機械振動對油井水泥性能影響規律研究

王友文 袁進平 王兆會 尹宜勇 王 微

1. 中國石油集團工程技術研究院有限公司, 北京 102206;2. 中國石油大學(北京)石油工程學院, 北京 102249;3. 中國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70年代,美國人Solum K W[1]發明了機械式內管振動裝置,通過旋轉內管帶動彈性裝置對套管產生徑向沖擊實現振動。此后,有關振動固井裝置的專利成果不斷豐富,技術類別也日益完善[2-5]。直到1988年，美國埃克森美孚Cooke C E和Chow T W等人[6-7]正式提出機械式振動固井技術,通過室內實驗證明機械振動可以有效提高膠結質量,防止環空氣竄。相較于其他振動固井技術方法[8-9],機械式振動作業流程更簡單,成本更低廉,通過激振裝置直接作用于套管處,激發產生的振動波經由套管柱傳遞至井眼環空流體中,改善水泥顆粒堆積形態[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,提高固井質量。

近年來,國內外的科研精力大多集中于振動固井工具和裝備的研發上[15-20],關于機械振動對水泥漿性能的影響效果尚無明確規律,由于缺乏足夠的理論指導和室內實驗數據支撐,機械式振動固井技術的現場應用受到嚴重制約。為此,本文通過室內實驗研究機械振動對油井水泥各項性能的影響規律,并自主設計加工一套新型水泥石試件制備模具，探索了振動作用的最佳范圍,以期為機械式振動固井技術的應用提供一定的理論依據及數據參考。

1 振動對水泥漿常規性能的影響

1.1 實驗方案

1.1.1 實驗材料

實驗用水泥漿為常規密度體系(密度:1.90 g/cm3),外加劑與外摻料均為國內市場常見材料,所用配比為實驗室自主研發,配方為:

四川嘉華G級水泥+5.5%增強劑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

水泥漿養護條件為:80 ℃下進行24 h的常壓養護。

1.1.2 實驗參數

自主設計的機械式振動實驗系統見圖1,通過正交試驗優選得到最佳振動參數[21]:振動頻率6～21 Hz,振動幅值2.2 mm,振動時間5 min,以此進行控制變量實驗,測試在此頻率范圍內振動對水泥漿性能的影響規律。

圖1 機械振動水泥漿實驗系統照片

1.2 實驗結果分析

實驗結果見表1。

在實驗參數范圍內,機械振動對水泥漿各項性能指標均有明顯改善,為便于比較,計算得到各組數據平均值及相對應的變化幅度,見表2。

表1 水泥漿性能測試數據表

表2 水泥漿性能對比表

1.2.1 機械振動對水泥漿流變性能的影響

水泥漿流性指數與稠度系數均獲得顯著改善,流性指數提高7.20%,稠度系數下降23.47%。同時,測得黏度計各轉速下按遞增次序和遞減次序讀數之比均略大于1,表明振動使得水泥漿體系發生輕微沉降,因此,在振動施工作業的過程中要充分把控時間變量,防止沉降現象進一步惡化。

1.2.2 機械振動對水泥漿靜膠凝強度的影響

振動使得靜膠凝強度發展過渡時間和凝結時間分別縮減了7.89%和5.65%,這說明振動在一定程度上促進了水化歷程,加速水泥漿凝結硬化成塊,使水泥漿在由液態過渡到液塑態的過程中依然能夠有效保障井底壓力平衡狀態,對于防止環空氣竄的發生有積極影響。

1.2.3 振動對水泥石抗壓強度的影響

機械振動可以對水泥漿體系內部殘存的氣泡進行破壞,使整個體系更加均勻致密,最終表現為水泥石強度得到極大提升,實驗結果顯示振動后水泥石抗壓強度提升12.43%。水泥石力學性能是關乎井筒生命周期內完整性的關鍵參數,因此,通過施加機械振動提升水泥石強度是切實可行的。

