基于偏心式振蕩器的井下可移動振動固井系統研制

摘要：綜合分析了國內外振動固井工藝技術，在下完鉆井套管的固井候凝過程中，利用振動固井工具或設備產生振動波，并對套管和固井泥漿產生振動壓實效應，可以提高固井完井的質量?，F有振動固井工具大多數安放在井口位置，或固定安放在井筒某一處位置，或固定安放在套管底部，且不可回收，不能提高全井段振動固井效果。以偏心式振蕩器力學理論為基礎，研制了一種可重復利用、可回收的新型井下可移動式振蕩器，形成一套完整的振動固井系統，使得在整個固井候凝過程中全井段任意位置都能發揮作用，同時對于正常固井及其他設備不造成影響。室內和現場試驗表明：可移動井下振動固井系統對于已候凝2 h以內的抗壓強度可提升4%，膠結強度提升7%，同時可顯著提高第二界面固井質量，使用方便，操作簡單，具有較強的經濟性和廣泛的推廣應用前景。

關鍵詞：振動固井；偏心式振蕩器；可移動式振動固井工藝；水泥漿；膠結強度；第二界面質量

中圖分類號：TE921.502文獻標識碼：Adoi： 10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.007

在鉆井過程中，下入套管后都要進行注水泥的固井作業，而固井質量對后期油氣田的生產有較大的影響。固井質量較低可能會導致井筒中水、氣、油等介質沿著井筒環空上竄［1］。因此在鉆完井下套管固井過程中，常常采用許多輔助工藝手段提高固井質量，其中振動固井就是比較有效的技術措施之一。實際上，振動本身就是一種能量的轉換和振動波的傳遞，振動波傳遞過程需要傳遞介質，振動波對介質的作用就是改變介質分子間或顆粒間的結構，從而改變其物理性能。所謂振動固井技術，就是在鉆井下完套管的固井候凝過程中，利用井口或井筒中振動固井工具或設備產生機械振動波，并傳遞給套管和井筒中固井水泥漿，對套管和固井泥漿產生振動壓實效應，從而提高固井完井的質量［2］。

第53卷第2期李進付：基于偏心式振蕩器的井下可移動振動固井系統研制石油礦場機械2024年3月本文設計了一種新型移動式振動固井系統方案，并以偏心式振蕩器力學理論為基礎，研制了一種可重復利用、可回收的新型井下可移動式振蕩器，形成了一套完整的振動輔助固井工藝方案，使得在整個固井候凝全過程、全井段任意位置都發揮作用，并且對于正常固井及其他設備不造成不利影響。通過數口井現場試驗表明，這種可回收、井下移動式振動固井系統及輔助固井工藝可顯著提高固井質量，且操作簡單，使用方便。

1國內外振動固井工藝技術分析

1）通過振動可以增加固井候凝后的水泥石強度［3-4］。俄羅斯的烏發石油學院研究人員通過大量的振動水泥漿試驗，結果表明：通過對固井水泥漿候凝過程中施加振動波，無論振動強度多大，均可提高候凝后的水泥石強度。當振動波的頻率在170～175 Hz 之間時，候凝后水泥石的強度可提高18%～20%。

2）通過振動可以降低鉆井液的粘度，從而提高固井過程中頂替效率，清除套管外壁上鉆井液和井壁上的濾餅。大量的研究試驗表明：當作用在鉆井液上振動波的振動頻率在20～45 Hz之間時，鉆井液粘度可下降20%～30%之間；振動頻率在20～100 Hz之間時，套管上鉆井液可減少50%左右；而且在5～15 s 之間就能夠完全清除濾餅。

3）通過振動能夠顯著減少固井水泥漿的候凝時間。大量的研究試驗表明：當作用在固井水泥漿上的振動波頻率在20～170 Hz之間時，固井水泥漿的初始候凝時間可縮短10%～15%，最終候凝時間可縮短30%～40%。

