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(1.中国石油大学(华东) 机电工程学院，山东 青岛 266580；2.中石化胜利石油工程有限公司 钻井工艺研究院，山东 东营 257017)①

油气井钻井过程中，固井质量的好坏直接影响着油井的寿命及后续开发的经济效益[1]。随着勘探开发的不断深入，固井质量问题也越来越突出。胜利油田老油区经过长期的分层布井、三次加密钻井、高压注水和大排量强抽，形成了地下高压层、常压层、低压层共存的多压力体系，同时层间压差大，产层水淹严重，对固井的质量带来了严重影响[2-3]。提高调整井固井质量已成为油田开发和固井亟待解决的问题。

振动固井技术是在下套管、注水泥、顶替水泥或水泥浆候凝过程中，用机械振动、液压脉冲、水力冲击等手段产生的振动波作用于套管、钻井液和水泥浆来改善固井质量的一项新技术[4]。按工具安装位置不同分为井口振动、井底振动和套管内振动等多种型式[5-7]。国内外研究表明，振动固井技术能够显著提高水泥石强度和界面胶结质量。套管振动器系统是在水泥浆候凝初期，利用车载绞车通过电缆将振动器下入到套管内指定位置实施振动，振动波穿过钻井液和套管在水泥浆中传播，从而改善水泥浆水化过程，增加均匀性和密实性，补偿水泥石收缩，提高界面胶结强度和水泥石抗压强度，最终提高固井优良率。

1 技术分析

1.1 系统组成及工作原理

套管振动器系统主要由地面控制单元、传输电缆、电缆接头及套管振动器等组成，如图1所示。地面控制单元将井场380 V交流电转换为频率和电压可调的交流电，经过5 000 m传输电缆和电缆接头后，传送到振动器的交流变频电机。驱动电机按指定频率旋转，电机带动振动器偏心块旋转，从而产生有规律的圆周振动。该振动通过钻井液、套管传播到水泥浆，引起水泥浆周期性波动，改善水泥浆水化性能，增加水泥石的均匀性和密实性，提高水泥石强度和胶结质量，达到提高固井质量的目的。

1—电源；2—地面控制单元；3—传输电缆；4—电缆接头；5—振动器。

1.2 技术特点

1) 套管振动器提高固井质量技术与其它的振动固井技术相比，距离目标层位近，能量利用率高。

2) 整套系统可重复使用，利用率高，节省成本。

3) 振动位置可根据需要有目的选择，针对性强。

4) 水泥浆候凝初期振动，固井质量明显提高。

1.3 主要技术参数

地面控制单元输入电压AC 380V、输出电压AC 380～1140V、输出频率50～100 Hz；电缆长度5 000 m；振动器电机额定电流约2 A、额定电压380 V、本体外径100 mm；振动器系统适应套管尺寸139.7 mm(壁厚7.72 mm或9.17 mm)、井斜小于60°。

2 套管振动器系统配套

2.1 地面控制单元

2.1.1功能

1) 变频功能。将井场工频50 Hz交流电，转换为频率为50～100 Hz可调的交流电。

2) 输出电压自动调节功能。虽然传输电缆长度及电阻值一定，但振动器在套管内工作时，外界负载变化引起振动器工作电流变化，从而使电缆压降改变，系统电压关系满足公式(1)。

U0-Ux=Ui
Ux=I×R

(1)

式中：U0为地面控制单元输出电压；Ux为传输电缆压降；Ui为振动器电机输入电压；I为振动器电机电流；R为传输电缆电阻。

因振动器电流改变，引起电缆压降变化，要维持振动器电机输入电压不变，必须实时调节地面控制单元输出电压。

2.1.2系统设计

地面控制单元由主回路和控制回路2部分组成。

主回路主要包括进线断路器(QF)、变频器(P)、正弦波滤波器(GL)、升压变压器(T)和真空接触器(KM)等，如图2所示。进线断路器(QF)开启和关断系统电源，变频器(P)调整输出电能的频率和电压，正弦滤波器(GL)将输出电压波形滤为方波，升压变压器(T)将输出电压升高和变频器(P)共同调整系统输出电压，使输出符合控制要求、真空接触器(KM)控制电机(M)的运行。

图2 地面控制单元主回路

控制回路主要由PLC控制系统、人机交互界面和测量仪表等组成。如图3所示。PLC 控制系统[8-9]采用西门子1200 系列可编程控制器作为下位机，主要由485 通信模块、CPU、AI 模拟量模块组成。CPU 为系统作逻辑运算，通过D I/O 数字输出，控制真空接触器和变频器的运行、停止；通过AI 模拟量模块控制变频器的输出电压和频率；485 通信模块采用RS485 通讯，接收电力测量仪表的数据；通过以太网和触摸屏做人机界面数据的交换。

图3 地面控制单元控制回路

2.1.3配套

根据设计方案，配套了地面控制单元样机，如图4所示。地面控制单元主要技术参数如表1所示。

图4 地面控制单元样机

输入电压/V输出电压/V变频器功率/kW变频范围/Hz升压变压器容量/kVA380380～11401150～1007

2.2 传输电缆

传输电缆是电能的传输通道。套管振动器作业方式与射孔类似，故参考了射孔三芯电缆的结构。但是射孔作业电压比较低，而套管振动器电机启动瞬间地面控制单元输出电压高达1 000 V，因此增加了传输电缆绝缘层厚度，并使用更高级别的耐高温绝缘材料。

