宽频多级脉冲振荡固井装置余金陵

1、胜利油田胜机集团胜利油田胜机集团汇报人汇报人: : 余金陵余金陵 1396337597713963375977 振荡固井技术振荡固井技术& &宽频多级振荡固井装置宽频多级振荡固井装置汇报内容汇报内容一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定 1 1、机理研究、机理研究 2 2、实验测定、实验测定二、常见脉冲振动固井措施二、常见脉冲振动固井措施 1 1、井口措施、井口措施 2 2、套管内、套管内 3 3、套管根部、套管根部三、宽频多级振荡固井装置三、宽频多级振荡固井装置 1 1、设计依据、设计依据 2 2、优特点、优特点 3 3、应用效果、应用效果1 脉冲波在环

2、空水泥浆中的传播2 脉冲振动固井改善水泥浆胶结质量机理2.1脉冲振动处理后水泥石微观结构分析2.1.1电镜扫描观察分析水泥石微观结构的变化2.1.2 利用X射线衍射对比分析水化产物和含量的变化及水化历程的影响2.1.3利用压汞实验对比振动后水泥石微观孔喉结构的变化2.2 脉冲振动对水泥水化的作用机理2.2.1 油井水泥的主要矿物含量及水化过程2.2.2 脉冲振动对油井水泥水化历程的影响2.3 脉冲振动对防止环空气窜的作用机理3 脉冲振动对水泥浆性能影响规律实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定 脉冲振动固井概念：在下套管、注灰、顶替和候凝过程中, 采用机械振动、液

3、压或空气脉冲、水力冲击等手段, 产生振动和水力冲击波作用于套管、钻井液和固井液来提高固井质量的一项技术。实质上是一种能量的转换，振动产生波, 波可以把能量作用介质中, 破坏介质的颗粒间以及分子间的结构, 改变其原有的性能。 围绕脉冲振动波在钻井液(水泥浆) 传播距离、脉冲振动对水泥浆性能影响规律的实验评价、脉冲振动固井改善水泥浆胶结质量机理和现场实施效果等方面开展了大量的研究工作。一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定 1 脉冲波在环空水泥浆中的传播 美国Kunju和 Martin通过室内全尺寸模拟实验证明,脉冲振动波在钻井液、水泥浆中可以有效地传播。 Trican油井服

4、务公司的Dale Dusterhoft和CTES 公司的Ken Newman等通过在套管外安放压力测量仪器,分别测量了1951m( 顶部), 2325 m( 中间)和2641m(底部)3个点的压力脉冲值,在井口施加振动频率为 0.050.5Hz和振幅为0.71.0 MPa的脉冲振动,对于井深为3000m的井是足够的。证实了室内模拟试验的正确性。一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定2 脉冲振动固井改善水泥浆胶结质量机理2.1脉冲振动处理后水泥石微观结构分析2.1.1电镜扫描分析水泥石微观结构的变化;在电子显微镜下观察养护好的水泥石样品的端面结构和内部微观水化产物形态，直观

5、地反映水泥石微观结构、裂纹发育状态和水化产物形态。图为经过0.5hz脉冲振动和没有经过脉冲振动的水泥石在50养护24h后进行电镜扫描,结果如图。一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定2.1.2 利用X射线衍射对比分析水化产物和含量的变化及水化历程的影响; 利用 X 射线衍射(XRD)能定性和定量地测试养护好的水泥石样品的内部水化产物组成和矿物含量, 因此可以分析经过脉冲振动后其对水泥水化的作用。 分别将经过0.5h脉冲振动和没有脉冲振动的常规水泥浆凝固,在 50养护 24 h 后进行 XRD实验,图(b)经过振动的Ca(OH)2和C-S-H凝胶峰明显高于图(a)没有振动,

6、Ca(OH)2和C-S-H 凝胶结晶好，同时，A矿峰形弥散,高度明显降低。这说明经过振动的试样的水化程度高于没有振动的试样,水化产物结晶粗大，也说明脉冲振动促进了水泥的水化。一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定2.1.3利用压汞实验对比振动后水泥石微观孔喉结构的变化。利用压汞分析实验可以定量测试养护好的水泥石样品的内部孔隙量及其内部孔喉结构特征常规水泥浆脉冲振动后5h的试样总孔隙率为11.21%,较没有振动的试样降低了34%，大于10m的有害大孔较少，大毛细孔多，凝胶孔少的水化产物的结晶程度高。一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定2.2 脉冲振动

7、对水泥水化的作用机理2.2.1 油井水泥的主要矿物含量及水化过程G级油井水泥熟料矿物组分硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、 铝酸三钙(C3A)、铁铝酸四钙(C4AF) 和游离氧化钙(fCaO)的含量见表,其中C3S具有很好的水化活性,是水泥早期强度的主要贡献者; C2S 活性很小, 主要是提供后期强度; C4AF水化时主要是生成六方形的水化铝酸钙和胶凝状的铁酸一钙,与 C3S 和 C2S 相比,其对强度影响较小。决定水泥水化速度和早期强度的关键时期是在诱导期、初凝期,也就是水泥浆与水接触后的2-3小时是关键期。一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定2.2.2 脉冲振

