偏心機械式振動固井技術在長慶油田的應用

梅明佳，　江維，　魏周勝

偏心機械式振動固井技術在長慶油田的應用

梅明佳1，江維2，魏周勝1

（1.川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，西安710018；2.德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州253034）

梅明佳等.偏心機械式振動固井技術在長慶油田的應用［J］.鉆井液與完井液，2016，33（4）：97-100.

為提高長慶油田注水調整更新井固井質量，試驗應用了一種偏心機械式振動固井技術。在室內采用ZD-34電動振動器評價裝置對振動器進行室內模擬，對水泥漿振動后的抗壓強度、膠結強度、稠化時間、初終凝過渡時間和滲透率進行評價，結果表明，振動后水泥漿稠化時間縮短25%～30%，初終凝過渡時間縮短30%～50%，水泥石24 h抗壓強度提高10%～14%，膠結強度提高11%～16%，滲透率降低33.3%～43.9%。該技術在長慶油田吳堡區(qū)塊應用5口井，試驗井油水層封隔良好，總體固井優(yōu)質率提升20%以上。室內實驗和現(xiàn)場應用表明，偏心機械式振動固井技術可以有效提高固井質量，具有較好的推廣應用前景。

固井； 固井質量； 偏心機械式； 調整更新井； 長慶油田

長慶油田為提高超低滲透油藏采收率及單井產量，普遍采用超前高壓注水等增產措施。長期注水開采，地層壓力復雜，形成多壓力體系，固井防漏壓穩(wěn)難度大，固井施工結束水泥頂替到位及候凝期間出現(xiàn)水泥漿稀釋及竄槽，固井質量較差，部分井固井后出現(xiàn)井口出水［1-3］。偏心機械式振動器連接電纜后可在套管內調節(jié)位置，振動能量能有效傳遞到預設層位，在水泥候凝期間起作用，促進水泥水化，提高水泥早期強度，可解決水泥候凝期間的油水竄問題。該技術近2年在江蘇、勝利等油田成功應用，2015年在長慶油田應用該技術，在吳堡區(qū)塊應用5口井，注水層位固井質量改善較明顯，試驗井總體固井優(yōu)質率提升20%以上。

1　偏心機械式振動固井技術

早在20世紀60年代，以美國和前蘇聯(lián)為代表，國外就開始了振動固井相應技術的研究工作。振動固井技術的研究在國內起步較晚，目前尚處于研究認識和初步開發(fā)階段。在中國應用的振動固井技術有井下水力脈沖振動發(fā)生器、井口脈沖振動固井裝置、渦輪式井下徑向振動固井裝置，在遼河、松南、勝利、鄂爾多斯、江蘇等油田進行了多口井現(xiàn)場應用，均取得較好的固井效果［4-6］。偏心機械式振動固井技術與其他振動固井技術相比，具有操作簡單、在水泥漿候凝期間作用、振動能量可有效傳遞到預設層位的特點，更適合在注水調整井中應用。長慶油田引入該技術并在現(xiàn)場進行了試驗應用。

1.1EC-M偏心振動裝置結構及技術指標

通過對國內外同類產品進行對比，選用了EC-M偏心機械式振動裝置。該裝置儀器可靠性良好，可連續(xù)工作4 h以上；適應井斜范圍廣，可以在50°內的定向井中使用；具有良好的耐溫耐壓性；地面控制系統(tǒng)直觀，易于調節(jié)。

EC-M振動器主要由馬籠頭、電機、偏心結構、振動短節(jié)組成，結構示意圖見圖1。設計電機頻率為50 Hz，偏心塊為1/4圓弧，理論計算偏心塊產生的最大激振力為8 077.99 N，室內模擬測試振動器對套管的激振力為300～800 N。

圖1　振動器結構圖

EC-M振動器直徑為102 mm， 長度為1 000 mm，重量為50 kg，耐溫達200 ℃，耐壓達100 MPa，振動頻率為30～50 Hz，振動功率為0.8～1.5 kW，工作電壓為380 V交流電，額定功率為3 kW，適用套管尺寸為φ139.7 mm。

