径向振动固井工具

刘国恒

摘 要：现有条件下，固井工程中存在水泥浆失重，凝固不均匀，导致固井质量欠佳，为了提高固井质量，振动固井技术应运而生，振动固井技术对固井质量提升有一定改善作用，然而由于施工工艺和振动原理限制，现有振动固井技术存在一些问题。针对现有振动固井工具耐冲蚀性差，固井质量提升不高，压力波振幅小，传播距离短，研制了径向振动固井工具。径向振动固井工具采用了径向振动的设计，解决了脉冲波传播距离短的问题，从原理上避免了压力波振幅小的问题，该工具在大庆油田推广使用过程中、表现出了安全可靠、性能稳定，固井质量好等特点。

关键词：径向振动 固井质量 脉冲波 振动传递

中图分类号：TE92 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0083-01

目前，在石油天然气及地质勘探固井工程中，存在水泥浆失重，凝固不均匀，导致固井质量欠佳的问题，影响经济效益，甚至导致井眼无法正常工作。特别是有些水泥浆性能稍差的时候，由于水泥胶结不好导致整个井报废，因此针对可能存在的固井质量问题，本着消除安全隐患，提高经济效益的原则，设计了振动固井工具。现有振动固井工具由于结构和施工工艺的限制，导致脉冲波传递受阻，因而无法达到预期效果，因此设计了径向振动固井工具。

1 技术分析

振动可以有效地破坏水泥浆胶结，使水泥凝固更加均匀，这一点，已经广泛应用于建筑行业，浇筑混凝土时，通过高频低振幅的振动，改善混凝土性能，提高凝固质量。根据混凝土振捣原理，设计了径向振动固井工具。

1.1 结构

如图1所示，本体的两端加工标准套管螺纹，本体上端与浮箍连接，下端与引鞋连接。本体内部加工有台阶，对导流套起限位作用，整个芯轴两端套有轴承，下端导流套由特制的引鞋压紧，由此对芯轴限位。另外芯轴上开有键槽，通过键进行传扭，带动叶轮和偏心块旋转。芯轴两端的轴承为角接触球轴承，既可以起到扶正的作用，又可以起到止推轴承的限位作用。芯轴两端的锁紧螺母配合芯轴上的调整环，将叶轮和偏心块在轴向上的位置固定，这样芯轴及其所带动的其他零件组成了工具的工作总成。

1.2 工作原理

径向振动固井工具接在浮箍下端，在注水泥的过程中，当水泥浆流过叶轮时，叶轮叶片收到流体的冲击，开始旋转，从而带动芯轴旋转，芯轴将扭矩传递给偏心块，偏心块跟着芯轴一起旋转，产生高频低振幅的振动，振动通过导流套传递给本体，本体将振动传递到环空内的水泥浆，到达活化水泥浆，优化水泥浆性能，提高固井质量的目的。

2 关键技术

此径向振动固井工具与现有油田固井中使用的方法相比具有以下特点。

（1）叶轮表面喷涂的硬质合金能够有效地抵抗水泥浆长时间的冲蚀，并且仅在叶轮表面容易被冲蚀的部位喷涂硬质合金，而非整体采用硬质合金，这样大大的降低了成本。由于硬质合金的硬度很高，水泥浆带动叶轮旋转时，叶片冲蚀不会太快，不会影响叶轮的转动功率，能够保持较好的工作转速，进而保证高效而稳定的振动频率。

（2）偏心块虽然始终被冲蚀，但其在的位置过流面积较大，本身又是实心结构，比较厚实，因此能够较长时间的提供机械脉冲，即使有一定程度的冲蚀，也不会影响工具的整体效果。现有振动固井工具十分容易被冲蚀，损耗极快。

（3）工具芯轴在工作过程中一直在旋转，水泥浆沿着芯轴轴向流动，因此水泥浆对芯轴的冲蚀几乎没有，芯轴有足够长的寿命完成工具工作过程。

（4）工具的振动频率取决于叶轮的转速，因此，工具能够产生远高于现有工具的工作频率，对水泥浆的性能能够更有效的优化。

3 室内实验

3.1 工作频率试验

工具的动力来源主要是固井时的水力脉冲，因此，用实验室的F500泵模拟提供相应的动力，首先对工具叶轮进行空载转速实验，测试在设计条件下叶轮的转速，然后组装工具进行负载实验，负载情况下，叶轮在以清水为动力源的情况下，转速达到了12000rpm以上，由此计算出工具振动频率200Hz以上，达到了设计标准。

3.2 振动振幅试验

工具的振动由偏心块产生，因此工具产生的振动振幅大小取决于偏心块的偏振力，经过振幅测试仪测试，工具可以产生3～4mm的振幅，工具接入管串后振幅会变小，因此符合工具高频低振幅的设计理念。

3.3 工作时间试验

工具的寿命取决于叶轮在水泥浆中工作时的耐冲蚀性，以及其他零件在高频低振幅的振动下疲劳强度，室内实验测试，工具可以工作200h以上，但考虑到水泥浆对叶轮的冲蚀更大，工具使用寿命需要进一步测试。

4 试验应用

4.1 室内试验

将工具水平放置在水泥槽内，通过工具上下两端的接头提供动力并建立循环，工具工作1min，水泥槽内的水泥性能改善明显，流动性显著提高，大块颗粒消失，等水泥凝固后，对比未使用工具改善性能的水泥浆，工具效果明显，证明振动固井工具确实可行、有效。

4.2 现场试验

径向振动固井工具在大庆油田采油八厂芳5-5区块实验10口井，固井优质率达到80%，合格率达到100%，同比该区块未使用振动固井工具的其他井，固井优质率明显提高。

5 结论

（1）径向振动固井工具将水泥浆的能量转变为机械能，产生径向高频低振幅的脉冲波，可以有效地改善水泥浆性能，从而提高固井质量。

（2）在固井过程中，通过振动固井工具的作用，可以有效的改善环空环境，减少泥饼。

（3）径向振动固井工具在现场使用效果良好，固井优质率大幅度提高，固井合格率达到100%，为后续施工创造了良好的条件。

（4）下一步将进行振动固井工具推广，对叶轮及偏心块进一步优化设计，提高工具使用寿命。

参考文献

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