机械振动对弃置井水泥塞性能影响的试验研究*

马西旗 王 超 徐鸿飞 高明星 刘占鏖 易先中 刘航铭

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2.长江大学机械工程学院)

0 引 言

弃井是一口井生命周期中不可避免的阶段。大量生产井经过若干年的油、气开采后，达到生产年限末期，急需弃置作业处理[1-2]。目前，对弃置井的处理大多使用封固材料进行永久封堵，以实现油气的封隔。常用的封固材料有油井水泥、钻井液、膨润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，在实际作业中广泛使用[4-6]。

水泥塞封堵弃置井筒往往面临着复杂的地层环境，许多地区井底温度高、压力高，在高温高压条件下，水泥石会加速老化，强度容易衰退。针对各类恶劣环境，国内外工程师研制出了相应的特种水泥浆。D.G.CARDNO等[7]通过在水泥浆中添加硅酸盐，证明添加适当硅酸盐可以在一定程度上改善水泥与套管的胶结界面。赵军等[8]研发出一种抗高温且防CO2及H2S腐蚀的水泥浆体系，并在油田现场成功应用。张兴国等[9]研制了一种温敏性膨胀微胶囊防气窜剂，添加量不小于2%时能弥补水泥水化过程中的体积收缩，并且水泥具有良好的防气窜性能。

为了确保水泥塞密封的完整性，科研人员对注水泥过程进行了试验研究。K.HARESTAD等[10]研发了注水泥塞工具，该工具能有效防止水泥浆流向工具下部井筒，从而提高水泥塞封固质量。D.DENNEY[11]发明了一种注水泥塞封堵弃置井的有效方法，通过在未固井套管处射孔，冲洗套管外环空，实现高效率的注水泥塞封堵。Z.S.ARACKAKUDIYIL等[12]研发了一种智能桥塞技术，可远程控制传达指令，通过控制压力实现智能桥塞的开启或关闭，有效控制井筒内部压力。

笔者创新性地提出将机械振动技术应用到弃置井封堵作业中，以此来改善封堵水泥塞的力学性能。在弃置井目标封堵井段下入水泥桥塞，注水泥的同时使用振动器直接振动水泥浆，通过振动作用，排出水泥浆中携带的空气，防止水泥浆出现沉积现象。同时设计了室内模拟试验，对比分析不同振动频率、振动时间及振动幅度等参数组合下，水泥石力学性能的变化规律，利用电镜扫描观察水泥试样断面微观结构在振动后的变化。所得结论可为水泥塞封堵作业模拟试验提供重要的基础数据，具有工程指导意义。

1 机械振动对封堵水泥石性能影响机理

在试验之前，首先分析机械振动影响水泥石性能的机理，确保试验是有意义的。从宏观角度分析，机械振动产生的振动波将能量传递到水泥浆颗粒间，改变其相互作用关系，进而影响凝固后水泥的性能。在水泥浆搅拌、灌浆完成后，内部存在空隙和气泡，在激振力作用下，水泥浆内部的空气逐渐上升排出，内部的有害孔减少；激振力能有效抑制水泥团聚现象，使水泥浆在整个体系中均匀分布，继而保证水泥浆凝固后在空间上强度分布均匀[13-16]。

从微观角度分析，机械振动能够促进水泥的水化反应，使生成的水化产物有效填充水泥内部的微小孔隙，提高水泥的密实度。水泥与水混合后其中的熟料矿物会与水发生化学反应，形成水化物，产生大量的C-S-H凝胶分布在水泥矿物颗粒之间。同时，水化反应生成的产物还有Ca(OH)2晶体，这些水化产物会将水泥矿物颗粒覆盖，阻碍水化反应进一步发生。此时施加适当激振力，剥离吸附在未水化的水泥颗粒表面的水化产物，促进水泥充分水化。振动后，C-S-H凝胶充填在水泥矿物颗粒间的孔隙中，使水泥更加密实，以提高水泥强度。

2 试验方案

2.1 试验设备

为了模拟弃置井封堵水泥浆在初凝前机械振动对其性能的影响，搭建了机械振动试验平台，如图1所示。

1—振动台；2—磁力配重块；3—振动传感器；4—ABB变频器；5—信号采集器；6—计算机。图1 变频振动试验装置Fig.1 Variable frequency vibrator

