寬頻多級脈沖振蕩固井裝置余金陵

勝利油田勝機(jī)集團(tuán)匯報人:余金/p>

yujinling1994@163.com振蕩固井技術(shù)&寬頻多級振蕩固井裝置匯報內(nèi)容一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定

1、機(jī)理研究2、實驗測定二、常見脈沖振動固井措施

1、井口措施2、套管內(nèi)3、套管根部三、寬頻多級振蕩固井裝置1、設(shè)計依據(jù)2、優(yōu)特點3、應(yīng)用效果1脈沖波在環(huán)空水泥漿中的傳播2脈沖振動固井改善水泥漿膠結(jié)質(zhì)量機(jī)理2.1脈沖振動處理后水泥石微觀結(jié)構(gòu)分析2.1.1電鏡掃描觀察分析水泥石微觀結(jié)構(gòu)的變化2.1.2利用X射線衍射對比分析水化產(chǎn)物和含量的變化及水化歷程的影響2.1.3利用壓汞實驗對比振動后水泥石微觀孔喉結(jié)構(gòu)的變化2.2脈沖振動對水泥水化的作用機(jī)理2.2.1油井水泥的主要礦物含量及水化過程2.2.2脈沖振動對油井水泥水化歷程的影響2.3脈沖振動對防止環(huán)空氣竄的作用機(jī)理3脈沖振動對水泥漿性能影響規(guī)律實驗測定一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定

脈沖振動固井概念：在下套管、注灰、頂替和候凝過程中,采用機(jī)械振動、液壓或空氣脈沖、水力沖擊等手段,產(chǎn)生振動和水力沖擊波作用于套管、鉆井液和固井液來提高固井質(zhì)量的一項技術(shù)。實質(zhì)上是一種能量的轉(zhuǎn)換，振動產(chǎn)生波,波可以把能量作用介質(zhì)中,破壞介質(zhì)的顆粒間以及分子間的結(jié)構(gòu),改變其原有的性能。圍繞脈沖振動波在鉆井液(水泥漿)傳播距離、脈沖振動對水泥漿性能影響規(guī)律的實驗評價、脈沖振動固井改善水泥漿膠結(jié)質(zhì)量機(jī)理和現(xiàn)場實施效果等方面開展了大量的研究工作。一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定

1脈沖波在環(huán)空水泥漿中的傳播

美國Kunju和Martin通過室內(nèi)全尺寸模擬實驗證明,脈沖振動波在鉆井液、水泥漿中可以有效地傳播。Trican油井服務(wù)公司的DaleDusterhoft和CTES公司的KenNewman等通過在套管外安放壓力測量儀器,分別測量了1951m(頂部),2325m(中間)和2641m(底部)3個點的壓力脈沖值,在井口施加振動頻率為0.05～0.5Hz和振幅為0.7～1.0MPa的脈沖振動,對于井深為3000m的井是足夠的。證實了室內(nèi)模擬試驗的正確性。一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定2脈沖振動固井改善水泥漿膠結(jié)質(zhì)量機(jī)理2.1脈沖振動處理后水泥石微觀結(jié)構(gòu)分析2.1.1電鏡掃描分析水泥石微觀結(jié)構(gòu)的變化;在電子顯微鏡下觀察養(yǎng)護(hù)好的水泥石樣品的端面結(jié)構(gòu)和內(nèi)部微觀水化產(chǎn)物形態(tài)，直觀地反映水泥石微觀結(jié)構(gòu)、裂紋發(fā)育狀態(tài)和水化產(chǎn)物形態(tài)。圖為經(jīng)過0.5hz脈沖振動和沒有經(jīng)過脈沖振動的水泥石在50℃養(yǎng)護(hù)24h后進(jìn)行電鏡掃描,結(jié)果如圖。一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定2.1.2利用X射線衍射對比分析水化產(chǎn)物和含量的變化及水化歷程的影響;

利用X射線衍射(XRD)能定性和定量地測試養(yǎng)護(hù)好的水泥石樣品的內(nèi)部水化產(chǎn)物組成和礦物含量,因此可以分析經(jīng)過脈沖振動后其對水泥水化的作用。