1.2振動裝置的工作原理

振動裝置通過電纜下入套管中，到達預設位置后，啟動振動器，電機帶動偏心塊旋轉，產生有規(guī)律的徑向振動，振動波通過鉆井液、套管傳至套管與井壁之間的環(huán)空，可以使水泥充分水化，有利于在環(huán)空形成完整的水泥環(huán)，提高水泥的抗壓強度和界面膠結強度；縮短水泥漿過渡時間，提高水泥漿防氣竄性能；減小或消除水泥漿的靜切力，減小水泥漿失重效應，有效阻止地層流體竄入［7］。

2　室內實驗

采用一種ZD-34電動振動器對水泥漿的各項性能進行評價，圖2為實驗裝置圖。該電動振動器的直徑為34 mm， 工作電壓為380 V， 振動頻率為30～60 Hz， 振動功率為1.5 kW， 激振力為500 N。

圖2　ZD-34電動振動器示意圖

如圖2所示，ZD-34電動振動器為一種小型插入式振動棒，振動器放入模擬井筒中，模擬現(xiàn)場振動作業(yè)。評價裝置振動頻率與振動器井下作業(yè)的工作頻率接近，工作功率與現(xiàn)場作業(yè)相當。因此，利用該評價裝置可以較好地評價振動器的振動效果。

室內按照GB/T 19139—2012，對長慶油田區(qū)域所用的G級水泥凈漿、早強水泥漿、降失水水泥漿和膨脹水泥漿進行性能測定，然后用室內評價裝置對水泥漿體系進行振動，振動器振動頻率為50 Hz，振動3 min后測定水泥漿性能變化。水泥漿振動前后的性能變化見表1。水泥漿配方如下。

早強水泥漿九連山G級水泥+1.8%早強劑GJ-F

降失水水泥漿九連山G級水泥+2.5%降失水劑G307A+0.2%減阻劑USZ

膨脹水泥漿九連山G級水泥+2.5%G307A+ 2%膨脹劑GJ-Z+0.3%USZ

由表1可知，振動后水泥石24 h抗壓強度提高，膠結強度提高，滲透率降低，稠化時間縮短，水泥漿初終凝過渡時間縮短。

表1　振動前后水泥漿性能變化

表1中實驗結果表明，對于不同水泥漿，振動均能增加水泥石的均勻性和密實性。在水泥水化的誘導期， 油井水泥中的主要礦物C3S會快速發(fā)生化學反應， Ca（OH）2和C—S—H核開始形成，此時振動能量傳遞到漿體， 促進C3S發(fā)生水化反應， 縮短水泥的誘導期， 促進C—S—H的水化反應， 達到增加水泥石早期強度和增加水泥石密實性的作用［8］。

對低密度水泥漿體系而言，過長的振動時間會使體系游離液增加，影響體系的穩(wěn)定性。為避免過長的振動時間對體系的不利影響，現(xiàn)場振動低密度體系，應避免對水泥漿穩(wěn)定性產生不利影響。水泥漿游離液含量在振動前后的變化見表2。由表2可知，低密度水泥漿在振動前后游離液增加不明顯。

表2　不同水泥漿游離液在振動前后的變化情況

3　現(xiàn)場試驗

3.1試驗井基本情況

午317-X1井為一口定向井，位于陜西省吳起縣境內，完鉆井深為2 164 m，油層1 660～2 127 m，使用的鉆井液密度為1.12 g/cm3，采用一次上返固井工藝。該區(qū)塊主要固井技術難點為長期高壓注水，造成地下原始壓力系統(tǒng)發(fā)生很大改變，縱向剖面上形成多壓力層系，層間壓力各異，層內壓力不平衡，水泥漿很難滿足各層壓力需求，極易發(fā)生油氣水竄。主力油層都不同程度地存在著油水同層、底水活躍、底水推進、水淹、油氣水竄、地層壓力異常等嚴重影響油田生產的不利因素。目前該區(qū)塊主要采用膨脹水泥漿體系，控制水泥漿稠化時間來保障固井質量，但仍存在水泥漿候凝期間的油、水竄。因此，在該區(qū)塊引入偏心機械式振動固井技術，解決水泥漿候凝期間的竄槽問題。