4）通過振動能顯著降低固井水泥漿的靜切力，提高第一、第二界面膠結強度。水泥漿是由水、水泥、添加劑和外摻料按照一定比例混配而成的固液混合物，由于其內部顆粒之間有著較大的吸引力，因此在泵送到井筒過程中，會形成靜切力，從而使得使水泥漿的靜液柱壓力降低、體積減小。當水泥漿的靜液柱壓力低于地層流體的壓力時，地層中流體就會進入環空，破壞環空水力密封性能。美國?？松梨诠狙芯勘砻鳎涸诠叹酀{候凝過程中，通過施加振動影響，能夠破壞水泥漿內部顆粒之間的膠結，從而降低固井水泥漿的靜切力，保持水泥漿靜液柱壓力始終大于地層流體的壓力，防止地層中流體進入井筒，影響水泥漿候凝效果和固井質量，從而提高第一、第二界面膠結強度。其中美國科學家Coke 做了兩組對比試驗，把固井水泥漿分別注入到兩個不同直徑大小的同心管之間，其中一組施加振動而另一組不施加振動，待水泥漿完全固化完成后，分別對兩組施加水壓，當水壓加至2.07 MPa時，其中未振動的一組中水泥與管子的膠結面就已經開始滲漏，而在振動的一組中未有滲漏；直到水壓增加到16.5 MPa 時，候凝過程中施加過振動的一組膠結面才開始有滲漏。這一試驗進一步表明，在水泥漿候凝過程中，施加振動影響，能夠提高界面的膠結強度［5-6］。

通過以上國內外試驗說明，在固井水泥漿候凝過程中，施加振動波，可以改善水泥漿流變性，降低靜切力，提高固井水泥漿頂替效率，消除水泥漿中的氣泡，從而形成完好的水泥環，還可以提高水泥石膠結強度，減少候凝時間。通過下入到井筒內的振動發生器，產生振動波并施加到套管柱上，可沿著套管柱傳播到套管柱的底部，使水泥漿能夠均勻地充滿整個套管外部環空，同時消除水泥漿中氣泡、套管表面的鐵銹及其他雜質，促進水泥和套管更好地膠結，有利于提高一、二界面的膠結強度，防止固井后的油、氣、水混竄?？偠灾?，振動對提高固井質量是行之有效的。

對于振動固井工具或設備的研究，國內外已取得很多積極的成果。1969年美國首先提出在套管內下入振動機構，利用在套管徑向方向上產生的振動沖擊來改善注水泥漿固完井作業。伴隨固井需求的不斷變化，如聲頻振動固井裝置、振動棒式振蕩器、水力脈沖式振蕩器、地面環空振動固井裝置等各種振動固井工具和裝備應運而生［7］。 Haberman等人提出井口水泥漿脈沖技術，通過井口對環空內水泥漿施加脈沖壓力使井底保持平衡狀態，從而防止氣侵和氣竄［8］。中石化石油工程技術研究院的丁士東等人研制了一套井口脈沖振動固井裝置，并利用該裝置研究了振動對水泥漿及水泥石性能的影響規律［9-10］。長江大學的蔡飛等在克服現有振動固井裝置的局限性基礎上，研發了一種井下雙向脈沖振動固井工具，能同時產生縱向和徑向的振動［11］。艾池等人提出一種剪切渦流振動裝置用來提高水泥漿在水平井中的頂替效率［12］。

目前用于振動固井的工具或裝備，如機械式井口振動器、水力脈沖式環空脈沖振動裝置和聲頻井口振動器均安放在井口，距目標固井層段太遠，大部分振動能量被鉆井液吸收，受傳輸距離的影響，套管底部和深處層位振動固井效果提高幅度不明顯，要提高全井段振動固井效果就需更大功率的地面配套設備。套管偏心振動器安放在套管底部，不可重復利用。機械式內管振動器或套管偏心振動器只能將振動器固定安裝在套管某一位置，振動影響范圍有限，替漿結束就停止工作，候凝階段無法施加振動［13-15］。

2移動式振動固井系統設計

2.1總體方案設計

移動式振動固井系統主要包括井下振蕩器、車載絞車、井口裝置、地面電氣控制單元等，如圖1所示。使用過程中，通過井口裝置、絞車系統將井下振蕩器送入井筒內全井段任意位置，并定位到待固井段；然后，通過傳輸電纜、地面電氣控制單元使得井下振蕩器工作并產生持續的振動力，并徑向沖擊套管產生振動，振動波沿著整個套管柱縱向傳播，從而使固井水泥漿能夠均勻地充滿套管外部環空，同時通過振動清除井壁濾餅以及固井水泥漿中的氣泡，增強水泥石的本體強度以及一、二界面之間膠結強度，從而提高固井質量。各部分功能作用如下：

