機械振動對棄置井水泥塞性能影響的試驗研究*

馬西旗 王 超 徐鴻飛 高明星 劉占鏖 易先中 劉航銘

(1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2.長江大學機械工程學院)

0 引 言

棄井是一口井生命周期中不可避免的階段。大量生產井經過若干年的油、氣開采后，達到生產年限末期，急需棄置作業處理[1-2]。目前，對棄置井的處理大多使用封固材料進行永久封堵，以實現油氣的封隔。常用的封固材料有油井水泥、鉆井液、膨潤土以及其他新型材料等[3]。由于水泥封堵的效果良好，相比其他材料成本低，在實際作業中廣泛使用[4-6]。

水泥塞封堵棄置井筒往往面臨著復雜的地層環境，許多地區井底溫度高、壓力高，在高溫高壓條件下，水泥石會加速老化，強度容易衰退。針對各類惡劣環境，國內外工程師研制出了相應的特種水泥漿。D.G.CARDNO等[7]通過在水泥漿中添加硅酸鹽，證明添加適當硅酸鹽可以在一定程度上改善水泥與套管的膠結界面。趙軍等[8]研發出一種抗高溫且防CO2及H2S腐蝕的水泥漿體系，并在油田現場成功應用。張興國等[9]研制了一種溫敏性膨脹微膠囊防氣竄劑，添加量不小于2%時能彌補水泥水化過程中的體積收縮，并且水泥具有良好的防氣竄性能。

為了確保水泥塞密封的完整性，科研人員對注水泥過程進行了試驗研究。K.HARESTAD等[10]研發了注水泥塞工具，該工具能有效防止水泥漿流向工具下部井筒，從而提高水泥塞封固質量。D.DENNEY[11]發明了一種注水泥塞封堵棄置井的有效方法，通過在未固井套管處射孔，沖洗套管外環空，實現高效率的注水泥塞封堵。Z.S.ARACKAKUDIYIL等[12]研發了一種智能橋塞技術，可遠程控制傳達指令，通過控制壓力實現智能橋塞的開啟或關閉，有效控制井筒內部壓力。

筆者創新性地提出將機械振動技術應用到棄置井封堵作業中，以此來改善封堵水泥塞的力學性能。在棄置井目標封堵井段下入水泥橋塞，注水泥的同時使用振動器直接振動水泥漿，通過振動作用，排出水泥漿中攜帶的空氣，防止水泥漿出現沉積現象。同時設計了室內模擬試驗，對比分析不同振動頻率、振動時間及振動幅度等參數組合下，水泥石力學性能的變化規律，利用電鏡掃描觀察水泥試樣斷面微觀結構在振動后的變化。所得結論可為水泥塞封堵作業模擬試驗提供重要的基礎數據，具有工程指導意義。

1 機械振動對封堵水泥石性能影響機理

在試驗之前，首先分析機械振動影響水泥石性能的機理，確保試驗是有意義的。從宏觀角度分析，機械振動產生的振動波將能量傳遞到水泥漿顆粒間，改變其相互作用關系，進而影響凝固后水泥的性能。在水泥漿攪拌、灌漿完成后，內部存在空隙和氣泡，在激振力作用下，水泥漿內部的空氣逐漸上升排出，內部的有害孔減少；激振力能有效抑制水泥團聚現象，使水泥漿在整個體系中均勻分布，繼而保證水泥漿凝固后在空間上強度分布均勻[13-16]。

從微觀角度分析，機械振動能夠促進水泥的水化反應，使生成的水化產物有效填充水泥內部的微小孔隙，提高水泥的密實度。水泥與水混合后其中的熟料礦物會與水發生化學反應，形成水化物，產生大量的C-S-H凝膠分布在水泥礦物顆粒之間。同時，水化反應生成的產物還有Ca(OH)2晶體，這些水化產物會將水泥礦物顆粒覆蓋，阻礙水化反應進一步發生。此時施加適當激振力，剝離吸附在未水化的水泥顆粒表面的水化產物，促進水泥充分水化。振動后，C-S-H凝膠充填在水泥礦物顆粒間的孔隙中，使水泥更加密實，以提高水泥強度。

2 試驗方案

2.1 試驗設備

為了模擬棄置井封堵水泥漿在初凝前機械振動對其性能的影響，搭建了機械振動試驗平臺，如圖1所示。

1—振動臺；2—磁力配重塊；3—振動傳感器；4—ABB變頻器；5—信號采集器；6—計算機。圖1 變頻振動試驗裝置Fig.1 Variable frequency vibrator