8、动对油井水泥水化历程的影响1) 振动对消除气泡、水泥结构的影响。 水泥与水接触后，会发生快速的早期水化。经过振动，消除或减小各种摩擦力，使得小颗粒填充部分孔隙、气泡得以上移排除，水泥石结构变得均匀、密实度提高，浆体变得更为稳定。2) 振动有利于水泥浆早期强度的发展 油井水泥一经接触水，主要矿物C3S会快速发生化学反应，Ca(OH)2和C- S- H 核开始形成，大量的 Ca(OH)2析出形成结晶体,大量的 C- S- H 凝胶生成并充满整个水化体系。脉冲振动促进 C3S 与水发生水化反应： 脉冲振动部分破坏水化产物与水泥矿物颗粒的沉积和吸附作用，提高C-S-H 的水化效率，提高水泥早期强度、降

9、低水泥孔隙度、增加水泥密实性； 脉冲振动消除颗粒支架效应、大小颗粒之间挤塞填充，增大了 C-S-H 凝胶与周围的水体接触面积，提高其水化效率，使凝结时间及初终凝时间缩短。一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定2.3 初凝期脉冲振动对防止环空气窜的作用机理 水泥浆失重主要是由于水泥浆静胶凝强度发展引起的, 为此, Sabins 等提出了水泥浆失重计算公式： 式中,P为水泥浆静胶凝强度发展引起的压力损失, 单位 MPa;SGS 为水泥浆静胶凝强度、 L 为环空水泥浆长度、 Dh为井眼直径、Dc为套管直径。水泥浆静胶凝强度 SGS 越大, 水泥浆失重 P越大。脉冲振动破坏水泥浆

10、的胶凝结构, 使水泥浆的水泥浆静胶凝强度降低，大幅度地减小水泥浆失重压力, 从而保证环空静压力 Ps始终大于层压力 Pg, 达到压稳气层、防止固井后环空油气水窜的作用。一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定3 3 脉冲振动对水泥浆性能影响规律的实验测定结果脉冲振动对水泥浆性能影响规律的实验测定结果 ）脉冲振动能提高水泥石强度 前苏联乌发石油研究院科技人员室内试验，不论脉冲振动强或弱, 均可提高水泥石的强度。当作用在水泥浆上的频率为 170 175Hz 时,水泥石的强度能提高 18% 25%，频率为 250 3001Hz 时，达到最佳的40%。 ）振动降低钻井液粘度提高固井

11、顶替效率 在频率为2045Hz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 15% 25% , 终凝时间缩短了 30% 40%。 ）振动增加界面的胶结强度 美国科学家 Coke 做了两组试验, 把水泥浆放入不同尺寸的同心管之间, 一组在水泥奖注入过程中保持振动，待水泥浆固化后, 分别在二组试验装

12、置的上部用水加压。在未振动的一组中, 当压力加至 2.07MPa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 16.5MPa 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。一、脉冲振动固井机理及实验测定一、脉冲振动固井机理及实验测定二、二、常见脉冲振动固井措施常见脉冲振动固井措施井口环空水力或压缩空气脉冲声频振动固井装置井口振动器套管内敲击套管根部震荡器井下水力偏心振动发生装置自激震荡式井下水击波（脉冲）发生装置机械阻断式井下水击波（脉冲）发生装置类型原理作用时间段优缺点井口环空水力或压缩空气脉冲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

13、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。碰压后防失重、防收缩。只是在碰压后起作用，需要增加设备和工作量。声频振动固井装置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。清洗、 注灰、替泥浆、 候凝全程起作用，可以调整频率，缺点是影响因素多、振幅有限、需要增加设备。井口振动器通过敲打产生水击波对井眼中水泥浆产生影响。清洗、 注灰、替泥浆、 候凝全程有作用，但安装烦琐井口脉冲振动措施：井口脉冲振动措施：套管内措施：套管内措施：工艺方式：碰压后从套管内下入敲击发生器，可以是电磁

14、的、液压的。优点：调节候凝过程, 增强一、 二界面的胶结强度。缺点：依据前面研究和试验分析，脉冲振动起作用的关键时间段是水灰接触伊始的前3小时，最为重要过程是洗井、顶替和初凝过程，该措施忽略了关键时段和关键过程，同时需要增加设备和工作量。套管根部措施：套管根部措施：套管根部震荡器井下水力偏心振动发生装置通过钻井液、水泥浆的流动驱动涡轮带动偏心块，使得套管发生振动，同时产生水击波。洗井、替浆等全程起作用高频振动，低频顶替效果和洗井效果受限。振动波波幅小、强衰竭。自激震荡式井下水击波（脉冲）发生装置安装在套管跟部，钻井液、水泥浆通过变化的腔体产生水击波，腔体是变径的。洗井、替浆等全程起作用属于高频