本次试验的变频振动装置主要由振动台、磁力配重块、振动传感器、信号采集器、ABB变频器和计算机组成。振动台通过ABB变频器实现振动频率的调节，配合磁力配重块可调节振动幅度，并且能够对振动信号实时采集、存储与分析。

2.2 试样制备

本次试验材料选用四川嘉华G级油气井专用水泥作为原材料制作试验试样。按照GB/T 19139—2012 《油井水泥试验方法》进行试件制备。水灰比0.44混浆，搅拌均匀，得到密度为1.9 g/cm3的水泥浆。

将水泥浆均匀倒入内径50 mm、高120 mm的圆柱模具内，在模具顶部留20 mm余量，用于制备胶结强度测试的水泥试样。将水泥浆均匀倒入150 mm×150 mm×150 mm的正方体模具，用于制备抗压、抗拉及渗透率测试的水泥试样。在水泥浆装入模具后，将模具放在预先设置好振动参数的振动台上。由于振动在水泥浆刚浇筑不久后进行，水泥浆处于流动状态，所以采用带模振动方法，连同模具一起固定在振动台上。每一组振动参数下经过振动处理的试样，在24 h后进行脱模。将脱模后的试样置于常温常压下养护7 d。另外，需制作一组未振动试样用于对比分析。每组均有3个试样，每一组数据均为3次试验结果的平均值。

通过振动前、后对比，可以直观地看到，振动后的水泥浆试样上层浮有白色气泡。这是因为在振动作用下，水泥浆中的气泡被振破或者排出，使得振动后的水泥浆颗粒间隔更小，水泥浆更加密实。

水泥试样养护完成后，通过岩石水钻机对150 mm×150 mm×120 mm的正方体试样取心，得到4块外径为50 mm的圆柱试样。使用岩石切割机将钻取出的试样进行切割，得到3块长100 mm的圆柱试样，用于抗压强度测试；得到3块长25 mm的圆柱试样，用于抗拉强度测试。

2.3 胶结强度测试

套管与水泥石之间是通过接触界面间的胶结力来实现两者间力的传递和变形协调的，所以套管-水泥石的工作性能取决于套管与水泥石之间的胶结作用。一般情况下，胶结力是一种组合力，主要由化学胶结力、摩擦力和机械咬合力组成[17]。①化学胶结力：在浇注后，由于水泥浆体对钢管表面氧化层的渗透以及随着水化反应的进行，水泥晶体生长和硬化，进而会形成化学胶结力；②摩擦力：水泥浆凝固后会对套管产生挤压作用，从而在套管与水泥石间产生摩擦力；③机械咬合力：水泥与套管接触时表面会发生物理咬合，出现机械咬合力。在胶结面破坏过程中，化学胶结力会在界面间产生滑移时立即消失，机械咬合力承担大部分胶结力。

试样经过7 d养护后开始进行水泥石性能测试。用于胶结强度测试的试样使用定制固定工具，将试样固定在电液伺服万能试验机上，试验过程中采用位移加载，在1.2 mm/min压缩速度下将内部水泥石从钢管中挤出，进行胶结强度测定。

水泥石胶结强度测试试验力-位移曲线如图2所示。OA段随着位移载荷逐渐变大，试验力近似线性增大，到A点时到达最大值。随后载荷曲线下降，胶结开始逐渐破坏，到B点时完全破坏，界面间只有摩擦力作用。B点后水泥石进一步被挤出，摩擦力逐渐减小。

图2 胶结强度测试试验力-位移曲线Fig.2 Force-displacement curve of cementing strength test

胶结力的大小和水泥石与套管的接触面积成正比，因此胶结强度更能反映水泥石与套管的胶结状况。水泥石胶结强度计算式为[18]：

(1)

式中：p1为水泥石胶结强度，MPa；F1为液压机最大试验力，即胶结力，N；S1为水泥石与套管的接触面积，mm2。

2.4 抗压强度测试

在弃置井封堵工程中，油气井水泥石抗压强度是评价封堵质量重要的指标之一，科研工作者一直致力于如何提高水泥石的抗压强度。本文研究振动条件下抗压强度变化，进行单轴抗压试验。抗压强度测试参照ASTM C39—1996标准[19]，加载速度为0.6 mm/min，直至试验力下降超过峰值的60%停止试验。

