徑向振動固井工具

劉國恒

摘 要：現(xiàn)有條件下，固井工程中存在水泥漿失重，凝固不均勻，導(dǎo)致固井質(zhì)量欠佳，為了提高固井質(zhì)量，振動固井技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，振動固井技術(shù)對固井質(zhì)量提升有一定改善作用，然而由于施工工藝和振動原理限制，現(xiàn)有振動固井技術(shù)存在一些問題。針對現(xiàn)有振動固井工具耐沖蝕性差，固井質(zhì)量提升不高，壓力波振幅小，傳播距離短，研制了徑向振動固井工具。徑向振動固井工具采用了徑向振動的設(shè)計(jì)，解決了脈沖波傳播距離短的問題，從原理上避免了壓力波振幅小的問題，該工具在大慶油田推廣使用過程中、表現(xiàn)出了安全可靠、性能穩(wěn)定，固井質(zhì)量好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：徑向振動 固井質(zhì)量 脈沖波 振動傳遞

中圖分類號：TE92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0083-01

目前，在石油天然氣及地質(zhì)勘探固井工程中，存在水泥漿失重，凝固不均勻，導(dǎo)致固井質(zhì)量欠佳的問題，影響經(jīng)濟(jì)效益，甚至導(dǎo)致井眼無法正常工作。特別是有些水泥漿性能稍差的時(shí)候，由于水泥膠結(jié)不好導(dǎo)致整個(gè)井報(bào)廢，因此針對可能存在的固井質(zhì)量問題，本著消除安全隱患，提高經(jīng)濟(jì)效益的原則，設(shè)計(jì)了振動固井工具。現(xiàn)有振動固井工具由于結(jié)構(gòu)和施工工藝的限制，導(dǎo)致脈沖波傳遞受阻，因而無法達(dá)到預(yù)期效果，因此設(shè)計(jì)了徑向振動固井工具。

1 技術(shù)分析

振動可以有效地破壞水泥漿膠結(jié)，使水泥凝固更加均勻，這一點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，澆筑混凝土?xí)r，通過高頻低振幅的振動，改善混凝土性能，提高凝固質(zhì)量。根據(jù)混凝土振搗原理，設(shè)計(jì)了徑向振動固井工具。

1.1 結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本體的兩端加工標(biāo)準(zhǔn)套管螺紋，本體上端與浮箍連接，下端與引鞋連接。本體內(nèi)部加工有臺階，對導(dǎo)流套起限位作用，整個(gè)芯軸兩端套有軸承，下端導(dǎo)流套由特制的引鞋壓緊，由此對芯軸限位。另外芯軸上開有鍵槽，通過鍵進(jìn)行傳扭，帶動葉輪和偏心塊旋轉(zhuǎn)。芯軸兩端的軸承為角接觸球軸承，既可以起到扶正的作用，又可以起到止推軸承的限位作用。芯軸兩端的鎖緊螺母配合芯軸上的調(diào)整環(huán)，將葉輪和偏心塊在軸向上的位置固定，這樣芯軸及其所帶動的其他零件組成了工具的工作總成。

1.2 工作原理

徑向振動固井工具接在浮箍下端，在注水泥的過程中，當(dāng)水泥漿流過葉輪時(shí)，葉輪葉片收到流體的沖擊，開始旋轉(zhuǎn)，從而帶動芯軸旋轉(zhuǎn)，芯軸將扭矩傳遞給偏心塊，偏心塊跟著芯軸一起旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高頻低振幅的振動，振動通過導(dǎo)流套傳遞給本體，本體將振動傳遞到環(huán)空內(nèi)的水泥漿，到達(dá)活化水泥漿，優(yōu)化水泥漿性能，提高固井質(zhì)量的目的。

2 關(guān)鍵技術(shù)