1）井下振蕩器。產生振動力，將電能轉換成頻率和振幅可調的振動波。

2）車載絞車。利用現場的測井車載絞車、電纜以及井口裝置在整個套管柱內起下井下振蕩器或固定到任意位置。

3）井口裝置。包括天地滑輪、張力檢測計和刮泥器。

4）地面電氣控制單元。包括變頻變壓器，對井場380 V交流電升壓變頻至380～1 140 V輸送給井下振蕩器，使得井下振蕩器工作并對其振動狀態實時控制。

2.2偏心式可移動井下振蕩器原理及設計

在移動式振動固井系統中，可移動式井下振蕩器是核心固井工具，其性能決定了振動固井效果和提高固井質量的程度。由于可移動式井下振蕩器需要在高溫高壓的套管中移動，振蕩結構必須簡單可靠。本文設計的偏心式可移動井下振蕩器主要由馬籠頭、過電接頭、驅動電機短節、偏心機構、減震短節組成，如圖2所示，其中偏心機構是振動固井工具的核心。

1-馬籠頭；2-過電接頭；3-驅動電機；

4-偏心機構；5-下部減震短節。

圖2偏心式可移動井下振蕩器結構示意圖偏心式可移動井下振蕩器的偏心機構如圖3所示，主要由下部支撐軸承、振動器外殼、偏心塊、上部支撐軸承、偏心塊芯軸、上部連接短節組成，其中振蕩器外殼與內部偏心塊是產生振動力和振動波的核心，上部連接短節與驅動電機相連接。偏心式振蕩器原理如圖4所示，在井筒套管柱內任意位置處，當驅動電機帶動振蕩器作圓周運動時，由于內部偏心塊的存在，使得旋轉過程中產生偏心離心力。該偏心離心力就是激振源，導致整個振蕩器產生振動，同時徑向沖擊套管產生振動波。該振動波沿著縱向傳播到整個套管柱，促進環空內水泥漿均勻流動和均勻地充滿套管外環空，同時清除其中的氣泡、井壁濾餅等，增強水泥石的強度及界面的膠結強度，提高固井質量；利用車載絞車、井口裝置可以起下偏心式可移動井下振蕩器在套管柱內任意位置停留和振動，從而最終實現全井段、全過程振動固井。

1-下部減震短節；2-下部支撐軸承；3-振動器外殼；4-偏心塊；5-上部支撐軸承；6-偏心塊芯軸；7-上部連接短節。

2.3偏心式可移動井下振蕩器振動力學分析

分別從徑向、縱向兩個方向進行偏心式振蕩器的振動力學分析。

1）徑向方向分析。偏心式振蕩器徑向力平衡圖如圖5所示。圖5中G1是振蕩器外殼的重力，O1是振蕩器外殼重心；G2是振蕩器偏心塊的重力，O2是振蕩器偏心塊的重心；e是振蕩器偏心塊的偏心距，e=O1O2；φ是振蕩器偏心塊重心對振蕩器外殼運動方向的超前運動角；θ是偏心塊離心力方向對振蕩器外殼運動方向的超前運動角；P是振蕩器外殼作圓周運動時的離心力；R是振蕩器偏心塊回轉時的離心力；Q是振蕩器運動過程中作用于振蕩器外殼的水泥漿阻力；M是振蕩器電動機的扭矩；n是振蕩器電動機的每分鐘轉速；O是振動的中心，就是

振蕩器振動時作圓周運動的圓心；OO1是振動振幅，就是圓周運動的半徑，可用a= OO1來表示；OO2是振蕩器偏心塊重心與振動中心的距離，即振蕩器工作時偏心塊的實際旋轉半徑，可用b= OO2表示。

