机械振动对固井水泥石强度影响的实验研究

王友文 袁进平 王兆会 尹宜勇 王 猛 王 微

1. 中国石油集团钻井工程技术研究院 2. 中国石油大学（北京）石油工程学院3. 西安石油大学石油工程学院

在固井作业中，水泥石强度特性是评价1口井固井质量的重要指标，直接影响井筒长期封固质量[1-4]。早在20世纪80年代，美国人Cooke等[5]提出机械式振动套管技术来改善一次固井质量，有效地解决水泥浆胶凝失重问题，同期Chow和Skalle等[6-7]深入开展了机械振动对钻井液性能影响的相关实验，发现振动可以改善钻井液流变特性，提高水泥石强度，防止环空气窜，同时机械振动操作简单易于实现、工具设备可重复利用、成本低廉，对于全部固井环节均有益处，由此，机械式振动固井技术被视为一种改善固井质量的新技术。目前，我国各大科研院所和生产单位主要专注于振动固井工具装备的研制和设计上[8-12]，在室内实验评价方面鲜有成果，为此，笔者设计搭建一个机械振动钻井液的实验平台，通过正交实验定量分析不同振动频率、振动幅值和振动时间对水泥石强度发展的影响，并进行机械振动对不同密度钻井液体系适用性分析。

1 设备及方法

1.1 实验平台搭建

为模拟钻井液在侯凝期间的振动固井工况，搭建了一个钻井液机械振动实验平台，主要由控制箱、吸合式电磁振动台、固定支架、挡板、水泥石试件制备模具、磁吸座探头/探杆和振动测量仪7部分组成（图1）。

图1 机械式振动固井实验系统

控制箱可以进行振动参数（振动频率、振动幅值、振动时间）、波形和振动方向的设置；吸合式电磁振动台直接与控制箱连接，是实现振动作用的主体部件；固定支架和挡板主要用于固定水泥石制备模具，其相对位置均可调整；水泥石试件制备模具选用国内常用类型，为防腐蚀的不锈钢材质，养护生成水泥石试件尺寸为：50.8×50.8×50.8 mm；振动测量仪用于测量振动的加速度、速度和位移，实验过程中通过振动测量仪的读数即可计算出当前工况下的振动幅值，以此监测实验是否正常进行，磁吸座探头和探杆根据水泥石制备模具材料性质可以互换，铁磁材料使用磁吸座探头测量较方便，数据更准确，对非铁磁材料的设备可采用探杆测试，本文选用磁吸座探头进行实验。

1.2 实验方法

1）按照《GB/T19139-2012油井水泥试验方法》配制钻井液并装入水泥石试件制备模具。

2）将水泥石制备模具移至吸合式电磁振动台上，通过调节固定支架与挡板的相对位置来固定水泥石制备模具。

3）启动控制箱电源开关，选定输出波形及振动方向，按照预设的实验方案进行振动参数（振动频率、振动幅值、振动时间）的设置，将磁吸座探头置于吸合式电磁振动台上，启动振动测量仪，开始实验。

4）实验过程中时刻观察振动测量仪读数并换算成振动幅值，若实际振动幅值相对于控制箱中预设值的偏离程度较大，则应调节控制箱上微调旋钮进行调整，若偏离过大则应中止实验，检查故障。

5）实验结束，装置自动停止运行，关闭电源，拆卸实验装置，将水泥石制备模具擦拭干净并置于强度养护箱中进行养护，养护时间24 h，养护温度80°。

6）养护结束，将水泥石制备模具取出并置于常温水浴箱中冷却45 min，待冷却结束后对其进行拆解，获取水泥石试件并立即擦拭干净，通过匀加荷压力试验机测试强度，记录数据后处理分析。

1.3 实验配方

为了研究不同振动参数组合对水泥石强度的影响，以及振动对不同密度水泥浆体系的适用性，选用常规密度、高密度和低密度3种水泥浆体系进行测试，所选用的水泥及各种添加剂均为国内常见材料，配方详见表1。

1.4 实验方案

实验采取正交实验法，选取3个影响因素：振动频率、振动幅值、振动时间，各因素分别取5个水平因子，按照正交实验设计原则编制形成L25(53)正交实验表，实验参数设计详见表2。

考虑到实验结果受水泥性能及环境因素影响较大，故每次实验都同时进行静置与振动两种情况对比，实验结果取水泥石抗压强度的提升幅值，以此来消除水泥本身性质差异及不同时段内环境因素所引起的误差，从而保证实验结果的客观性和准确性。

2 实验结果分析

2.1 数据处理

每组实验水泥石共8块，经过静置和振动处理的水泥块各4块，将记录的最大/小强度数值与中间两个数据的平均值求差，若该差值相对于平均值的比例超过15%，则将该最值舍去，将剩余数据再取平均值。

