机械振动对油井水泥性能影响规律研究

王友文 袁进平 王兆会 尹宜勇 王 微

1. 中国石油集团工程技术研究院有限公司, 北京 102206;2. 中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249;3. 中国石油青海油田公司采油五厂, 青海 海西蒙古族藏族自治州 816400

0 前言

20世纪70年代,美国人Solum K W[1]发明了机械式内管振动装置,通过旋转内管带动弹性装置对套管产生径向冲击实现振动。此后,有关振动固井装置的专利成果不断丰富,技术类别也日益完善[2-5]。直到1988年，美国埃克森美孚Cooke C E和Chow T W等人[6-7]正式提出机械式振动固井技术,通过室内实验证明机械振动可以有效提高胶结质量,防止环空气窜。相较于其他振动固井技术方法[8-9],机械式振动作业流程更简单,成本更低廉,通过激振装置直接作用于套管处,激发产生的振动波经由套管柱传递至井眼环空流体中,改善水泥颗粒堆积形态[10-14],使得水泥浆体系更加均匀致密,极大程度地改善了流变性和可泵送性,提高固井质量。

近年来,国内外的科研精力大多集中于振动固井工具和装备的研发上[15-20],关于机械振动对水泥浆性能的影响效果尚无明确规律,由于缺乏足够的理论指导和室内实验数据支撑,机械式振动固井技术的现场应用受到严重制约。为此,本文通过室内实验研究机械振动对油井水泥各项性能的影响规律,并自主设计加工一套新型水泥石试件制备模具，探索了振动作用的最佳范围,以期为机械式振动固井技术的应用提供一定的理论依据及数据参考。

1 振动对水泥浆常规性能的影响

1.1 实验方案

1.1.1 实验材料

实验用水泥浆为常规密度体系(密度:1.90 g/cm3),外加剂与外掺料均为国内市场常见材料,所用配比为实验室自主研发,配方为:

四川嘉华G级水泥+5.5%增强剂DRB-1 S+4%防窜剂DRT-100 S+4%增韧剂DRE-100 S+3%增韧防漏剂DRN-100 S+1%降失水剂DRF-100 S+0.3%分散剂DRS-1 S+48%水

水泥浆养护条件为:80 ℃下进行24 h的常压养护。

1.1.2 实验参数

自主设计的机械式振动实验系统见图1,通过正交试验优选得到最佳振动参数[21]:振动频率6～21 Hz,振动幅值2.2 mm,振动时间5 min,以此进行控制变量实验,测试在此频率范围内振动对水泥浆性能的影响规律。

图1 机械振动水泥浆实验系统照片

1.2 实验结果分析

实验结果见表1。

在实验参数范围内,机械振动对水泥浆各项性能指标均有明显改善,为便于比较,计算得到各组数据平均值及相对应的变化幅度,见表2。

表1 水泥浆性能测试数据表

表2 水泥浆性能对比表

1.2.1 机械振动对水泥浆流变性能的影响

水泥浆流性指数与稠度系数均获得显著改善,流性指数提高7.20%,稠度系数下降23.47%。同时,测得黏度计各转速下按递增次序和递减次序读数之比均略大于1,表明振动使得水泥浆体系发生轻微沉降,因此,在振动施工作业的过程中要充分把控时间变量,防止沉降现象进一步恶化。

1.2.2 机械振动对水泥浆静胶凝强度的影响

振动使得静胶凝强度发展过渡时间和凝结时间分别缩减了7.89%和5.65%,这说明振动在一定程度上促进了水化历程,加速水泥浆凝结硬化成块,使水泥浆在由液态过渡到液塑态的过程中依然能够有效保障井底压力平衡状态,对于防止环空气窜的发生有积极影响。

1.2.3 振动对水泥石抗压强度的影响

机械振动可以对水泥浆体系内部残存的气泡进行破坏,使整个体系更加均匀致密,最终表现为水泥石强度得到极大提升,实验结果显示振动后水泥石抗压强度提升12.43%。水泥石力学性能是关乎井筒生命周期内完整性的关键参数,因此,通过施加机械振动提升水泥石强度是切实可行的。

