振動對水泥漿性能影響規律研究

李亞偉　高煜　曲剛　尹文波　王新峰

摘要：油氣田開發中常常因為固井質量問題影響正常生產。振動固井是在下套管、注灰、頂替或候凝過程中，產生振動波作用于水泥漿來提高固井質量的一項新技術。文章介紹了常見的振動固井方式，并研究了振動套管對水泥漿性能的影響規律，為井下移動式振動器提高固井質量技術提供實驗和理論基礎。

關鍵詞：水泥漿性能；振動固井方式；油氣田開發；固井質量；影響規律 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE256 文章編號：1009-2374（2017）11-0237-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.119

1 概述

美、蘇兩國有關專家從20世紀80年代起就在試驗中將振動應用到固井中，研究總結出許多有價值的結論，室內試驗、地面模擬試驗和現場試驗都證明振動對提高固井質量是行之有效的。振動可排出水泥漿中的自由水和氣泡，使水泥漿充分水化，提高其均勻度和密實性，在油水井套管環空形成更完整的水泥環，提高兩個界面的膠結強度，達到提高固井質量的目的。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

目前，使用最為廣泛的是水力脈沖振動器。水力脈沖式振動器作為套管串一部分隨套管下入井內，通過液體的流動產生振動。它所起的作用主要體現在降低鉆井液的粘度和提高頂替效率，同時對水泥漿充分混合，也起到一定的消除氣泡作用，對固井中清洗、注灰和頂替這些環節具有積極的作用。

2.2 國內研究現狀

目前國內振動固井裝置主要有：

2.2.1 隨行振動固井方法。在固井過程中隨著橡膠塞套在套管中一邊下行一邊振動，當橡膠塞套下行到井底碰壓浮箍停止后，橡膠塞套繼續振動直至水泥漿初凝之前再停止其振動的工作。

2.2.2 井下水力自激振動脈沖發生器。包括安全防護裝置和井下自激振動發生裝置，安全防護裝置由安全護罩構成，在安全護罩的上部設置有過流孔，井下自激振動發生裝置包括自激蕩腔和自激下座，設計了一種可以在固井施工中自動產生震動的井下水力自激振動脈沖發生器。

2.2.3 水力脈沖振動固井引鞋。主要由本體、水力振動發生器、固定螺釘、固定壓環、防松螺釘和導引頭組成，水力振動發生器由兩個串聯的雙諧振腔體、振動滑塊及彈簧組成，普通的高速紊流在水力振蕩器（諧振腔體）的自激作用下轉變為脈動射流，脈動射流和振動滑塊的共同作用使套管產生徑向和縱向振動。

3 振動套管對水泥漿性能影響規律

振動對水泥漿性能影響規律實驗包括模具加工和器材配備、振動對抗壓強度試影響試驗和振動對膠結強度影響試驗。

3.1 試驗方案

3.1.1 模擬井下溫度、壓力，在增壓稠化儀上稠化1小時，模擬固井施工過程。

3.1.2 在模擬井下溫度和壓力條件下，測試振動套管對水泥石強度的影響。

3.1.3 在模擬井下溫度和壓力條件下，測試振動套管對界面膠結強度的影響。

3.2 試驗過程

3.2.1 模具加工和器材配備。實驗工具及器材配備：水泥漿高溫養護釜、振蕩器及測試臺架、抗壓模具、膠結強度模具、巖心棒、水泥漿攪拌器等。

3.2.2 水泥漿內部溫度傳導速度測試。首先進行了水泥漿內部溫度傳導速度測試，保溫釜水溫60℃，環境溫度15℃，將配好的水泥漿試樣放入保溫釜中，測試表明，50分鐘后，水泥試樣中心溫度達到并維持在55℃。

3.2.3 振動對抗壓強度試影響試驗。水泥漿體系：G降水泥漿體系；水灰比44%。

將混配好的G降水泥漿倒入模具中，養護侯凝24小時，對形成的水泥環進行抗壓強度測試，作為對比試驗樣，測試結果如下：

養護侯凝1小時后對其進行機械振動3分鐘，繼續養護23小時，作為振動試樣01，測試結果如下：

養護侯凝2小時后對其進行機械振動3分鐘，繼續養護22小時，作為振動試樣02，測試結果如下：

養護侯凝3小時后對其進行機械振動3分鐘，繼續養護21小時，作為振動試樣03，測試結果如下：

試驗表明，對已侯凝2小時以內的水泥漿進行振動處理，生成水泥環后抗壓強度平均提升4%，對2小時之后的水泥漿效果不明顯。

3.2.4 振動對膠結強度影響試驗。

將混配好的G降水泥漿倒入帶有巖心棒的專用模具中，養護侯凝24小時，對巖心棒周圍形成的水泥環施加軸向壓力使其脫離巖心棒，記錄壓力數值，作為對比試驗樣，測試結果如下：

養護侯凝2小時后對其進行機械振動3分鐘，繼續養護22小時，作為振動試樣01，測試結果如下：

養護侯凝3小時后對其進行機械振動3分鐘，繼續養護21小時，作為振動試樣02，測試結果如下：

試驗表明，對已侯凝2小時以內的水泥漿進行振動處理，生成水泥環與巖心棒膠結強度平均提升7%，對2小時之后的水泥漿效果不明顯。

最后測得對候凝1小時內振動的水泥試樣抗壓強度和膠結強度平局值均大于未振動的水泥試樣，本試驗中振動試樣的抗壓強度值均滿足對產層段水泥石抗壓強度的要求。

4 結語

本研究通過測試振動對水泥抗壓強度和膠結強度的影響，揭示套管振動對水泥漿性能的影響規律，測試分析套管振動時間對固井質量的影響特性，為振動提高固井質量技術提供實驗基礎。

參考文獻

[1] 張希峰.井下水力振動固井裝置及在油田中的應用[J].機械工程師，2016，（10）.

[2] 陳杰，王學良，王恩合，等.動態振動固井技術的研究與應用[A].2011年度鉆井技術研討會暨石油鉆井院所長會議論文集[C].2011.

作者簡介：李亞偉（1990-），男，山東煙臺人，供職于中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，研究方向：石油機械設備。

（責任編輯：小 燕）