王友文 袁進(jìn)平 王兆會(huì) 尹宜勇 王 猛 王 微

1. 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院3. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院

在固井作業(yè)中，水泥石強(qiáng)度特性是評(píng)價(jià)1口井固井質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接影響井筒長(zhǎng)期封固質(zhì)量[1-4]。早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)人Cooke等[5]提出機(jī)械式振動(dòng)套管技術(shù)來(lái)改善一次固井質(zhì)量，有效地解決水泥漿膠凝失重問(wèn)題，同期Chow和Skalle等[6-7]深入開(kāi)展了機(jī)械振動(dòng)對(duì)鉆井液性能影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)可以改善鉆井液流變特性，提高水泥石強(qiáng)度，防止環(huán)空氣竄，同時(shí)機(jī)械振動(dòng)操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、工具設(shè)備可重復(fù)利用、成本低廉，對(duì)于全部固井環(huán)節(jié)均有益處，由此，機(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)被視為一種改善固井質(zhì)量的新技術(shù)。目前，我國(guó)各大科研院所和生產(chǎn)單位主要專注于振動(dòng)固井工具裝備的研制和設(shè)計(jì)上[8-12]，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方面鮮有成果，為此，筆者設(shè)計(jì)搭建一個(gè)機(jī)械振動(dòng)鉆井液的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)定量分析不同振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值和振動(dòng)時(shí)間對(duì)水泥石強(qiáng)度發(fā)展的影響，并進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)對(duì)不同密度鉆井液體系適用性分析。

1 設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為模擬鉆井液在侯凝期間的振動(dòng)固井工況，搭建了一個(gè)鉆井液機(jī)械振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要由控制箱、吸合式電磁振動(dòng)臺(tái)、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(dòng)測(cè)量?jī)x7部分組成（圖1）。

圖1 機(jī)械式振動(dòng)固井實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

控制箱可以進(jìn)行振動(dòng)參數(shù)（振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值、振動(dòng)時(shí)間）、波形和振動(dòng)方向的設(shè)置；吸合式電磁振動(dòng)臺(tái)直接與控制箱連接，是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)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(duì)位置均可調(diào)整；水泥石試件制備模具選用國(guó)內(nèi)常用類型，為防腐蝕的不銹鋼材質(zhì)，養(yǎng)護(hù)生成水泥石試件尺寸為：50.8×50.8×50.8 mm；振動(dòng)測(cè)量?jī)x用于測(cè)量振動(dòng)的加速度、速度和位移，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)振動(dòng)測(cè)量?jī)x的讀數(shù)即可計(jì)算出當(dāng)前工況下的振動(dòng)幅值，以此監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)是否正常進(jìn)行，磁吸座探頭和探桿根據(jù)水泥石制備模具材料性質(zhì)可以互換，鐵磁材料使用磁吸座探頭測(cè)量較方便，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，對(duì)非鐵磁材料的設(shè)備可采用探桿測(cè)試，本文選用磁吸座探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）按照《GB/T19139-2012油井水泥試驗(yàn)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(dòng)臺(tái)上，通過(guò)調(diào)節(jié)固定支架與擋板的相對(duì)位置來(lái)固定水泥石制備模具。

3）啟動(dòng)控制箱電源開(kāi)關(guān)，選定輸出波形及振動(dòng)方向，按照預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行振動(dòng)參數(shù)（振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值、振動(dòng)時(shí)間）的設(shè)置，將磁吸座探頭置于吸合式電磁振動(dòng)臺(tái)上，啟動(dòng)振動(dòng)測(cè)量?jī)x，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中時(shí)刻觀察振動(dòng)測(cè)量?jī)x讀數(shù)并換算成振動(dòng)幅值，若實(shí)際振動(dòng)幅值相對(duì)于控制箱中預(yù)設(shè)值的偏離程度較大，則應(yīng)調(diào)節(jié)控制箱上微調(diào)旋鈕進(jìn)行調(diào)整，若偏離過(guò)大則應(yīng)中止實(shí)驗(yàn)，檢查故障。

5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，裝置自動(dòng)停止運(yùn)行，關(guān)閉電源，拆卸實(shí)驗(yàn)裝置，將水泥石制備模具擦拭干凈并置于強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間24 h，養(yǎng)護(hù)溫度80°。

