套管振動器系統配套及性能測試研究

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(1.中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580；2.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)①

油氣井鉆井過程中，固井質量的好壞直接影響著油井的壽命及后續開發的經濟效益[1]。隨著勘探開發的不斷深入，固井質量問題也越來越突出。勝利油田老油區經過長期的分層布井、三次加密鉆井、高壓注水和大排量強抽，形成了地下高壓層、常壓層、低壓層共存的多壓力體系，同時層間壓差大，產層水淹嚴重，對固井的質量帶來了嚴重影響[2-3]。提高調整井固井質量已成為油田開發和固井亟待解決的問題。

振動固井技術是在下套管、注水泥、頂替水泥或水泥漿候凝過程中，用機械振動、液壓脈沖、水力沖擊等手段產生的振動波作用于套管、鉆井液和水泥漿來改善固井質量的一項新技術[4]。按工具安裝位置不同分為井口振動、井底振動和套管內振動等多種型式[5-7]。國內外研究表明，振動固井技術能夠顯著提高水泥石強度和界面膠結質量。套管振動器系統是在水泥漿候凝初期，利用車載絞車通過電纜將振動器下入到套管內指定位置實施振動，振動波穿過鉆井液和套管在水泥漿中傳播，從而改善水泥漿水化過程，增加均勻性和密實性，補償水泥石收縮，提高界面膠結強度和水泥石抗壓強度，最終提高固井優良率。

1 技術分析

1.1 系統組成及工作原理

套管振動器系統主要由地面控制單元、傳輸電纜、電纜接頭及套管振動器等組成，如圖1所示。地面控制單元將井場380 V交流電轉換為頻率和電壓可調的交流電，經過5 000 m傳輸電纜和電纜接頭后，傳送到振動器的交流變頻電機。驅動電機按指定頻率旋轉，電機帶動振動器偏心塊旋轉，從而產生有規律的圓周振動。該振動通過鉆井液、套管傳播到水泥漿，引起水泥漿周期性波動，改善水泥漿水化性能，增加水泥石的均勻性和密實性，提高水泥石強度和膠結質量，達到提高固井質量的目的。

1—電源；2—地面控制單元；3—傳輸電纜；4—電纜接頭；5—振動器。

1.2 技術特點

1) 套管振動器提高固井質量技術與其它的振動固井技術相比，距離目標層位近，能量利用率高。

2) 整套系統可重復使用，利用率高，節省成本。

3) 振動位置可根據需要有目的選擇，針對性強。

4) 水泥漿候凝初期振動，固井質量明顯提高。

1.3 主要技術參數

地面控制單元輸入電壓AC 380V、輸出電壓AC 380～1140V、輸出頻率50～100 Hz；電纜長度5 000 m；振動器電機額定電流約2 A、額定電壓380 V、本體外徑100 mm；振動器系統適應套管尺寸139.7 mm(壁厚7.72 mm或9.17 mm)、井斜小于60°。

2 套管振動器系統配套

2.1 地面控制單元

2.1.1功能

1) 變頻功能。將井場工頻50 Hz交流電，轉換為頻率為50～100 Hz可調的交流電。

2) 輸出電壓自動調節功能。雖然傳輸電纜長度及電阻值一定，但振動器在套管內工作時，外界負載變化引起振動器工作電流變化，從而使電纜壓降改變，系統電壓關系滿足公式(1)。

U0-Ux=Ui
Ux=I×R

(1)

式中：U0為地面控制單元輸出電壓；Ux為傳輸電纜壓降；Ui為振動器電機輸入電壓；I為振動器電機電流；R為傳輸電纜電阻。

因振動器電流改變，引起電纜壓降變化，要維持振動器電機輸入電壓不變，必須實時調節地面控制單元輸出電壓。

2.1.2系統設計

地面控制單元由主回路和控制回路2部分組成。

主回路主要包括進線斷路器(QF)、變頻器(P)、正弦波濾波器(GL)、升壓變壓器(T)和真空接觸器(KM)等，如圖2所示。進線斷路器(QF)開啟和關斷系統電源，變頻器(P)調整輸出電能的頻率和電壓，正弦濾波器(GL)將輸出電壓波形濾為方波，升壓變壓器(T)將輸出電壓升高和變頻器(P)共同調整系統輸出電壓，使輸出符合控制要求、真空接觸器(KM)控制電機(M)的運行。

圖2 地面控制單元主回路

控制回路主要由PLC控制系統、人機交互界面和測量儀表等組成。如圖3所示。PLC 控制系統[8-9]采用西門子1200 系列可編程控制器作為下位機，主要由485 通信模塊、CPU、AI 模擬量模塊組成。CPU 為系統作邏輯運算，通過D I/O 數字輸出，控制真空接觸器和變頻器的運行、停止；通過AI 模擬量模塊控制變頻器的輸出電壓和頻率；485 通信模塊采用RS485 通訊，接收電力測量儀表的數據；通過以太網和觸摸屏做人機界面數據的交換。

圖3 地面控制單元控制回路

2.1.3配套

根據設計方案，配套了地面控制單元樣機，如圖4所示。地面控制單元主要技術參數如表1所示。

圖4 地面控制單元樣機

輸入電壓/V輸出電壓/V變頻器功率/kW變頻范圍/Hz升壓變壓器容量/kVA380380～11401150～1007

2.2 傳輸電纜

傳輸電纜是電能的傳輸通道。套管振動器作業方式與射孔類似，故參考了射孔三芯電纜的結構。但是射孔作業電壓比較低，而套管振動器電機啟動瞬間地面控制單元輸出電壓高達1 000 V，因此增加了傳輸電纜絕緣層厚度，并使用更高級別的耐高溫絕緣材料。

