機(jī)械振動(dòng)對(duì)油井水泥性能影響規(guī)律研究

王友文 袁進(jìn)平 王兆會(huì) 尹宜勇 王 微

1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司, 北京 102206;2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院, 北京 102249;3. 中國(guó)石油青海油田公司采油五廠, 青海 海西蒙古族藏族自治州 816400

0 前言

20世紀(jì)70年代,美國(guó)人Solum K W[1]發(fā)明了機(jī)械式內(nèi)管振動(dòng)裝置,通過(guò)旋轉(zhuǎn)內(nèi)管帶動(dòng)彈性裝置對(duì)套管產(chǎn)生徑向沖擊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。此后,有關(guān)振動(dòng)固井裝置的專(zhuān)利成果不斷豐富,技術(shù)類(lèi)別也日益完善[2-5]。直到1988年，美國(guó)埃克森美孚Cooke C E和Chow T W等人[6-7]正式提出機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù),通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明機(jī)械振動(dòng)可以有效提高膠結(jié)質(zhì)量,防止環(huán)空氣竄。相較于其他振動(dòng)固井技術(shù)方法[8-9],機(jī)械式振動(dòng)作業(yè)流程更簡(jiǎn)單,成本更低廉,通過(guò)激振裝置直接作用于套管處,激發(fā)產(chǎn)生的振動(dòng)波經(jīng)由套管柱傳遞至井眼環(huán)空流體中,改善水泥顆粒堆積形態(tài)[10-14],使得水泥漿體系更加均勻致密,極大程度地改善了流變性和可泵送性,提高固井質(zhì)量。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的科研精力大多集中于振動(dòng)固井工具和裝備的研發(fā)上[15-20],關(guān)于機(jī)械振動(dòng)對(duì)水泥漿性能的影響效果尚無(wú)明確規(guī)律,由于缺乏足夠的理論指導(dǎo)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐,機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。為此,本文通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究機(jī)械振動(dòng)對(duì)油井水泥各項(xiàng)性能的影響規(guī)律,并自主設(shè)計(jì)加工一套新型水泥石試件制備模具，探索了振動(dòng)作用的最佳范圍,以期為機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)及數(shù)據(jù)參考。

1 振動(dòng)對(duì)水泥漿常規(guī)性能的影響

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水泥漿為常規(guī)密度體系(密度:1.90 g/cm3),外加劑與外摻料均為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見(jiàn)材料,所用配比為實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā),配方為:

四川嘉華G級(jí)水泥+5.5%增強(qiáng)劑DRB-1 S+4%防竄劑DRT-100 S+4%增韌劑DRE-100 S+3%增韌防漏劑DRN-100 S+1%降失水劑DRF-100 S+0.3%分散劑DRS-1 S+48%水

水泥漿養(yǎng)護(hù)條件為:80 ℃下進(jìn)行24 h的常壓養(yǎng)護(hù)。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

自主設(shè)計(jì)的機(jī)械式振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1,通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)選得到最佳振動(dòng)參數(shù)[21]:振動(dòng)頻率6～21 Hz,振動(dòng)幅值2.2 mm,振動(dòng)時(shí)間5 min,以此進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn),測(cè)試在此頻率范圍內(nèi)振動(dòng)對(duì)水泥漿性能的影響規(guī)律。

圖1 機(jī)械振動(dòng)水泥漿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),機(jī)械振動(dòng)對(duì)水泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)均有明顯改善,為便于比較,計(jì)算得到各組數(shù)據(jù)平均值及相對(duì)應(yīng)的變化幅度,見(jiàn)表2。

表1 水泥漿性能測(cè)試數(shù)據(jù)表

表2 水泥漿性能對(duì)比表

1.2.1 機(jī)械振動(dòng)對(duì)水泥漿流變性能的影響

水泥漿流性指數(shù)與稠度系數(shù)均獲得顯著改善,流性指數(shù)提高7.20%,稠度系數(shù)下降23.47%。同時(shí),測(cè)得黏度計(jì)各轉(zhuǎn)速下按遞增次序和遞減次序讀數(shù)之比均略大于1,表明振動(dòng)使得水泥漿體系發(fā)生輕微沉降,因此,在振動(dòng)施工作業(yè)的過(guò)程中要充分把控時(shí)間變量,防止沉降現(xiàn)象進(jìn)一步惡化。

1.2.2 機(jī)械振動(dòng)對(duì)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的影響