振蕩器外殼作圓周運動的離心力P可看作作用于振蕩器外殼慣性力，根據達朗博原理可得到：

P=G1g2πn602（1）

R=G2g2πn602（2）

R=Psinθ=Qcosθ=P2+Q2（3）

M=Racosθ=Qa （4）

bsin（φ-θ）=acosφ（5）

e=asinφ+bcos（φ-θ）（6）

ω=2πn60（7）

整理上述公式可得：

cosφ=QgG2eω2 （8）

由式（8）可知，振蕩器偏心塊重心對振蕩器外殼運動方向的超前運動角φ隨著水泥漿阻力Q大小變化而變化：當水泥漿阻力Q=0時，φ為90°，也就是此時O1點、O2點、O點三點位于同一條直線上，而且O2與O1分別在振動中心O的兩側；當水泥漿阻力Q逐漸增加時，φ角逐漸減??；當φ角逐漸減小為φ=0，也就是cosφ=1時，水泥漿阻力Q達到某一數值Q0，依據以上分析可得：

tanθ=G1G1+G2tanφ（9）

1cosθ=1+T1G1+G22+tan2φ（10）

b=ecos2φ+G1G1+G22sin2φ

=e1-1-G1G1+G22sin2φ（11）

由式（11）可知，當振蕩器偏心塊重心對振蕩器外殼運動方向的超前運動角φ=0°時，偏心塊的實際旋轉半徑b值達到最大，并且有b=e，此時振蕩器偏心塊所產生的離心力達到最大值。如果振蕩器外殼水泥漿阻力大于或等于激振力時，振蕩器無法振動，定義振幅a=0， Q=Q0；在一般情況下，0＜Q＜Q0，振蕩器偏心塊所產生的離心力可以分解為Rcosθ與Rsinθ兩個分力，由式（3）可得Rcosθ=Q， Rsinθ=P，由此可計算出電動機的力矩為：

M=Qa=Qg（G1+G2）ω2Q20-Q2（12）

振蕩器對套管作用的功率為：

A=M·ω（13）

當Q=0或Q=Q0時，M=0，此時振蕩器不做功。采用求導方法，可得到振蕩器做功的極大值：

dMdQ=g（G1+G2）ω2·Q20-2Q2Q20-Q2（14）

令上式dMdQ=0，得Q=Q02，由此可知，當泥漿阻力Q為Q0的1/2，即最大激振力的時1/2，振蕩器作用于套管的功率最大Amax為：

Amax=G22G1+G2×e2ω22g（15）

2）從縱向方向進行偏心式振蕩器的振動力學分析，偏心式振蕩器縱向力平衡圖如圖6所示。F1是振蕩器偏心塊旋轉時所產生離心力的合力；F2是振蕩器外殼旋轉時所產生離心力的合力；M2是振蕩器外殼旋轉時所產生的離心力合力對振蕩器外殼質心O1的力矩。Sx是振蕩器在x點的振幅；S1是振蕩器偏心塊質心O2與計算基準點之間的距離；S2是振蕩器外殼質心O1與計算基準點之間的距離。

根據力矩平衡原理，可得到振蕩器振動參數計算公式為：

α=m2eL2I（m1+m2）r22+m2L22I（16）

S=m2er22（m1+m2）r22+m2L22I（17）

Smax=αLmax=m2eL21Lmax（m1+m2）r22+m2L221（18）

L20=r22L21（19）

Fmax=m2·eω2=m2·e·（2πf）2（20）

式中：O1是振蕩器外殼質心；O2是振蕩器偏心塊的質心；O是振動的中心，也是零振幅點；α是角振幅；m2是振蕩器偏心塊的質量；e是振蕩器偏心塊的偏心距；m1是振蕩器外殼的質量；r2是振蕩器外殼的慣性半徑； S是振蕩器外殼質心的振幅，也就是平均振幅；Smax是振蕩器尖頭端點振幅，也就是振蕩器最大振幅；f是振蕩器偏心塊和振蕩器外殼的旋轉頻率；ω=2πf，ω是振蕩器偏心塊和振蕩器外殼的旋轉角速度；L20是振蕩器外殼質心與振動中心點O之間的距離；L21是振蕩器外殼質心O1與振蕩器偏心塊連接點之間的距離；Lmax是振蕩器尖頭與振動中心點O之間的距離； Fmax為振蕩器偏心塊的最大激振力。

