梅明佳，　江維，　魏周勝

偏心機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用

梅明佳1，江維2，魏周勝1

（1.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶固井公司，西安710018；2.德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州253034）

梅明佳等.偏心機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2016，33（4）：97-100.

為提高長(zhǎng)慶油田注水調(diào)整更新井固井質(zhì)量，試驗(yàn)應(yīng)用了一種偏心機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)。在室內(nèi)采用ZD-34電動(dòng)振動(dòng)器評(píng)價(jià)裝置對(duì)振動(dòng)器進(jìn)行室內(nèi)模擬，對(duì)水泥漿振動(dòng)后的抗壓強(qiáng)度、膠結(jié)強(qiáng)度、稠化時(shí)間、初終凝過(guò)渡時(shí)間和滲透率進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，振動(dòng)后水泥漿稠化時(shí)間縮短25%～30%，初終凝過(guò)渡時(shí)間縮短30%～50%，水泥石24 h抗壓強(qiáng)度提高10%～14%，膠結(jié)強(qiáng)度提高11%～16%，滲透率降低33.3%～43.9%。該技術(shù)在長(zhǎng)慶油田吳堡區(qū)塊應(yīng)用5口井，試驗(yàn)井油水層封隔良好，總體固井優(yōu)質(zhì)率提升20%以上。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，偏心機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)可以有效提高固井質(zhì)量，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

固井； 固井質(zhì)量； 偏心機(jī)械式； 調(diào)整更新井； 長(zhǎng)慶油田

長(zhǎng)慶油田為提高超低滲透油藏采收率及單井產(chǎn)量，普遍采用超前高壓注水等增產(chǎn)措施。長(zhǎng)期注水開(kāi)采，地層壓力復(fù)雜，形成多壓力體系，固井防漏壓穩(wěn)難度大，固井施工結(jié)束水泥頂替到位及候凝期間出現(xiàn)水泥漿稀釋及竄槽，固井質(zhì)量較差，部分井固井后出現(xiàn)井口出水［1-3］。偏心機(jī)械式振動(dòng)器連接電纜后可在套管內(nèi)調(diào)節(jié)位置，振動(dòng)能量能有效傳遞到預(yù)設(shè)層位，在水泥候凝期間起作用，促進(jìn)水泥水化，提高水泥早期強(qiáng)度，可解決水泥候凝期間的油水竄問(wèn)題。該技術(shù)近2年在江蘇、勝利等油田成功應(yīng)用，2015年在長(zhǎng)慶油田應(yīng)用該技術(shù)，在吳堡區(qū)塊應(yīng)用5口井，注水層位固井質(zhì)量改善較明顯，試驗(yàn)井總體固井優(yōu)質(zhì)率提升20%以上。

1　偏心機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)

早在20世紀(jì)60年代，以美國(guó)和前蘇聯(lián)為代表，國(guó)外就開(kāi)始了振動(dòng)固井相應(yīng)技術(shù)的研究工作。振動(dòng)固井技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)起步較晚，目前尚處于研究認(rèn)識(shí)和初步開(kāi)發(fā)階段。在中國(guó)應(yīng)用的振動(dòng)固井技術(shù)有井下水力脈沖振動(dòng)發(fā)生器、井口脈沖振動(dòng)固井裝置、渦輪式井下徑向振動(dòng)固井裝置，在遼河、松南、勝利、鄂爾多斯、江蘇等油田進(jìn)行了多口井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，均取得較好的固井效果［4-6］。偏心機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)與其他振動(dòng)固井技術(shù)相比，具有操作簡(jiǎn)單、在水泥漿候凝期間作用、振動(dòng)能量可有效傳遞到預(yù)設(shè)層位的特點(diǎn)，更適合在注水調(diào)整井中應(yīng)用。長(zhǎng)慶油田引入該技術(shù)并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。

1.1EC-M偏心振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，選用了EC-M偏心機(jī)械式振動(dòng)裝置。該裝置儀器可靠性良好，可連續(xù)工作4 h以上；適應(yīng)井斜范圍廣，可以在50°內(nèi)的定向井中使用；具有良好的耐溫耐壓性；地面控制系統(tǒng)直觀(guān)，易于調(diào)節(jié)。

EC-M振動(dòng)器主要由馬籠頭、電機(jī)、偏心結(jié)構(gòu)、振動(dòng)短節(jié)組成，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)電機(jī)頻率為50 Hz，偏心塊為1/4圓弧，理論計(jì)算偏心塊產(chǎn)生的最大激振力為8 077.99 N，室內(nèi)模擬測(cè)試振動(dòng)器對(duì)套管的激振力為300～800 N。