振動(dòng)使得靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展過(guò)渡時(shí)間和凝結(jié)時(shí)間分別縮減了7.89%和5.65%,這說(shuō)明振動(dòng)在一定程度上促進(jìn)了水化歷程,加速水泥漿凝結(jié)硬化成塊,使水泥漿在由液態(tài)過(guò)渡到液塑態(tài)的過(guò)程中依然能夠有效保障井底壓力平衡狀態(tài),對(duì)于防止環(huán)空氣竄的發(fā)生有積極影響。

1.2.3 振動(dòng)對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

機(jī)械振動(dòng)可以對(duì)水泥漿體系內(nèi)部殘存的氣泡進(jìn)行破壞,使整個(gè)體系更加均勻致密,最終表現(xiàn)為水泥石強(qiáng)度得到極大提升,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示振動(dòng)后水泥石抗壓強(qiáng)度提升12.43%。水泥石力學(xué)性能是關(guān)乎井筒生命周期內(nèi)完整性的關(guān)鍵參數(shù),因此,通過(guò)施加機(jī)械振動(dòng)提升水泥石強(qiáng)度是切實(shí)可行的。

2 微觀結(jié)構(gòu)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)械振動(dòng)對(duì)水泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)的作用效果,特采用掃描電鏡和壓汞孔隙度法進(jìn)行定性和定量的微觀分析。

2.1 斷面掃描電鏡

圖2所示為在高真空條件下對(duì)水泥石樣品斷面放大 1 000 倍后的掃描圖像。總體來(lái)看,水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成的大量C-S-H凝膠產(chǎn)物錯(cuò)落分布,充填在水泥顆粒間的孔隙中,呈現(xiàn)出較為明顯的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如圖2-a)所示,未經(jīng)振動(dòng)的水泥石樣品多孔且結(jié)構(gòu)疏松,水泥石樣品層間分離非常明顯,孔縫分布無(wú)規(guī)則。如圖2-b)所示,振動(dòng)后的水泥石樣品內(nèi)部分布有少量的顆粒狀產(chǎn)物,說(shuō)明振動(dòng)影響了漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu),水泥石樣品中C-H-S凝膠產(chǎn)物層疊生長(zhǎng),水化產(chǎn)物呈層狀分布連接成統(tǒng)一整體,但也會(huì)有局部結(jié)構(gòu)受到破壞產(chǎn)生剝離現(xiàn)象?？傊?振動(dòng)對(duì)因水化反應(yīng)不完全而產(chǎn)生的有害孔縫均有改善,結(jié)構(gòu)缺陷明顯減少。

a)靜置

b)振動(dòng)圖2 水泥石樣品掃描電鏡圖

2.2 壓汞法

對(duì)兩種工況下的水泥石樣品進(jìn)行壓汞法測(cè)孔隙度,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 壓汞測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表3可知,經(jīng)過(guò)振動(dòng),樣品總孔隙體積、滲透率和孔隙度均大幅下降,分別降低14.27%、39.63%和13.16%,表明振動(dòng)使得水泥石樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密緊湊,而平均孔徑下降25.79%,則進(jìn)一步證實(shí)振動(dòng)對(duì)于消除有害大孔起到了積極作用,對(duì)于水泥石強(qiáng)度性能的提升至關(guān)重要。

由圖3可知,本次實(shí)驗(yàn)用水泥石樣品中,微孔和過(guò)渡孔占比在90%以上,靜置樣品孔徑分布較為均勻,隨著孔徑增加孔隙體積呈跳躍式遞增,并在39.95 nm孔徑處達(dá)到峰值;而振動(dòng)處理的樣品孔徑分布曲線呈現(xiàn)雙峰形態(tài),在3.62、40.29 nm兩處出現(xiàn)峰值,在此特定數(shù)值附近孔徑較為集中,分析認(rèn)為,低孔徑峰值主要是振動(dòng)促使水泥漿體系趨于致密均勻,水泥石主要以微孔為主,而大孔徑峰值可能振動(dòng)導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,部分水化產(chǎn)物脫離網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，這一結(jié)論與前一節(jié)斷面掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖3 孔徑分布圖

3 振動(dòng)波最佳作用范圍

設(shè)計(jì)一種新型水泥石試件制備模具,在不改變?cè)袑?shí)驗(yàn)操作及樣品制備流程的基礎(chǔ)上,將水泥石均勻等分為上、中、下三部分,通過(guò)對(duì)各部分樣品的力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù),探索機(jī)械振動(dòng)對(duì)水泥漿體系穩(wěn)定性的影響規(guī)律,裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 新型水泥石試件制備模具結(jié)構(gòu)圖