此徑向振動固井工具與現(xiàn)有油田固井中使用的方法相比具有以下特點(diǎn)。

（1）葉輪表面噴涂的硬質(zhì)合金能夠有效地抵抗水泥漿長時(shí)間的沖蝕，并且僅在葉輪表面容易被沖蝕的部位噴涂硬質(zhì)合金，而非整體采用硬質(zhì)合金，這樣大大的降低了成本。由于硬質(zhì)合金的硬度很高，水泥漿帶動葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片沖蝕不會太快，不會影響葉輪的轉(zhuǎn)動功率，能夠保持較好的工作轉(zhuǎn)速，進(jìn)而保證高效而穩(wěn)定的振動頻率。

（2）偏心塊雖然始終被沖蝕，但其在的位置過流面積較大，本身又是實(shí)心結(jié)構(gòu)，比較厚實(shí)，因此能夠較長時(shí)間的提供機(jī)械脈沖，即使有一定程度的沖蝕，也不會影響工具的整體效果?，F(xiàn)有振動固井工具十分容易被沖蝕，損耗極快。

（3）工具芯軸在工作過程中一直在旋轉(zhuǎn)，水泥漿沿著芯軸軸向流動，因此水泥漿對芯軸的沖蝕幾乎沒有，芯軸有足夠長的壽命完成工具工作過程。

（4）工具的振動頻率取決于葉輪的轉(zhuǎn)速，因此，工具能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)高于現(xiàn)有工具的工作頻率，對水泥漿的性能能夠更有效的優(yōu)化。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 工作頻率試驗(yàn)

工具的動力來源主要是固井時(shí)的水力脈沖，因此，用實(shí)驗(yàn)室的F500泵模擬提供相應(yīng)的動力，首先對工具葉輪進(jìn)行空載轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，測試在設(shè)計(jì)條件下葉輪的轉(zhuǎn)速，然后組裝工具進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)，負(fù)載情況下，葉輪在以清水為動力源的情況下，轉(zhuǎn)速達(dá)到了12000rpm以上，由此計(jì)算出工具振動頻率200Hz以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 振動振幅試驗(yàn)

工具的振動由偏心塊產(chǎn)生，因此工具產(chǎn)生的振動振幅大小取決于偏心塊的偏振力，經(jīng)過振幅測試儀測試，工具可以產(chǎn)生3～4mm的振幅，工具接入管串后振幅會變小，因此符合工具高頻低振幅的設(shè)計(jì)理念。

3.3 工作時(shí)間試驗(yàn)

工具的壽命取決于葉輪在水泥漿中工作時(shí)的耐沖蝕性，以及其他零件在高頻低振幅的振動下疲勞強(qiáng)度，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試，工具可以工作200h以上，但考慮到水泥漿對葉輪的沖蝕更大，工具使用壽命需要進(jìn)一步測試。

4 試驗(yàn)應(yīng)用

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

將工具水平放置在水泥槽內(nèi)，通過工具上下兩端的接頭提供動力并建立循環(huán)，工具工作1min，水泥槽內(nèi)的水泥性能改善明顯，流動性顯著提高，大塊顆粒消失，等水泥凝固后，對比未使用工具改善性能的水泥漿，工具效果明顯，證明振動固井工具確實(shí)可行、有效。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

徑向振動固井工具在大慶油田采油八廠芳5-5區(qū)塊實(shí)驗(yàn)10口井，固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到80%，合格率達(dá)到100%，同比該區(qū)塊未使用振動固井工具的其他井，固井優(yōu)質(zhì)率明顯提高。

5 結(jié)論

（1）徑向振動固井工具將水泥漿的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，產(chǎn)生徑向高頻低振幅的脈沖波，可以有效地改善水泥漿性能，從而提高固井質(zhì)量。

（2）在固井過程中，通過振動固井工具的作用，可以有效的改善環(huán)空環(huán)境，減少泥餅。

（3）徑向振動固井工具在現(xiàn)場使用效果良好，固井優(yōu)質(zhì)率大幅度提高，固井合格率達(dá)到100%，為后續(xù)施工創(chuàng)造了良好的條件。

（4）下一步將進(jìn)行振動固井工具推廣，對葉輪及偏心塊進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高工具使用壽命。

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