水泥石抗压强度测试试验力-位移曲线如图3所示。

图3 抗压强度测试试验力-位移曲线Fig.3 Force-displacement curve of compressive strength test

在载荷作用下水泥逐渐被压缩变形，在A点水泥石到达抗压极限。AB段试样进入破坏阶段，曲线急剧下降。水泥石沿着力加载方向出现裂纹，随后破碎。抗压强度计算式为：

(2)

式中：p2为水泥石抗压强度，MPa；F2为试件破坏载荷，N；S2为水泥石受压面面积，mm2。

2.5 抗拉强度测试

水泥石抵抗拉应力破坏的能力表现为抗拉强度。由于水泥石本身固有的材料属性，水泥石的抗拉强度要远小于抗压强度。通常进行水泥石巴西劈裂试验，用劈裂抗拉强度来表示水泥石的抗拉强度。试验方法参照 ASTM C496—1996标准[20]，加载速度为0.6 mm/min，直至试样破坏停止试验。

图4是抗拉强度测试试验力-位移曲线。OA段试样开始弹性变形，在A点达到载荷峰值，之后进入失稳破坏阶段。微小裂缝首先从试样内部产生，随后向两端迅速延伸。抗拉强度计算式为[21]：

图4 抗拉强度测试试验力-位移曲线Fig.4 Force-displacement curve of tensile strength test

(3)

式中：p3为水泥石抗拉强度，MPa；F3为试件破坏载荷，N；D为试件直径，mm；h为试件厚度，mm。

2.6 渗透率测试

水泥石试样渗透率使用气体渗透率仪进行测试。将试样放入岩心夹持器的胶套内，试验装置连接完整保持密封，并测量室温。给试样施加环压，保证环压始终大于气体驱替压力1～2 MPa。打开气源瓶，读取3个压力点出口端气体流量值，分别计算出渗透率，取平均值。气体渗透率计算式为：

(4)

式中：Kg为气体渗透率，mD；μ为气体黏度，mPa·s；l为岩心长度，cm；A为岩心截面积，cm2；Qg为气体测定流量，cm3/min；p0为大气压，MPa；pg为气体驱替压力，MPa。

2.7 SEM微观结构

水泥石试样使用JSM-IT300A扫描电镜进行微观结构分析，要将水泥石试样制备成直径小于3 cm、厚度小于1 cm较为规则的碎块，并对碎块表面进行喷金处理。在高真空条件下对样品断面分别进行放大扫描成像。

3 结果与分析

3.1 各因素对水泥石力学性能影响的正交试验

弃置井下入水泥塞封堵后，水泥塞与套管界面的胶结强度、水泥塞抗压强度及抗拉强度都是影响封堵质量，保证井筒密封完整性的关键参数。为分析振动频率、振动时间和振动幅度对封堵水泥塞性能的影响，首先开展正交试验，分析机械振动各参数影响水泥石性能的一般规律，得到机械振动的最佳参数。在此基础上，通过单一变量控制试验方法，分别分析振动三因素的影响规律。

本试验考察3个因素对水泥塞力学性能的影响效果，每种因素考虑5种水平的影响，为3因素5水平的正交试验，选取L25(56)正交表，共设计26组试验，试验方案及结果如表1所示。表1中，0号试验为未振动的对比试验。试验设计时振动频率取5、10、15、20及25 Hz，振动时间取2、4、6、8及10 min，振动幅度取值1、3、5、2及4 mm。

表1 正交试验方案及结果Table 1 Orthogonal test scheme and results

不同振动参数对试样胶结强度、抗压强度及抗拉强度增幅效果的影响如图5所示。

图5 水泥石力学性能对比曲线Fig.5 Mechanical property comparison curve of hardened cement

由图5可以看出，经机械振动后各组水泥石的强度相较于未振动均有明显提高，其中振动频率15 Hz、振动时间6 min、振动幅度3 mm时(试验组13)增强效果最为明显，胶结强度提高了51%，抗压强度提高了38%，抗拉强度提高了20%。通过正交试验的极差分析，各因素对水泥石强度的影响为：振动频率>振动幅度>振动时间。

为进一步研究单一振动因素对水泥石力学性能的影响，在振动频率15 Hz、振动时间6 min及振动幅度3 mm试验组条件下，分别研究振动频率、振动时间及振动幅度在一定范围内变化时水泥石的力学性能。试验方案如表2所示。