新型模具分為對(duì)稱(chēng)的左右兩個(gè)部分,可同時(shí)生成6塊標(biāo)準(zhǔn)水泥石試件,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,模具一側(cè)水泥漿先進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn),另一側(cè)靜置水泥漿作為對(duì)照組,不參與振動(dòng),如此便可實(shí)現(xiàn)兩種實(shí)驗(yàn)條件下相同參數(shù)的同層比較,消除誤差。新型模具主要由本體、底板、提桿、閘板和頂蓋五個(gè)部分組成,組件均為不銹鋼金屬材料,耐腐蝕。水泥石試件制備模具實(shí)物見(jiàn)圖5。

a)通用水泥石模具

b)新型水泥石模具圖5 水泥石試件制備模具實(shí)物照片

為探究振動(dòng)對(duì)水泥漿體系的擾動(dòng)規(guī)律,依據(jù)式(1)計(jì)算每組樣品上、中、下三層中強(qiáng)度最大值相對(duì)最小值的變化幅度,以此來(lái)衡量水泥漿縱向上的均勻程度,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

(1)

式中:δ為波動(dòng)幅度,無(wú)量綱;pmax為同組中水泥石強(qiáng)度最大值,MPa;pmin為同組中水泥石強(qiáng)度最小值,MPa;pmid為同組中水泥石強(qiáng)度平均值,MPa。

表4 新型模具測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表4可知,靜置時(shí)水泥石強(qiáng)度各層相對(duì)變化較小,平均波動(dòng)幅度僅為1.22%,而振動(dòng)后強(qiáng)度波動(dòng)幅度變化很大,平均波動(dòng)幅度可達(dá)8.08%,約為振動(dòng)前的6.62倍,由此充分說(shuō)明機(jī)械振動(dòng)的確對(duì)水泥漿體系造成擾動(dòng),振動(dòng)波在破碎水泥漿內(nèi)部殘存氣泡的同時(shí),也會(huì)不可避免地迫使水泥顆粒產(chǎn)生不同程度的震顫和混竄,使得水泥石強(qiáng)度在縱向上發(fā)展不均衡。

圖6為同層位間靜置與振動(dòng)兩種情況下水泥石強(qiáng)度對(duì)比圖,總體來(lái)看各層強(qiáng)度均有不同程度提高,但各層之間振動(dòng)前后水泥石強(qiáng)度差異顯著,中層提升幅度最大為10.49%,其次為下層增幅7.41%,上層水泥石強(qiáng)度變化最微弱,提升幅度僅為0.61%,中層樣品強(qiáng)度增幅為下層樣品的1.42倍,卻是上層樣品的17.20倍,實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明機(jī)械振動(dòng)的最佳作用范圍有限,振動(dòng)波在水泥漿中的衰減非常迅速,作用效果最佳的位置應(yīng)在激振處與遠(yuǎn)端的中間區(qū)域。

圖6 水泥石強(qiáng)度同層比較圖

4 結(jié)論

1)通過(guò)控制變量實(shí)驗(yàn)法測(cè)試機(jī)械振動(dòng)對(duì)水泥漿各項(xiàng)性能的改善效果:流性指數(shù)提高7.20%,稠度系數(shù)下降23.47%,靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展過(guò)渡時(shí)間和凝結(jié)時(shí)間分別縮減了7.89%和5.65%,水泥石抗壓強(qiáng)度提升12.43%。

2)通過(guò)掃描電鏡和壓汞法對(duì)水泥石結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀分析,振動(dòng)后樣品總孔隙體積、滲透率、孔隙度和平均孔徑分別降低14.27%、39.63%、13.16%和25.79%,從微觀角度驗(yàn)證了振動(dòng)對(duì)于改善水泥石微觀結(jié)構(gòu)的積極效果。

3)發(fā)明一套新型水泥石制備模具,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)后水泥石強(qiáng)度波動(dòng)幅度約為振動(dòng)前的6.62倍,證實(shí)振動(dòng)對(duì)水泥漿體系穩(wěn)定性存在擾動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)的最佳作用范圍非常有限,作用效果最佳的位置應(yīng)在激振處與遠(yuǎn)端的中間區(qū)域。