偏心机械式振动固井技术在长庆油田的应用

梅明佳，　江维，　魏周胜

偏心机械式振动固井技术在长庆油田的应用

梅明佳1，江维2，魏周胜1

（1.川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，西安710018；2.德州大陆架石油工程技术有限公司，山东德州253034）

梅明佳等.偏心机械式振动固井技术在长庆油田的应用［J］.钻井液与完井液，2016，33（4）：97-100.

为提高长庆油田注水调整更新井固井质量，试验应用了一种偏心机械式振动固井技术。在室内采用ZD-34电动振动器评价装置对振动器进行室内模拟，对水泥浆振动后的抗压强度、胶结强度、稠化时间、初终凝过渡时间和渗透率进行评价，结果表明，振动后水泥浆稠化时间缩短25%～30%，初终凝过渡时间缩短30%～50%，水泥石24 h抗压强度提高10%～14%，胶结强度提高11%～16%，渗透率降低33.3%～43.9%。该技术在长庆油田吴堡区块应用5口井，试验井油水层封隔良好，总体固井优质率提升20%以上。室内实验和现场应用表明，偏心机械式振动固井技术可以有效提高固井质量，具有较好的推广应用前景。

固井； 固井质量； 偏心机械式； 调整更新井； 长庆油田

长庆油田为提高超低渗透油藏采收率及单井产量，普遍采用超前高压注水等增产措施。长期注水开采，地层压力复杂，形成多压力体系，固井防漏压稳难度大，固井施工结束水泥顶替到位及候凝期间出现水泥浆稀释及窜槽，固井质量较差，部分井固井后出现井口出水［1-3］。偏心机械式振动器连接电缆后可在套管内调节位置，振动能量能有效传递到预设层位，在水泥候凝期间起作用，促进水泥水化，提高水泥早期强度，可解决水泥候凝期间的油水窜问题。该技术近2年在江苏、胜利等油田成功应用，2015年在长庆油田应用该技术，在吴堡区块应用5口井，注水层位固井质量改善较明显，试验井总体固井优质率提升20%以上。

1　偏心机械式振动固井技术

早在20世纪60年代，以美国和前苏联为代表，国外就开始了振动固井相应技术的研究工作。振动固井技术的研究在国内起步较晚，目前尚处于研究认识和初步开发阶段。在中国应用的振动固井技术有井下水力脉冲振动发生器、井口脉冲振动固井装置、涡轮式井下径向振动固井装置，在辽河、松南、胜利、鄂尔多斯、江苏等油田进行了多口井现场应用，均取得较好的固井效果［4-6］。偏心机械式振动固井技术与其他振动固井技术相比，具有操作简单、在水泥浆候凝期间作用、振动能量可有效传递到预设层位的特点，更适合在注水调整井中应用。长庆油田引入该技术并在现场进行了试验应用。

1.1EC-M偏心振动装置结构及技术指标

通过对国内外同类产品进行对比，选用了EC-M偏心机械式振动装置。该装置仪器可靠性良好，可连续工作4 h以上；适应井斜范围广，可以在50°内的定向井中使用；具有良好的耐温耐压性；地面控制系统直观，易于调节。

EC-M振动器主要由马笼头、电机、偏心结构、振动短节组成，结构示意图见图1。设计电机频率为50 Hz，偏心块为1/4圆弧，理论计算偏心块产生的最大激振力为8 077.99 N，室内模拟测试振动器对套管的激振力为300～800 N。

图1　振动器结构图

EC-M振动器直径为102 mm， 长度为1 000 mm，重量为50 kg，耐温达200 ℃，耐压达100 MPa，振动频率为30～50 Hz，振动功率为0.8～1.5 kW，工作电压为380 V交流电，额定功率为3 kW，适用套管尺寸为φ139.7 mm。

1.2振动装置的工作原理

振动装置通过电缆下入套管中，到达预设位置后，启动振动器，电机带动偏心块旋转，产生有规律的径向振动，振动波通过钻井液、套管传至套管与井壁之间的环空，可以使水泥充分水化，有利于在环空形成完整的水泥环，提高水泥的抗压强度和界面胶结强度；缩短水泥浆过渡时间，提高水泥浆防气窜性能；减小或消除水泥浆的静切力，减小水泥浆失重效应，有效阻止地层流体窜入［7］。

2　室内实验

采用一种ZD-34电动振动器对水泥浆的各项性能进行评价，图2为实验装置图。该电动振动器的直径为34 mm， 工作电压为380 V， 振动频率为30～60 Hz， 振动功率为1.5 kW， 激振力为500 N。

图2　ZD-34电动振动器示意图

如图2所示，ZD-34电动振动器为一种小型插入式振动棒，振动器放入模拟井筒中，模拟现场振动作业。评价装置振动频率与振动器井下作业的工作频率接近，工作功率与现场作业相当。因此，利用该评价装置可以较好地评价振动器的振动效果。