2 微观结构分析

为进一步验证机械振动对水泥浆各项性能指标的作用效果,特采用扫描电镜和压汞孔隙度法进行定性和定量的微观分析。

2.1 断面扫描电镜

图2所示为在高真空条件下对水泥石样品断面放大 1 000 倍后的扫描图像。总体来看,水泥发生水化反应生成的大量C-S-H凝胶产物错落分布,充填在水泥颗粒间的孔隙中,呈现出较为明显的空间网状结构。如图2-a)所示,未经振动的水泥石样品多孔且结构疏松,水泥石样品层间分离非常明显,孔缝分布无规则。如图2-b)所示,振动后的水泥石样品内部分布有少量的颗粒状产物,说明振动影响了浆体内部结构,水泥石样品中C-H-S凝胶产物层叠生长,水化产物呈层状分布连接成统一整体,但也会有局部结构受到破坏产生剥离现象。总之,振动对因水化反应不完全而产生的有害孔缝均有改善,结构缺陷明显减少。

a)静置

b)振动图2 水泥石样品扫描电镜图

2.2 压汞法

对两种工况下的水泥石样品进行压汞法测孔隙度,测试数据见表3。

表3 压汞测试数据表

由表3可知,经过振动,样品总孔隙体积、渗透率和孔隙度均大幅下降,分别降低14.27%、39.63%和13.16%,表明振动使得水泥石样品内部结构更加致密紧凑,而平均孔径下降25.79%,则进一步证实振动对于消除有害大孔起到了积极作用,对于水泥石强度性能的提升至关重要。

由图3可知,本次实验用水泥石样品中,微孔和过渡孔占比在90%以上,静置样品孔径分布较为均匀,随着孔径增加孔隙体积呈跳跃式递增,并在39.95 nm孔径处达到峰值;而振动处理的样品孔径分布曲线呈现双峰形态,在3.62、40.29 nm两处出现峰值,在此特定数值附近孔径较为集中,分析认为,低孔径峰值主要是振动促使水泥浆体系趋于致密均匀,水泥石主要以微孔为主,而大孔径峰值可能振动导致部分结构发生破坏,部分水化产物脱离网架结构，这一结论与前一节断面扫描电镜实验结果相吻合。

图3 孔径分布图

3 振动波最佳作用范围

设计一种新型水泥石试件制备模具,在不改变原有实验操作及样品制备流程的基础上,将水泥石均匀等分为上、中、下三部分,通过对各部分样品的力学测试数据,探索机械振动对水泥浆体系稳定性的影响规律,装置结构见图4。

图4 新型水泥石试件制备模具结构图

新型模具分为对称的左右两个部分,可同时生成6块标准水泥石试件,实验过程中,模具一侧水泥浆先进行振动实验,另一侧静置水泥浆作为对照组,不参与振动,如此便可实现两种实验条件下相同参数的同层比较,消除误差。新型模具主要由本体、底板、提杆、闸板和顶盖五个部分组成,组件均为不锈钢金属材料,耐腐蚀。水泥石试件制备模具实物见图5。

a)通用水泥石模具

b)新型水泥石模具图5 水泥石试件制备模具实物照片

为探究振动对水泥浆体系的扰动规律,依据式(1)计算每组样品上、中、下三层中强度最大值相对最小值的变化幅度,以此来衡量水泥浆纵向上的均匀程度,计算结果见表4。

(1)

式中:δ为波动幅度,无量纲;pmax为同组中水泥石强度最大值,MPa;pmin为同组中水泥石强度最小值,MPa;pmid为同组中水泥石强度平均值,MPa。

表4 新型模具测试数据表

由表4可知,静置时水泥石强度各层相对变化较小,平均波动幅度仅为1.22%,而振动后强度波动幅度变化很大,平均波动幅度可达8.08%,约为振动前的6.62倍,由此充分说明机械振动的确对水泥浆体系造成扰动,振动波在破碎水泥浆内部残存气泡的同时,也会不可避免地迫使水泥颗粒产生不同程度的震颤和混窜,使得水泥石强度在纵向上发展不均衡。

图6为同层位间静置与振动两种情况下水泥石强度对比图,总体来看各层强度均有不同程度提高,但各层之间振动前后水泥石强度差异显著,中层提升幅度最大为10.49%,其次为下层增幅7.41%,上层水泥石强度变化最微弱,提升幅度仅为0.61%,中层样品强度增幅为下层样品的1.42倍,却是上层样品的17.20倍,实验结果充分表明机械振动的最佳作用范围有限,振动波在水泥浆中的衰减非常迅速,作用效果最佳的位置应在激振处与远端的中间区域。

图6 水泥石强度同层比较图

4 结论

1)通过控制变量实验法测试机械振动对水泥浆各项性能的改善效果:流性指数提高7.20%,稠度系数下降23.47%,静胶凝强度发展过渡时间和凝结时间分别缩减了7.89%和5.65%,水泥石抗压强度提升12.43%。

2)通过扫描电镜和压汞法对水泥石结构进行微观分析,振动后样品总孔隙体积、渗透率、孔隙度和平均孔径分别降低14.27%、39.63%、13.16%和25.79%,从微观角度验证了振动对于改善水泥石微观结构的积极效果。

3)发明一套新型水泥石制备模具,发现振动后水泥石强度波动幅度约为振动前的6.62倍,证实振动对水泥浆体系稳定性存在扰动。机械振动的最佳作用范围非常有限,作用效果最佳的位置应在激振处与远端的中间区域。