国内外振动固井技术的发展现状

收稿日期 :1999 12 08作者简介 :韩玉安 (1969 ) ,工程师 ,1991 年毕业于大庆石油学院化机专业 ,现在大庆石油管理局钻井研究所机械室工作 ;孙艳龙(1971 ) ,工程师 ,1993 年毕业于江汉石油学院钻井专业 ,现在大庆石油管理局钻井研究所机械室工作。! 钻井工艺 #国内外振动固井技术的发展现状韩玉安 ,孙艳龙 ,王洪潮 ,王轶军(大庆石油管理局钻井研究所机械室 ,黑龙江 大庆 八百间 163413)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。文中详尽介绍了国内振动固井的各项技术现状及发展。关键词 :振动 ;固井技术 ;发展史 ;振动设备 ;技术特征中图分类号 : 1 9 , 1 2 文献标识码 :A 文章编号 :1006 768X(2000) 04 0027 04of u - J et 63413 , is a to It to on of It in a it is to of in of 概述所谓振动固井是在下套管、注灰、顶替和候凝过程中 , 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。关于振动固井技术的研究 , 处于领先地位的应属前苏联和美国。通过大量的室内试验、地面模拟试验和现场试验证明 , 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。总而言之 , 振动对提高固井质量是行之有效的。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722000 年 第 23 卷 第 4 期 钻 采 工 艺 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。2 振动对固井质量所起的作用振动本身对外部的作用实质上是一种能量的转换。振动产生波 , 波可以把振动的能量作用到其邻近的介质中 , 破坏介质的颗粒间以及分子间的结构 , 改变其原有的性能。美、苏两国有关专家从60 年代开始到 80 年代末在试验中将振动应用到固井中 , 研究总结出几方面较有价值的结论。211 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。当作用在水泥浆上的振动频率为 170 175 ,水泥石的强度能提高 18 % 20 %。212 振动降低钻井液粘度提高固井顶替效率试验表明 , 在频率为 20 45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 20 100 , 套管上未被替净的钻井液减少了二分之一。213 振动可以缩短水泥浆的候凝时间试验证明 , 当振动频率在 20 170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 %。214 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。215 振动增加界面的胶结强度美国科学家 了两组试验 , 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 2107 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 1615 , 胶结面才产生渗漏 ,说明振动确实增加了界面的胶结强度。3 振动固井装置及其作用原理国外在振动固井装置方面的研究设计是非常多的 , 并获得多项发明专利。按作用原理可分为机械式、水力脉冲式、磁致伸缩式、压电陶瓷式、声频振动式、环空脉冲式振动器。目前 , 在设计和使用得最广泛的是水力脉冲振动器。下面介绍几种振动器的特点及实例。311 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。312 机械式振动固井装置这种振动器有几种形式 , 一种作用形式是在套管上部安装一偏心机构 , 靠电来驱动 , 产生振动 ,可随时振动 , 简单方便。但是这种振动距离目标层太远 , 大部分振动能量被钻井液吸收 , 起不到应有的作用。另一种振动装置是机械式内管振动 , 这种振动形式大多是在套管内下入带有振动机构的钻杆或内管 , 旋转或振动钻杆或内管 , 带动弹性装置径向冲击套管产生振动 , 用于改善注水泥作业。 1969年美国 人发明了这种振动方法 , 研制出相应的振动固井装置并且申请了专利。 1980 年美国人发明了内管振动的固井专利 , 振源在地面 , 靠旋转内管带动套管纵向振动 , 目的在于清除井壁滤饼和在候凝过程中增强水泥石的强度及界面的胶结强度 , 进而改善水泥环的封固质量。还有一种振动方式是振动棒式 , 它广泛应用于建筑行业 ,清除水泥中的气泡、杂质 , 提高水泥石的强度。应用于固井过程中 , 可用电缆连接下入井内 , 产生振动提高固井质量。313 磁致伸缩式振动器其原理是把镍杆放在交变磁场中 , 则镍杆将周期性伸缩。如果交流电的频率与镍杆机械固有频率相一致 , 则镍杆在磁致伸缩力的作用下产生特别强烈的固有振动 , 从杆端射出频率相同的声波。长度为 L 的杆 , 其固有频率为 :f = k/ 2 L ( E/ ) 1/ 2式中 : E 弹杆模量 , 磁杆的密度 , L 杆的长度 , m ; f 频率 , Hz。k = 1 , 2 , 3 为倍频振动的阶数 , 这种振动器可以做成棒状 , 用电缆送入井内振动。314 压电陶瓷式振动器当某些晶体在一定的方向、一定的晶体向上受压或受拉时 , 就出现电荷。这种能够再现的效应称82 N G & Y 2000为压电效应。