6）養(yǎng)護(hù)結(jié)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(jié)束后對(duì)其進(jìn)行拆解，獲取水泥石試件并立即擦拭干凈，通過(guò)勻加荷壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試強(qiáng)度，記錄數(shù)據(jù)后處理分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)配方

為了研究不同振動(dòng)參數(shù)組合對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響，以及振動(dòng)對(duì)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(jìn)行測(cè)試，所選用的水泥及各種添加劑均為國(guó)內(nèi)常見(jiàn)材料，配方詳見(jiàn)表1。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采取正交實(shí)驗(yàn)法，選取3個(gè)影響因素：振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值、振動(dòng)時(shí)間，各因素分別取5個(gè)水平因子，按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則編制形成L25(53)正交實(shí)驗(yàn)表，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2。

考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果受水泥性能及環(huán)境因素影響較大，故每次實(shí)驗(yàn)都同時(shí)進(jìn)行靜置與振動(dòng)兩種情況對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取水泥石抗壓強(qiáng)度的提升幅值，以此來(lái)消除水泥本身性質(zhì)差異及不同時(shí)段內(nèi)環(huán)境因素所引起的誤差，從而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)水泥石共8塊，經(jīng)過(guò)靜置和振動(dòng)處理的水泥塊各4塊，將記錄的最大/小強(qiáng)度數(shù)值與中間兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值求差，若該差值相對(duì)于平均值的比例超過(guò)15%，則將該最值舍去，將剩余數(shù)據(jù)再取平均值。

取值原則：

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

表1 實(shí)驗(yàn)配方表

表2 振動(dòng)固井實(shí)驗(yàn)方案

2.2 振動(dòng)對(duì)不同密度鉆井液體系適用性分析

依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)高密度、低密度和常規(guī)密度鉆井液體系分別進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)共計(jì)91組，通過(guò)方差分析對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義進(jìn)行了驗(yàn)證，并結(jié)合數(shù)據(jù)處理原則篩選得到75組有效數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2表明，振動(dòng)對(duì)常規(guī)密度體系水泥石強(qiáng)度有比較明顯的提升效果，平均提高約7.9%。振動(dòng)使水泥顆粒的無(wú)序運(yùn)動(dòng)始終處于動(dòng)態(tài)平衡，鉆井液體系更加均勻，從而提升水泥石抗壓強(qiáng)度。然而，振動(dòng)對(duì)低密度和高密度體系水泥石強(qiáng)度發(fā)展均會(huì)產(chǎn)生不利影響，其強(qiáng)度分別下降9.2%和7.2%，表明機(jī)械振動(dòng)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(dòng)參數(shù)組合下的強(qiáng)度特征。

常規(guī)密度鉆井液體系在靜置和振動(dòng)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(nèi)部會(huì)殘留部分氣泡，在正常靜置情況下漿體內(nèi)的氣泡無(wú)法逸出，后期經(jīng)過(guò)加溫養(yǎng)護(hù)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(jīng)過(guò)振動(dòng)處理之后，氣泡因振動(dòng)波的影響發(fā)生破壞，此時(shí)被包裹的水泥顆粒與水充分接觸反應(yīng)，使水泥漿體系更加均勻致密，凝結(jié)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(qiáng)度變化對(duì)比曲線

圖3 水泥石上端面形態(tài)特征

2.3 不同振動(dòng)參數(shù)組合下水泥石強(qiáng)度特性

2.3.1 單因素影響程度分析

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分別計(jì)算各影響因素的極差值，用以判斷各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的主次順序，計(jì)算公式如下所示：

式中：Kjm為第j列因素m水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和； 為第j列因素m水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值；Rj為第j列因素的極差。

通過(guò)計(jì)算得到的振動(dòng)參數(shù)中各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響程度的主次關(guān)系表明（圖4），振動(dòng)頻率的影響要略大于振動(dòng)幅值，且兩者的影響均遠(yuǎn)大于振動(dòng)時(shí)間，3個(gè)影響因素對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度影響程度表現(xiàn)為：振動(dòng)頻率＞ 振動(dòng)幅值＞ 振動(dòng)時(shí)間。

