移動式振動固井裝置的研制與現(xiàn)場試驗

曲 剛， 李亞偉， 尹文波， 王新峰

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

移動式振動固井裝置的研制與現(xiàn)場試驗

曲 剛， 李亞偉， 尹文波， 王新峰

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

針對俄羅斯移動式振動器啟動困難和不能長時間工作的缺陷，通過研制井下振動器和簡化壓力平衡機(jī)構(gòu)，根據(jù)力學(xué)分析優(yōu)化振動器偏心塊的結(jié)構(gòu)，并配套地面電控系統(tǒng)，形成了適用φ139.7 mm套管的移動式振動固井裝置。地面試驗表明，移動式振動固井裝置適用于井斜角不大于50°的井段，啟動容易，可以長時間工作。在勝利油田營13-斜161井的現(xiàn)場試驗表明，采用移動式振動固井裝置進(jìn)行振動固井井段的固井質(zhì)量顯著提高，與未采用振動固井的鄰井相同井段相比，第一界面優(yōu)質(zhì)率和第二界面合格率分別平均提高17.5和45.0百分點。研究表明，自主研發(fā)的移動式振動固井裝置克服了俄羅斯移動式振動器的缺陷，適用于井斜角不大于50°的井段，能夠有效提升第一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

振動固井；固井設(shè)備；振動器；固井質(zhì)量；營13-斜161井

20世紀(jì)80年代，國外公司在固井作業(yè)中開始應(yīng)用振動技術(shù)，并在美國和前蘇聯(lián)得到了迅速發(fā)展。振動固井裝置按照振源位置分為機(jī)械式/聲頻井口振動器、地面環(huán)空水力或空氣脈沖振動固井裝置[1-3]、水力脈沖式振動器[4-7]和移動式機(jī)械/聲頻振動器。移動式機(jī)械振動器為俄羅斯獨有并在該國取得了良好的應(yīng)用效果。該振動器能夠在套管內(nèi)移動，可以對任一井深處環(huán)空候凝的水泥漿進(jìn)行振動，具有能耗低、可重復(fù)使用和不干擾常規(guī)固井的特點。勝利油田引進(jìn)了俄羅斯移動式機(jī)械振動器，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，固井質(zhì)量得到明顯提高，但在試驗過程中也發(fā)現(xiàn)了許多問題：我國與俄羅斯通用套管尺寸存在差異，振動器外徑偏大，與φ139.7 mm套管的間隙過小，導(dǎo)致啟動困難；連續(xù)工作時間短，以間歇方式工作，工作時頻繁啟停；振動器壓力平衡機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，入井前壓力平衡機(jī)構(gòu)充油過程繁瑣。這些缺陷直接影響其在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。因此，筆者根據(jù)勝利油田的需要，通過自主研發(fā)井下振動器和地面電力控制單元，配套了專用電纜、馬龍頭和井口起下裝置，研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的移動式振動固井裝置，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，固井質(zhì)量得到大幅提高。

1 移動式振動固井裝置的研制思路

從工作原理、裝置組成和施工工藝等3方面介紹移動式振動固井裝置的研制思路。

1.1工作原理

移動是相對于固定的振源而言的，是指振動器在套管中一邊上下運動一邊振動，并在一定范圍內(nèi)傳遞振動波。在水泥漿稠化時間內(nèi)，脈沖波把振動能量通過套管作用到環(huán)空的候凝水泥漿中，根據(jù)密實原理，破壞介質(zhì)顆粒間以及分子間的結(jié)構(gòu)，降低水泥漿的靜切力和減輕膠凝失重，改變水泥漿原有的性能特征和水泥石的微觀特性[8-10]。在水泥漿候凝階段振動有利于提高水泥漿的均勻度和密實性，在環(huán)空形成堅固而完整的水泥環(huán)，提高第一、第二界面的膠結(jié)強度。

1.2裝置組成

移動式振動固井裝置由井下振動器、地面電控單元和收放系統(tǒng)組成，見圖1。井下振動器將電能轉(zhuǎn)換成頻率和振幅可調(diào)的振動波；地面電控單元將井場交流電壓升高，以利于長距離傳輸；收放系統(tǒng)由絞車及電纜、配合接頭和天地滑輪組成，利用其起下井下振動器和控制井下振動器的運動。

1.3施工工藝

移動振動固井是在水泥漿稠化時間內(nèi)振動套管，向環(huán)空中的水泥漿傳遞高頻振動波。施工工藝如下：

1) 頂替完水泥漿后，拆掉水泥頭，利用絞車、滑輪和電纜將井下振動器下到套管內(nèi)；

圖1 振動固井裝置的組成Fig.1 Components of vibration cementing device

2) 井下振動器下至目的井段后啟動，在水泥漿稠化時間內(nèi)振動套管，進(jìn)行點振或邊移動邊振動；

3) 振動結(jié)束，起出井下振動器，繼續(xù)候凝。

2 關(guān)鍵設(shè)備的研制

井下振動器和地面電控單元是移動式振動固井裝置的關(guān)鍵設(shè)備，對其進(jìn)行了設(shè)計與研制。

2.1井下振動器

井下振動器由交流電機(jī)、偏心機(jī)構(gòu)和振擊短節(jié)構(gòu)成(見圖2)，上端的過電接頭通過馬龍頭與電纜連接。其與俄羅斯移動式振動器相比主要進(jìn)行了以下改進(jìn)：交流電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動偏心結(jié)構(gòu)；精簡了壓力平衡機(jī)構(gòu)；為適應(yīng)φ139.7mm套管，將外徑縮小至104.0mm。

