用井斜角不大于40°的井段，而国内定向井目的层的井斜角常常大于40°，且俄罗斯移动式振动器每工作15min要停机30s。振动器作为释放振动波的终端，固井时要求其可靠、耐用。因此，通过地面试验测试移动式振动固井装置适用的井斜角和可靠性，并与俄罗斯移动式振动器的振幅进行了对比。

利用搭建的模拟多角度套管试验台(见图5)测试研制移动式振动固井装置适用的井斜角，测量不同频率下振动器和套管的振幅。

图5 模拟多角度套管测试Fig.5 Multi-angle casing test simulations

模拟20°，40°和50°的井斜角，测试研制的井下振动器在套管中是否能启动和运行，并测量井下振动器和套管在不同频率下的振幅，结果见图6。

图6 井下振动器和套管的振幅Fig.6 Amplitude of vibrators and casings under different frequencies

从图6可以看出:在50Hz频率下，井下振动器最大振幅为5.0mm，套管振幅为1.3mm；从图6还可以看出，随着频率升高，井下振动器和套管的振幅呈减小趋势，综合考虑井下振动器的寿命和发热量，将井下振动器的工作频率限定在50～80Hz。

试验发现，研制的井下振动器在井斜角达到50°时仍可以正常启动，且无间断连续工作时间大于4h，其振幅最大达到5.0mm，启动稳定。这说明研制的井下振动器和电控系统克服了俄罗斯移动式振动器的缺陷，解决了启动困难、频繁停机间歇工作等问题。

4 现场试验

为进一步检测移动式振动固井装置的性能和验证振动固井效果，在胜利油田的营13-斜161井进行了现场试验。营13-斜161井为定向井，完钻井深2999.00m，油层顶界2954.00m，φ139.7mm套管下至井深2980.00m，井深2003.00m处井斜角24°，要求水泥返高500.00m，500.00～1700.00m井段采用泡沫水泥浆固井，1700.00～2999.00m井段采用常规G级水泥浆固井。G级水泥浆密度1.85kg/L，稠化时间为180min。

1700.00～2999.00m井段注水泥结束后，将井下振动器置于φ139.7mm套管中，下至井深2100.00m，开启地面电控单元，电压升至1000V时井下振动器启动，在2000.00～2100.00m井段边移动边振动。为避免振动时间过长形成水带，每点振动时长4min，间隔6m，并且控制在水泥浆稠化时间(180min)内结束振动，以防对水泥浆的初凝起反作用。振动结束后，提出井下振动器进行声幅测井，评价固井质量。

表1为营13-斜161井不同井段的固井质量评价结果。由表1可知，该井振动井段的固井质量与邻近未振动井段相比显著提高，振动井段第一界面优质率和第二界面合格率均提高25.0百分点以上。

表1营13-斜161井不同井段固井质量评价结果

Table1EvaluationresultsofcementingqualityofdifferentintervalsintheWellYing13-X161

井段/m第一界面优质率,%第二界面合格率,%备注1900.00～2000.006565未振动2100.00～2200.007565未振动2000.00～2100.0010095振动

表2为营13-斜161井与邻井相同井段的固井质量评价结果。由表2可知，营13-斜161井振动井段的固井质量与邻井未振动相同井段相比大幅提高，第一界面优质率和第二界面合格率分别平均提高了17.5和45.0百分点。

表2营13-斜161井与邻井相同井段固井质量评价结果

Table2CementingqualitycomparisonofthesamewellsectionsoftheWellYing13-X161andadjacentwells

井名井段/m水泥浆第一界面优质率,%第二界面合格率,%备注营13-斜161井营13-斜176井营13-斜65井2000.00～2100.00G级水泥浆10095振动8545未振动8055未振动

5 结论与建议

1) 通过研制井下振动器、地面电控系统和配套设备，形成了一套移动式振动固井装置。

2) 地面试验表明，研制的移动式振动固井装置适用于井斜角不大于50°的井段，且能长时间连续工作，克服了俄罗斯移动式振动器只适用于井斜角小的井段和不能连续工作的缺陷。

3) 现场试验表明，采用研制的移动式振动固井装置进行振动固井，能大幅度提高固井质量。

4) 为进一步发挥移动式振动固井装置的作用，需要优选振动频率和研究振动波的影响范围。

References

[1] 丁士东，张克坚，高德利，等.新型井口脉冲振动固井装置的研制与应用[J].石油机械，2006，34(11)：51-54.

DING Shidong,ZHANG Kejian,GAO Deli,et al.Development and application of new type top cementing pulsation device[J].China Petroleum Machinery,2006,34(11):51-54.

[2] DUSTERHOFT D,WILSON G,NEWMAN K.Field study on the use of cement pulsation to control gas migration[R].SPE 75689,2002.