傳輸電纜的截面如圖5所示[10]。從內到外依次為銅絞線(直徑1.2 mm)、絕緣層(厚度1 mm)、填充物、總屏蔽層、內層鋼絲(直徑1 mm)、外層鋼絲(直徑1.26 mm)。圖6為配套的5 000 m傳輸電纜。

1—外層鋼絲；2—內層鋼絲；3—總屏蔽層；4—絕緣層；5—銅絞線；6—填充物。

圖6 傳輸電纜

傳輸電纜主要技術指標如表2所示。

2.3 電纜接頭

電纜接頭是傳輸電纜與套管振動器之間的連接紐帶，主要作用如下：

1) 可靠連接電纜和井下儀器。

表2 傳輸電纜主要技術參數

2) 采用特殊密封、絕緣設計，保證電能順利傳至井下振動器。

3) 專用弱點設計，保護電纜，弱點的額定拉斷力不超過電纜額定破斷力的50%[11]。

電纜接頭主要由橡膠尾錐、打撈帽、主體、椎體三件套、弱點、螺紋套、護帽及特殊密封結構等組成，如圖7所示。橡膠尾錐保護連接處電纜；打撈帽用于落井后的打撈；椎體三件套包括小錐套、中錐套和大錐套3件，錐套錐度均為3°，電纜外層鋼絲卡在大錐套與中錐套之間，內層鋼絲卡在小錐套與中錐套之間，利用錐套的錐度自鎖，保證與電纜的可靠連接，如圖8所示；弱點設計額定拉斷力為36 288 N，遇阻解卡失敗時先拉斷弱點，既保護電纜，也便于打撈；電纜接頭通過螺紋套與井下振動器連接。電纜接頭技術參數如表3，連接好的電纜接頭如圖9所示。

1—橡膠尾錐；2—打撈帽；3—椎體三件套；4—密封腔；5—弱點；6—主體；7—螺紋套；8—護帽。

1—大錐套；2—中錐套；3—小錐套。

圖9 電纜接頭

2.4 振動器

振動器主要由上接頭及護帽、電機短節、偏心短節和橡膠扶正短節等組成，如圖10所示。

表3 電纜接頭主要技術參數

1—橡膠扶正短節；2—偏心短節；3—電機短節；4—上接頭及護帽。

圖10 振動器結構示意

電機轉子軸與偏心軸相連接，電機旋轉從而驅動偏心塊旋轉，產生徑向振動。橡膠扶正短節中的橡膠塊一方面起扶正作用，改善振動器在套管內的工作狀態；另一方面，減輕振動器對套管的機械沖擊，保護套管及接箍。上接頭與電纜接頭下端連接。振動器主要技術參數如表4所示，配套的振動器樣機如圖11所示。

表4 振動器主要技術參數

圖11 振動器

3 振動器系統性能測試

在完成地面控制單元、傳輸電纜、電纜接頭及振動器系統配套后，進行了系統室內聯調試驗。試驗井筒為埋入地下的標準套管，套管周圍用水泥固定。套管外徑139.7 mm，壁厚9.17 mm，套管長度4 m。

3.1 測試過程

1) 將輸入電源、地面控制單元、傳輸電纜、電纜接頭及套管振動器等按次序連接好。

2) 試驗井筒內注滿鉆井液，并將振動器及電纜接頭放入試驗井筒內。

3) 地面控制單元通電，閉合進線斷路器，等待20 s，完成系統初始化。參照圖12在觸控屏上設置系統參數。

圖12 參數設定

4) 將觸摸屏切換到系統界面，設置變頻器頻率為50 Hz，按下柜體上的啟動按鈕，系統啟動變頻器，輸出電壓穩定后電機接觸器自動吸合，振動器開始工作，運行界面如圖13所示，記錄運行時間及運行參數。直到試驗完成，按下柜體上的停止按鈕，電機接觸器斷開，工作結束。

圖13 控制單元運行界面

5) 在55～100 Hz范圍內調整變頻器輸出頻率，頻率間隔為5 Hz，振動器在設置頻率下運行，試驗過程同4)。

3.2 測試結論

1) 由地面控制單元、傳輸電纜、電纜接頭及振動器組成的整套系統參數匹配良好，連續工作可達4 h以上，性能穩定。

2) 振動器穩定運行頻率為50～60 Hz；當頻率超過65 Hz，運行電流逐步升高，經分析為頻率升高，電機超負荷運行所致。

3) 振動器電機啟動時電流大于3 A，正常運行電流為1.7～1.9 A，電流變化范圍較大，地面控制單元輸出電壓能夠跟蹤電流波動自動調整，始終保持振動器電機輸入電壓為額定電壓(380 V)。驗證了地面控制單元輸出電壓具有自適應調節特性。

4 結論

套管振動器系統配套及性能測試是應用研究的基礎，是現場應用之前的關鍵環節。經室內性能測試表明，該系統應用井深可達5 000 m，適應套管尺寸為139.7 mm，穩定運行頻率為50～60 Hz，且具有運行電壓隨電流變化自動調節等功能，自動化程度較高，完全滿足現場使用條件，為下一步推廣應用奠定了基礎。

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