套管振動(dòng)器系統(tǒng)配套及性能測(cè)試研究

，，， ，，

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017)①

油氣井鉆井過(guò)程中，固井質(zhì)量的好壞直接影響著油井的壽命及后續(xù)開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。隨著勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，固井質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越突出。勝利油田老油區(qū)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的分層布井、三次加密鉆井、高壓注水和大排量強(qiáng)抽，形成了地下高壓層、常壓層、低壓層共存的多壓力體系，同時(shí)層間壓差大，產(chǎn)層水淹嚴(yán)重，對(duì)固井的質(zhì)量帶來(lái)了嚴(yán)重影響[2-3]。提高調(diào)整井固井質(zhì)量已成為油田開(kāi)發(fā)和固井亟待解決的問(wèn)題。

振動(dòng)固井技術(shù)是在下套管、注水泥、頂替水泥或水泥漿候凝過(guò)程中，用機(jī)械振動(dòng)、液壓脈沖、水力沖擊等手段產(chǎn)生的振動(dòng)波作用于套管、鉆井液和水泥漿來(lái)改善固井質(zhì)量的一項(xiàng)新技術(shù)[4]。按工具安裝位置不同分為井口振動(dòng)、井底振動(dòng)和套管內(nèi)振動(dòng)等多種型式[5-7]。國(guó)內(nèi)外研究表明，振動(dòng)固井技術(shù)能夠顯著提高水泥石強(qiáng)度和界面膠結(jié)質(zhì)量。套管振動(dòng)器系統(tǒng)是在水泥漿候凝初期，利用車載絞車通過(guò)電纜將振動(dòng)器下入到套管內(nèi)指定位置實(shí)施振動(dòng)，振動(dòng)波穿過(guò)鉆井液和套管在水泥漿中傳播，從而改善水泥漿水化過(guò)程，增加均勻性和密實(shí)性，補(bǔ)償水泥石收縮，提高界面膠結(jié)強(qiáng)度和水泥石抗壓強(qiáng)度，最終提高固井優(yōu)良率。

1 技術(shù)分析

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

套管振動(dòng)器系統(tǒng)主要由地面控制單元、傳輸電纜、電纜接頭及套管振動(dòng)器等組成，如圖1所示。地面控制單元將井場(chǎng)380 V交流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓可調(diào)的交流電，經(jīng)過(guò)5 000 m傳輸電纜和電纜接頭后，傳送到振動(dòng)器的交流變頻電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)按指定頻率旋轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動(dòng)振動(dòng)器偏心塊旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生有規(guī)律的圓周振動(dòng)。該振動(dòng)通過(guò)鉆井液、套管傳播到水泥漿，引起水泥漿周期性波動(dòng)，改善水泥漿水化性能，增加水泥石的均勻性和密實(shí)性，提高水泥石強(qiáng)度和膠結(jié)質(zhì)量，達(dá)到提高固井質(zhì)量的目的。

1—電源；2—地面控制單元；3—傳輸電纜；4—電纜接頭；5—振動(dòng)器。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1) 套管振動(dòng)器提高固井質(zhì)量技術(shù)與其它的振動(dòng)固井技術(shù)相比，距離目標(biāo)層位近，能量利用率高。

2) 整套系統(tǒng)可重復(fù)使用，利用率高，節(jié)省成本。

3) 振動(dòng)位置可根據(jù)需要有目的選擇，針對(duì)性強(qiáng)。

4) 水泥漿候凝初期振動(dòng)，固井質(zhì)量明顯提高。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

地面控制單元輸入電壓AC 380V、輸出電壓AC 380～1140V、輸出頻率50～100 Hz；電纜長(zhǎng)度5 000 m；振動(dòng)器電機(jī)額定電流約2 A、額定電壓380 V、本體外徑100 mm；振動(dòng)器系統(tǒng)適應(yīng)套管尺寸139.7 mm(壁厚7.72 mm或9.17 mm)、井斜小于60°。

2 套管振動(dòng)器系統(tǒng)配套

2.1 地面控制單元

2.1.1功能

1) 變頻功能。將井場(chǎng)工頻50 Hz交流電，轉(zhuǎn)換為頻率為50～100 Hz可調(diào)的交流電。

2) 輸出電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。雖然傳輸電纜長(zhǎng)度及電阻值一定，但振動(dòng)器在套管內(nèi)工作時(shí)，外界負(fù)載變化引起振動(dòng)器工作電流變化，從而使電纜壓降改變，系統(tǒng)電壓關(guān)系滿足公式(1)。

U0-Ux=Ui
Ux=I×R

(1)