根據以上振動分析理論以及得到的相關公式，以偏心塊外徑r2=36 mm、內徑r=13.5 mm、長度L=600 mm、形狀為1/4圓弧、偏心距23.8 mm、振蕩器總質量mz=80 kg、偏心塊質量m2=4.08 kg、彈性模量為E=210 Pa為例，可設計計算出可移動式井下振動器的基本振動性能參數，如表1所示。

3室內試驗研究

下套管固井過程中注入環空內水泥漿待候凝之

后形成水泥石環，其抗壓強度是評價固井質量重要的指標之一。同時套管與水泥之間是通過接觸界面間的膠結力來實現兩者間力的傳遞和變形協調的，所以候凝之后的套管與水泥石環之間的膠結強度以及水泥石的抗壓強度直接反映固井效果和質量?？梢苿泳抡袷幤鳟a生的振動固井效果如何，是否能夠提升固井質量，都可以通過這兩項指標大小來衡量，可以通過模擬現場實際使用工況，進行室內試驗評價。

1）主要試驗設備。水泥漿高溫養護釜、偏心式可移動振蕩器及測試臺架、抗壓模具、膠結強度模具、巖心棒、水泥漿攪拌器等。

2）試驗用水泥漿體系及配方。水泥型號為勝濰G級水泥，其中增韌劑3%，晶格膨脹劑2%，降失水劑1.2%，水灰比44%。

3）抗壓強度試驗。將混配好的G級水泥漿取一組倒入模具中，養護候凝24 h無振動，對形成的水泥環進行抗壓強度測試，作為對比試驗樣。另外三組分別在養護候凝的第1 、2 、3 h進行振動3 min，振動后繼續進行養護，直至總時長滿24 h。每組均有6個試樣，每一組數據均為6次試驗結果的平均值。

4）膠結強度試驗。將混配好的G級水泥漿取一組倒入帶有巖心棒的專用模具中，養護候凝24 h，對巖心棒周圍形成的水泥環施加軸向壓力使其脫離巖心棒，記錄壓力數值。如圖 7所示為水泥環抗壓強度測試過程，圖 8所示為對水泥環進行振動試驗過程，圖9所示為巖心棒和水泥石的膠結強度測試過程。

通過對抗壓強度和膠結強度試驗分析，如表2所示，結果表明：對候凝1 h之內振動的水泥試樣進行振動處理，抗壓強度和膠結強度平均值均大于未振動的水泥試樣，抗壓強度與膠結強度均有提升且成上升趨勢，生成水泥環后抗壓強度平均提升4%，抗壓強度最大為38.2 kN；對候凝2 h之內的水泥漿進行振動處理，生成水泥環與巖心棒膠結強度平均提升7%，膠結強度最大為38.8 kN；對候凝超過2 h之后的水泥漿進行振動處理，而抗壓強度和膠結強度反而下降趨勢。 因此，對水泥漿振動處理應該在候凝1 h之內進行。

通過對振動處理和未振動處理的水泥漿水化后界面膠結微觀狀態進行分析，可反映出振動對提高固井質量的效果，如圖11所示為振動處理前后界面膠結掃描電鏡圖（SEM圖），其中圖11a表明未經振動處理的界面膠結處界面分界明顯，圖11b表明經過振動處理后的界面膠結處巖心和水泥相互交錯融合，界面分界不明顯，振動作用能夠顯著提升二界面膠結處黏合力，增加界面膠結強度，提高界面膠結質量。

圖11振動處理前后界面膠結SEM圖

4現場試驗研究

現場試驗井基本情況：井號為某油田午317-125井，套管外徑139.7 mm，壁厚7.72 mm，內徑124.3 mm，鋼級J55，油層位置段分別為1 660～1 666 m、1 750～1 774 m、1 790～1 812 m、1 936～1 945、2 095～2 127 m，最大井斜32°/775m，水泥返高位置為井口，鉆井液密度1.05 g/cm3，固井水泥漿密度1.90 g/cm3。

振動固井方案：實際振動井段1 220～1 400 m，振動段長180 m，從1 400 m自下而上，點振2 min，振點間隔6 m，振動時長68 min；另外上部井段1 000～1 210 m以及下部井段1 410～1 610 m不進行振動處理，以作對比試驗組；利用聲波變密度法進行界面固井質量測量，能夠對第一界面和第二界面即套管與水泥、水泥與地層兩個界面進行膠結狀況測量，測井曲線界面如圖12～14所示。