2 微觀結構分析

為進一步驗證機械振動對水泥漿各項性能指標的作用效果,特采用掃描電鏡和壓汞孔隙度法進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水泥石樣品斷面放大 1 000 倍后的掃描圖像。總體來看,水泥發生水化反應生成的大量C-S-H凝膠產物錯落分布,充填在水泥顆粒間的孔隙中,呈現出較為明顯的空間網狀結構。如圖2-a)所示,未經振動的水泥石樣品多孔且結構疏松,水泥石樣品層間分離非常明顯,孔縫分布無規則。如圖2-b)所示,振動后的水泥石樣品內部分布有少量的顆粒狀產物,說明振動影響了漿體內部結構,水泥石樣品中C-H-S凝膠產物層疊生長,水化產物呈層狀分布連接成統一整體,但也會有局部結構受到破壞產生剝離現象。總之,振動對因水化反應不完全而產生的有害孔縫均有改善,結構缺陷明顯減少。

a)靜置

b)振動圖2 水泥石樣品掃描電鏡圖

2.2 壓汞法

對兩種工況下的水泥石樣品進行壓汞法測孔隙度,測試數據見表3。

表3 壓汞測試數據表

由表3可知,經過振動,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%,表明振動使得水泥石樣品內部結構更加致密緊湊,而平均孔徑下降25.79%,則進一步證實振動對于消除有害大孔起到了積極作用,對于水泥石強度性能的提升至關重要。

由圖3可知,本次實驗用水泥石樣品中,微孔和過渡孔占比在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孔徑處達到峰值;而振動處理的樣品孔徑分布曲線呈現雙峰形態,在3.62、40.29 nm兩處出現峰值,在此特定數值附近孔徑較為集中,分析認為,低孔徑峰值主要是振動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導致部分結構發生破壞,部分水化產物脫離網架結構，這一結論與前一節斷面掃描電鏡實驗結果相吻合。

圖3 孔徑分布圖

3 振動波最佳作用范圍

設計一種新型水泥石試件制備模具,在不改變原有實驗操作及樣品制備流程的基礎上,將水泥石均勻等分為上、中、下三部分,通過對各部分樣品的力學測試數據,探索機械振動對水泥漿體系穩定性的影響規律,裝置結構見圖4。

圖4 新型水泥石試件制備模具結構圖

新型模具分為對稱的左右兩個部分,可同時生成6塊標準水泥石試件,實驗過程中,模具一側水泥漿先進行振動實驗,另一側靜置水泥漿作為對照組,不參與振動,如此便可實現兩種實驗條件下相同參數的同層比較,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物見圖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物照片

為探究振動對水泥漿體系的擾動規律,依據式(1)計算每組樣品上、中、下三層中強度最大值相對最小值的變化幅度,以此來衡量水泥漿縱向上的均勻程度,計算結果見表4。

(1)

式中:δ為波動幅度,無量綱;pmax為同組中水泥石強度最大值,MPa;pmin為同組中水泥石強度最小值,MPa;pmid為同組中水泥石強度平均值,MPa。

表4 新型模具測試數據表

由表4可知,靜置時水泥石強度各層相對變化較小,平均波動幅度僅為1.22%,而振動后強度波動幅度變化很大,平均波動幅度可達8.08%,約為振動前的6.62倍,由此充分說明機械振動的確對水泥漿體系造成擾動,振動波在破碎水泥漿內部殘存氣泡的同時,也會不可避免地迫使水泥顆粒產生不同程度的震顫和混竄,使得水泥石強度在縱向上發展不均衡。

圖6為同層位間靜置與振動兩種情況下水泥石強度對比圖,總體來看各層強度均有不同程度提高,但各層之間振動前后水泥石強度差異顯著,中層提升幅度最大為10.49%,其次為下層增幅7.41%,上層水泥石強度變化最微弱,提升幅度僅為0.61%,中層樣品強度增幅為下層樣品的1.42倍,卻是上層樣品的17.20倍,實驗結果充分表明機械振動的最佳作用范圍有限,振動波在水泥漿中的衰減非常迅速,作用效果最佳的位置應在激振處與遠端的中間區域。

圖6 水泥石強度同層比較圖

4 結論

1)通過控制變量實驗法測試機械振動對水泥漿各項性能的改善效果:流性指數提高7.20%,稠度系數下降23.47%,靜膠凝強度發展過渡時間和凝結時間分別縮減了7.89%和5.65%,水泥石抗壓強度提升12.43%。

2)通過掃描電鏡和壓汞法對水泥石結構進行微觀分析,振動后樣品總孔隙體積、滲透率、孔隙度和平均孔徑分別降低14.27%、39.63%、13.16%和25.79%,從微觀角度驗證了振動對于改善水泥石微觀結構的積極效果。

3)發明一套新型水泥石制備模具,發現振動后水泥石強度波動幅度約為振動前的6.62倍,證實振動對水泥漿體系穩定性存在擾動。機械振動的最佳作用范圍非常有限,作用效果最佳的位置應在激振處與遠端的中間區域。