式中：U0為地面控制單元輸出電壓；Ux為傳輸電纜壓降；Ui為振動(dòng)器電機(jī)輸入電壓；I為振動(dòng)器電機(jī)電流；R為傳輸電纜電阻。

因振動(dòng)器電流改變，引起電纜壓降變化，要維持振動(dòng)器電機(jī)輸入電壓不變，必須實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)地面控制單元輸出電壓。

2.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面控制單元由主回路和控制回路2部分組成。

主回路主要包括進(jìn)線斷路器(QF)、變頻器(P)、正弦波濾波器(GL)、升壓變壓器(T)和真空接觸器(KM)等，如圖2所示。進(jìn)線斷路器(QF)開(kāi)啟和關(guān)斷系統(tǒng)電源，變頻器(P)調(diào)整輸出電能的頻率和電壓，正弦濾波器(GL)將輸出電壓波形濾為方波，升壓變壓器(T)將輸出電壓升高和變頻器(P)共同調(diào)整系統(tǒng)輸出電壓，使輸出符合控制要求、真空接觸器(KM)控制電機(jī)(M)的運(yùn)行。

圖2 地面控制單元主回路

控制回路主要由PLC控制系統(tǒng)、人機(jī)交互界面和測(cè)量?jī)x表等組成。如圖3所示。PLC 控制系統(tǒng)[8-9]采用西門子1200 系列可編程控制器作為下位機(jī)，主要由485 通信模塊、CPU、AI 模擬量模塊組成。CPU 為系統(tǒng)作邏輯運(yùn)算，通過(guò)D I/O 數(shù)字輸出，控制真空接觸器和變頻器的運(yùn)行、停止；通過(guò)AI 模擬量模塊控制變頻器的輸出電壓和頻率；485 通信模塊采用RS485 通訊，接收電力測(cè)量?jī)x表的數(shù)據(jù)；通過(guò)以太網(wǎng)和觸摸屏做人機(jī)界面數(shù)據(jù)的交換。

圖3 地面控制單元控制回路

2.1.3配套

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，配套了地面控制單元樣機(jī)，如圖4所示。地面控制單元主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖4 地面控制單元樣機(jī)

輸入電壓/V輸出電壓/V變頻器功率/kW變頻范圍/Hz升壓變壓器容量/kVA380380～11401150～1007

2.2 傳輸電纜

傳輸電纜是電能的傳輸通道。套管振動(dòng)器作業(yè)方式與射孔類似，故參考了射孔三芯電纜的結(jié)構(gòu)。但是射孔作業(yè)電壓比較低，而套管振動(dòng)器電機(jī)啟動(dòng)瞬間地面控制單元輸出電壓高達(dá)1 000 V，因此增加了傳輸電纜絕緣層厚度，并使用更高級(jí)別的耐高溫絕緣材料。

傳輸電纜的截面如圖5所示[10]。從內(nèi)到外依次為銅絞線(直徑1.2 mm)、絕緣層(厚度1 mm)、填充物、總屏蔽層、內(nèi)層鋼絲(直徑1 mm)、外層鋼絲(直徑1.26 mm)。圖6為配套的5 000 m傳輸電纜。

1—外層鋼絲；2—內(nèi)層鋼絲；3—總屏蔽層；4—絕緣層；5—銅絞線；6—填充物。

圖6 傳輸電纜

傳輸電纜主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

2.3 電纜接頭

電纜接頭是傳輸電纜與套管振動(dòng)器之間的連接紐帶，主要作用如下：

1) 可靠連接電纜和井下儀器。

表2 傳輸電纜主要技術(shù)參數(shù)

2) 采用特殊密封、絕緣設(shè)計(jì)，保證電能順利傳至井下振動(dòng)器。

3) 專用弱點(diǎn)設(shè)計(jì)，保護(hù)電纜，弱點(diǎn)的額定拉斷力不超過(guò)電纜額定破斷力的50%[11]。

電纜接頭主要由橡膠尾錐、打撈帽、主體、椎體三件套、弱點(diǎn)、螺紋套、護(hù)帽及特殊密封結(jié)構(gòu)等組成，如圖7所示。橡膠尾錐保護(hù)連接處電纜；打撈帽用于落井后的打撈；椎體三件套包括小錐套、中錐套和大錐套3件，錐套錐度均為3°，電纜外層鋼絲卡在大錐套與中錐套之間，內(nèi)層鋼絲卡在小錐套與中錐套之間，利用錐套的錐度自鎖，保證與電纜的可靠連接，如圖8所示；弱點(diǎn)設(shè)計(jì)額定拉斷力為36 288 N，遇阻解卡失敗時(shí)先拉斷弱點(diǎn)，既保護(hù)電纜，也便于打撈；電纜接頭通過(guò)螺紋套與井下振動(dòng)器連接。電纜接頭技術(shù)參數(shù)如表3，連接好的電纜接頭如圖9所示。

