徑向振動固井工具

劉國恒

摘 要：現有條件下，固井工程中存在水泥漿失重，凝固不均勻，導致固井質量欠佳，為了提高固井質量，振動固井技術應運而生，振動固井技術對固井質量提升有一定改善作用，然而由于施工工藝和振動原理限制，現有振動固井技術存在一些問題。針對現有振動固井工具耐沖蝕性差，固井質量提升不高，壓力波振幅小，傳播距離短，研制了徑向振動固井工具。徑向振動固井工具采用了徑向振動的設計，解決了脈沖波傳播距離短的問題，從原理上避免了壓力波振幅小的問題，該工具在大慶油田推廣使用過程中、表現出了安全可靠、性能穩(wěn)定，固井質量好等特點。

關鍵詞：徑向振動 固井質量 脈沖波 振動傳遞

中圖分類號：TE92 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0083-01

目前，在石油天然氣及地質勘探固井工程中，存在水泥漿失重，凝固不均勻，導致固井質量欠佳的問題，影響經濟效益，甚至導致井眼無法正常工作。特別是有些水泥漿性能稍差的時候，由于水泥膠結不好導致整個井報廢，因此針對可能存在的固井質量問題，本著消除安全隱患，提高經濟效益的原則，設計了振動固井工具。現有振動固井工具由于結構和施工工藝的限制，導致脈沖波傳遞受阻，因而無法達到預期效果，因此設計了徑向振動固井工具。

1 技術分析

振動可以有效地破壞水泥漿膠結，使水泥凝固更加均勻，這一點，已經廣泛應用于建筑行業(yè)，澆筑混凝土時，通過高頻低振幅的振動，改善混凝土性能，提高凝固質量。根據混凝土振搗原理，設計了徑向振動固井工具。

1.1 結構

如圖1所示，本體的兩端加工標準套管螺紋，本體上端與浮箍連接，下端與引鞋連接。本體內部加工有臺階，對導流套起限位作用，整個芯軸兩端套有軸承，下端導流套由特制的引鞋壓緊，由此對芯軸限位。另外芯軸上開有鍵槽，通過鍵進行傳扭，帶動葉輪和偏心塊旋轉。芯軸兩端的軸承為角接觸球軸承，既可以起到扶正的作用，又可以起到止推軸承的限位作用。芯軸兩端的鎖緊螺母配合芯軸上的調整環(huán)，將葉輪和偏心塊在軸向上的位置固定，這樣芯軸及其所帶動的其他零件組成了工具的工作總成。

1.2 工作原理

徑向振動固井工具接在浮箍下端，在注水泥的過程中，當水泥漿流過葉輪時，葉輪葉片收到流體的沖擊，開始旋轉，從而帶動芯軸旋轉，芯軸將扭矩傳遞給偏心塊，偏心塊跟著芯軸一起旋轉，產生高頻低振幅的振動，振動通過導流套傳遞給本體，本體將振動傳遞到環(huán)空內的水泥漿，到達活化水泥漿，優(yōu)化水泥漿性能，提高固井質量的目的。

2 關鍵技術

此徑向振動固井工具與現有油田固井中使用的方法相比具有以下特點。

（1）葉輪表面噴涂的硬質合金能夠有效地抵抗水泥漿長時間的沖蝕，并且僅在葉輪表面容易被沖蝕的部位噴涂硬質合金，而非整體采用硬質合金，這樣大大的降低了成本。由于硬質合金的硬度很高，水泥漿帶動葉輪旋轉時，葉片沖蝕不會太快，不會影響葉輪的轉動功率，能夠保持較好的工作轉速，進而保證高效而穩(wěn)定的振動頻率。

（2）偏心塊雖然始終被沖蝕，但其在的位置過流面積較大，本身又是實心結構，比較厚實，因此能夠較長時間的提供機械脈沖，即使有一定程度的沖蝕，也不會影響工具的整體效果。現有振動固井工具十分容易被沖蝕，損耗極快。

（3）工具芯軸在工作過程中一直在旋轉，水泥漿沿著芯軸軸向流動，因此水泥漿對芯軸的沖蝕幾乎沒有，芯軸有足夠長的壽命完成工具工作過程。

（4）工具的振動頻率取決于葉輪的轉速，因此，工具能夠產生遠高于現有工具的工作頻率，對水泥漿的性能能夠更有效的優(yōu)化。

3 室內實驗

3.1 工作頻率試驗

工具的動力來源主要是固井時的水力脈沖，因此，用實驗室的F500泵模擬提供相應的動力，首先對工具葉輪進行空載轉速實驗，測試在設計條件下葉輪的轉速，然后組裝工具進行負載實驗，負載情況下，葉輪在以清水為動力源的情況下，轉速達到了12000rpm以上，由此計算出工具振動頻率200Hz以上，達到了設計標準。

3.2 振動振幅試驗

工具的振動由偏心塊產生，因此工具產生的振動振幅大小取決于偏心塊的偏振力，經過振幅測試儀測試，工具可以產生3～4mm的振幅，工具接入管串后振幅會變小，因此符合工具高頻低振幅的設計理念。

3.3 工作時間試驗

工具的壽命取決于葉輪在水泥漿中工作時的耐沖蝕性，以及其他零件在高頻低振幅的振動下疲勞強度，室內實驗測試，工具可以工作200h以上，但考慮到水泥漿對葉輪的沖蝕更大，工具使用壽命需要進一步測試。

4 試驗應用

4.1 室內試驗

將工具水平放置在水泥槽內，通過工具上下兩端的接頭提供動力并建立循環(huán)，工具工作1min，水泥槽內的水泥性能改善明顯，流動性顯著提高，大塊顆粒消失，等水泥凝固后，對比未使用工具改善性能的水泥漿，工具效果明顯，證明振動固井工具確實可行、有效。

4.2 現場試驗

徑向振動固井工具在大慶油田采油八廠芳5-5區(qū)塊實驗10口井，固井優(yōu)質率達到80%，合格率達到100%，同比該區(qū)塊未使用振動固井工具的其他井，固井優(yōu)質率明顯提高。

5 結論

（1）徑向振動固井工具將水泥漿的能量轉變?yōu)闄C械能，產生徑向高頻低振幅的脈沖波，可以有效地改善水泥漿性能，從而提高固井質量。

（2）在固井過程中，通過振動固井工具的作用，可以有效的改善環(huán)空環(huán)境，減少泥餅。

（3）徑向振動固井工具在現場使用效果良好，固井優(yōu)質率大幅度提高，固井合格率達到100%，為后續(xù)施工創(chuàng)造了良好的條件。

（4）下一步將進行振動固井工具推廣，對葉輪及偏心塊進一步優(yōu)化設計，提高工具使用壽命。

參考文獻

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