寬頻多級脈沖振蕩固井裝置余金陵

1、勝利油田勝機集團勝利油田勝機集團匯報人匯報人: : 余金陵余金陵 1396337597713963375977 振蕩固井技術振蕩固井技術& &寬頻多級振蕩固井裝置寬頻多級振蕩固井裝置匯報內(nèi)容匯報內(nèi)容一、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定 1 1、機理研究、機理研究 2 2、實驗測定、實驗測定二、常見脈沖振動固井措施二、常見脈沖振動固井措施 1 1、井口措施、井口措施 2 2、套管內(nèi)、套管內(nèi) 3 3、套管根部、套管根部三、寬頻多級振蕩固井裝置三、寬頻多級振蕩固井裝置 1 1、設計依據(jù)、設計依據(jù) 2 2、優(yōu)特點、優(yōu)特點 3 3、應用效果、應用效果1 脈沖波在環(huán)

2、空水泥漿中的傳播2 脈沖振動固井改善水泥漿膠結質(zhì)量機理2.1脈沖振動處理后水泥石微觀結構分析2.1.1電鏡掃描觀察分析水泥石微觀結構的變化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構的變化2.2 脈沖振動對水泥水化的作用機理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、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定 脈沖振動固井概念：在下套管、注灰、頂替和候凝過程中, 采用機械振動、液

3、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。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構, 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質(zhì)量機理和現(xiàn)場實施效果等方面開展了大量的研究工作。一、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定 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

4、務公司的Dale Dusterhoft和CTES 公司的Ken Newman等通過在套管外安放壓力測量儀器,分別測量了1951m( 頂部), 2325 m( 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 0.050.5Hz和振幅為0.71.0 MPa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、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定2 脈沖振動固井改善水泥漿膠結質(zhì)量機理2.1脈沖振動處理后水泥石微觀結構分析2.1.1電鏡掃描分析水泥石微觀結構的變化;在電子顯微鏡下觀察養(yǎng)護好的水泥石樣品的端面結構和內(nèi)部微觀水化產(chǎn)物形態(tài)，直觀

5、地反映水泥石微觀結構、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24h后進行電鏡掃描,結果如圖。一、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定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 24 h 后進行 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,

6、Ca(OH)2和C-S-H 凝膠結晶好，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)物結晶粗大，也說明脈沖振動促進了水泥的水化。一、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定2.1.3利用壓汞實驗對比振動后水泥石微觀孔喉結構的變化。利用壓汞分析實驗可以定量測試養(yǎng)護好的水泥石樣品的內(nèi)部孔隙量及其內(nèi)部孔喉結構特征常規(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10m的有害大孔較少，大毛細孔多，凝膠孔少的水化產(chǎn)物的結晶程度高。一、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定2.2 脈沖振動

7、對水泥水化的作用機理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,是水泥早期強度的主要貢獻者; C2S 活性很小, 主要是提供后期強度; 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,其對強度影響較小。決定水泥水化速度和早期強度的關鍵時期是在誘導期、初凝期,也就是水泥漿與水接觸后的2-3小時是關鍵期。一、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定2.2.2 脈沖振

8、動對油井水泥水化歷程的影響1) 振動對消除氣泡、水泥結構的影響。 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，水泥石結構變得均勻、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)生化學反應，Ca(OH)2和C- S- H 核開始形成，大量的 Ca(OH)2析出形成結晶體,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 C3S 與水發(fā)生水化反應： 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，提高水泥早期強度、降

9、低水泥孔隙度、增加水泥密實性； 脈沖振動消除顆粒支架效應、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，使凝結時間及初終凝時間縮短。一、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定2.3 初凝期脈沖振動對防止環(huán)空氣竄的作用機理 水泥漿失重主要是由于水泥漿靜膠凝強度發(fā)展引起的, 為此, Sabins 等提出了水泥漿失重計算公式： 式中,P為水泥漿靜膠凝強度發(fā)展引起的壓力損失, 單位 MPa;SGS 為水泥漿靜膠凝強度、 L 為環(huán)空水泥漿長度、 Dh為井眼直徑、Dc為套管直徑。水泥漿靜膠凝強度 SGS 越大, 水泥漿失重 P越大。脈沖振動破壞水泥漿