本次試驗的變頻振動裝置主要由振動臺、磁力配重塊、振動傳感器、信號采集器、ABB變頻器和計算機組成。振動臺通過ABB變頻器實現振動頻率的調節，配合磁力配重塊可調節振動幅度，并且能夠對振動信號實時采集、存儲與分析。

2.2 試樣制備

本次試驗材料選用四川嘉華G級油氣井專用水泥作為原材料制作試驗試樣。按照GB/T 19139—2012 《油井水泥試驗方法》進行試件制備。水灰比0.44混漿，攪拌均勻，得到密度為1.9 g/cm3的水泥漿。

將水泥漿均勻倒入內徑50 mm、高120 mm的圓柱模具內，在模具頂部留20 mm余量，用于制備膠結強度測試的水泥試樣。將水泥漿均勻倒入150 mm×150 mm×150 mm的正方體模具，用于制備抗壓、抗拉及滲透率測試的水泥試樣。在水泥漿裝入模具后，將模具放在預先設置好振動參數的振動臺上。由于振動在水泥漿剛澆筑不久后進行，水泥漿處于流動狀態，所以采用帶模振動方法，連同模具一起固定在振動臺上。每一組振動參數下經過振動處理的試樣，在24 h后進行脫模。將脫模后的試樣置于常溫常壓下養護7 d。另外，需制作一組未振動試樣用于對比分析。每組均有3個試樣，每一組數據均為3次試驗結果的平均值。

通過振動前、后對比，可以直觀地看到，振動后的水泥漿試樣上層浮有白色氣泡。這是因為在振動作用下，水泥漿中的氣泡被振破或者排出，使得振動后的水泥漿顆粒間隔更小，水泥漿更加密實。

水泥試樣養護完成后，通過巖石水鉆機對150 mm×150 mm×120 mm的正方體試樣取心，得到4塊外徑為50 mm的圓柱試樣。使用巖石切割機將鉆取出的試樣進行切割，得到3塊長100 mm的圓柱試樣，用于抗壓強度測試；得到3塊長25 mm的圓柱試樣，用于抗拉強度測試。

2.3 膠結強度測試

套管與水泥石之間是通過接觸界面間的膠結力來實現兩者間力的傳遞和變形協調的，所以套管-水泥石的工作性能取決于套管與水泥石之間的膠結作用。一般情況下，膠結力是一種組合力，主要由化學膠結力、摩擦力和機械咬合力組成[17]。①化學膠結力：在澆注后，由于水泥漿體對鋼管表面氧化層的滲透以及隨著水化反應的進行，水泥晶體生長和硬化，進而會形成化學膠結力；②摩擦力：水泥漿凝固后會對套管產生擠壓作用，從而在套管與水泥石間產生摩擦力；③機械咬合力：水泥與套管接觸時表面會發生物理咬合，出現機械咬合力。在膠結面破壞過程中，化學膠結力會在界面間產生滑移時立即消失，機械咬合力承擔大部分膠結力。

試樣經過7 d養護后開始進行水泥石性能測試。用于膠結強度測試的試樣使用定制固定工具，將試樣固定在電液伺服萬能試驗機上，試驗過程中采用位移加載，在1.2 mm/min壓縮速度下將內部水泥石從鋼管中擠出，進行膠結強度測定。

水泥石膠結強度測試試驗力-位移曲線如圖2所示。OA段隨著位移載荷逐漸變大，試驗力近似線性增大，到A點時到達最大值。隨后載荷曲線下降，膠結開始逐漸破壞，到B點時完全破壞，界面間只有摩擦力作用。B點后水泥石進一步被擠出，摩擦力逐漸減小。

圖2 膠結強度測試試驗力-位移曲線Fig.2 Force-displacement curve of cementing strength test

膠結力的大小和水泥石與套管的接觸面積成正比，因此膠結強度更能反映水泥石與套管的膠結狀況。水泥石膠結強度計算式為[18]：

(1)

式中：p1為水泥石膠結強度，MPa；F1為液壓機最大試驗力，即膠結力，N；S1為水泥石與套管的接觸面積，mm2。

2.4 抗壓強度測試

在棄置井封堵工程中，油氣井水泥石抗壓強度是評價封堵質量重要的指標之一，科研工作者一直致力于如何提高水泥石的抗壓強度。本文研究振動條件下抗壓強度變化，進行單軸抗壓試驗?？箟簭姸葴y試參照ASTM C39—1996標準[19]，加載速度為0.6 mm/min，直至試驗力下降超過峰值的60%停止試驗。

