振动对水泥浆性能影响规律研究

李亚伟　高煜　曲刚　尹文波　王新峰

摘要：油气田开发中常常因为固井质量问题影响正常生产。振动固井是在下套管、注灰、顶替或候凝过程中，产生振动波作用于水泥浆来提高固井质量的一项新技术。文章介绍了常见的振动固井方式，并研究了振动套管对水泥浆性能的影响规律，为井下移动式振动器提高固井质量技术提供实验和理论基础。

关键词：水泥浆性能；振动固井方式；油气田开发；固井质量；影响规律 文献标识码：A

中图分类号：TE256 文章编号：1009-2374（2017）11-0237-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.119

1 概述

美、苏两国有关专家从20世纪80年代起就在试验中将振动应用到固井中，研究总结出许多有价值的结论，室内试验、地面模拟试验和现场试验都证明振动对提高固井质量是行之有效的。振动可排出水泥浆中的自由水和气泡，使水泥浆充分水化，提高其均匀度和密实性，在油水井套管环空形成更完整的水泥环，提高两个界面的胶结强度，达到提高固井质量的目的。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

目前，使用最为广泛的是水力脉冲振动器。水力脉冲式振动器作为套管串一部分随套管下入井内，通过液体的流动产生振动。它所起的作用主要体现在降低钻井液的粘度和提高顶替效率，同时对水泥浆充分混合，也起到一定的消除气泡作用，对固井中清洗、注灰和顶替这些环节具有积极的作用。

2.2 国内研究现状

目前国内振动固井装置主要有：

2.2.1 随行振动固井方法。在固井过程中随着橡胶塞套在套管中一边下行一边振动，当橡胶塞套下行到井底碰压浮箍停止后，橡胶塞套继续振动直至水泥浆初凝之前再停止其振动的工作。

2.2.2 井下水力自激振动脉冲发生器。包括安全防护装置和井下自激振动发生装置，安全防护装置由安全护罩构成，在安全护罩的上部设置有过流孔，井下自激振动发生装置包括自激荡腔和自激下座，设计了一种可以在固井施工中自动产生震动的井下水力自激振动脉冲发生器。

2.2.3 水力脉冲振动固井引鞋。主要由本体、水力振动发生器、固定螺钉、固定压环、防松螺钉和导引头组成，水力振动发生器由两个串联的双谐振腔体、振动滑块及弹簧组成，普通的高速紊流在水力振荡器（谐振腔体）的自激作用下转变为脉动射流，脉动射流和振动滑块的共同作用使套管产生径向和纵向振动。

3 振动套管对水泥浆性能影响规律

振动对水泥浆性能影响规律实验包括模具加工和器材配备、振动对抗压强度试影响试验和振动对胶结强度影响试验。

3.1 试验方案

3.1.1 模拟井下温度、压力，在增压稠化仪上稠化1小时，模拟固井施工过程。

3.1.2 在模拟井下温度和压力条件下，测试振动套管对水泥石强度的影响。

3.1.3 在模拟井下温度和压力条件下，测试振动套管对界面胶结强度的影响。

3.2 试验过程

3.2.1 模具加工和器材配备。实验工具及器材配备：水泥浆高温养护釜、振荡器及测试台架、抗压模具、胶结强度模具、岩心棒、水泥浆搅拌器等。

3.2.2 水泥浆内部温度传导速度测试。首先进行了水泥浆内部温度传导速度测试，保温釜水温60℃，环境温度15℃，将配好的水泥浆试样放入保温釜中，测试表明，50分钟后，水泥试样中心温度达到并维持在55℃。

3.2.3 振动对抗压强度试影响试验。水泥浆体系：G降水泥浆体系；水灰比44%。

将混配好的G降水泥浆倒入模具中，养护侯凝24小时，对形成的水泥环进行抗压强度测试，作为对比试验样，测试结果如下：

养护侯凝1小时后对其进行机械振动3分钟，继续养护23小时，作为振动试样01，测试结果如下：

养护侯凝2小时后对其进行机械振动3分钟，继续养护22小时，作为振动试样02，测试结果如下：

养护侯凝3小时后对其进行机械振动3分钟，继续养护21小时，作为振动试样03，测试结果如下：

试验表明，对已侯凝2小时以内的水泥浆进行振动处理，生成水泥环后抗压强度平均提升4%，对2小时之后的水泥浆效果不明显。

3.2.4 振动对胶结强度影响试验。

将混配好的G降水泥浆倒入带有岩心棒的专用模具中，养护侯凝24小时，对岩心棒周围形成的水泥环施加轴向压力使其脱离岩心棒，记录压力数值，作为对比试验样，测试结果如下：

养护侯凝2小时后对其进行机械振动3分钟，继续养护22小时，作为振动试样01，测试结果如下：

养护侯凝3小时后对其进行机械振动3分钟，继续养护21小时，作为振动试样02，测试结果如下：

试验表明，对已侯凝2小时以内的水泥浆进行振动处理，生成水泥环与岩心棒胶结强度平均提升7%，对2小时之后的水泥浆效果不明显。

最后测得对候凝1小时内振动的水泥试样抗压强度和胶结强度平局值均大于未振动的水泥試样，本试验中振动试样的抗压强度值均满足对产层段水泥石抗压强度的要求。

4 结语

本研究通过测试振动对水泥抗压强度和胶结强度的影响，揭示套管振动对水泥浆性能的影响规律，测试分析套管振动时间对固井质量的影响特性，为振动提高固井质量技术提供实验基础。

参考文献

[1] 张希峰.井下水力振动固井装置及在油田中的应用[J].机械工程师，2016，（10）.

[2] 陈杰，王学良，王恩合，等.动态振动固井技术的研究与应用[A].2011年度钻井技术研讨会暨石油钻井院所长会议论文集[C].2011.

作者简介：李亚伟（1990-），男，山东烟台人，供职于中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，研究方向：石油机械设备。

（责任编辑：小 燕）