10、的膠凝結構, 使水泥漿的水泥漿靜膠凝強度降低，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、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定3 3 脈沖振動對水泥漿性能影響規(guī)律的實驗測定結果脈沖振動對水泥漿性能影響規(guī)律的實驗測定結果 ）脈沖振動能提高水泥石強度 前蘇聯(lián)烏發(fā)石油研究院科技人員室內(nèi)試驗，不論脈沖振動強或弱, 均可提高水泥石的強度。當作用在水泥漿上的頻率為 170 175Hz 時,水泥石的強度能提高 18% 25%，頻率為 250 3001Hz 時，達到最佳的40%。 ）振動降低鉆井液粘度提高固井

11、頂替效率 在頻率為2045Hz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。 ）振動可以縮短水泥漿的候凝時間 試驗證明, 當振動頻率在 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%。 ）振動增加界面的膠結強度 美國科學家 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

12、置的上部用水加壓。在未振動的一組中, 當壓力加至 2.07MPa時, 水泥與管子的膠結面開始滲漏。在振動的一組中, 當壓力加至 16.5MPa 時, 膠結面才產(chǎn)生滲漏，說明振動確實增加了界面的膠結強度。一、脈沖振動固井機理及實驗測定一、脈沖振動固井機理及實驗測定二、二、常見脈沖振動固井措施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)

13、空內(nèi)液柱也發(fā)生振蕩, 產(chǎn)生彈簧效應, 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)造成一定的結構改變和性能調(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：井口脈沖振動措施：套管內(nèi)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

14、的、液壓的。優(yōu)點：調(diào)節(jié)候凝過程, 增強一、 二界面的膠結強度。缺點：依據(jù)前面研究和試驗分析，脈沖振動起作用的關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，該措施忽略了關鍵時段和關鍵過程，同時需要增加設備和工作量。套管根部措施：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

15、率波，低頻作用受限，波幅不強、影響因素多。機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，打開后難以關閉，不工作。一種偏心振動裝置一種偏心振動裝置 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、水泥石強度缺點： 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。水擊波弱、振動幅度?。?mm，地面試驗振幅不易目視)、強衰竭（500m)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。上、下噴

16、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, 低頻響應幅值越大,諧振峰值越大。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、

17、替漿和初凝段都起作用，不增加設備、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)打開難以關閉，成了單向截流閥，就不再往復開關，就不形成水擊波。機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三、寬頻多級震蕩固井裝置1、設計思路2、結構設計 雙級套管機械振動設計 雙級脈沖水擊波發(fā)生器設計整體結構3、綜合特性分析 套管機械振動特性 水擊特性整體綜合特性4、應用實例三、寬頻多級震蕩固井裝置三、寬頻多級震蕩固井裝置常見脈沖振動固井方式已經(jīng)取得不錯的應用效果，但局限也很明顯：1、振動波強度

18、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一定的作用，波的強度達不到能量小也達不到理想效果。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。有些需要增加設備和工作量，有些措施影響因素多、效果不確定。一）設計思路：一）設計思路：1、振動波強度和頻率：針對頻率窄、衰減快的問題，采用多級波發(fā)生器結構，次級對前級進行波幅和強度放大，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)波的衍射原理設計

19、各級連接結構。2、作用時段：覆蓋洗井、替漿、初凝這三個關鍵過程。3、使用工藝：不增加設備和工作量。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械振動設計：一級機械偏振為高頻振動，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，同時套管的二級機械振動產(chǎn)生的雙水擊波二）結構設計二）結構設計兩級套管機械兩級套管機械振動設計：振動設計：機械振動實質(zhì)機械振動實質(zhì)是活

20、動套管的是活動套管的作用作用三、寬頻多級震蕩固井裝置三、寬頻多級震蕩固井裝置兩級脈沖水擊波發(fā)生器設計：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,達到傳播距離遠作用均衡的目的.兩級脈沖水擊波發(fā)生器設計：兩級脈沖水擊波發(fā)生器設計：采用四級波發(fā)生器結構，依據(jù)波的干涉和衍射原理設計各級之間的連接結構。次級對前級進行波幅和強度放大；各級因采用不同的原理和結構，產(chǎn)生低頻和高頻波，相互合理干涉。三、寬頻多級震蕩固井裝置三、寬頻多級震蕩固井裝置整體結構設計：整體結