分別將經(jīng)過0.5h脈沖振動和沒有脈沖振動的常規(guī)水泥漿凝固,在50℃養(yǎng)護(hù)24h后進(jìn)行XRD實驗,圖(b)經(jīng)過振動的Ca(OH)2和C-S-H凝膠峰明顯高于圖(a)沒有振動,Ca(OH)2和C-S-H凝膠結(jié)晶好，同時，A礦峰形彌散,高度明顯降低。這說明經(jīng)過振動的試樣的水化程度高于沒有振動的試樣,水化產(chǎn)物結(jié)晶粗大，也說明脈沖振動促進(jìn)了水泥的水化。一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定2.1.3利用壓汞實驗對比振動后水泥石微觀孔喉結(jié)構(gòu)的變化。利用壓汞分析實驗可以定量測試養(yǎng)護(hù)好的水泥石樣品的內(nèi)部孔隙量及其內(nèi)部孔喉結(jié)構(gòu)特征常規(guī)水泥漿脈沖振動后5h的試樣總孔隙率為11.21%,較沒有振動的試樣降低了34%，大于10ūm的有害大孔較少，大毛細(xì)孔多，凝膠孔少的水化產(chǎn)物的結(jié)晶程度高。一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定2.2脈沖振動對水泥水化的作用機(jī)理2.2.1油井水泥的主要礦物含量及水化過程G級油井水泥熟料礦物組分硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)、鐵鋁酸四鈣(C4AF)和游離氧化鈣(fCaO)的含量見表,其中C3S具有很好的水化活性,是水泥早期強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者;C2S活性很小,主要是提供后期強(qiáng)度;C4AF水化時主要是生成六方形的水化鋁酸鈣和膠凝狀的鐵酸一鈣,與C3S和C2S相比,其對強(qiáng)度影響較小。決定水泥水化速度和早期強(qiáng)度的關(guān)鍵時期是在誘導(dǎo)期、初凝期,也就是水泥漿與水接觸后的2-3小時是關(guān)鍵期。一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定2.2.2脈沖振動對油井水泥水化歷程的影響1)振動對消除氣泡、水泥結(jié)構(gòu)的影響。

水泥與水接觸后，會發(fā)生快速的早期水化。經(jīng)過振動，消除或減小各種摩擦力，使得小顆粒填充部分孔隙、氣泡得以上移排除，水泥石結(jié)構(gòu)變得均勻、密實度提高，漿體變得更為穩(wěn)定。2)振動有利于水泥漿早期強(qiáng)度的發(fā)展

油井水泥一經(jīng)接觸水，主要礦物C3S會快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，Ca(OH)2和C-S-H核開始形成，大量的Ca(OH)2析出形成結(jié)晶體,大量的C-S-H凝膠生成并充滿整個水化體系。脈沖振動促進(jìn)C3S與水發(fā)生水化反應(yīng)：①脈沖振動部分破壞水化產(chǎn)物與水泥礦物顆粒的沉積和吸附作用，提高C-S-H的水化效率，提高水泥早期強(qiáng)度、降低水泥孔隙度、增加水泥密實性；②脈沖振動消除顆粒支架效應(yīng)、大小顆粒之間擠塞填充，增大了C-S-H凝膠與周圍的水體接觸面積，提高其水化效率，使凝結(jié)時間及初終凝時間縮短。一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定2.3初凝期脈沖振動對防止環(huán)空氣竄的作用機(jī)理水泥漿失重主要是由于水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展引起的,為此,Sabins等提出了水泥漿失重計算公式：式中,P為水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展引起的壓力損失,單位MPa;SGS為水泥漿靜膠凝強(qiáng)度、L為環(huán)空水泥漿長度、Dh為井眼直徑、Dc為套管直徑。水泥漿靜膠凝強(qiáng)度SGS越大,水泥漿失重P越大。脈沖振動破壞水泥漿的膠凝結(jié)構(gòu),使水泥漿的水泥漿靜膠凝強(qiáng)度降低，大幅度地減小水泥漿失重壓力,從而保證環(huán)空靜壓力Ps始終大于層壓力Pg,達(dá)到壓穩(wěn)氣層、防止固井后環(huán)空油氣水竄的作用。一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定3脈沖振動對水泥漿性能影響規(guī)律的實驗測定結(jié)果

⒈）脈沖振動能提高水泥石強(qiáng)度前蘇聯(lián)烏發(fā)石油研究院科技人員室內(nèi)試驗，不論脈沖振動強(qiáng)或弱,均可提高水泥石的強(qiáng)度。當(dāng)作用在水泥漿上的頻率為

170~175Hz時,水泥石的強(qiáng)度能提高

18%~25%，頻率為

250~3001Hz時，達(dá)到最佳的40%。⒉）振動降低鉆井液粘度提高固井頂替效率在頻率為20~45Hz的振動場中，鉆井液的粘度將下降

20%~30%,有利于清除套管外壁的鉆井液膜和井壁的濾餅。在此振動頻率范圍內(nèi),只需

5~15s就可完全清除巖石試樣表面的濾餅。在頻率

20~100Hz時,套管上未被替凈的鉆井液減少了二分之一。⒊）振動可以縮短水泥漿的候凝時間試驗證明,當(dāng)振動頻率在

20~170Hz范圍內(nèi)變化時,水泥漿的初凝時間縮短

15%~25%,終凝時間縮短了

30%~40%。⒋）振動增加界面的膠結(jié)強(qiáng)度

美國科學(xué)家

Coke做了兩組試驗,把水泥漿放入不同尺寸的同心管之間,一組在水泥獎注入過程中保持振動，待水泥漿固化后,分別在二組試驗裝置的上部用水加壓。在未振動的一組中,當(dāng)壓力加至

