20世纪80年代，国外公司在固井作业中开始应用振动技术，并在美国和前苏联得到了迅速发展。振动固井装置按照振源位置分为机械式/声频井口振动器、地面环空水力或空气脉冲振动固井装置^[1-3]、水力脉冲式振动器^[4-7]和移动式机械/声频振动器。移动式机械振动器为俄罗斯独有并在该国取得了良好的应用效果。该振动器能够在套管内移动，可以对任一井深处环空候凝的水泥浆进行振动，具有能耗低、可重复使用和不干扰常规固井的特点。胜利油田引进了俄罗斯移动式机械振动器，并进行了现场试验，固井质量得到明显提高，但在试验过程中也发现了许多问题：我国与俄罗斯通用套管尺寸存在差异，振动器外径偏大，与φ139.7 mm套管的间隙过小，导致启动困难；连续工作时间短，以间歇方式工作，工作时频繁启停；振动器压力平衡机构结构复杂，入井前压力平衡机构充油过程繁琐。这些缺陷直接影响其在国内的推广应用。因此，笔者根据胜利油田的需要，通过自主研发井下振动器和地面电力控制单元，配套了专用电缆、马龙头和井口起下装置，研制出了具有自主知识产权的移动式振动固井装置，并进行了现场试验，固井质量得到大幅提高。

1 移动式振动固井装置的研制思路

从工作原理、装置组成和施工工艺等3方面介绍移动式振动固井装置的研制思路。

1.1 工作原理

移动是相对于固定的振源而言的，是指振动器在套管中一边上下运动一边振动，并在一定范围内传递振动波。在水泥浆稠化时间内，脉冲波把振动能量通过套管作用到环空的候凝水泥浆中，根据密实原理，破坏介质颗粒间以及分子间的结构，降低水泥浆的静切力和减轻胶凝失重，改变水泥浆原有的性能特征和水泥石的微观特性^[8-10]。在水泥浆候凝阶段振动有利于提高水泥浆的均匀度和密实性，在环空形成坚固而完整的水泥环，提高第一、第二界面的胶结强度。

1.2 装置组成

移动式振动固井装置由井下振动器、地面电控单元和收放系统组成，见图 1。井下振动器将电能转换成频率和振幅可调的振动波；地面电控单元将井场交流电压升高，以利于长距离传输；收放系统由绞车及电缆、配合接头和天地滑轮组成，利用其起下井下振动器和控制井下振动器的运动。

1.3 施工工艺

移动振动固井是在水泥浆稠化时间内振动套管，向环空中的水泥浆传递高频振动波。施工工艺如下：

1) 顶替完水泥浆后，拆掉水泥头，利用绞车、滑轮和电缆将井下振动器下到套管内；

2) 井下振动器下至目的井段后启动，在水泥浆稠化时间内振动套管，进行点振或边移动边振动；

3) 振动结束，起出井下振动器，继续候凝。

2 关键设备的研制

井下振动器和地面电控单元是移动式振动固井装置的关键设备，对其进行了设计与研制。

2.1 井下振动器

井下振动器由交流电机、偏心机构和振击短节构成(见图 2)，上端的过电接头通过马龙头与电缆连接。其与俄罗斯移动式振动器相比主要进行了以下改进：交流电机通过联轴器带动偏心结构；精简了压力平衡机构；为适应φ139.7 mm套管，将外径缩小至104.0 mm。

马龙头由快接鱼雷、拉力棒、打捞头、密封接头和硅脂腔组成。与俄罗斯移动式振动器相比，主要进行了以下改进：为有效缓冲振动冲击和减少磨损，快接鱼雷上方增设加长型橡胶尾椎，以保护电缆；密封接头增加预紧力装置，以保证3芯插接件接触电阻小于0.5 Ω，以提升马龙头耐高压(120 MPa)和耐高温(175 ℃)的能力。

三相交流电机根据内径特制了电机绕组，输出功率1.2 kW。

振动器运行时偏心块做圆周运动，振动器外壳做平移圆周运动，其运行参数包括加速度、振幅、频率和振激力等，这些参数与偏心块的结构、转速、偏心矩、材质和总质量有关^[11]。笔者主要根据振动频率和振幅，对偏心块结构进行设计，使其能满足总质量90~100 kg的振动器在50~60 Hz振动频率下振幅达到4.0 mm的要求，为变频调整振幅和振激力提供余量。

偏心块的转速决定振动器的振动频率，两者的关系式为：

(1)

以常用扇形偏心块(见图 3)的力学计算公式为依据^[12]，计算偏心块的截面积和偏心距。

偏心块的截面积和偏心距分别为：

(2)

(3)

振动器作圆周运动形式的振动时，外壳圆周运动的离心力、转轴扭矩与偏心轮圆周运动的离心力构成平衡力系，据此推导出运行参数的计算公式：

(4)

(5)

(6)

对于扇形偏心块，若不考虑轴部分的偏心距及其质量，振激力的计算式可简化为：

(7)