試驗井水泥漿為膨脹水泥漿體系，配方為九連山G級水泥+2.5%G307A+2%GJ-Z+0.3%USZ，稠化時間為90 min（45 ℃、20 MPa），初終凝時間為120、150 min，水泥石24 h抗壓強度為28.69 MPa，24 h膠結強度為2.62 MPa。在室內應用ZD-34電動振動器模擬評價振動對水泥漿性能的影響，測得振動后水泥漿稠化時間縮短為64 min，初終凝時間為100、120 min，水泥石24 h抗壓強度達到32.42 MPa，24 h膠結強度為2.96 MPa。

3.2施工概況

1）施工前準備。套管下到位后建立循環(huán)，調整鉆井液性能以滿足固井要求，并循環(huán)2周；嚴格按照設計執(zhí)行固井施工，依次注入8 m3密度為1.5～1.6 g/cm3前置液（200 kg CXY+清水）、39 m3低密度水泥漿（G級水泥∶粉煤灰=1∶1）、16 m3密度為1.88～1.92 g/cm3尾漿（G級水泥+2.5% G307A+2%GJ-Z+0.3%USZ），替量27.7 m3碰壓，穩(wěn)壓8 min，泄壓后觀察斷流。

2）振動作業(yè)。將馬龍頭提升至鉆臺， 迅速完成馬龍頭與振動器的對接，振動器在井口試運轉正常后，下放振動器至第一個振點井深1 800 m， 下放速度為80～120 m/min， 振動器到達預定位置開始振動作業(yè)。 該井在1 800～1 620 m井段實行點振， 振動頻率為50 Hz， 間隔6 m， 每個點振動3～5 min；在1 620～1 000 m井段實行連續(xù)振動，在實施振動作業(yè)的同時上提電纜， 電纜上提速度為3 m/min。

3）振動結束。在水泥漿終凝前完成全部振動作業(yè)，關閉振動器，上提電纜取出振動器，結束施工。

3.3應用效果

候凝48 h后，CBL/VDL測井顯示，該井整體固井質量良好，油層封固段固井優(yōu)質率達到98%，有效封隔了油、水層，固井質量明顯優(yōu)于未振動井。該技術在吳堡區(qū)塊推廣應用5口井，與同井場的鄰井相比，試驗井固井質量提升較明顯，試驗井段總體固井優(yōu)質率提升20%以上。5口井固井質量及對比情況見表3。

表3　試驗井與鄰井固井質量對比表

4　結論與建議

1.應用偏心機械式振動裝置提高固井質量，不改變現(xiàn)有固井設備和固井工藝，操作簡單，是提高固井質量的一種有效技術手段。

2.室內實驗使用電動振動器模擬評價，結果表明，振動可以縮短水泥漿稠化時間及初終凝過渡時間。振動后分析，水泥石的密實性、早期強度及膠結強度得到提高。

3.該技術現(xiàn)場應用5口井，取得較好的效果，表明振動可以促進水泥水化反應，增加水泥漿的均勻性，提高一、二界面膠結強度，防止固井后油氣水竄槽，從而提高固井質量。

4.振動波的影響范圍尚有待深入研究。

［1］鄭章義.振動固井裝置的設計及振動傳播規(guī)律的研究［D］.長江大學，2012. ZHENG Zhangyi. Design of vibration cementing device and study on vibration propagation law［D］. Yangtze University，2012.

［2］韓崇福，田錫君，王冠軍.振動固井技術在遼河油田的試驗應用［J］.石油鉆采工藝，1999，21（4）：24-29. HAN Chongfu，TIAN Xijun，WANG Guanjun. Experimental application of vibration cementing technology in Liaohe Oilfield［J］. Oil Drilling & Production Technology，1999，21（4）：24-29.