圖1　振動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

EC-M振動(dòng)器直徑為102 mm， 長(zhǎng)度為1 000 mm，重量為50 kg，耐溫達(dá)200 ℃，耐壓達(dá)100 MPa，振動(dòng)頻率為30～50 Hz，振動(dòng)功率為0.8～1.5 kW，工作電壓為380 V交流電，額定功率為3 kW，適用套管尺寸為φ139.7 mm。

1.2振動(dòng)裝置的工作原理

振動(dòng)裝置通過(guò)電纜下入套管中，到達(dá)預(yù)設(shè)位置后，啟動(dòng)振動(dòng)器，電機(jī)帶動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生有規(guī)律的徑向振動(dòng)，振動(dòng)波通過(guò)鉆井液、套管傳至套管與井壁之間的環(huán)空，可以使水泥充分水化，有利于在環(huán)空形成完整的水泥環(huán)，提高水泥的抗壓強(qiáng)度和界面膠結(jié)強(qiáng)度；縮短水泥漿過(guò)渡時(shí)間，提高水泥漿防氣竄性能；減小或消除水泥漿的靜切力，減小水泥漿失重效應(yīng)，有效阻止地層流體竄入［7］。

2　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

采用一種ZD-34電動(dòng)振動(dòng)器對(duì)水泥漿的各項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，圖2為實(shí)驗(yàn)裝置圖。該電動(dòng)振動(dòng)器的直徑為34 mm， 工作電壓為380 V， 振動(dòng)頻率為30～60 Hz， 振動(dòng)功率為1.5 kW， 激振力為500 N。

圖2　ZD-34電動(dòng)振動(dòng)器示意圖

如圖2所示，ZD-34電動(dòng)振動(dòng)器為一種小型插入式振動(dòng)棒，振動(dòng)器放入模擬井筒中，模擬現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)作業(yè)。評(píng)價(jià)裝置振動(dòng)頻率與振動(dòng)器井下作業(yè)的工作頻率接近，工作功率與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)相當(dāng)。因此，利用該評(píng)價(jià)裝置可以較好地評(píng)價(jià)振動(dòng)器的振動(dòng)效果。

室內(nèi)按照GB/T 19139—2012，對(duì)長(zhǎng)慶油田區(qū)域所用的G級(jí)水泥凈漿、早強(qiáng)水泥漿、降失水水泥漿和膨脹水泥漿進(jìn)行性能測(cè)定，然后用室內(nèi)評(píng)價(jià)裝置對(duì)水泥漿體系進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)器振動(dòng)頻率為50 Hz，振動(dòng)3 min后測(cè)定水泥漿性能變化。水泥漿振動(dòng)前后的性能變化見(jiàn)表1。水泥漿配方如下。

早強(qiáng)水泥漿九連山G級(jí)水泥+1.8%早強(qiáng)劑GJ-F

降失水水泥漿九連山G級(jí)水泥+2.5%降失水劑G307A+0.2%減阻劑USZ

膨脹水泥漿九連山G級(jí)水泥+2.5%G307A+ 2%膨脹劑GJ-Z+0.3%USZ

由表1可知，振動(dòng)后水泥石24 h抗壓強(qiáng)度提高，膠結(jié)強(qiáng)度提高，滲透率降低，稠化時(shí)間縮短，水泥漿初終凝過(guò)渡時(shí)間縮短。

表1　振動(dòng)前后水泥漿性能變化

表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于不同水泥漿，振動(dòng)均能增加水泥石的均勻性和密實(shí)性。在水泥水化的誘導(dǎo)期， 油井水泥中的主要礦物C3S會(huì)快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， Ca（OH）2和C—S—H核開(kāi)始形成，此時(shí)振動(dòng)能量傳遞到漿體， 促進(jìn)C3S發(fā)生水化反應(yīng)， 縮短水泥的誘導(dǎo)期， 促進(jìn)C—S—H的水化反應(yīng)， 達(dá)到增加水泥石早期強(qiáng)度和增加水泥石密實(shí)性的作用［8］。

對(duì)低密度水泥漿體系而言，過(guò)長(zhǎng)的振動(dòng)時(shí)間會(huì)使體系游離液增加，影響體系的穩(wěn)定性。為避免過(guò)長(zhǎng)的振動(dòng)時(shí)間對(duì)體系的不利影響，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)低密度體系，應(yīng)避免對(duì)水泥漿穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。水泥漿游離液含量在振動(dòng)前后的變化見(jiàn)表2。由表2可知，低密度水泥漿在振動(dòng)前后游離液增加不明顯。