式中：f为频率，Hz；n为偏心块的转速，r/min；S为偏心块的截面积，m²；e为偏心块的偏心距，m；α为扇形半圆弧中心角，(°)；R为偏心块外径，m；r为轴外径，m；P为功率，kW；F为振激力，N；A为振幅，m；m为偏心块的质量，kg；M为振动器总质量，kg；ω为偏心块的角速度，rad/s；B为偏心块厚度，m；ρ为偏心块密度，kg/m³；L为偏心块长度，m。

结合套管内径和振动器尺寸，将偏心块的结构参数设计为：R=40 mm，r=22 mm，L=550 mm，α=60°。偏心块的密度ρ为7 800 kg/m³，利用上面的公式计算偏心块质量和不同频率下振动器的振幅。计算结果表明，该结构的扇形偏心块能使质量90~100 kg的振动器在振动频率50~60 Hz时的振幅达到4.5 mm，达到了设计要求。

2.2 地面电控单元

地面电控单元由变压器、变频器、PLC控制器和保护电路组成，如图 4所示。控制原理：变压器将380 V的交流电升至1 500 V，再经变频器变频后通过电缆输送至井下振动器，PLC控制器控制振动器工作。与俄罗斯移动式振动器相比，变压器由三档变压升级成0~1 500 V无级调压；PLC控制器通过人机交互界面显示和记录电压、电流和频率等参数，通过变频调整振动器的输出特性，具有控制电机正反转、停机自放电和故障报警功能。

3 地面试验

俄罗斯移动式振动器适用井斜角不大于40°的井段，而国内定向井目的层的井斜角常常大于40°，且俄罗斯移动式振动器每工作15 min要停机30 s。振动器作为释放振动波的终端，固井时要求其可靠、耐用。因此，通过地面试验测试移动式振动固井装置适用的井斜角和可靠性，并与俄罗斯移动式振动器的振幅进行了对比。

利用搭建的模拟多角度套管试验台(见图 5)测试研制移动式振动固井装置适用的井斜角，测量不同频率下振动器和套管的振幅。

模拟20°，40°和50°的井斜角，测试研制的井下振动器在套管中是否能启动和运行，并测量井下振动器和套管在不同频率下的振幅，结果见图 6。

从图 6可以看出:在50 Hz频率下，井下振动器最大振幅为5.0 mm，套管振幅为1.3 mm；从图 6还可以看出，随着频率升高，井下振动器和套管的振幅呈减小趋势，综合考虑井下振动器的寿命和发热量，将井下振动器的工作频率限定在50~80 Hz。

试验发现，研制的井下振动器在井斜角达到50°时仍可以正常启动，且无间断连续工作时间大于4 h，其振幅最大达到5.0 mm，启动稳定。这说明研制的井下振动器和电控系统克服了俄罗斯移动式振动器的缺陷，解决了启动困难、频繁停机间歇工作等问题。

4 现场试验

为进一步检测移动式振动固井装置的性能和验证振动固井效果，在胜利油田的营13-斜161井进行了现场试验。营13-斜161井为定向井，完钻井深2 999.00 m，油层顶界2 954.00 m，φ139.7 mm套管下至井深2 980.00 m，井深2 003.00 m处井斜角24°，要求水泥返高500.00 m，500.00~1 700.00 m井段采用泡沫水泥浆固井，1 700.00~2 999.00 m井段采用常规G级水泥浆固井。G级水泥浆密度1.85 kg/L，稠化时间为180 min。

1 700.00~2 999.00 m井段注水泥结束后，将井下振动器置于φ139.7 mm套管中，下至井深2 100.00 m，开启地面电控单元，电压升至1 000 V时井下振动器启动，在2 000.00~2 100.00 m井段边移动边振动。为避免振动时间过长形成水带，每点振动时长4 min，间隔6 m，并且控制在水泥浆稠化时间(180 min)内结束振动，以防对水泥浆的初凝起反作用。振动结束后，提出井下振动器进行声幅测井，评价固井质量。

表 1为营13-斜161井不同井段的固井质量评价结果。由表 1可知，该井振动井段的固井质量与邻近未振动井段相比显著提高，振动井段第一界面优质率和第二界面合格率均提高25.0百分点以上。

表 2为营13-斜161井与邻井相同井段的固井质量评价结果。由表 2可知，营13-斜161井振动井段的固井质量与邻井未振动相同井段相比大幅提高，第一界面优质率和第二界面合格率分别平均提高了17.5和45.0百分点。

5 结论与建议

1) 通过研制井下振动器、地面电控系统和配套设备，形成了一套移动式振动固井装置。

2) 地面试验表明，研制的移动式振动固井装置适用于井斜角不大于50°的井段，且能长时间连续工作，克服了俄罗斯移动式振动器只适用于井斜角小的井段和不能连续工作的缺陷。

3) 现场试验表明，采用研制的移动式振动固井装置进行振动固井，能大幅度提高固井质量。

4) 为进一步发挥移动式振动固井装置的作用，需要优选振动频率和研究振动波的影响范围。