圖2 井下振動器基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the downhole vibrator

馬龍頭由快接魚雷、拉力棒、打撈頭、密封接頭和硅脂腔組成。與俄羅斯移動式振動器相比，主要進(jìn)行了以下改進(jìn)：為有效緩沖振動沖擊和減少磨損，快接魚雷上方增設(shè)加長型橡膠尾椎，以保護(hù)電纜；密封接頭增加預(yù)緊力裝置，以保證3芯插接件接觸電阻小于0.5Ω，以提升馬龍頭耐高壓(120MPa)和耐高溫(175℃)的能力。

三相交流電機(jī)根據(jù)內(nèi)徑特制了電機(jī)繞組，輸出功率1.2kW。

振動器運行時偏心塊做圓周運動，振動器外殼做平移圓周運動，其運行參數(shù)包括加速度、振幅、頻率和振激力等，這些參數(shù)與偏心塊的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、偏心矩、材質(zhì)和總質(zhì)量有關(guān)[11]。筆者主要根據(jù)振動頻率和振幅，對偏心塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使其能滿足總質(zhì)量90～100kg的振動器在50～60Hz振動頻率下振幅達(dá)到4.0mm的要求，為變頻調(diào)整振幅和振激力提供余量。

偏心塊的轉(zhuǎn)速決定振動器的振動頻率，兩者的關(guān)系式為：

(1)

以常用扇形偏心塊(見圖3)的力學(xué)計算公式為依據(jù)[12]，計算偏心塊的截面積和偏心距。

圖3 扇形偏心塊Fig.3 Fan-shaped eccentric block

偏心塊的截面積和偏心距分別為：

S=α(R2-r2)+πr2

(2)

(3)

振動器作圓周運動形式的振動時，外殼圓周運動的離心力、轉(zhuǎn)軸扭矩與偏心輪圓周運動的離心力構(gòu)成平衡力系，據(jù)此推導(dǎo)出運行參數(shù)的計算公式：

P=πfFA

(4)

(5)

F=me(2πf)2

(6)

對于扇形偏心塊，若不考慮軸部分的偏心距及其質(zhì)量，振激力的計算式可簡化為：

(7)

式中：f為頻率，Hz；n為偏心塊的轉(zhuǎn)速，r/min；S為偏心塊的截面積，m2；e為偏心塊的偏心距，m；α為扇形半圓弧中心角，(°)；R為偏心塊外徑，m；r為軸外徑，m；P為功率，kW；F為振激力，N；A為振幅，m；m為偏心塊的質(zhì)量，kg；M為振動器總質(zhì)量，kg；ω為偏心塊的角速度，rad/s；B為偏心塊厚度，m；ρ為偏心塊密度，kg/m3；L為偏心塊長度，m。

結(jié)合套管內(nèi)徑和振動器尺寸，將偏心塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計為：R=40mm，r=22mm，L=550mm，α=60°。偏心塊的密度ρ為7800kg/m3，利用上面的公式計算偏心塊質(zhì)量和不同頻率下振動器的振幅。計算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的扇形偏心塊能使質(zhì)量90～100kg的振動器在振動頻率50～60Hz時的振幅達(dá)到4.5mm，達(dá)到了設(shè)計要求。

2.2地面電控單元

地面電控單元由變壓器、變頻器、PLC控制器和保護(hù)電路組成，如圖4所示。控制原理：變壓器將380V的交流電升至1500V，再經(jīng)變頻器變頻后通過電纜輸送至井下振動器，PLC控制器控制振動器工作。與俄羅斯移動式振動器相比，變壓器由三檔變壓升級成0～1500V無級調(diào)壓；PLC控制器通過人機(jī)交互界面顯示和記錄電壓、電流和頻率等參數(shù)，通過變頻調(diào)整振動器的輸出特性，具有控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、停機(jī)自放電和故障報警功能。

圖4 地面電控單元Fig.4 Surface electronic control system

3 地面試驗

俄羅斯移動式振動器適用井斜角不大于40°的井段，而國內(nèi)定向井目的層的井斜角常常大于40°，且俄羅斯移動式振動器每工作15min要停機(jī)30s。振動器作為釋放振動波的終端，固井時要求其可靠、耐用。因此，通過地面試驗測試移動式振動固井裝置適用的井斜角和可靠性，并與俄羅斯移動式振動器的振幅進(jìn)行了對比。