表2　不同水泥漿游離液在振動(dòng)前后的變化情況

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)井基本情況

午317-X1井為一口定向井，位于陜西省吳起縣境內(nèi)，完鉆井深為2 164 m，油層1 660～2 127 m，使用的鉆井液密度為1.12 g/cm3，采用一次上返固井工藝。該區(qū)塊主要固井技術(shù)難點(diǎn)為長(zhǎng)期高壓注水，造成地下原始?jí)毫ο到y(tǒng)發(fā)生很大改變，縱向剖面上形成多壓力層系，層間壓力各異，層內(nèi)壓力不平衡，水泥漿很難滿(mǎn)足各層壓力需求，極易發(fā)生油氣水竄。主力油層都不同程度地存在著油水同層、底水活躍、底水推進(jìn)、水淹、油氣水竄、地層壓力異常等嚴(yán)重影響油田生產(chǎn)的不利因素。目前該區(qū)塊主要采用膨脹水泥漿體系，控制水泥漿稠化時(shí)間來(lái)保障固井質(zhì)量，但仍存在水泥漿候凝期間的油、水竄。因此，在該區(qū)塊引入偏心機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)，解決水泥漿候凝期間的竄槽問(wèn)題。

試驗(yàn)井水泥漿為膨脹水泥漿體系，配方為九連山G級(jí)水泥+2.5%G307A+2%GJ-Z+0.3%USZ，稠化時(shí)間為90 min（45 ℃、20 MPa），初終凝時(shí)間為120、150 min，水泥石24 h抗壓強(qiáng)度為28.69 MPa，24 h膠結(jié)強(qiáng)度為2.62 MPa。在室內(nèi)應(yīng)用ZD-34電動(dòng)振動(dòng)器模擬評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)水泥漿性能的影響，測(cè)得振動(dòng)后水泥漿稠化時(shí)間縮短為64 min，初終凝時(shí)間為100、120 min，水泥石24 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到32.42 MPa，24 h膠結(jié)強(qiáng)度為2.96 MPa。

3.2施工概況

1）施工前準(zhǔn)備。套管下到位后建立循環(huán)，調(diào)整鉆井液性能以滿(mǎn)足固井要求，并循環(huán)2周；嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)執(zhí)行固井施工，依次注入8 m3密度為1.5～1.6 g/cm3前置液（200 kg CXY+清水）、39 m3低密度水泥漿（G級(jí)水泥∶粉煤灰=1∶1）、16 m3密度為1.88～1.92 g/cm3尾漿（G級(jí)水泥+2.5% G307A+2%GJ-Z+0.3%USZ），替量27.7 m3碰壓，穩(wěn)壓8 min，泄壓后觀(guān)察斷流。

2）振動(dòng)作業(yè)。將馬龍頭提升至鉆臺(tái)， 迅速完成馬龍頭與振動(dòng)器的對(duì)接，振動(dòng)器在井口試運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，下放振動(dòng)器至第一個(gè)振點(diǎn)井深1 800 m， 下放速度為80～120 m/min， 振動(dòng)器到達(dá)預(yù)定位置開(kāi)始振動(dòng)作業(yè)。 該井在1 800～1 620 m井段實(shí)行點(diǎn)振， 振動(dòng)頻率為50 Hz， 間隔6 m， 每個(gè)點(diǎn)振動(dòng)3～5 min；在1 620～1 000 m井段實(shí)行連續(xù)振動(dòng)，在實(shí)施振動(dòng)作業(yè)的同時(shí)上提電纜， 電纜上提速度為3 m/min。

3）振動(dòng)結(jié)束。在水泥漿終凝前完成全部振動(dòng)作業(yè)，關(guān)閉振動(dòng)器，上提電纜取出振動(dòng)器，結(jié)束施工。

3.3應(yīng)用效果

候凝48 h后，CBL/VDL測(cè)井顯示，該井整體固井質(zhì)量良好，油層封固段固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到98%，有效封隔了油、水層，固井質(zhì)量明顯優(yōu)于未振動(dòng)井。該技術(shù)在吳堡區(qū)塊推廣應(yīng)用5口井，與同井場(chǎng)的鄰井相比，試驗(yàn)井固井質(zhì)量提升較明顯，試驗(yàn)井段總體固井優(yōu)質(zhì)率提升20%以上。5口井固井質(zhì)量及對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表3　試驗(yàn)井與鄰井固井質(zhì)量對(duì)比表

4　結(jié)論與建議

1.應(yīng)用偏心機(jī)械式振動(dòng)裝置提高固井質(zhì)量，不改變現(xiàn)有固井設(shè)備和固井工藝，操作簡(jiǎn)單，是提高固井質(zhì)量的一種有效技術(shù)手段。

2.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)使用電動(dòng)振動(dòng)器模擬評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，振動(dòng)可以縮短水泥漿稠化時(shí)間及初終凝過(guò)渡時(shí)間。振動(dòng)后分析，水泥石的密實(shí)性、早期強(qiáng)度及膠結(jié)強(qiáng)度得到提高。

3.該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用5口井，取得較好的效果，表明振動(dòng)可以促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，增加水泥漿的均勻性，提高一、二界面膠結(jié)強(qiáng)度，防止固井后油氣水竄槽，從而提高固井質(zhì)量。

4.振動(dòng)波的影響范圍尚有待深入研究。

［1］鄭章義.振動(dòng)固井裝置的設(shè)計(jì)及振動(dòng)傳播規(guī)律的研究［D］.長(zhǎng)江大學(xué)，2012. ZHENG Zhangyi. Design of vibration cementing device and study on vibration propagation law［D］. Yangtze University，2012.