取值原则：

式中Pmax/Pmin表示水泥石抗压强度最大/小值，MPa；Pmid1/Pmid2表示水泥石抗压强度中间值，MPa。

表1 实验配方表

表2 振动固井实验方案

2.2 振动对不同密度钻井液体系适用性分析

依据实验方案对高密度、低密度和常规密度钻井液体系分别进行了正交实验共计91组，通过方差分析对实验数据的统计学意义进行了验证，并结合数据处理原则筛选得到75组有效数据（图2）。

图2表明，振动对常规密度体系水泥石强度有比较明显的提升效果，平均提高约7.9%。振动使水泥颗粒的无序运动始终处于动态平衡，钻井液体系更加均匀，从而提升水泥石抗压强度。然而，振动对低密度和高密度体系水泥石强度发展均会产生不利影响，其强度分别下降9.2%和7.2%，表明机械振动并不适用于低密度和高密度钻井液体系，因此，后文着重分析常规密度水泥石在不同振动参数组合下的强度特征。

常规密度钻井液体系在静置和振动两种工况下形成水泥石上端面不同的形态特征（图3），钻井液在配制完成后其内部会残留部分气泡，在正常静置情况下浆体内的气泡无法逸出，后期经过加温养护气泡受热膨胀不断上窜至模具顶盖处形成蜂窝孔隙（图3a），而经过振动处理之后，气泡因振动波的影响发生破坏，此时被包裹的水泥颗粒与水充分接触反应，使水泥浆体系更加均匀致密，凝结固化形成的水泥石表面也更加平整（图3b）。

图2 不同配方水泥石强度变化对比曲线

图3 水泥石上端面形态特征

2.3 不同振动参数组合下水泥石强度特性

2.3.1 单因素影响程度分析

将实验数据进行极差分析，分别计算各影响因素的极差值，用以判断各因素对试验结果影响的主次顺序，计算公式如下所示：

式中：Kjm为第j列因素m水平所对应的试验指标之和； 为第j列因素m水平所对应的试验指标的平均值；Rj为第j列因素的极差。

通过计算得到的振动参数中各因素对实验结果影响程度的主次关系表明（图4），振动频率的影响要略大于振动幅值，且两者的影响均远大于振动时间，3个影响因素对水泥石抗压强度影响程度表现为：振动频率＞ 振动幅值＞ 振动时间。

图4 振动参数单因素影响程度分析

2.3.2 振动频率对水泥石强度影响规律

水泥石强度随频率增加而增加，在0～6 Hz内，强度提升幅度逐渐增加，在6～21 Hz内，强度增幅趋于稳定，频率的变化对强度的影响几乎不变，一直维持在较高的数值（10%左右），而在21 Hz以后，随着频率的增加强度增幅开始缓慢递减，表明振动频率越高，振动能量的衰减也越剧烈，传播距离和作用范围都会减小，反而会不利于提高整个井段的固井质量。由此可知，在低频条件下，存在特定的频率范围（6～21 Hz）能使机械振动的作用效果达到最佳，若超出此范围，则频率的变化对水泥石强度的提升不再明显（图5）。

2.3.3 振动幅值对水泥石强度影响规律

水泥石强度随振幅增加而增加，振幅对水泥石强度的影响趋势呈较典型的二次曲线，振幅过低，则振动波对钻井液的作用会很微弱，不足以起到改善作用，而振幅过大又会破坏钻井液体系整体稳定性，反而会产生不利影响，所以振幅对水泥石强度的影响存在最优值，即曲线极值点2 mm（图6）。

图5 水泥石强度随频率变化示意图

图6 水泥石强度随振幅变化示意图

2.3.4 振动时间对水泥石强度影响规律

水泥石强度随时间增加而增加，在0～5 min内，强度增幅迅速提高，而在5 min以后，水泥石强度提升幅度基本维持在8%左右，此后振动时间的增加对水泥石强度影响不大，故建议现场实践中结合具体实地作业条件，在钻井液初凝之前的时间段内合理安排实施超过5 min的振动作业即可（图7）。

3 结论

1）机械振动有利于提高常规密度水泥石强度，但对高密度和低密度水泥石强度发展有不利影响，机械振动对水泥石强度影响的作用机理还有待研究。

2）针对常规密度钻井液体系，各单因素对水泥石强度影响程度排序为：振动频率＞ 振动幅值＞振动时间，振动工具的设计应以振幅和频率为主，作业时间结合实际工况确定即可。

3）通过正交实验优选得出适用于常规密度钻井液体系的最优振动参数为：振动频率为6～21 Hz，振动幅值为2 mm，振动时间应大于5 min，在此参数组合条件下，水泥石强度可提高10%以上

图7 水泥石强度随振动时间变化示意图

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