2.07MPa時,水泥與管子的膠結(jié)面開始滲漏。在振動的一組中,當(dāng)壓力加至

16.5MPa時,膠結(jié)面才產(chǎn)生滲漏，說明振動確實增加了界面的膠結(jié)強(qiáng)度。一、脈沖振動固井機(jī)理及實驗測定二、常見脈沖振動固井措施井口環(huán)空水力或壓縮空氣脈沖聲頻振動固井裝置井口振動器套管內(nèi)敲擊套管根部震蕩器井下水力偏心振動發(fā)生裝置自激震蕩式井下水擊波（脈沖）發(fā)生裝置機(jī)械阻斷式井下水擊波（脈沖）發(fā)生裝置類型原理作用時間段優(yōu)缺點井口環(huán)空水力或壓縮空氣脈沖在地面把壓縮空氣或壓縮液體通過振蕩發(fā)生器后,直接作用于環(huán)空,使環(huán)空內(nèi)液柱也發(fā)生振蕩,產(chǎn)生彈簧效應(yīng),作用于底部的水泥漿,提高固井質(zhì)量。碰壓后防失重、防收縮。只是在碰壓后起作用，需要增加設(shè)備和工作量。聲頻振動固井裝置利用聲波在介質(zhì)中傳播過程對介質(zhì)造成一定的結(jié)構(gòu)改變和性能調(diào)整的原理,把聲頻作用于套管上部,聲頻順著套管傳致套管底部,對固井質(zhì)量造成影響。清洗、注灰、替泥漿、候凝全程起作用，可以調(diào)整頻率，缺點是影響因素多、振幅有限、需要增加設(shè)備。井口振動器通過敲打產(chǎn)生水擊波對井眼中水泥漿產(chǎn)生影響。清洗、注灰、替泥漿、候凝全程有作用，但安裝煩瑣井口脈沖振動措施：套管內(nèi)措施：工藝方式：碰壓后從套管內(nèi)下入敲擊發(fā)生器，可以是電磁的、液壓的。優(yōu)點：調(diào)節(jié)候凝過程,增強(qiáng)一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度。缺點：依據(jù)前面研究和試驗分析，脈沖振動起作用的關(guān)鍵時間段是水灰接觸伊始的前3小時，最為重要過程是洗井、頂替和初凝過程，該措施忽略了關(guān)鍵時段和關(guān)鍵過程，同時需要增加設(shè)備和工作量。套管根部措施：套管根部震蕩器井下水力偏心振動發(fā)生裝置通過鉆井液、水泥漿的流動驅(qū)動渦輪帶動偏心塊，使得套管發(fā)生振動，同時產(chǎn)生水擊波。洗井、替漿等全程起作用高頻振動，低頻頂替效果和洗井效果受限。振動波波幅小、強(qiáng)衰竭。自激震蕩式井下水擊波（脈沖）發(fā)生裝置安裝在套管跟部，鉆井液、水泥漿通過變化的腔體產(chǎn)生水擊波，腔體是變徑的。洗井、替漿等全程起作用屬于高頻率波，低頻作用受限，波幅不強(qiáng)、影響因素多。機(jī)械阻斷式井下水擊波（脈沖）發(fā)生裝置：通過截流產(chǎn)生水擊波，分為兩種截流方式：葉片旋轉(zhuǎn)截流，屬高頻率，閥門式截流，屬低頻。洗井、替漿等全程起作用要么是高頻要么是低頻，低頻的工作不穩(wěn)定，打開后難以關(guān)閉，不工作。一種偏心振動裝置優(yōu)點：洗井、替漿、初凝等全過程套管高頻微震，提高洗井頂替效果、水泥石強(qiáng)度缺點：⒈套管高頻微振動，低頻作用小，脈沖振動主要作用是低頻，頂替效果和洗井效果受限。⒉水擊波弱、振動幅度小（〈1mm，地面試驗振幅不易目視)、強(qiáng)衰竭（〈500m)⒈腔徑與下噴嘴的配合DC/d2腔徑DC對固有頻率的影響大于腔長等其他因素的影響。⒉上、下噴嘴直徑比d2/d1上d1、下噴嘴直徑d2的配合也是影響低壓大流量脈沖射流激振效果的重要因素之一。d2越小,低頻響應(yīng)幅值越大,諧振峰值越大。⒊自激腔的長徑比LC/DC腔長LC過短擾動不敏感，