[3] NEWMAN K,WOJTANOWICZ A K,GAHAN,B C.Cement pulsation improves gas well cementing[J].World Oil,2001,222(7):89-94.

[4] 刘小利，夏宏南，王小建，等.水力脉冲振动技术提高固井质量的研究与应用[J].钻采工艺，2007，30(2)：20-21.

LIU Xiaoli,XIA Hongnan,WANG Xiaojian,et al.Research and application of water power vibratory impluse technique in improving cementing quality[J].Drilling & Production Technology,2007,30(2):20-21.

[5] 李博.水力振荡器的研制与现场试验[J].石油钻探技术，2014，42(1)：111-113.

LI Bo.Development and pilot test of hydro-oscillator[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(1):111-113.

[6] RANKIN R E,RANKIN K T.Apparatus and method for vibrating a casing string during cementing:US 5152342[P].1992-10-06.

[7] WEBB E,ROGERS H,SCHULTZ R.Methods for introducing pulsing to cementing operations:WO/2009/081088A2[P].2009-07-02.

[8] 韩玉安，孙艳龙，王洪潮，等.国内外振动固井技术的发展现状[J].钻采工艺，2000，23(4)：27-30.

HAN Yu’an,SUN Yanlong,WANG Hongchao,et al.Developing status quo of vibration cementing technique both in China and abroad[J].Drilling & Production Technology,2000,23(4):27-30.

[9] 李玉海，赵立新，王军荣.振动固井技术综述[J].石油钻采工艺，1994，16(6)：40-42.

LI Yuhai,ZHAO Lixin,WANG Junrong.Overview of vibration cementing technology[J].Oil Drilling & Production Technology,1994,16(6):40-42.

[10] 张大川，刁胜贤，李玉海.综合固井技术在胜利油田探井中的应用[J].石油钻采工艺，2004，26(4)：24-26.

ZHANG Dachuan,DIAO Shengxian,LI Yuhai.Application of comprehensive cementing technology in exploratory wells in Shengli Oilfield[J].Oil Drilling & Production Technology,2004,26(4):24-26.

[11] 张子强，常焱.振动偏心轮结构设计及其有限元分析[J].江南大学学报(自然科学版)，2011，10(5)：573-577.

ZHANG Ziqiang,CHANG Yan.Structure design of vibration eccentric and its finite element analysis[J].Journal of Southern Yangtze University(Natural Science Edition),2011,10(5):573-577.

[12] 蒋章方，刘袁平.电机内装插入式混凝土振动器机械振动性能参数计算[J].建设机械技术与管理，2010，23(1)：109-115.

JIANG Zhangfang,LIU Yuanping.Calculation of mechanical vibration parameters of inbuilt motor concrete vibrators[J].Construction Machinery Technology & Management,2010,23(1):109-115.

[编辑 刘文臣]

DevelopmentandFieldTestofaMobileVibratoryCementingDevice

QUGang，LIYawei，YINWenbo，WANGXinfeng

(DrillingTechnologyResearchInstitute,SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying,Shandong,257000,China)

In order to overcome the problems of Russian mobile vibrators which include starting difficulties and limited running time,a set of mobile vibratory cementing devices suitable for φ139.7 mm casing was formed by optimizing the structures of eccentric blocks of vibrators based on mechanical analysis and matching surface electronic control system.They were formed after the development of downhole vibrators and simplification of pressure balance mechanism.Surface tests indicated that the mobile vibratory cementing device applicable to the well section with deviation angle less than 50° started easily and might work for a long time.Field tests indicated that the cementing quality of vibration cementing intervals were significantly improved by using the mobile vibratory cementing device for test wells.Compared with the same intervals in the adjacent wells without using vibration cementing,the high quality rate of the first interface and qualification rate of the second interface were improved by 17.5 and 45.0 per cent respectively.The research showed that self-developed mobile vibratory cementing device could overcome the defects of Russian mobile vibrators,and could be suitable for a domestic casing program and thus effectively improve the cementation quality of the first and second interfaces

vibration cementing;cementing equipment;vibrator;cementing quality;Well Ying13-X161

TE925+.3

A

1001-0890(2017)05-0043-05

10.11911/syztjs.201705008

2017-01-13；改回日期2017-08-30。

曲刚(1981—)，男，山东东营人，2003年毕业于石油大学(华东)材料成型及控制工程专业，2006年获中国石油大学(华东)材料学专业硕士学位，工程师，主要从事钻井井下工具和钻机设备开发。E-mail：qugang105.slyt@sinopec.com。

中石化石油工程技术服务有限公司先导项目“井下移动式振荡器提高固井质量技术先导试验”(编号：SG14-41X)部分研究内容。