振动固井技术

振动固井技术

内容摘要：振动固井是在下套管、注灰、顶替和候凝的过程中，采用机械振动、液压或空气脉冲、水力冲击等手段，产生振动波作用于套管、钻井液和固井液来提高固井质量的一项新技术。实践证明，振动可以提高水泥石强度，, 提高顶替效率，消除水泥中的气泡，形成完好的水泥环，还可以缩短候凝的时间，防止固井后的油、气、水混窜，有利于提高一、二界面的胶结强度。

关键词：振动固井 固井质量 脉冲式 谐振器

一、 概述

国外在60年代就开始这方面的研究工作, 主要以前苏联和美国为代表。前苏联已有5个油田近百口井成功地使用了这项技术, 有效地提高了固井质量, 获得明显的经济效益。国内在这一领域开始进行系统研究,1992年大庆钻井研究所对振动固井技术进行探索性研究,1994年大庆钻井技术服务公司与大庆石油学院合作, 研究并设计了一种水力脉冲振动套管鞋。从室内试验和现场试验结果看, 它的振动作用是比较明显的, 但还没有真正应用到现场。1998年辽河油田钻井二公司和航天工业总公司606研究所电子仪器厂协作研制成功了井下水力脉冲振动发生器, 并进行了17口井的现场试验, 合格率为100%,优质率为94%,取得良好效果。

动态振动固井是在常规振动固井技术的基础上进行的改进，动态振动式相对于传统固定位置条件下的振动而言的，是指振动器一边在套管中自上而下运动，一边在套管中振动，并在一定范围内传动振动波。固井施工过程中，在注水泥，顶替和候凝时，采用自发振动的激振器让振动波对套管，钻井液和水泥浆产生作用，提高固井质量。通过激振器在全井阶段中的运动，实现整个套管柱的阻尼共振效应，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，防止活跃地层流体侵入环空，从而达到提高固井质量的目的。

二、 振动固井技术

1、 振动对固井质量的作用

振动能提高水泥石强度：前苏联乌发石油研究院科技人员通过室内试验, 证实了这样一种结论, 即对水泥浆建立振动场, 不论振动场强或弱, 均可提高水泥石的强度。

振动能降低钻井液粘度并提高固井顶替效率：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%,有利于清除套管外壁的钻井液膜和井壁的滤饼。在此振动频率范围内, 只需5～15s 就可完全清除岩石试样表面的滤饼。在频率20～100Hz 时, 套管上未被替净的钻井液减少了二分之一。

振动可以缩短水泥浆的候凝时间：试验证明, 当振动频率在20～170Hz 范围内变化时, 水泥浆的初凝时间缩短10%～15%,终凝时间缩短了30%～40%。

振动能使水泥浆静切力大大降低：在水泥浆候凝过程中, 振动水泥浆有助于破坏其颗粒间的粘结, 减小或消除静切力, 使水泥浆几乎保持其总液柱压力, 防止地下流体进入环空, 避免窜槽和破坏胶结质量。

振动增加界面的胶结程度：实验表明，当把水泥浆放入不同尺寸的同心管之间, 一组振动一组不振动, 待水泥浆固化后, 分别在二组试验装置的上部用水加压。在未振动的一组中, 当压力加至2107MPa 时, 水泥与管子的胶结面开始渗漏。在振动的一组中, 当压力加至1615MPa 时, 胶结面才产生渗漏, 说明振动确实增加了界面的胶结强度。

2、常用的固井振动装置及作用原理

声频振动固井装置：水泥流动时, 声音振荡器产生的声能作用于套管柱上, 声音顺着管柱传播, 作用于套管底部, 使水泥均匀地充满套管外环空, 同时对气泡、铁锈和套管表面上的其他脏物起着良好的释放作用, 从而使水泥和套管良好地胶结。

环空脉冲式振动装置：这种振动固井装置, 在地面把压缩空气或压缩液体通过振荡发生器后, 直接作用于环空, 使环空内液柱也发生振荡, 产生弹簧效应, 作用于底部的水泥浆, 提高固井质量。

机械式振动固井装置：活化水泥增强水泥石强度，调节候凝过程，增强一、二界面胶结强度，增加密封能力。

水力脉冲式振动器：这种类型的振动器作为套管串一部分随套管下入井内, 通过液体的流动产生振动。它所起的作用主要体现在降低钻井液的粘度和提高顶替效率, 同时对水泥浆充分混合, 也起到一定的消除气泡作用。对固井中清洗、注灰和顶替这些环节具有积极的作用。

3、各种振动装置的特点

（1） 机械式井口振动器和声频井口振动器安放位置均在井口, 操作起来简单 可以随机选择振动时间, 不受常规固井操作的限制, 对于全部固井环节都有益处。声频振动器应用效果好, 而且对于正常固井及其他设备不造成影响, 所以其应用价值较大。

（2） 机械式管内振动器和振动棒以及磁致伸缩式振动器和压电陶瓷式振动器都能在管内灵活使用, 如果添加必要的辅助设备如:钻杆、振动内管、电缆等, 可重复利用, 可减少成本投入。

（3） 环空脉冲振动装置在水泥的候凝过程施加振动, 增加了一、二界面的胶结强度, 对于提高固井质量具有重要意义, 而且设备简单, 成本低廉, 其应用价值较大。

（4） 水力脉冲式振动器振动效果很好, 在国内外已有多项研究成果, 机构的设计都已进入较成熟的阶段。

总之, 各种振动方式的振动器各有优点。如何开展振动固井技术的研究和应用, 还要根据生产实际中存在的固井问题, 选择适当的振动固井方式来加以研究, 以期达到最佳的应用效果。

4、振动固井之动态固井技术

注水开发的老油田，为了提高开发效果和最终采收率而对油田进行加密，钻调整钻井。由于长期的注水开采，使地层压力变得非常复杂，地层中含水量增多，导致注水老油田新钻调整井的固井质量非常差。注水区块调整井的固井质量已经成为制约老油田开发的瓶颈，为此进行了适用于调整井固井的动态振动固井技术研究。

动态振动固井是在常规振动固井技术的基础上进行的改进，动态振动式相对于传统固定位置条件下的振动而言的，是指振动器一边在套管中自上而下运动，一边在套管中振动，并在一定范围内传动振动波。固井施工过程中，在注水泥，顶替和候凝时，采用自发振动的激振器让振动波对套管，钻井液和水泥浆产生作用，提高固井质量。通过激振器在全井阶段

中的运动，实现整个套管柱的阻尼共振效应，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，防止活跃地层流体侵入环空，从而达到提高固井质量的目的。

5、动态固井技术的优点

（1） 不改变现有的固井设备和固井工艺，操作简单，是提高固井质量的一种有效技术手段。

（2） 动态振动固井可以更有效的改善水泥浆性能，加快水泥水化工程，提高水泥石抗压程度，在早期即可形成高质量的水泥环，有效防止早期油、气、水窜的发生。另外，振动处理后的水泥石更加致密，有利于提高水泥石封固油气水的能力。