室内按照GB/T 19139—2012，对长庆油田区域所用的G级水泥净浆、早强水泥浆、降失水水泥浆和膨胀水泥浆进行性能测定，然后用室内评价装置对水泥浆体系进行振动，振动器振动频率为50 Hz，振动3 min后测定水泥浆性能变化。水泥浆振动前后的性能变化见表1。水泥浆配方如下。

早强水泥浆九连山G级水泥+1.8%早强剂GJ-F

降失水水泥浆九连山G级水泥+2.5%降失水剂G307A+0.2%减阻剂USZ

膨胀水泥浆九连山G级水泥+2.5%G307A+ 2%膨胀剂GJ-Z+0.3%USZ

由表1可知，振动后水泥石24 h抗压强度提高，胶结强度提高，渗透率降低，稠化时间缩短，水泥浆初终凝过渡时间缩短。

表1　振动前后水泥浆性能变化

表1中实验结果表明，对于不同水泥浆，振动均能增加水泥石的均匀性和密实性。在水泥水化的诱导期， 油井水泥中的主要矿物C3S会快速发生化学反应， Ca（OH）2和C—S—H核开始形成，此时振动能量传递到浆体， 促进C3S发生水化反应， 缩短水泥的诱导期， 促进C—S—H的水化反应， 达到增加水泥石早期强度和增加水泥石密实性的作用［8］。

对低密度水泥浆体系而言，过长的振动时间会使体系游离液增加，影响体系的稳定性。为避免过长的振动时间对体系的不利影响，现场振动低密度体系，应避免对水泥浆稳定性产生不利影响。水泥浆游离液含量在振动前后的变化见表2。由表2可知，低密度水泥浆在振动前后游离液增加不明显。

表2　不同水泥浆游离液在振动前后的变化情况

3　现场试验

3.1试验井基本情况

午317-X1井为一口定向井，位于陕西省吴起县境内，完钻井深为2 164 m，油层1 660～2 127 m，使用的钻井液密度为1.12 g/cm3，采用一次上返固井工艺。该区块主要固井技术难点为长期高压注水，造成地下原始压力系统发生很大改变，纵向剖面上形成多压力层系，层间压力各异，层内压力不平衡，水泥浆很难满足各层压力需求，极易发生油气水窜。主力油层都不同程度地存在着油水同层、底水活跃、底水推进、水淹、油气水窜、地层压力异常等严重影响油田生产的不利因素。目前该区块主要采用膨胀水泥浆体系，控制水泥浆稠化时间来保障固井质量，但仍存在水泥浆候凝期间的油、水窜。因此，在该区块引入偏心机械式振动固井技术，解决水泥浆候凝期间的窜槽问题。

试验井水泥浆为膨胀水泥浆体系，配方为九连山G级水泥+2.5%G307A+2%GJ-Z+0.3%USZ，稠化时间为90 min（45 ℃、20 MPa），初终凝时间为120、150 min，水泥石24 h抗压强度为28.69 MPa，24 h胶结强度为2.62 MPa。在室内应用ZD-34电动振动器模拟评价振动对水泥浆性能的影响，测得振动后水泥浆稠化时间缩短为64 min，初终凝时间为100、120 min，水泥石24 h抗压强度达到32.42 MPa，24 h胶结强度为2.96 MPa。

3.2施工概况

1）施工前准备。套管下到位后建立循环，调整钻井液性能以满足固井要求，并循环2周；严格按照设计执行固井施工，依次注入8 m3密度为1.5～1.6 g/cm3前置液（200 kg CXY+清水）、39 m3低密度水泥浆（G级水泥∶粉煤灰=1∶1）、16 m3密度为1.88～1.92 g/cm3尾浆（G级水泥+2.5% G307A+2%GJ-Z+0.3%USZ），替量27.7 m3碰压，稳压8 min，泄压后观察断流。

2）振动作业。将马龙头提升至钻台， 迅速完成马龙头与振动器的对接，振动器在井口试运转正常后，下放振动器至第一个振点井深1 800 m， 下放速度为80～120 m/min， 振动器到达预定位置开始振动作业。 该井在1 800～1 620 m井段实行点振， 振动频率为50 Hz， 间隔6 m， 每个点振动3～5 min；在1 620～1 000 m井段实行连续振动，在实施振动作业的同时上提电缆， 电缆上提速度为3 m/min。

3）振动结束。在水泥浆终凝前完成全部振动作业，关闭振动器，上提电缆取出振动器，结束施工。

3.3应用效果

候凝48 h后，CBL/VDL测井显示，该井整体固井质量良好，油层封固段固井优质率达到98%，有效封隔了油、水层，固井质量明显优于未振动井。该技术在吴堡区块推广应用5口井，与同井场的邻井相比，试验井固井质量提升较明显，试验井段总体固井优质率提升20%以上。5口井固井质量及对比情况见表3。

表3　试验井与邻井固井质量对比表

4　结论与建议

1.应用偏心机械式振动装置提高固井质量，不改变现有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.室内实验使用电动振动器模拟评价，结果表明，振动可以缩短水泥浆稠化时间及初终凝过渡时间。振动后分析，水泥石的密实性、早期强度及胶结强度得到提高。

3.该技术现场应用5口井，取得较好的效果，表明振动可以促进水泥水化反应，增加水泥浆的均匀性，提高一、二界面胶结强度，防止固井后油气水窜槽，从而提高固井质量。

4.振动波的影响范围尚有待深入研究。

［1］郑章义.振动固井装置的设计及振动传播规律的研究［D］.长江大学，2012. ZHENG Zhangyi. Design of vibration cementing device and study on vibration propagation law［D］. Yangtze University，2012.