圖4 振動(dòng)參數(shù)單因素影響程度分析

2.3.2 振動(dòng)頻率對(duì)水泥石強(qiáng)度影響規(guī)律

水泥石強(qiáng)度隨頻率增加而增加，在0～6 Hz內(nèi)，強(qiáng)度提升幅度逐漸增加，在6～21 Hz內(nèi)，強(qiáng)度增幅趨于穩(wěn)定，頻率的變化對(duì)強(qiáng)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(qiáng)度增幅開(kāi)始緩慢遞減，表明振動(dòng)頻率越高，振動(dòng)能量的衰減也越劇烈，傳播距離和作用范圍都會(huì)減小，反而會(huì)不利于提高整個(gè)井段的固井質(zhì)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(jī)械振動(dòng)的作用效果達(dá)到最佳，若超出此范圍，則頻率的變化對(duì)水泥石強(qiáng)度的提升不再明顯（圖5）。

2.3.3 振動(dòng)幅值對(duì)水泥石強(qiáng)度影響規(guī)律

水泥石強(qiáng)度隨振幅增加而增加，振幅對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響趨勢(shì)呈較典型的二次曲線，振幅過(guò)低，則振動(dòng)波對(duì)鉆井液的作用會(huì)很微弱，不足以起到改善作用，而振幅過(guò)大又會(huì)破壞鉆井液體系整體穩(wěn)定性，反而會(huì)產(chǎn)生不利影響，所以振幅對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響存在最優(yōu)值，即曲線極值點(diǎn)2 mm（圖6）。

圖5 水泥石強(qiáng)度隨頻率變化示意圖

圖6 水泥石強(qiáng)度隨振幅變化示意圖

2.3.4 振動(dòng)時(shí)間對(duì)水泥石強(qiáng)度影響規(guī)律

水泥石強(qiáng)度隨時(shí)間增加而增加，在0～5 min內(nèi)，強(qiáng)度增幅迅速提高，而在5 min以后，水泥石強(qiáng)度提升幅度基本維持在8%左右，此后振動(dòng)時(shí)間的增加對(duì)水泥石強(qiáng)度影響不大，故建議現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中結(jié)合具體實(shí)地作業(yè)條件，在鉆井液初凝之前的時(shí)間段內(nèi)合理安排實(shí)施超過(guò)5 min的振動(dòng)作業(yè)即可（圖7）。

3 結(jié)論

1）機(jī)械振動(dòng)有利于提高常規(guī)密度水泥石強(qiáng)度，但對(duì)高密度和低密度水泥石強(qiáng)度發(fā)展有不利影響，機(jī)械振動(dòng)對(duì)水泥石強(qiáng)度影響的作用機(jī)理還有待研究。

2）針對(duì)常規(guī)密度鉆井液體系，各單因素對(duì)水泥石強(qiáng)度影響程度排序?yàn)椋赫駝?dòng)頻率＞ 振動(dòng)幅值＞振動(dòng)時(shí)間，振動(dòng)工具的設(shè)計(jì)應(yīng)以振幅和頻率為主，作業(yè)時(shí)間結(jié)合實(shí)際工況確定即可。

3）通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)選得出適用于常規(guī)密度鉆井液體系的最優(yōu)振動(dòng)參數(shù)為：振動(dòng)頻率為6～21 Hz，振動(dòng)幅值為2 mm，振動(dòng)時(shí)間應(yīng)大于5 min，在此參數(shù)組合條件下，水泥石強(qiáng)度可提高10%以上

圖7 水泥石強(qiáng)度隨振動(dòng)時(shí)間變化示意圖

[ 1 ] 李玉海, 趙立新, 王軍榮. 振動(dòng)固井技術(shù)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(guó)內(nèi)外振動(dòng)固井技術(shù)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(duì)水泥石抗壓強(qiáng)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(dòng)處理對(duì)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(jiān). 水力脈沖振動(dòng)注水泥裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(xué)良, 王學(xué)成, 陳杰, 王雪梅. 動(dòng)態(tài)振動(dòng)固井技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J]. 石油鉆探技術(shù), 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(huì). 振動(dòng)固井電力振動(dòng)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(jī)械式振動(dòng)固井技術(shù)在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)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(huì), 任星, 劉斌輝. 井下螺桿馬達(dá)雙向振動(dòng)固井工具的研制[J]. 石油機(jī)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.