機械振動對固井水泥石強度影響的實驗研究

王友文 袁進平 王兆會 尹宜勇 王 猛 王 微

1. 中國石油集團鉆井工程技術研究院 2. 中國石油大學（北京）石油工程學院3. 西安石油大學石油工程學院

在固井作業(yè)中，水泥石強度特性是評價1口井固井質量的重要指標，直接影響井筒長期封固質量[1-4]。早在20世紀80年代，美國人Cooke等[5]提出機械式振動套管技術來改善一次固井質量，有效地解決水泥漿膠凝失重問題，同期Chow和Skalle等[6-7]深入開展了機械振動對鉆井液性能影響的相關實驗，發(fā)現(xiàn)振動可以改善鉆井液流變特性，提高水泥石強度，防止環(huán)空氣竄，同時機械振動操作簡單易于實現(xiàn)、工具設備可重復利用、成本低廉，對于全部固井環(huán)節(jié)均有益處，由此，機械式振動固井技術被視為一種改善固井質量的新技術。目前，我國各大科研院所和生產單位主要專注于振動固井工具裝備的研制和設計上[8-12]，在室內實驗評價方面鮮有成果，為此，筆者設計搭建一個機械振動鉆井液的實驗平臺，通過正交實驗定量分析不同振動頻率、振動幅值和振動時間對水泥石強度發(fā)展的影響，并進行機械振動對不同密度鉆井液體系適用性分析。

1 設備及方法

1.1 實驗平臺搭建

為模擬鉆井液在侯凝期間的振動固井工況，搭建了一個鉆井液機械振動實驗平臺，主要由控制箱、吸合式電磁振動臺、固定支架、擋板、水泥石試件制備模具、磁吸座探頭/探桿和振動測量儀7部分組成（圖1）。

圖1 機械式振動固井實驗系統(tǒng)

控制箱可以進行振動參數(shù)（振動頻率、振動幅值、振動時間）、波形和振動方向的設置；吸合式電磁振動臺直接與控制箱連接，是實現(xiàn)振動作用的主體部件；固定支架和擋板主要用于固定水泥石制備模具，其相對位置均可調整；水泥石試件制備模具選用國內常用類型，為防腐蝕的不銹鋼材質，養(yǎng)護生成水泥石試件尺寸為：50.8×50.8×50.8 mm；振動測量儀用于測量振動的加速度、速度和位移，實驗過程中通過振動測量儀的讀數(shù)即可計算出當前工況下的振動幅值，以此監(jiān)測實驗是否正常進行，磁吸座探頭和探桿根據水泥石制備模具材料性質可以互換，鐵磁材料使用磁吸座探頭測量較方便，數(shù)據更準確，對非鐵磁材料的設備可采用探桿測試，本文選用磁吸座探頭進行實驗。

1.2 實驗方法

1）按照《GB/T19139-2012油井水泥試驗方法》配制鉆井液并裝入水泥石試件制備模具。

2）將水泥石制備模具移至吸合式電磁振動臺上，通過調節(jié)固定支架與擋板的相對位置來固定水泥石制備模具。

3）啟動控制箱電源開關，選定輸出波形及振動方向，按照預設的實驗方案進行振動參數(shù)（振動頻率、振動幅值、振動時間）的設置，將磁吸座探頭置于吸合式電磁振動臺上，啟動振動測量儀，開始實驗。

4）實驗過程中時刻觀察振動測量儀讀數(shù)并換算成振動幅值，若實際振動幅值相對于控制箱中預設值的偏離程度較大，則應調節(jié)控制箱上微調旋鈕進行調整，若偏離過大則應中止實驗，檢查故障。

5）實驗結束，裝置自動停止運行，關閉電源，拆卸實驗裝置，將水泥石制備模具擦拭干凈并置于強度養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間24 h，養(yǎng)護溫度80°。

6）養(yǎng)護結束，將水泥石制備模具取出并置于常溫水浴箱中冷卻45 min，待冷卻結束后對其進行拆解，獲取水泥石試件并立即擦拭干凈，通過勻加荷壓力試驗機測試強度，記錄數(shù)據后處理分析。

1.3 實驗配方

為了研究不同振動參數(shù)組合對水泥石強度的影響，以及振動對不同密度水泥漿體系的適用性，選用常規(guī)密度、高密度和低密度3種水泥漿體系進行測試，所選用的水泥及各種添加劑均為國內常見材料，配方詳見表1。

1.4 實驗方案

實驗采取正交實驗法，選取3個影響因素：振動頻率、振動幅值、振動時間，各因素分別取5個水平因子，按照正交實驗設計原則編制形成L25(53)正交實驗表，實驗參數(shù)設計詳見表2。

考慮到實驗結果受水泥性能及環(huán)境因素影響較大，故每次實驗都同時進行靜置與振動兩種情況對比，實驗結果取水泥石抗壓強度的提升幅值，以此來消除水泥本身性質差異及不同時段內環(huán)境因素所引起的誤差，從而保證實驗結果的客觀性和準確性。