15、率波，低频作用受限，波幅不强、影响因素多。机械阻断式井下水击波（脉冲）发生装置：通过截流产生水击波，分为两种截流方式：叶片旋转截流，属高频率，阀门式截流，属低频。洗井、替浆等全程起作用要么是高频要么是低频，低频的工作不稳定，打开后难以关闭，不工作。一种偏心振动装置一种偏心振动装置 优点：洗井、替浆、初凝等全过程套管高频微震，提高洗井顶替效果、水泥石强度缺点： 套管高频微振动，低频作用小，脉冲振动主要作用是低频，顶替效果和洗井效果受限。水击波弱、振动幅度小（1mm，地面试验振幅不易目视)、强衰竭（500m)腔径与下喷嘴的配合 DC /d2腔径DC对固有频率的影响大于腔长等其他因素的影响。上、下喷

16、嘴直径比 d2/d1上d1、 下喷嘴直径d2的配合也是影响低压大流量脉冲射流激振效果的重要因素之一。d2越小, 低频响应幅值越大,谐振峰值越大。自激腔的长径比 LC /DC腔长LC过短扰动不敏感， 腔长过不能有效激励分离区新涡量脉动产生, 因而存在最佳腔长。对于最佳腔长LC的确定, 最简单的方式是根据脉冲打击力随腔长变化情况来确定。自激震荡式井下水击波（脉冲）发生装置安装在套管跟部，钻井液、水泥浆通过变化的腔体产生水击波：优点：洗井、替浆和初凝全过程起作用。不需要附加设备和额外工作量。缺点：高频激励波，低频作用欠缺，效果影响因素诸多，包括设计与施工参数的匹配等，最终效果受限。共同的优点：洗井、

17、替浆和初凝段都起作用，不增加设备、不增加工作量。缺点有不同： 旋转阻断式：高频脉冲水击波，告诉旋转反复抑流，波幅小，低频作用受限。 阀门阻断式：低频脉冲水击波，一经打开难以关闭，成了单向截流阀，就不再往复开关，就不形成水击波。机械阻断式井下水击波（脉冲）发生装置旋转阻断式阀门阻断式三、宽频多级震荡固井装置三、宽频多级震荡固井装置1、设计思路2、结构设计 双级套管机械振动设计 双级脉冲水击波发生器设计整体结构3、综合特性分析 套管机械振动特性 水击特性整体综合特性4、应用实例三、宽频多级震荡固井装置三、宽频多级震荡固井装置常见脉冲振动固井方式已经取得不错的应用效果，但局限也很明显：1、振动波强度

18、和频率受限：脉冲振动固井的实质是波能量传递和转化，目前措施要么是低频波要么是高频，波频不宽，波幅不高、衰减快，试验分析知道一定的频率对应一定的作用，波的强度达不到能量小也达不到理想效果。2、时段局限：有些措施不能覆盖洗井、替浆、初凝这三个关键过程，忽视了洗井和替浆过程对固井质量的影响。3、一些措施实施工艺烦琐。有些需要增加设备和工作量，有些措施影响因素多、效果不确定。一）设计思路一）设计思路：1、振动波强度和频率：针对频率窄、衰减快的问题，采用多级波发生器结构，次级对前级进行波幅和强度放大，功放的作用；其次，各级波发生器采用不用的原理，产生低频和高频波，各级相互合理干涉；依据波的衍射原理设计各

19、级连接结构。2、作用时段：覆盖洗井、替浆、初凝这三个关键过程。3、使用工艺：不增加设备和工作量。与套管根部串接，依靠水泥浆自身流体能量发生波。三、宽频多级震荡固井装置三、宽频多级震荡固井装置三、宽频多级震荡固井装置三、宽频多级震荡固井装置两级套管机械振动设计：一级机械偏振为高频振动，振幅（偏振的半径r）为1-2mm，为低能高频振动；另外一级套管机械振动为轴向振动，为高能低频振动。目的：不是简单的叠加，是优化和放大，拓宽了振动频率，降低了振动波衰减，趋向多维振动，同时套管的二级机械振动产生的双水击波二）结构设计二）结构设计两级套管机械两级套管机械振动设计：振动设计：机械振动实质机械振动实质是活动

20、套管的是活动套管的作用作用三、宽频多级震荡固井装置三、宽频多级震荡固井装置两级脉冲水击波发生器设计：一级为截流性脉冲水击波，高频；二级为阀门式脉冲水击波，低频高能量。利用阀门开启后液压力倒置的设计方法，解决了阀门式水击波发生器稳定工作的难题。设计的目的：不是简单的叠加，是优化和放大，拓宽了振动频率，通过干涉衍射形成了新的水击波，降低了振动衰减。使得波在水泥浆中均匀衰竭,达到传播距离远作用均衡的目的.两级脉冲水击波发生器设计：两级脉冲水击波发生器设计：采用四级波发生器结构，依据波的干涉和衍射原理设计各级之间的连接结构。次级对前级进行波幅和强度放大；各级因采用不同的原理和结构，产生低频和高频波，相互合理干涉。三、宽频多级震荡固井装置三、宽频多级震荡固井装置整体结构设计：整体结