如果反其道而行之 , 在电场中放入压电晶体 , 并使电磁场方向和压电轴的方向相一致 ,在逆压电效应情况下 , 压电晶体就沿一定的方向发生强烈的压缩或拉伸。压电晶体材料有石英、闪锌矿石 ( , 钛酸钡等晶体。其振动可以在横向和纵向上产生。作厚度振动时 , 它的固有频率为 :f = L / 2 d ( ) 1/ 2作长度振动时 , 它的固有频率为 :f = d/ 2 L ( ) 1/ 2式中 : d 晶体厚度 , m ;L 晶体长度 , m ; 晶体密度 , 特性弹性模量 , 种振动器可以做成棒状 , 用电缆送入井内进行振动。315 声频振动固井装置这种振动固井装置是利用声波在介质中传播过程对介质造成一定的结构改变和性能调整的原理 ,把声频作用于套管上部 , 声频顺着套管传致套管底部 , 对固井质量造成影响。 1986 年法国 人发明了声频振荡固井装置 , 用于提高固井质量。原理是 : 水泥流动时 , 一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。316 地面环空水力或空气脉冲振动固井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。 1996 年美国天然气研究院和德士古公司的勘探与开发工艺部联合提出了一种可供选用的方法 , 即 : 利用压力脉冲沿环空向下直接使水泥振动 (如图 1) 。套管周围的水泥硬化时首先变成凝胶 , 水泥浆柱的静液降低 , 使气体容易进入。同时体积的缩小限制水泥石与地层的静密封 , 结果造成气体运移和水泥与地层之间胶结不良。在硬化过程中 , 通过水泥浆产生运动可以减轻这些后果。这种简单而便宜的设备引导水脉冲或压缩空气脉冲从地面直接进入环空 , 环空作为导波管传播压力脉冲波深入到水泥浆里。这种装置搅拌水泥的颗粒 , 防止水泥颗粒在从液态转变为硬化水泥石的短时间内的相互作用。这种方法已在二叠盆地浅井进行过试验 , 并取得较好的水泥胶结质量的测井结果。此方法很有应用价值 , 地面设备可重复利用 , 降低了成本。图中 : 11 压缩液体或空气 21 脉冲发生器 31 表层套管 41 钻井液 51液体弹簧 61 套管 71 水泥浆图 1 液压或空气脉冲振动固井装置示意图4 各种振动装置的特点和使用工艺通过展示国内外振动固井技术 , 我们从中发现 , 振动在清洗到候凝的整个固井过程中对提高固井质量都是有利的 , 尤其是使水泥石凝固强度和界面胶结强度有很大的提高。振动应用于固井过程 ,就要靠使用各种振动装置和采用振动固井工艺来实现 , 从表 1 中分析可以得出几点结论 :(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 , 操作起来简单易行 , 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 , 应积极开展这方面的研究和应用。(2) 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。(3) 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。(4) 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。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。922000 年 第 23 卷 第 4 期 钻 采 工 艺 表 1 振动固井装置分析振动方式 安放位置 起作用的 过程 作用 应用价值水力脉冲式振动器 套管下部清洗、注灰、替压11 替净 21 活化水泥增加水泥石强度 有一定的使用价值机械式井口振动器 井口清洗、注灰、替泥浆、候凝11 替净 21 活化水泥增加水泥石强度 31 调节候凝过程 ,增强一、二界面胶结强度 ,增加密封能力易实现 ,效果不一定好 ,应用价值不大管内振动器套管内任意位置 候凝11调节候凝过程 ,增强一、二界面的胶结强度 ,增加密封能力有一定的使用价值 ,但动用设备太多 ,实现过程繁琐振动棒 套管内任意位置 候凝 11调节候凝过程 ,增强一、二界面的胶结强度 ,增加密封能力有一定的使用价值 ,但需下入电缆 ,增加地面设备 ,实现过程繁琐磁致伸缩式振动器 套管内任意位置 候凝 11调节候凝过程 ,增强一、二界面的胶结强度 ,增加密封能力有一定的使用价值 ,但需下入电缆 ,增加地面设备 ,实现过程繁琐压电陶瓷式振动器 套管内任意位置 候凝 11调节候凝过程 ,增强一、二界面的胶结强度 ,增加密封能力有一定的使用价值 ,但需下入电缆 ,增加地面设备 ,实现过程繁琐声频振动装置 井口 清洗、注灰、 替压、候凝11 替净 21 活化水泥增加水泥石强度 31 调节候凝过程 ,增强一、二界面的胶结强度 ,增加密封能力应用价值很大 ,几乎对固井的全过程都起到了良好的作用而且操作简单 ,成本低廉环空脉冲振动装置 井口 候凝 11调节候凝过程 ,增强一、二界面的胶结强度 ,增加密封能力 应用价值很大 ,简单、成本低廉要开展试验参 考 文 献 :1 李玉海 ,等 1 振动固井技术综述 J 1 石油钻采工艺 ,1994 ,16 (6) 12 L . E : C . 1964 ,4191413 (13 B. A ,N V ,of by J , L 181 , 1439 ,8/ 21168(1 4 K. W L :a C ,o. 814 ,94715 韩崇福 ,等 1 振动固井技术在辽河油田的试验应用J 1石油钻采工艺 ,1999 ,21 (4) 1(技审 :邓传光 ;编辑 :黄晓川 )钻采工艺第 23 卷第 5 期要目锥形喷嘴流量系数及水力参数的理论计算方法 刘成文等偏心防斜技术的研究及应用 李增科等国外边喷边钻技术发展 陈雅溪等柴