2 實驗結果分析

2.1 數(shù)據處理

每組實驗水泥石共8塊，經過靜置和振動處理的水泥塊各4塊，將記錄的最大/小強度數(shù)值與中間兩個數(shù)據的平均值求差，若該差值相對于平均值的比例超過15%，則將該最值舍去，將剩余數(shù)據再取平均值。

取值原則：

式中Pmax/Pmin表示水泥石抗壓強度最大/小值，MPa；Pmid1/Pmid2表示水泥石抗壓強度中間值，MPa。

表1 實驗配方表

表2 振動固井實驗方案

2.2 振動對不同密度鉆井液體系適用性分析

依據實驗方案對高密度、低密度和常規(guī)密度鉆井液體系分別進行了正交實驗共計91組，通過方差分析對實驗數(shù)據的統(tǒng)計學意義進行了驗證，并結合數(shù)據處理原則篩選得到75組有效數(shù)據（圖2）。

圖2表明，振動對常規(guī)密度體系水泥石強度有比較明顯的提升效果，平均提高約7.9%。振動使水泥顆粒的無序運動始終處于動態(tài)平衡，鉆井液體系更加均勻，從而提升水泥石抗壓強度。然而，振動對低密度和高密度體系水泥石強度發(fā)展均會產生不利影響，其強度分別下降9.2%和7.2%，表明機械振動并不適用于低密度和高密度鉆井液體系，因此，后文著重分析常規(guī)密度水泥石在不同振動參數(shù)組合下的強度特征。

常規(guī)密度鉆井液體系在靜置和振動兩種工況下形成水泥石上端面不同的形態(tài)特征（圖3），鉆井液在配制完成后其內部會殘留部分氣泡，在正常靜置情況下漿體內的氣泡無法逸出，后期經過加溫養(yǎng)護氣泡受熱膨脹不斷上竄至模具頂蓋處形成蜂窩孔隙（圖3a），而經過振動處理之后，氣泡因振動波的影響發(fā)生破壞，此時被包裹的水泥顆粒與水充分接觸反應，使水泥漿體系更加均勻致密，凝結固化形成的水泥石表面也更加平整（圖3b）。

圖2 不同配方水泥石強度變化對比曲線

圖3 水泥石上端面形態(tài)特征

2.3 不同振動參數(shù)組合下水泥石強度特性

2.3.1 單因素影響程度分析

將實驗數(shù)據進行極差分析，分別計算各影響因素的極差值，用以判斷各因素對試驗結果影響的主次順序，計算公式如下所示：

式中：Kjm為第j列因素m水平所對應的試驗指標之和； 為第j列因素m水平所對應的試驗指標的平均值；Rj為第j列因素的極差。

通過計算得到的振動參數(shù)中各因素對實驗結果影響程度的主次關系表明（圖4），振動頻率的影響要略大于振動幅值，且兩者的影響均遠大于振動時間，3個影響因素對水泥石抗壓強度影響程度表現(xiàn)為：振動頻率＞ 振動幅值＞ 振動時間。

圖4 振動參數(shù)單因素影響程度分析

2.3.2 振動頻率對水泥石強度影響規(guī)律

水泥石強度隨頻率增加而增加，在0～6 Hz內，強度提升幅度逐漸增加，在6～21 Hz內，強度增幅趨于穩(wěn)定，頻率的變化對強度的影響幾乎不變，一直維持在較高的數(shù)值（10%左右），而在21 Hz以后，隨著頻率的增加強度增幅開始緩慢遞減，表明振動頻率越高，振動能量的衰減也越劇烈，傳播距離和作用范圍都會減小，反而會不利于提高整個井段的固井質量。由此可知，在低頻條件下，存在特定的頻率范圍（6～21 Hz）能使機械振動的作用效果達到最佳，若超出此范圍，則頻率的變化對水泥石強度的提升不再明顯（圖5）。

2.3.3 振動幅值對水泥石強度影響規(guī)律

水泥石強度隨振幅增加而增加，振幅對水泥石強度的影響趨勢呈較典型的二次曲線，振幅過低，則振動波對鉆井液的作用會很微弱，不足以起到改善作用，而振幅過大又會破壞鉆井液體系整體穩(wěn)定性，反而會產生不利影響，所以振幅對水泥石強度的影響存在最優(yōu)值，即曲線極值點2 mm（圖6）。

圖5 水泥石強度隨頻率變化示意圖

圖6 水泥石強度隨振幅變化示意圖

2.3.4 振動時間對水泥石強度影響規(guī)律

水泥石強度隨時間增加而增加，在0～5 min內，強度增幅迅速提高，而在5 min以后，水泥石強度提升幅度基本維持在8%左右，此后振動時間的增加對水泥石強度影響不大，故建議現(xiàn)場實踐中結合具體實地作業(yè)條件，在鉆井液初凝之前的時間段內合理安排實施超過5 min的振動作業(yè)即可（圖7）。