從圖12～14的測井曲線可以看出，未振動井段1 410～1 610 m，第一界面優質率80%，第二界面合格率75%；未振動井段1 000～1 210 m，第一界面優質率100%，第二界面合格率70%；振動井段1 220～1 400 m，第一界面合格率100%，第二界面合格率95%。振動對于第一界面質量影響較小，對于第二界面質量影響較大，相對于未振動的井段可以有效提升20%的界面質量合格率。而且移動式振動固井技術對于正常固井及其他設備不造成影響，成本低于多數在水泥漿中添加外加劑的各種化學處理方法，有效減少成本投入，同時還能與各種化學處理方法配合使用，互不干擾。此外，還具有振動方式靈活、層位可控、不與常規固井施工沖突、井下振動工具可重復使用等優勢。

4 結論

1）偏心式振蕩器是可移動式井下振動固井系統的核心關鍵工具，可通過井口裝置、絞車系統送入套管內全井段任意位置，在固井候凝期間可對整個套管柱產生振動波，同時可在套管內上下運動，從而實現全井段、全過程振動固井，對于正常固井及其他設備不造成影響。

2）可移動式井下振動固井系統對候凝2 h以內的水泥漿進行振動處理，第二界面膠結質量較好，抗壓強度與膠結強度均有提升，生成水泥環后抗壓強度平均提升4%，膠結強度平均提升7%，對于候凝2 h以后的水泥漿無明顯效果。

3）現場試驗表明，可移動式井下振動固井技術對于井筒第一界面的提升效果不明顯，但與對于未振動的井段相比可以有效提升20%的第二界面質量合格率。

4）可移動式井下振動固井技術具有振動方式靈活、層位可控、不與常規固井施工沖突、井下工具可重復使用、耗能低等優勢，應用前景廣闊。

參考文獻：

［1］杜曉雨，王學海，賈彥龍，等.東勝頁巖氣超長水平段水平井固井關鍵技術［J］.石油機械，2023，51（4）：46-53.

［2］劉鈺龍，王鼎，金海生.隴東探井固井技術研究及應用［J］.石油地質與工程，2023，37（1）：91-95.

［3］尹文波，張彥廷，李延偉，等.固井振動器套管內振動對水泥石強度影響試驗［J］.石油機械，2018，46（04）：1-6.

［4］王友文，袁進平，王兆會，等.機械振動對固井水泥石強度影響的實驗研究［J］.天然氣勘探與開發，2018，41（1）：96-100.

［5］張希峰.井下水力振動固井裝置及在油田中的應用［J］.機械工程師，2016（10）：138-139.

［6］聶翠平，李相方，葉登勝，等.可鉆型低頻自激震蕩脈動固井裝置的研制與應用［J］.天然氣工業，2012，32（9）：74-76.

［7］Solom K W， Beach L. Method and apparatus for vibrating and cementing a well casing： US 3557 875A ［P］. 1971-01-26.

［8］Haberman J. P.， Delestatius M.， Brace D. G. Method and apparatus to improve the displacement? of? drilling? fluid? by? cement? slurries? during? primary? and? remedial cementing operations， to improve cement bond logs and to reduce or eliminate gas migration problems：US5377753 ［P］. 1995-01-03.

［9］丁士東，高德利，張克堅，等.脈沖振動固井技術研究［J］.科技導報，2007，25（22）：36-42.

［10］丁士東，張克堅.新型井口脈沖振動固井裝置的研制與應用［J］.石油機械，2007，35（4）： 51-53.

［11］蔡飛，夏宏南，文濤，等.新型井下雙向振動脈沖固井裝置的研究與應用［J］.內蒙古石油化工，2011，37（22）：28-30.

［12］艾池，趙慧志，郝明，等.熱采固井技術研究［J］.當代化工，2013，42（11）：1580-1581.

［13］康祥.固井防漏技術綜述［J］.石化技術，2016，23（5）：122.

［14］張希峰.井下水力振動固井裝置及在油田中的應用［J］.機械工程師，2016（10）：138-139.

［15］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［J］.鉆井液與完井液，2016，33（4）：97-100.2024年第53卷