1—橡膠尾錐；2—打撈帽；3—椎體三件套；4—密封腔；5—弱點(diǎn)；6—主體；7—螺紋套；8—護(hù)帽。

1—大錐套；2—中錐套；3—小錐套。

圖9 電纜接頭

2.4 振動(dòng)器

振動(dòng)器主要由上接頭及護(hù)帽、電機(jī)短節(jié)、偏心短節(jié)和橡膠扶正短節(jié)等組成，如圖10所示。

表3 電纜接頭主要技術(shù)參數(shù)

1—橡膠扶正短節(jié)；2—偏心短節(jié)；3—電機(jī)短節(jié)；4—上接頭及護(hù)帽。

圖10 振動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意

電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與偏心軸相連接，電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生徑向振動(dòng)。橡膠扶正短節(jié)中的橡膠塊一方面起扶正作用，改善振動(dòng)器在套管內(nèi)的工作狀態(tài)；另一方面，減輕振動(dòng)器對(duì)套管的機(jī)械沖擊，保護(hù)套管及接箍。上接頭與電纜接頭下端連接。振動(dòng)器主要技術(shù)參數(shù)如表4所示，配套的振動(dòng)器樣機(jī)如圖11所示。

表4 振動(dòng)器主要技術(shù)參數(shù)

圖11 振動(dòng)器

3 振動(dòng)器系統(tǒng)性能測(cè)試

在完成地面控制單元、傳輸電纜、電纜接頭及振動(dòng)器系統(tǒng)配套后，進(jìn)行了系統(tǒng)室內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。試驗(yàn)井筒為埋入地下的標(biāo)準(zhǔn)套管，套管周圍用水泥固定。套管外徑139.7 mm，壁厚9.17 mm，套管長(zhǎng)度4 m。

3.1 測(cè)試過(guò)程

1) 將輸入電源、地面控制單元、傳輸電纜、電纜接頭及套管振動(dòng)器等按次序連接好。

2) 試驗(yàn)井筒內(nèi)注滿鉆井液，并將振動(dòng)器及電纜接頭放入試驗(yàn)井筒內(nèi)。

3) 地面控制單元通電，閉合進(jìn)線斷路器，等待20 s，完成系統(tǒng)初始化。參照?qǐng)D12在觸控屏上設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。

圖12 參數(shù)設(shè)定

4) 將觸摸屏切換到系統(tǒng)界面，設(shè)置變頻器頻率為50 Hz，按下柜體上的啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)變頻器，輸出電壓穩(wěn)定后電機(jī)接觸器自動(dòng)吸合，振動(dòng)器開(kāi)始工作，運(yùn)行界面如圖13所示，記錄運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行參數(shù)。直到試驗(yàn)完成，按下柜體上的停止按鈕，電機(jī)接觸器斷開(kāi)，工作結(jié)束。

圖13 控制單元運(yùn)行界面

5) 在55～100 Hz范圍內(nèi)調(diào)整變頻器輸出頻率，頻率間隔為5 Hz，振動(dòng)器在設(shè)置頻率下運(yùn)行，試驗(yàn)過(guò)程同4)。

3.2 測(cè)試結(jié)論

1) 由地面控制單元、傳輸電纜、電纜接頭及振動(dòng)器組成的整套系統(tǒng)參數(shù)匹配良好，連續(xù)工作可達(dá)4 h以上，性能穩(wěn)定。

2) 振動(dòng)器穩(wěn)定運(yùn)行頻率為50～60 Hz；當(dāng)頻率超過(guò)65 Hz，運(yùn)行電流逐步升高，經(jīng)分析為頻率升高，電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行所致。

3) 振動(dòng)器電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流大于3 A，正常運(yùn)行電流為1.7～1.9 A，電流變化范圍較大，地面控制單元輸出電壓能夠跟蹤電流波動(dòng)自動(dòng)調(diào)整，始終保持振動(dòng)器電機(jī)輸入電壓為額定電壓(380 V)。驗(yàn)證了地面控制單元輸出電壓具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)特性。

4 結(jié)論

套管振動(dòng)器系統(tǒng)配套及性能測(cè)試是應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)室內(nèi)性能測(cè)試表明，該系統(tǒng)應(yīng)用井深可達(dá)5 000 m，適應(yīng)套管尺寸為139.7 mm，穩(wěn)定運(yùn)行頻率為50～60 Hz，且具有運(yùn)行電壓隨電流變化自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，自動(dòng)化程度較高，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件，為下一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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