利用搭建的模擬多角度套管試驗臺(見圖5)測試研制移動式振動固井裝置適用的井斜角，測量不同頻率下振動器和套管的振幅。

圖5 模擬多角度套管測試Fig.5 Multi-angle casing test simulations

模擬20°，40°和50°的井斜角，測試研制的井下振動器在套管中是否能啟動和運行，并測量井下振動器和套管在不同頻率下的振幅，結(jié)果見圖6。

圖6 井下振動器和套管的振幅Fig.6 Amplitude of vibrators and casings under different frequencies

從圖6可以看出:在50Hz頻率下，井下振動器最大振幅為5.0mm，套管振幅為1.3mm；從圖6還可以看出，隨著頻率升高，井下振動器和套管的振幅呈減小趨勢，綜合考慮井下振動器的壽命和發(fā)熱量，將井下振動器的工作頻率限定在50～80Hz。

試驗發(fā)現(xiàn)，研制的井下振動器在井斜角達(dá)到50°時仍可以正常啟動，且無間斷連續(xù)工作時間大于4h，其振幅最大達(dá)到5.0mm，啟動穩(wěn)定。這說明研制的井下振動器和電控系統(tǒng)克服了俄羅斯移動式振動器的缺陷，解決了啟動困難、頻繁停機(jī)間歇工作等問題。

4 現(xiàn)場試驗

為進(jìn)一步檢測移動式振動固井裝置的性能和驗證振動固井效果，在勝利油田的營13-斜161井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。營13-斜161井為定向井，完鉆井深2999.00m，油層頂界2954.00m，φ139.7mm套管下至井深2980.00m，井深2003.00m處井斜角24°，要求水泥返高500.00m，500.00～1700.00m井段采用泡沫水泥漿固井，1700.00～2999.00m井段采用常規(guī)G級水泥漿固井。G級水泥漿密度1.85kg/L，稠化時間為180min。

1700.00～2999.00m井段注水泥結(jié)束后，將井下振動器置于φ139.7mm套管中，下至井深2100.00m，開啟地面電控單元，電壓升至1000V時井下振動器啟動，在2000.00～2100.00m井段邊移動邊振動。為避免振動時間過長形成水帶，每點振動時長4min，間隔6m，并且控制在水泥漿稠化時間(180min)內(nèi)結(jié)束振動，以防對水泥漿的初凝起反作用。振動結(jié)束后，提出井下振動器進(jìn)行聲幅測井，評價固井質(zhì)量。

表1為營13-斜161井不同井段的固井質(zhì)量評價結(jié)果。由表1可知，該井振動井段的固井質(zhì)量與鄰近未振動井段相比顯著提高，振動井段第一界面優(yōu)質(zhì)率和第二界面合格率均提高25.0百分點以上。

表1營13-斜161井不同井段固井質(zhì)量評價結(jié)果

Table1EvaluationresultsofcementingqualityofdifferentintervalsintheWellYing13-X161

井段/m第一界面優(yōu)質(zhì)率,%第二界面合格率,%備注1900.00～2000.006565未振動2100.00～2200.007565未振動2000.00～2100.0010095振動

表2為營13-斜161井與鄰井相同井段的固井質(zhì)量評價結(jié)果。由表2可知，營13-斜161井振動井段的固井質(zhì)量與鄰井未振動相同井段相比大幅提高，第一界面優(yōu)質(zhì)率和第二界面合格率分別平均提高了17.5和45.0百分點。

表2營13-斜161井與鄰井相同井段固井質(zhì)量評價結(jié)果

Table2CementingqualitycomparisonofthesamewellsectionsoftheWellYing13-X161andadjacentwells

井名井段/m水泥漿第一界面優(yōu)質(zhì)率,%第二界面合格率,%備注營13-斜161井營13-斜176井營13-斜65井2000.00～2100.00G級水泥漿10095振動8545未振動8055未振動

5 結(jié)論與建議

1) 通過研制井下振動器、地面電控系統(tǒng)和配套設(shè)備，形成了一套移動式振動固井裝置。

2) 地面試驗表明，研制的移動式振動固井裝置適用于井斜角不大于50°的井段，且能長時間連續(xù)工作，克服了俄羅斯移動式振動器只適用于井斜角小的井段和不能連續(xù)工作的缺陷。

3) 現(xiàn)場試驗表明，采用研制的移動式振動固井裝置進(jìn)行振動固井，能大幅度提高固井質(zhì)量。

4) 為進(jìn)一步發(fā)揮移動式振動固井裝置的作用，需要優(yōu)選振動頻率和研究振動波的影響范圍。

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[編輯 劉文臣]

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。

曲剛(1981—)，男，山東東營人，2003年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)材料成型及控制工程專業(yè)，2006年獲中國石油大學(xué)(華東)材料學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事鉆井井下工具和鉆機(jī)設(shè)備開發(fā)。E-mail：qugang105.slyt@sinopec.com。

中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司先導(dǎo)項目“井下移動式振蕩器提高固井質(zhì)量技術(shù)先導(dǎo)試驗”(編號：SG14-41X)部分研究內(nèi)容。