传输电缆的截面如图5所示[10]。从内到外依次为铜绞线(直径1.2 mm)、绝缘层(厚度1 mm)、填充物、总屏蔽层、内层钢丝(直径1 mm)、外层钢丝(直径1.26 mm)。图6为配套的5 000 m传输电缆。

1—外层钢丝；2—内层钢丝；3—总屏蔽层；4—绝缘层；5—铜绞线；6—填充物。

图6 传输电缆

传输电缆主要技术指标如表2所示。

2.3 电缆接头

电缆接头是传输电缆与套管振动器之间的连接纽带，主要作用如下：

1) 可靠连接电缆和井下仪器。

表2 传输电缆主要技术参数

2) 采用特殊密封、绝缘设计，保证电能顺利传至井下振动器。

3) 专用弱点设计，保护电缆，弱点的额定拉断力不超过电缆额定破断力的50%[11]。

电缆接头主要由橡胶尾锥、打捞帽、主体、椎体三件套、弱点、螺纹套、护帽及特殊密封结构等组成，如图7所示。橡胶尾锥保护连接处电缆；打捞帽用于落井后的打捞；椎体三件套包括小锥套、中锥套和大锥套3件，锥套锥度均为3°，电缆外层钢丝卡在大锥套与中锥套之间，内层钢丝卡在小锥套与中锥套之间，利用锥套的锥度自锁，保证与电缆的可靠连接，如图8所示；弱点设计额定拉断力为36 288 N，遇阻解卡失败时先拉断弱点，既保护电缆，也便于打捞；电缆接头通过螺纹套与井下振动器连接。电缆接头技术参数如表3，连接好的电缆接头如图9所示。

1—橡胶尾锥；2—打捞帽；3—椎体三件套；4—密封腔；5—弱点；6—主体；7—螺纹套；8—护帽。

1—大锥套；2—中锥套；3—小锥套。

图9 电缆接头

2.4 振动器

振动器主要由上接头及护帽、电机短节、偏心短节和橡胶扶正短节等组成，如图10所示。

表3 电缆接头主要技术参数

1—橡胶扶正短节；2—偏心短节；3—电机短节；4—上接头及护帽。

图10 振动器结构示意

电机转子轴与偏心轴相连接，电机旋转从而驱动偏心块旋转，产生径向振动。橡胶扶正短节中的橡胶块一方面起扶正作用，改善振动器在套管内的工作状态；另一方面，减轻振动器对套管的机械冲击，保护套管及接箍。上接头与电缆接头下端连接。振动器主要技术参数如表4所示，配套的振动器样机如图11所示。

表4 振动器主要技术参数

图11 振动器

3 振动器系统性能测试

在完成地面控制单元、传输电缆、电缆接头及振动器系统配套后，进行了系统室内联调试验。试验井筒为埋入地下的标准套管，套管周围用水泥固定。套管外径139.7 mm，壁厚9.17 mm，套管长度4 m。

3.1 测试过程

1) 将输入电源、地面控制单元、传输电缆、电缆接头及套管振动器等按次序连接好。

2) 试验井筒内注满钻井液，并将振动器及电缆接头放入试验井筒内。

3) 地面控制单元通电，闭合进线断路器，等待20 s，完成系统初始化。参照图12在触控屏上设置系统参数。

图12 参数设定

4) 将触摸屏切换到系统界面，设置变频器频率为50 Hz，按下柜体上的启动按钮，系统启动变频器，输出电压稳定后电机接触器自动吸合，振动器开始工作，运行界面如图13所示，记录运行时间及运行参数。直到试验完成，按下柜体上的停止按钮，电机接触器断开，工作结束。

图13 控制单元运行界面

5) 在55～100 Hz范围内调整变频器输出频率，频率间隔为5 Hz，振动器在设置频率下运行，试验过程同4)。

3.2 测试结论

1) 由地面控制单元、传输电缆、电缆接头及振动器组成的整套系统参数匹配良好，连续工作可达4 h以上，性能稳定。

2) 振动器稳定运行频率为50～60 Hz；当频率超过65 Hz，运行电流逐步升高，经分析为频率升高，电机超负荷运行所致。

3) 振动器电机启动时电流大于3 A，正常运行电流为1.7～1.9 A，电流变化范围较大，地面控制单元输出电压能够跟踪电流波动自动调整，始终保持振动器电机输入电压为额定电压(380 V)。验证了地面控制单元输出电压具有自适应调节特性。

4 结论

套管振动器系统配套及性能测试是应用研究的基础，是现场应用之前的关键环节。经室内性能测试表明，该系统应用井深可达5 000 m，适应套管尺寸为139.7 mm，稳定运行频率为50～60 Hz，且具有运行电压随电流变化自动调节等功能，自动化程度较高，完全满足现场使用条件，为下一步推广应用奠定了基础。

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