3 結論

1）機械振動有利于提高常規(guī)密度水泥石強度，但對高密度和低密度水泥石強度發(fā)展有不利影響，機械振動對水泥石強度影響的作用機理還有待研究。

2）針對常規(guī)密度鉆井液體系，各單因素對水泥石強度影響程度排序為：振動頻率＞ 振動幅值＞振動時間，振動工具的設計應以振幅和頻率為主，作業(yè)時間結合實際工況確定即可。

3）通過正交實驗優(yōu)選得出適用于常規(guī)密度鉆井液體系的最優(yōu)振動參數(shù)為：振動頻率為6～21 Hz，振動幅值為2 mm，振動時間應大于5 min，在此參數(shù)組合條件下，水泥石強度可提高10%以上

圖7 水泥石強度隨振動時間變化示意圖

[ 1 ] 李玉海, 趙立新, 王軍榮. 振動固井技術綜述[J]. 石油鉆采工藝 , 1994, 16(6)： 40-42.Li Yuhai, Zhao Lixin & Wang Junrong. Overview of vibration cementing technology[J]. Oil Drilling & Production Technology, 1994, 16(6)： 40-42.

[ 2 ] 韓玉安, 孫艷龍, 王洪潮, 王鐵軍. 國內外振動固井技術的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 鉆采工藝, 2000, 23(4)： 27-30.Han Yu'an, Sun Yanlong, Wang Hongchao & Wang Tiejun. Developing status quo of vibration cementing technique both in China and abroad[J]. Drilling & Production Technology, 2000,23(4)： 27-30.

[ 3 ] 沈偉. 各種因素對水泥石抗壓強度的影響[J]. 鉆井液與完井液 , 2000, 17(1)： 22-24.Shen Wei. Effects of different factors on cement compressing strength[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2000, 17(1)： 22-24.

[ 4 ] 丁士東, 高德利, 王崎, 余才焌, 鐘水清. 脈沖振動處理對水泥石早期性能的影響[J]. 鉆采工藝, 2007, 30(6)： 105-107.Ding Shidong, Gao Deli, Wang Qi, Yu Caijun & Zhong Shuiqing. Influence of pulsation treatment on early properties of cementstone[J]. Drilling & Production Technology, 2007, 30(6)：105-107.

[ 5 ] Cooke CE Jr, Gonzalez OJ & Broussard DJ. Primary cementing improvement by casing vibration during cement curing time[J].SPE Production Engineering, 1988, 3(3)： 339-345.

[ 6 ] Chow TW, Mcintire LV, Kunze KR & Cooke CE. The rheological properties of cement slurries： effects of vibration, hydration conditions, and additives[J]. SPE Production Engineering, 1988,3(4)： 543-550.

[ 7 ] Skalle P, Sveen J & Justnes H. Vibration of oil well cement[C]//Abu Dhabi Petroleum Conference, 18-20 May, 1992, Abu Dhabi. DOI： http：//dx.doi.org/10.2118/24508-MS.

[ 8 ] 廖華林, 李根生, 易燦, 牛繼磊, 丁士東, 張克堅. 水力脈沖振動注水泥裝置的設計與試驗[J]. 中國石油大學學報(自然科學版 ), 2008, 32(1)： 47-50.

Liao Hualin, Li Gensheng, Yi Can, Niu Jilei, Ding Shidong &Zhang Kejian. Design and experiment on hydraulic pulse vibration generator for cementing[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2008, 32(1)： 47-50.

[ 9 ] 王恩合, 王學良, 王學成, 陳杰, 王雪梅. 動態(tài)振動固井技術研究及現(xiàn)場試驗[J]. 石油鉆探技術, 2011, 39(4)： 57-60.Wang Enhe, Wang Xueliang, Wang Xuecheng, Chen Jie &Wang Xuemei. Research and field experiment of dynamic vibrating cementing technique[J]. Petroleum Drilling Techniques,2011, 39(4)： 57-60.

[10] 尹宜勇, 劉碩瓊, 王兆會. 振動固井電力振動器激振力和振幅分析[J]. 石油鉆采工藝, 2016, 38(3)： 327-330.Yin Yiyong, Liu Shuoqiong & Wang Zhaohui. Exciting force and amplitude of electric vibrator used in vibration cementing[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2016, 38(3)： 327-330.

[11] 梅明佳, 江維, 魏周勝. 偏心機械式振動固井技術在長慶油田的應用[J]. 鉆井液與完井液, 2016, 33(4)： 97-100.Mei Mingjia, Jiang Wei & Wei Zhousheng. The application of eccentric mechanical vibration cementing technique in Changqing[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2016, 33(4)： 97-100.

[12] 尹宜勇, 王兆會, 任星, 劉斌輝. 井下螺桿馬達雙向振動固井工具的研制[J]. 石油機械, 2017, 45(1)： 10-14.Yin Yiyong, Wang Zhaohui, Ren Xing & Liu Binhui. Development of downhole PDM bidirectional vibration cementing tool[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(1)： 10-14.