腔長過不能有效激勵分離區(qū)新渦量脈動產(chǎn)生,因而存在最佳腔長。對于最佳腔長LC的確定,最簡單的方式是根據(jù)脈沖打擊力隨腔長變化情況來確定。自激震蕩式井下水擊波（脈沖）發(fā)生裝置安裝在套管跟部，鉆井液、水泥漿通過變化的腔體產(chǎn)生水擊波：優(yōu)點：洗井、替漿和初凝全過程起作用。不需要附加設(shè)備和額外工作量。缺點：高頻激勵波，低頻作用欠缺，效果影響因素諸多，包括設(shè)計與施工參數(shù)的匹配等，最終效果受限。共同的優(yōu)點：洗井、替漿和初凝段都起作用，不增加設(shè)備、不增加工作量。缺點有不同：旋轉(zhuǎn)阻斷式：高頻脈沖水擊波，告訴旋轉(zhuǎn)反復(fù)抑流，波幅小，低頻作用受限。閥門阻斷式：低頻脈沖水擊波，一經(jīng)打開難以關(guān)閉，成了單向截流閥，就不再往復(fù)開關(guān)，就不形成水擊波。機(jī)械阻斷式井下水擊波（脈沖）發(fā)生裝置旋轉(zhuǎn)阻斷式閥門阻斷式三、寬頻多級震蕩固井裝置1、設(shè)計思路2、結(jié)構(gòu)設(shè)計⑴雙級套管機(jī)械振動設(shè)計⑵雙級脈沖水擊波發(fā)生器設(shè)計⑶整體結(jié)構(gòu)3、綜合特性分析⑴套管機(jī)械振動特性⑵水擊特性⑶整體綜合特性4、應(yīng)用實例三、寬頻多級震蕩固井裝置常見脈沖振動固井方式已經(jīng)取得不錯的應(yīng)用效果，但局限也很明顯：1、振動波強(qiáng)度和頻率受限：脈沖振動固井的實質(zhì)是波能量傳遞和轉(zhuǎn)化，目前措施要么是低頻波要么是高頻，波頻不寬，波幅不高、衰減快，試驗分析知道一定的頻率對應(yīng)一定的作用，波的強(qiáng)度達(dá)不到能量小也達(dá)不到理想效果。2、時段局限：有些措施不能覆蓋洗井、替漿、初凝這三個關(guān)鍵過程，忽視了洗井和替漿過程對固井質(zhì)量的影響。3、一些措施實施工藝煩瑣。有些需要增加設(shè)備和工作量，有些措施影響因素多、效果不確定。一）設(shè)計思路：1、振動波強(qiáng)度和頻率：針對頻率窄、衰減快的問題，采用多級波發(fā)生器結(jié)構(gòu)，次級對前級進(jìn)行波幅和強(qiáng)度放大，功放的作用；其次，各級波發(fā)生器采用不用的原理，產(chǎn)生低頻和高頻波，各級相互合理干涉；依據(jù)波的衍射原理設(shè)計各級連接結(jié)構(gòu)。2、作用時段：覆蓋洗井、替漿、初凝這三個關(guān)鍵過程。3、使用工藝：不增加設(shè)備和工作量。與套管根部串接，依靠水泥漿自身流體能量發(fā)生波。三、寬頻多級震蕩固井裝置三、寬頻多級震蕩固井裝置兩級套管機(jī)械振動設(shè)計：一級機(jī)械偏振為高頻振動，振幅（偏振的半徑r）為1-2mm，為低能高頻振動；另外一級套管機(jī)械振動為軸向振動，為高能低頻振動。目的：不是簡單的疊加，是優(yōu)化和放大，拓寬了振動頻率，降低了振動波衰減，趨向多維振動，同時套管的二級機(jī)械振動產(chǎn)生的雙水擊波二）結(jié)構(gòu)設(shè)計⒈兩級套管機(jī)械振動設(shè)計：機(jī)械振動實質(zhì)是活動套管的作用三、寬頻多級震蕩固井裝置兩級脈沖水擊波發(fā)生器設(shè)計：一級為截流性脈沖水擊波，高頻；二級為閥門式脈沖水擊波，低頻高能量。利用閥門開啟后液壓力倒置的設(shè)計方法，解決了閥門式水擊波發(fā)生器穩(wěn)定工作的難題。設(shè)計的目的：不是簡單的疊加，是優(yōu)化和放大，拓寬了振動頻率，通過干涉衍射形成了新的水擊波，降低了振動衰減。使得波在水泥漿中均勻衰竭,達(dá)到傳播距離遠(yuǎn)\作用均衡的目的.⒉兩級脈沖水擊波發(fā)生器設(shè)計：采用四級波發(fā)生器結(jié)構(gòu)，依據(jù)波的干涉和衍射原理設(shè)計各級之間的連接結(jié)構(gòu)。次級對