马雪莲
(中石化胜利石油工程有限公司固井技术服务中心 山东省东营市 257000)
摘要：关于振动固井相应技术的研究，前苏联和美国一直处于领先地位和水平。早在上世纪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。国外已经进行大量的室内研究、地面模拟试验和现场应用。国内外振动固井技术和振动装置在从清洗到候凝的整个过程对提高固井质量都是有利的，表现在提高对钻井液的顶替效率和水泥石凝固强度，使水泥环界面胶结质量得到提高。通过使用各种振动装置和振动固井工艺来实现振动波在固井中的应用。本文结合当前的技术研究井下螺杆马达双向振动固井工具，希望可以给固井工具的研制提供一定的参考。
关键词：螺杆马达；双向振动；固井工具
振动波技术最早应用于建筑行业的混凝土浇注过程，在水泥浆灌注中，振动强化技术应用很早很广泛，通过振动的施加可以减少灌注水泥石空隙、提高水泥石密度及强度。在油气井固井过程中也很早就有了振动固井技术。振动固井装置产生的压力脉冲会引起三种振动:套管径向振动;套管纵向振动;井底以及环空空间内流体的压力脉冲。实验以及实践证明，利用振动固井技术可以从多方面改善固井质量。另外一方面，己有相关文献研究得出振动可以使流体流态、流变性发生改变，因而有以下作用:提高水泥界面的胶结强度;水泥浆的侯凝时间大幅缩短;水泥浆的静切力得到减少或消除;提高注水泥顶替效率，从而将提高固井质量。
1振动固井的重要性
固井是石油工程建井过程中加固井眼、保持井眼稳定的重要环节之一。固井不仅在钻达油气目的层后进行，在钻进途中有时也要进行固井，现在越来越多井深达数千米的油气井，井喷、井坍、井漏等异常复杂情况常常出现在钻井过程中，影响正常的钻进，甚至导致无法继续钻进。遇到这种情况就应采取固井措施，封隔好复杂地层后，再进行钻进，有的井甚至要进行几次固井。固井的目的是为了封隔油层、气层、水层，加固井眼，建立密封性能良好的井内流体流动通道，以保证继续安全钻进，保证后期试油、增产措施等作业和相关生产的正常顺利进行。固井的技术水平和质量的高低直接影响着油气井的建井质量和油气井的生产能力、采收能力及寿命等综合开发效益。固井是油气田开发建设的基础工程，提高固井技术水平和质量是油气田长期稳产的需求。固井工程又是一次性作业工程，如果固井质量不好，一般情况下不容易补救，而且补救的成本也很高。固井涉及化学、流体力学、热力学、固体力学等多学科的内容，而且在工程实际中，它受到许多因素的综合影响，这增加了固井过程中的不确定性因素，从而增加了固井工程的难度。生产实践表明，在高压储层特别是气层容易出现气窜和水窜，而在水泥浆候凝期间的失重往往会导致环空窜槽。另外在气井、小环空间隙井段固井时，固井顶替效率偏低，尤其井径规则程度差的井段。一般情况下，仅通过水泥浆外加剂或常规固井工艺技术的提高难以提高固井质量，这就需要振动固井工具来达到设计要求。
所谓振动固井是在下套管、注水泥、顶替和候凝过程中，采用机械振动、液压或空气脉冲、水力冲击等手段，产生振动波作用于套管、钻井液和水泥浆来提高固井质量的一项新技术。当前己得到应用的振动固井技术从发生方式上可以分为机械式振动固井、磁致伸缩式振动固井、压电陶瓷式振动固井、声频振动固井、地面环空水力或空气脉冲振动固井等方式。振动固井技术由来已久，振动固井是提高固井质量的新方法，该技术的不仅能解决固井质量不高的问题，同时还能调节水泥浆和钻井液的工艺性能，不仅可以提高水泥界面固井质量，还能提高水泥浆的抗压强度，减少水泥浆的静切力，降低水泥浆的失重，从而提高水泥石强度，消除水泥石中的气泡，提高顶替效率，缩短候凝时间，防止固井后油、气、水互窜，有利于提高第一和第二胶结面的强度。
2 井下螺杆马达双向振动固井工具结构模型
水力脉冲式振动固井工具只产生轴向振动，且振动幅值不可控制。涡轮振动固井工具主要产生径向振动，偏心块结构单一，可控性差。随着振动固井对振动参数精确度和振动波效果要求的提高，迫切需要一种既能产生双向振动又能通过调整参数改变振动频率和振动量级的固井工具。通过对水泥浆所需振动频率和振幅的调研，研制了井下螺杆马达双向振动固井工具。该工具设定的振动频率范围为5-15Hz，振幅范围为0. 3-0. 7 MPa。
井下螺杆马达双向振动固井工具为单头螺杆马达，由马达总成和轴向节流阀组件组成(见图1）。马达总成由转子和定子组成。转子中上部分是一根表面镀有耐磨材料的钢制螺杆，转子下部分为引鞋形状端头，端头内部中空，端头上部与外部导通;定子是一根在内壁硫化有橡胶衬套的钢管，橡胶衬套内孔为一个螺旋曲面的型腔;转子在定子型腔内做平面行星运动，产生离心惯性力，从而造成工具的横向振动。
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图1井下螺杆马达双向振动固井工具
其中，1-上接头;2-挡板;3-定子;4-转子;5-动阀;6-上护套;7-密封圈;8-静阀;9-下护套;10-支撑短板;11-下接头。
轴向节流阀组件由上护套、动阀、静阀、支撑短节和下护套组成。上护套通过螺纹连接固定在转子的下端;动阀固定在上护套和转子之间，动阀外径和上护套内径之间通过密封圈密封，动阀随着转子一起产生平面行星运动;静阀固定在支撑短节和下护套之间，静阀外径和下护套内径之间通过密封圈密封;支撑短板上端与下护套通过螺纹连接在一起，支撑短板下端通过螺纹连接固定在下接头上端。通过动阀的横向往复移动，造成水泥浆流经轴向节流阀组件的横截面积周期变化，进而使得轴向节流阀组件下端流出的水泥浆压力周期性变化，最终造成水泥浆的轴向振动。井下螺杆马达双向振动固井工具安装在套管串的底端，能够在水泥浆循环阶段实现井下双向振动。在注水泥浆过程中，依靠高压水泥浆驱动产生的横向振动和轴向振动从套管串的底端向上传播，并扩散至环空，在井壁和套管之间的环空形成振动场，使得水泥浆密实度增加，进而提高了界面胶结强度和固井质量。
经计算得出：
（1）通过推导得出了井下螺杆马达双向振动固井工具横向振动频率和激振力计算公式，计算得出该工具的横向振动频率为7. 74 Hz，激振力为1591 N。可通过调节流量和马达每转的排量来改变横向振动频率。根据所需要的横向激振力，可通过调节转子长度、偏心距和等距半径系数来调整参数。
（2）随着动阀的移动，该工具产生水击作用。通过流体力学分析得出该工具轴向振动频率和水击压力公式，为后续工具的优化设计提供了理论指导。
（3）对该工具进行了水击力变化测试，测试结果表明:当入口流量为30 L/s时，水击力波动的幅值为0. 5 MPa左右，满足设计要求。
参考文献:
[1]王友文. 振动对水泥浆/水泥石性能影响规律研究[D].中国石油大学(北京),2018.
[2]尹宜勇,刘硕琼,王兆会.振动固井电力振动器激振力和振幅分析[J].石油钻采工艺,2016,38(03):327-330.
论文作者:马雪莲
论文发表刊物:《论证与研究》2020年1期
论文发表时间:2020/5/6