多级涡轮脉冲振动固井装置

1．简介

在地下钻井后，孔径大于套管直径，在套管外形成环空区域，在套管外环空指定范围内，注以水泥或用其它材料充填的过程叫固井。具体为通过套管将水泥浆注入井底，进入套管与井壁之间的环空内，直至达到设计高度。固井的目的是将套管和井壁的环形空间封固起来，以封隔油气水层，使套管成为油气通向井中的通道。固井过程中需要在套管柱的最下方安装涡轮式固井振动器，对水泥浆进行振动，以保证水泥自身密实且填实井壁上的凹陷处。

2．作用

振动固井技术可提高顶替效率，消除水泥石中的气泡、形成完好的水泥环，缩短候凝时间，防止固井后候凝“失重”时油、气、水窜，有利于提高两个界面的胶结强度，是提高固井质量行之有效的方法之一。涡轮式固井振动器具有结构简单、工作可靠的特点，在不同的固井注替排量下，具有振动频率可调节。从江苏油田现场试验应用表明，采用涡轮式固井振动器注水泥固井技术能够有效提高固井质量，为油气井有效开发提供了重要保障。

1）振动对水泥浆固化强度的影响

给水泥浆浆体中建立振动场，无论振动场强弱都能使水泥浆的固化强度提高，这与建筑行业中普遍使用振动设备加工混凝土预制件的原理相同。因为，振动能排除固井水泥浆中的气泡，使水泥浆得到充分水化，而且密度均匀，有利于在油水井套管环空中形成坚硬而完整的水泥环。前苏联乌发石油研究院科技人员通过室内试验．证实了这样一种结论，即对水泥浆建立振动场，不论振动场强或弱，均可提高水泥石的强度。当作用在水泥浆上的振动频率为15Hz～175Hz，水泥石的强度能提高18%～20%。

2）振动降低钻井液粘度提高固井顶替效率

在广谱低频振动作用下，钻井液的切力降低20 %以上，利于提高顶替效率。试验表明，在频率为15～45Hz的振动场中，钻井液的粘度将下降20～30%，有利于清除套管外壁的钻井液膜和井壁的滤饼。在此振动频率范围内，只需5～15s就可以完全清除岩石试样表面的滤饼。

3）振动增加界面的胶结强度   

振动固井可以使胶结面的钻井液残留减少、顶替效率提高，密封承压能力大为提高，总体上界面胶结质量得到显著提高。美国科学家Coke做了两组试验，把水泥浆放入不同尺寸的同心管之间，一组振动一组不振动，待水泥浆固化后，分别在二组试验装置的上部用水加压。在未振动的一组中，当压力加至2.07MPa时，水泥与管子的胶结面开始渗漏。在振动的一组中，当压力加至16.5MPa时，胶结面才产生渗漏，说明振动确实增加了界面的胶结强度。

4）振动改变界面的胶结环境

振动固井可以改变水泥浆的顶替流态，其周向流速给井壁增加周向剪切驱动力，易于携带近井壁的泥浆和冲刷井壁上的泥饼，特别在不规则井径处以及对因套管偏心造成的窄边的泥浆顶替，效果将会更加明显；结合轴向流的轴向驱替，形成周向流携带与冲刷和轴向流的轴向驱替联动作用，可大幅提高顶替效率。因其增加了主流对井壁的接触面积，有利于在较低流速下有效清除钻屑和泥浆。

5）下套管时如遇砂卡，可接泵循环，振动可解卡。

3．工作原理

涡轮式固井振动器安放在套管柱最底部即引鞋的上方浮箍的下方，在注水泥前循环钻井液，流体通过承托盘斜孔，作用于心轴上的叶栅，使叶片带着偏心转子旋转，将产生作用在套管柱上的周期性载荷，套管柱在这个周期性载荷（激励）作用下，产生振动，振动波从井底向上传递，进而在整个环形空间形成振动波场，在振动波的作用下，套管柱和钻井液产生振动，振动波冲刷套管柱和井壁上的泥饼、改善钻井液的流变性能，使钻井液易于流动，从而提高顶替效率，利于水泥环与套管柱和井壁胶结，为提高固井胶结质量奠定基础。

4．基本参数

139.7mm涡轮式固井振动器的各项特性基本参数如下表所示：

95mm、89mm侧钻井固井振动器的各项特性基本参数如下表所示：

177.8mm、168mm涡轮式固井振动器的各项特性基本参数如下表所示：

5．内部结构

2.涡轮叶片 4.承托盘 4a.承托盘上的固定槽 4b.倾斜孔5.偏心块

6．总装结构

7．规格型号

注：规格是套管直径；型号中的6、4是涡轮的级数；139.7、177.8是套管直径；95、89是小套管直径；联接形式是扣型。

8.操作方法：

1.使用前检查连接丝扣有无损坏，包装或护丝是否完好，确保振动器内无杂物落入。

2.涡轮式固井振动器必须安放在套管柱中浮箍的下部。

3.确保钻井液中无长纤维状物体，严防水、浆、灰有编制袋或者草等长纤维状物体入内。

4.下井前在地面先试验，确保转子旋转正常。（实验时手摸套管振感明显）。

5.在与套管连接时。杜绝用套管钳打在振动器本体位置，必须是打在接箍处，负责将导致振动器的损坏和失效。