［2］韩崇福，田锡君，王冠军.振动固井技术在辽河油田的试验应用［J］.石油钻采工艺，1999，21（4）：24-29. HAN Chongfu，TIAN Xijun，WANG Guanjun. Experimental application of vibration cementing technology in Liaohe Oilfield［J］. Oil Drilling & Production Technology，1999，21（4）：24-29.

［3］胡可能.井下低频水力脉冲振动固井机理研究及装置设计［D］.长江大学，2012. HU Keneng.Mechanism research and device design of downhole low frequency hydraulic pulse vibration cementing［D］. Yangtze University，2012.

［4］韩玉安，孙艳龙，王洪潮，等.国内外振动固井技术的发展现状［J］.钻采工艺，2000，23（4）：27-30. HAN Yu’an，SUN Yanlong，WANG Hongchao，et al. Developing status quo of vibration cementing technique both in China and abroad ［J］.Drilling & Production Technology，2000，23（4）：27-30.

［5］吴波， 刘金余， 杨明合， 等.新型涡轮式井下径向振动固井装置的研究与应用［J］.复杂油气藏， 2010，3（4）：69-72. WU Bo，LIU Jinyu，Yang Minghe，et al.Research and application of a new turbine downhole cementing device with radial vibration［J］.Complex Hydrocarbon Reservoirs，2010，3（4）：69-72.

［6］薛亮， 李帮民， 刘爱萍， 等. 水力振动固井工具压力波发生原理研究［J］.石油钻探技术，2011，39（1）：105-109. XUE Liang，LI Bangmin，LIU Aiping，et al.Study of compression wave caused by hydraulic cementing tools［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2011，39（1）：105-109.

［7］王恩合，王学良，王学成，等.动态振动固井技术研究及现场试验［J］.石油钻探技术，2011，39（4）：57-60. WANG Enhe，WANG Xueliang，WANG Xuecheng，et al. Research and field experiment of dynamic vibrating cementing technique［J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（4）：57-60.

［8］丁士东，高德利，王崎，等.脉冲振动处理对水泥石早期性能的影响［J］.钻采工艺，2007，30（6）：105-107. DING Shidong，GAO Deli， WANG Qi，et al. Influence of pulsation treatment on early properties of cementstone［J］.Drilling & Production Technology，2007，30（6）：105-107.

The Application of Eccentric Mechanical Vibration Cementing Technique in Changqing

MEI Mingjia1， JIANG Wei2， WEI Zhousheng1
（1. CCDC Changqing Cementing Company， Xi’an， Shaanxi 710018；2. Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co.， Ltd.， Dezhou， Shandong 253034）

An eccentric mechanical vibration cementing technique was used in Changqing oilfield in an effort to improve the cementing job quality of the injector wells. Cementing slurry was evaluated after vibration on a ZD-34 model electric vibrator as to its compressive strength， bond strength， thickening time， initial setting transition time， final setting transition time， and permeability. The evaluated cement slurry was then used in filed operations. The laboratory study showed that the thickening time of the cement slurry after vibration was reduced by 25%-30%， the initial and the final setting transition time reduced by 30%-50%， the 24 h strength of the set cement increased by 10%-14%， the bond strength increased by 11%-16%， and the permeability reduced by 33.3%-43.9%. This technique has been used in 5 wells in the block Wupu in Changqing oilfield， and the oil zones and water zones in these wells are well separated， with the rate of excellent well cement jobs increased by more than 20%. The laboratory experiments and the field applications all demonstrate that the eccentric mechanical vibration cementing technique can effectively enhance the quality of well cementing， and is prospective in future cementing operations.

Well cementing； Quality of well cementing job； Eccentric mechanical； Adjustment well； Changqing oilfield

TE256.6

A

1001-5620（2016）04-0097-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.020

中石油工程技术分公司统筹项目“新技术新工艺攻关与现场试验”子课题“随行振动波提高固井质量技术试验与应用”（2015T-003-001）。

梅明佳，工程师，1986年生，2009毕业于长江大学应用化学专业，现主要从事固井工艺、水泥浆体系方面的研究工作。电话 （029）86598948/18792939829；E-mail：cqgjmmj@cnpc.com.cn。

（2016-3-5；HGF=1604M6；编辑马倩芸）