水泥石抗壓強度測試試驗力-位移曲線如圖3所示。

圖3 抗壓強度測試試驗力-位移曲線Fig.3 Force-displacement curve of compressive strength test

在載荷作用下水泥逐漸被壓縮變形，在A點水泥石到達抗壓極限。AB段試樣進入破壞階段，曲線急劇下降。水泥石沿著力加載方向出現裂紋，隨后破碎?？箟簭姸扔嬎闶綖椋?/p>

(2)

式中：p2為水泥石抗壓強度，MPa；F2為試件破壞載荷，N；S2為水泥石受壓面面積，mm2。

2.5 抗拉強度測試

水泥石抵抗拉應力破壞的能力表現為抗拉強度。由于水泥石本身固有的材料屬性，水泥石的抗拉強度要遠小于抗壓強度。通常進行水泥石巴西劈裂試驗，用劈裂抗拉強度來表示水泥石的抗拉強度。試驗方法參照 ASTM C496—1996標準[20]，加載速度為0.6 mm/min，直至試樣破壞停止試驗。

圖4是抗拉強度測試試驗力-位移曲線。OA段試樣開始彈性變形，在A點達到載荷峰值，之后進入失穩破壞階段。微小裂縫首先從試樣內部產生，隨后向兩端迅速延伸?？估瓘姸扔嬎闶綖閇21]：

圖4 抗拉強度測試試驗力-位移曲線Fig.4 Force-displacement curve of tensile strength test

(3)

式中：p3為水泥石抗拉強度，MPa；F3為試件破壞載荷，N；D為試件直徑，mm；h為試件厚度，mm。

2.6 滲透率測試

水泥石試樣滲透率使用氣體滲透率儀進行測試。將試樣放入巖心夾持器的膠套內，試驗裝置連接完整保持密封，并測量室溫。給試樣施加環壓，保證環壓始終大于氣體驅替壓力1～2 MPa。打開氣源瓶，讀取3個壓力點出口端氣體流量值，分別計算出滲透率，取平均值。氣體滲透率計算式為：

(4)

式中：Kg為氣體滲透率，mD；μ為氣體黏度，mPa·s；l為巖心長度，cm；A為巖心截面積，cm2；Qg為氣體測定流量，cm3/min；p0為大氣壓，MPa；pg為氣體驅替壓力，MPa。

2.7 SEM微觀結構

水泥石試樣使用JSM-IT300A掃描電鏡進行微觀結構分析，要將水泥石試樣制備成直徑小于3 cm、厚度小于1 cm較為規則的碎塊，并對碎塊表面進行噴金處理。在高真空條件下對樣品斷面分別進行放大掃描成像。

3 結果與分析

3.1 各因素對水泥石力學性能影響的正交試驗

棄置井下入水泥塞封堵后，水泥塞與套管界面的膠結強度、水泥塞抗壓強度及抗拉強度都是影響封堵質量，保證井筒密封完整性的關鍵參數。為分析振動頻率、振動時間和振動幅度對封堵水泥塞性能的影響，首先開展正交試驗，分析機械振動各參數影響水泥石性能的一般規律，得到機械振動的最佳參數。在此基礎上，通過單一變量控制試驗方法，分別分析振動三因素的影響規律。

本試驗考察3個因素對水泥塞力學性能的影響效果，每種因素考慮5種水平的影響，為3因素5水平的正交試驗，選取L25(56)正交表，共設計26組試驗，試驗方案及結果如表1所示。表1中，0號試驗為未振動的對比試驗。試驗設計時振動頻率取5、10、15、20及25 Hz，振動時間取2、4、6、8及10 min，振動幅度取值1、3、5、2及4 mm。

表1 正交試驗方案及結果Table 1 Orthogonal test scheme and results

不同振動參數對試樣膠結強度、抗壓強度及抗拉強度增幅效果的影響如圖5所示。

圖5 水泥石力學性能對比曲線Fig.5 Mechanical property comparison curve of hardened cement

由圖5可以看出，經機械振動后各組水泥石的強度相較于未振動均有明顯提高，其中振動頻率15 Hz、振動時間6 min、振動幅度3 mm時(試驗組13)增強效果最為明顯，膠結強度提高了51%，抗壓強度提高了38%，抗拉強度提高了20%。通過正交試驗的極差分析，各因素對水泥石強度的影響為：振動頻率>振動幅度>振動時間。

為進一步研究單一振動因素對水泥石力學性能的影響，在振動頻率15 Hz、振動時間6 min及振動幅度3 mm試驗組條件下，分別研究振動頻率、振動時間及振動幅度在一定范圍內變化時水泥石的力學性能。試驗方案如表2所示。