［2］韓崇福，田錫君，王冠軍.振動(dòng)固井技術(shù)在遼河油田的試驗(yàn)應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1999，21（4）：24-29. HAN Chongfu，TIAN Xijun，WANG Guanjun. Experimental application of vibration cementing technology in Liaohe Oilfield［J］. Oil Drilling & Production Technology，1999，21（4）：24-29.

［3］胡可能.井下低頻水力脈沖振動(dòng)固井機(jī)理研究及裝置設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)江大學(xué)，2012. HU Keneng.Mechanism research and device design of downhole low frequency hydraulic pulse vibration cementing［D］. Yangtze University，2012.

［4］韓玉安，孫艷龍，王洪潮，等.國(guó)內(nèi)外振動(dòng)固井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.鉆采工藝，2000，23（4）：27-30. HAN Yu’an，SUN Yanlong，WANG Hongchao，et al. Developing status quo of vibration cementing technique both in China and abroad ［J］.Drilling & Production Technology，2000，23（4）：27-30.

［5］吳波， 劉金余， 楊明合， 等.新型渦輪式井下徑向振動(dòng)固井裝置的研究與應(yīng)用［J］.復(fù)雜油氣藏， 2010，3（4）：69-72. WU Bo，LIU Jinyu，Yang Minghe，et al.Research and application of a new turbine downhole cementing device with radial vibration［J］.Complex Hydrocarbon Reservoirs，2010，3（4）：69-72.

［6］薛亮， 李幫民， 劉愛(ài)萍， 等. 水力振動(dòng)固井工具壓力波發(fā)生原理研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（1）：105-109. XUE Liang，LI Bangmin，LIU Aiping，et al.Study of compression wave caused by hydraulic cementing tools［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2011，39（1）：105-109.

［7］王恩合，王學(xué)良，王學(xué)成，等.動(dòng)態(tài)振動(dòng)固井技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（4）：57-60. WANG Enhe，WANG Xueliang，WANG Xuecheng，et al. Research and field experiment of dynamic vibrating cementing technique［J］.Petroleum Drilling Techniques，2011，39（4）：57-60.

［8］丁士東，高德利，王崎，等.脈沖振動(dòng)處理對(duì)水泥石早期性能的影響［J］.鉆采工藝，2007，30（6）：105-107. DING Shidong，GAO Deli， WANG Qi，et al. Influence of pulsation treatment on early properties of cementstone［J］.Drilling & Production Technology，2007，30（6）：105-107.

The Application of Eccentric Mechanical Vibration Cementing Technique in Changqing

MEI Mingjia1， JIANG Wei2， WEI Zhousheng1
（1. CCDC Changqing Cementing Company， Xi’an， Shaanxi 710018；2. Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co.， Ltd.， Dezhou， Shandong 253034）

An eccentric mechanical vibration cementing technique was used in Changqing oilfield in an effort to improve the cementing job quality of the injector wells. Cementing slurry was evaluated after vibration on a ZD-34 model electric vibrator as to its compressive strength， bond strength， thickening time， initial setting transition time， final setting transition time， and permeability. The evaluated cement slurry was then used in filed operations. The laboratory study showed that the thickening time of the cement slurry after vibration was reduced by 25%-30%， the initial and the final setting transition time reduced by 30%-50%， the 24 h strength of the set cement increased by 10%-14%， the bond strength increased by 11%-16%， and the permeability reduced by 33.3%-43.9%. This technique has been used in 5 wells in the block Wupu in Changqing oilfield， and the oil zones and water zones in these wells are well separated， with the rate of excellent well cement jobs increased by more than 20%. The laboratory experiments and the field applications all demonstrate that the eccentric mechanical vibration cementing technique can effectively enhance the quality of well cementing， and is prospective in future cementing operations.

Well cementing； Quality of well cementing job； Eccentric mechanical； Adjustment well； Changqing oilfield

TE256.6

A

1001-5620（2016）04-0097-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.020

中石油工程技術(shù)分公司統(tǒng)籌項(xiàng)目“新技術(shù)新工藝攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”子課題“隨行振動(dòng)波提高固井質(zhì)量技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用”（2015T-003-001）。

梅明佳，工程師，1986年生，2009畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事固井工藝、水泥漿體系方面的研究工作。電話(huà) （029）86598948/18792939829；E-mail：cqgjmmj@cnpc.com.cn。

（2016-3-5；HGF=1604M6；編輯馬倩蕓）