［3］胡可能.井下低頻水力脈沖振動固井機理研究及裝置設計［D］.長江大學，2012. HU Keneng.Mechanism research and device design of downhole low frequency hydraulic pulse vibration cementing［D］. Yangtze University，2012.

［4］韓玉安，孫艷龍，王洪潮，等.國內外振動固井技術的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.鉆采工藝，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.

［5］吳波， 劉金余， 楊明合， 等.新型渦輪式井下徑向振動固井裝置的研究與應用［J］.復雜油氣藏， 2010，3（4）：69-72. WU Bo，LIU Jinyu，Yang Minghe，et al.Research and application of a new turbine downhole cementing device with radial vibration［J］.Complex Hydrocarbon Reservoirs，2010，3（4）：69-72.

［6］薛亮， 李幫民， 劉愛萍， 等. 水力振動固井工具壓力波發(fā)生原理研究［J］.石油鉆探技術，2011，39（1）：105-109. XUE Liang，LI Bangmin，LIU Aiping，et al.Study of compression wave caused by hydraulic cementing tools［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2011，39（1）：105-109.

［7］王恩合，王學良，王學成，等.動態(tài)振動固井技術研究及現(xiàn)場試驗［J］.石油鉆探技術，2011，39（4）：57-60. WANG Enhe，WANG Xueliang，WANG Xuecheng，et al. Research and field experiment of dynamic vibrating cementing technique［J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（4）：57-60.

［8］丁士東，高德利，王崎，等.脈沖振動處理對水泥石早期性能的影響［J］.鉆采工藝，2007，30（6）：105-107. DING Shidong，GAO Deli， WANG Qi，et al. Influence of pulsation treatment on early properties of cementstone［J］.Drilling & Production Technology，2007，30（6）：105-107.

The Application of Eccentric Mechanical Vibration Cementing Technique in Changqing

MEI Mingjia1， JIANG Wei2， WEI Zhousheng1
（1. CCDC Changqing Cementing Company， Xi’an， Shaanxi 710018；2. Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co.， Ltd.， Dezhou， Shandong 253034）

An eccentric mechanical vibration cementing technique was used in Changqing oilfield in an effort to improve the cementing job quality of the injector wells. Cementing slurry was evaluated after vibration on a ZD-34 model electric vibrator as to its compressive strength， bond strength， thickening time， initial setting transition time， final setting transition time， and permeability. The evaluated cement slurry was then used in filed operations. The laboratory study showed that the thickening time of the cement slurry after vibration was reduced by 25%-30%， the initial and the final setting transition time reduced by 30%-50%， the 24 h strength of the set cement increased by 10%-14%， the bond strength increased by 11%-16%， and the permeability reduced by 33.3%-43.9%. This technique has been used in 5 wells in the block Wupu in Changqing oilfield， and the oil zones and water zones in these wells are well separated， with the rate of excellent well cement jobs increased by more than 20%. The laboratory experiments and the field applications all demonstrate that the eccentric mechanical vibration cementing technique can effectively enhance the quality of well cementing， and is prospective in future cementing operations.

Well cementing； Quality of well cementing job； Eccentric mechanical； Adjustment well； Changqing oilfield

TE256.6

A

1001-5620（2016）04-0097-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.020

中石油工程技術分公司統(tǒng)籌項目“新技術新工藝攻關與現(xiàn)場試驗”子課題“隨行振動波提高固井質量技術試驗與應用”（2015T-003-001）。

梅明佳，工程師，1986年生，2009畢業(yè)于長江大學應用化學專業(yè)，現(xiàn)主要從事固井工藝、水泥漿體系方面的研究工作。電話 （029）86598948/18792939829；E-mail：cqgjmmj@cnpc.com.cn。

（2016-3-5；HGF=1604M6；編輯馬倩蕓）