表2 對比試驗方案Table 2 Comparative test scheme

3.2 振動頻率對水泥石力學性能的影響

水泥石強度增幅隨振動頻率的變化如圖6所示。由圖6可知，在振動頻率較低時，隨著振動頻率加快，水泥石強度逐漸增加，在10 Hz時，抗壓強度小幅度降低。在15 Hz振動頻率下，水泥石強度增幅最大。在振動頻率達到15 Hz以后，繼續增大振動頻率反而會有不利影響，所以振動頻率在15 Hz最為合適。

圖6 振動頻率與水泥石力學性能變化曲線Fig.6 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration frequency

3.3 振動時間對水泥石力學性能的影響

通過振動時間對水泥石力學性能影響試驗，繪制不同時間下水泥石力學性能變化曲線，結果如圖7所示。從圖7可以看出，經過機械振動后，水泥石的強度相比未振動處理試樣有了大幅度提升。在2～4 min時間內，水泥石強度隨著時間變化迅速提升，在到達6 min時趨于穩定。6 min之后繼續振動對水泥石性能影響不大，所以振動時間達到6 min即可。

圖7 振動時間與水泥石力學性能變化曲線Fig.7 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration time

3.4 振動幅度對水泥石力學性能的影響

水泥石強度增幅隨振動幅度的變化如圖8所示。由圖8可以看出：在振動幅度增大時，水泥石強度迅速提升，振動幅度3 mm時曲線達到峰值；繼續加大振動幅度，水泥石強度增幅將大幅度下降，其中膠結強度增幅下降達到17%。這是因為過大的振動幅度會導致水泥出現離析、泌水，從而導致強度下降。

圖8 振動幅度與水泥石力學性能變化曲線Fig.8 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration amplitude

3.5 機械振動對水泥石滲透率的影響

由正交試驗結果可知：在振動頻率15 Hz、振動時間6 min及振動幅度3 mm與振動頻率25 Hz、振動時間8 min、振動幅度3 mm的振動參數下，水泥石性能最優；在振動頻率5 Hz、振動時間10 min、振動幅度4 mm與振動頻率25 Hz、振動時間10 min及振動幅度5 mm的振動參數下性能較差。因此，選取以下5組試樣進行水泥石滲透率測試，結果如表3所示。

表3 滲透率測試結果Table 3 Permeability test results

表3中試驗組1、2、3及4的振動參數如下：試驗組1振動頻率5 Hz、振動時間10 min、振動幅度4 mm；試驗組2振動頻率15 Hz、振動時間6 min、振動幅度3 mm；試驗組3振動頻率25 Hz、振動時間8 min、振動幅度3 mm；試驗組4振動頻率25 Hz、振動時間10 min、振動幅度5 mm。

測試結果表明：未振動時滲透率為2.67×10-3mD，試驗組2滲透率最小，相比于未振動的水泥試樣，振動后各組試樣滲透率均明顯減小。水泥石的滲透率大小與孔隙半徑有關，滲透率越小，孔隙就越小，水泥的密封性能就越好。

3.6 機械振動對水泥石斷面微觀結構的影響

采用掃描電鏡測試的方法分析水泥石振動前、后的微觀結構，其斷面放大200倍微觀結構如圖9所示。

圖9 水泥石樣品微觀結構圖Fig.9 Microstructure of hardened cement sample

由圖9可知，未振動水泥石斷面結構松散，存在明顯的裂紋，甚至存在較大的氣孔。振動后的水泥石基本沒有裂縫和氣孔，在空間上均勻分散，更加密實。因此振動后水泥石力學強度更高。

4 結 論

(1)試驗結果表明，機械振動對水泥石膠結強度、抗壓強度及抗拉強度提升效果非常明顯。振動頻率15 Hz、振動時間6 min、振動幅度3 mm時為最佳激振組合。各因素對水泥石強度影響為：振動頻率>振動幅度>振動時間。

(2)通過各因素單獨影響分析試驗，對于常規密度水泥漿，水泥石膠結強度隨參數變化影響最大。在振動頻率達到15 Hz、振動時間6 min、振動幅度3 mm前，水泥石強度都是提高的；繼續增大參數反而會有不利影響。

(3)水泥的密封性能與滲透率有關，機械振動能夠減小水泥石的滲透率；掃描電鏡結果表明，經過機械振動處理能夠有效消除水泥石內氣孔，減少裂紋，使水泥石更加均勻致密。