振动固井是在下套管、注水泥、顶替和候凝的过程中,采用机械振动、液压或空气脉冲、水力冲击等手段,产生振动波作用于套管、钻井液和水泥浆来提高固井质量的一项新技术。本论文通过对国内外振动固井理论和工具研制状的调研与分析,熟悉掌握了国内外振动固井理论与工具研制的发展方向。国内外在固井中针对气窜的发生而采取的对策不同,目前随着振动固井工具在国外固井中产生良好的效果,逐渐引起了国内外专家的重视。国内已有很多专家学者对振动固井理论进行研究,同时有相关单位进行工具的研制并投入到现场应用,取得了良好的固井效果。本文基于对国内外大量资料的调研,综合国内外现有的理论,环空气窜的发生离不开两个必要条件,即窜流通道和窜流动力。显然,窜流动力来自于层间压差,而窜流通道则来自于水泥与地层、套管相结合形成良好层间封隔中的薄弱环节,即水泥石本体或水泥石与地层、套管之间的连接界面。目前相对完善的环空窜流学说有三种：一是界面胶结学说,二是失重桥堵学说,三是胶凝结构学说。但无论哪种学说,都认为流体必须通过窜流通道才能完成窜流。中国地质大学的顾军教授认为环空气窜的根本原因是固井二界面封固系统的胶结质量问题,尽管环空静液压力大于地层孔隙压力,但因井筒热力变化和压力波动形成的界面微裂隙和滤饼或死泥浆形成的旁通渠道或微窜槽,仍会给圈闭与地层的气体创造窜流通道。这也就是为什么测井资料看起来密封良好的环空在完井数周或数月后检测到有气体出现的真正原因。这一理论得到了业界诸多专家的认可。因此,提高固井二界面的胶结强度和固井过程中水泥石的强度对于保证整口井的固井质量防止气窜的发生显得尤为重要。环空气窜发生的原因有多种,但是最主要的原因是水泥浆失重。水泥浆的失重不可避免,但是水泥浆的转换时间越短,水泥石孔隙度越低,水泥浆失重的影响越小,发生气窜的可能性也就越低。国内有专家通过实验证明,脉冲振动,能够改变水泥浆的性能,缩短水泥浆的转换时间,提高水泥石的抗压强度,使得形成的水泥石更加致密,从而能有效的防止气窜的发生。因此,水力脉冲振动固井工具的应用是防止气窜发生的有效对策之一。本文充分调研了国内外振动固井装置的发展概况后,目前常用的井下激振设备器有电动式、电磁式和电液式、水力脉冲式4种。结合振动频率方面的选择,部分专家通过研究发现,当振动频率较高时,虽然能在局部范围内切除顽固的致密层泥饼,但是振动波会对井壁的稳定产生一定的不良影响。而且振动频率越高,振动波衰减的也更快,传播距离更短,反而不利于提高整个井段的固井质量。因此脉冲振动频率在0.5-20Hz时,产生的固井效果最好。在实现方式上,要控制频率较低,而且工具简单便于安装,成本低廉,井下低频水力脉冲振动固井装置是较为理想的选择。在装置的设计中,充分考虑固井工艺的要求,尽可能地采用与现场较为接近的数据作为设计参考数据,对于装置中零部件选择尽可能的使用标准件与常用材料；在强度校核中,对于零部件关键部位进行受力分析并通过反演法来验算尺寸的合理性,最终形成较为合理的设计思路,并根据思路,绘制出装置各部件的零件图和整体的装配图。在整个装置的设计过程中,对于钻井和机械方面的知识是一个检验和实践的过程,同时设计的装置理论上具有一定可行性,对于振动固井装置的完善具有一定的补充作用。