表2 对比试验方案Table 2 Comparative test scheme

3.2 振动频率对水泥石力学性能的影响

水泥石强度增幅随振动频率的变化如图6所示。由图6可知，在振动频率较低时，随着振动频率加快，水泥石强度逐渐增加，在10 Hz时，抗压强度小幅度降低。在15 Hz振动频率下，水泥石强度增幅最大。在振动频率达到15 Hz以后，继续增大振动频率反而会有不利影响，所以振动频率在15 Hz最为合适。

图6 振动频率与水泥石力学性能变化曲线Fig.6 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration frequency

3.3 振动时间对水泥石力学性能的影响

通过振动时间对水泥石力学性能影响试验，绘制不同时间下水泥石力学性能变化曲线，结果如图7所示。从图7可以看出，经过机械振动后，水泥石的强度相比未振动处理试样有了大幅度提升。在2～4 min时间内，水泥石强度随着时间变化迅速提升，在到达6 min时趋于稳定。6 min之后继续振动对水泥石性能影响不大，所以振动时间达到6 min即可。

图7 振动时间与水泥石力学性能变化曲线Fig.7 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration time

3.4 振动幅度对水泥石力学性能的影响

水泥石强度增幅随振动幅度的变化如图8所示。由图8可以看出：在振动幅度增大时，水泥石强度迅速提升，振动幅度3 mm时曲线达到峰值；继续加大振动幅度，水泥石强度增幅将大幅度下降，其中胶结强度增幅下降达到17%。这是因为过大的振动幅度会导致水泥出现离析、泌水，从而导致强度下降。

图8 振动幅度与水泥石力学性能变化曲线Fig.8 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration amplitude

3.5 机械振动对水泥石渗透率的影响

由正交试验结果可知：在振动频率15 Hz、振动时间6 min及振动幅度3 mm与振动频率25 Hz、振动时间8 min、振动幅度3 mm的振动参数下，水泥石性能最优；在振动频率5 Hz、振动时间10 min、振动幅度4 mm与振动频率25 Hz、振动时间10 min及振动幅度5 mm的振动参数下性能较差。因此，选取以下5组试样进行水泥石渗透率测试，结果如表3所示。

表3 渗透率测试结果Table 3 Permeability test results

表3中试验组1、2、3及4的振动参数如下：试验组1振动频率5 Hz、振动时间10 min、振动幅度4 mm；试验组2振动频率15 Hz、振动时间6 min、振动幅度3 mm；试验组3振动频率25 Hz、振动时间8 min、振动幅度3 mm；试验组4振动频率25 Hz、振动时间10 min、振动幅度5 mm。

测试结果表明：未振动时渗透率为2.67×10-3mD，试验组2渗透率最小，相比于未振动的水泥试样，振动后各组试样渗透率均明显减小。水泥石的渗透率大小与孔隙半径有关，渗透率越小，孔隙就越小，水泥的密封性能就越好。

3.6 机械振动对水泥石断面微观结构的影响

采用扫描电镜测试的方法分析水泥石振动前、后的微观结构，其断面放大200倍微观结构如图9所示。

图9 水泥石样品微观结构图Fig.9 Microstructure of hardened cement sample

由图9可知，未振动水泥石断面结构松散，存在明显的裂纹，甚至存在较大的气孔。振动后的水泥石基本没有裂缝和气孔，在空间上均匀分散，更加密实。因此振动后水泥石力学强度更高。

4 结 论

(1)试验结果表明，机械振动对水泥石胶结强度、抗压强度及抗拉强度提升效果非常明显。振动频率15 Hz、振动时间6 min、振动幅度3 mm时为最佳激振组合。各因素对水泥石强度影响为：振动频率>振动幅度>振动时间。

(2)通过各因素单独影响分析试验，对于常规密度水泥浆，水泥石胶结强度随参数变化影响最大。在振动频率达到15 Hz、振动时间6 min、振动幅度3 mm前，水泥石强度都是提高的；继续增大参数反而会有不利影响。

(3)水泥的密封性能与渗透率有关，机械振动能够减小水泥石的渗透率；扫描电镜结果表明，经过机械振动处理能够有效消除水泥石内气孔，减少裂纹，使水泥石更加均匀致密。