水力脉冲振动技术提高固井质量的研究与应用.pdf

钻采工艺2007年3月

·02·DRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYMarch2007

钻井工艺

水力脉冲振动技术提高固井质量的研究与应用
刘小利,夏宏南,王小建,陶谦,张旭
(长庆石油勘探局工程技术研究院)

刘小利等.水力脉冲振动技术提高固井质量的研究与应用.钻采工艺,2007,30(2):20-21,36
摘要:河南双河油田长期以来经过分层布井、三次加密钻井、高压注水和大排量强抽,形成了地下高压层、
常压层、低压层共存的多压力体系,层间压差大,产层水淹严重等情况,由此,给固井质量带来严重影响,固井质量
一次合格率逐年下降。通过调研得知在建筑行业的混凝土浇注过程中,采用振动脉冲技术可清除蜂窝孔洞而使水
泥石胶结致密,从而提高混凝土与钢筋间的胶结强度,依据这种原理,在固井施工过程中采用振动技术,水力脉冲
振动器产生的振动波,能有效地改善水泥浆与地层、套管的胶结质量,可以提高环空封固段内水泥石胶结质量。
关键词:振动脉冲;胶结强度;固井;环空
中图分类号:TE256文献标识码:A文章编号:1006-768X(2007)02-0020-02

振动固井技术在国外起步很早,并发展很快。11套管径向水击
发表了少量的振动固井专利,这些发明,大部分是由水力脉冲振动发生器周期性地改变套管鞋处过
[1]
美国科研人员在国外申请的。美国和前苏联科流断面,实际上是一种周期性的截流动作。为了便
研人员主要从振动固井理论、振动固井设备、振动固于对这种周期性开关截流造成套管水击的基本理
井现场试验三个方面进行研究,其中对振动固井设解,尽可能地考虑一个最简化的系统(图1)。
备研究较多,在理论方面,研究了振动对水泥石的胶
结强度、固井顶替效率、水泥候凝时间、环空水泥柱
压力等影响。在振动固井装置研究方面,已研究出
多种型式的振动装置。按其安放位置分有地面的、
井口套管上的、井底套管上方的和非固定式振动波
发生器。按作用原理分有机械式、磁致伸缩式等,目
前使用最广泛的是水力脉冲式振动器。

一、水力脉冲振动固井技术的基本原理图1振动器在套管窜中装配图

所谓水力脉冲振动固井技术,就是在井底套管这是一段直径不变流向远处的U型管线,旋转
鞋上方,安装一个水力脉冲振动发生器,在洗井、注片安装在管线底部出口处。为简化分析,管内的摩
水泥、顶替泥浆过程中,产生一个作用在套管、钻井阻就忽略不计。
液、水泥浆和井壁的振动波,从而改善固井质量的一当终端旋转片逐渐关闭时,紧挨着旋转片的
项新技术。“第一层”液体逐渐减速,其动能转化为势能,液体
水力脉冲振动发生器是在套管内流动液体冲击被压缩,套管被胀大,压力增加ΔH。“第一层”液体
力的作用下,周期性改变该位置的过流断面,实际上减速之后阻碍“第二层”流体的流动,“第二层”液体
是在套管底部产生一种周期性截流动作,从而产生又阻碍“第三层”流体的流动,依次类推,使液体一
一个周期性的激振力。这个激振力主要产生三种脉层接一层地被压缩,套管从下向上一节一节地被胀
冲振动作用。大,管内液体压力一段接一段地被提高。这样的变
化致使套管以径向扩张波的形式由下向上沿套管壁

收稿日期:2006-07-30;修回日期:2007-02-15
作者简介:刘小利(1982—),长江大学硕士在读,油气井工程专业,主要从事钻井仪器和钻井工艺等方面的研究开发工作。地址:
(434023)湖北省荆州市长江大学石油工程学院04级研究生信箱,电话:[phone],E—mail:[e-mail]
第30卷第2期钻采工艺

Vol.30No.2DRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGY·12·

传播。与此同时,这种径向扩张波作用在吸附在套止旋转片被冲掉,堵住下部圆型头循环孔,造成憋
管壁上的泥浆液膜、环空泥浆或水泥浆、井壁滤饼,压。因此,采取以下设计措施,前端结构是采取圆型
使这些颗粒在其平衡位置作水平方向振动,即在水头使用硬塑料压进壳体,万一出现上述情况,旋转片
平方向产生了位移、速度、加速度[2]。和硬塑料圆型头在不到0.5MPa压力下被冲掉。这
21套管纵向振动样不会造成施工事故。
由于套管底端振动器的周期性截流动作,将在21振荡套管鞋的内循环孔尺寸设计
沿套管轴向方向产生一个周期性的脉冲激动振动力按浮箍浮鞋设计标准要求,最小循环孔直径必
[G]。设计向量{Q}表示结构位移分量,{Q′}和须大于65mm,考虑到实际工艺装配限制,将内循环
{Q″}分别是广义结构速度和加速度,套管与流体之孔设计为88mm。
间的动力相互作用由式(1)、式(2)来描述:31振荡套管鞋的旋转片直径设计
[M]{Q″}+[C]{Q′}+[K]{Q}={Q}(1)振荡套管鞋的最大阻力损失系数和最